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加工中心回轉工作臺轉位的閉環(huán)控制
閱讀：146 發(fā)布時間：2020-8-11引 言
應用于冶金行業(yè)中的各種鋸片被統(tǒng)稱為冶金鋸片。在鋸片的加工工藝中，銑齒是影響冶金鋸片終分度精度的關鍵工序之一，而分度精度決定產(chǎn)品在空間的角度位置，很大程度上決定冶金鋸片的產(chǎn)品質(zhì)量， 因此提高冶金鋸片加工中心分度精度有很重要的現(xiàn)實意 義。普通鋸齒加工中心大多采用開環(huán)控制，其分度精度較 低。為提高分度精度，本文設計了一種基于單片機的回轉工作臺轉位閉環(huán)控制系統(tǒng)。
編碼器是將信號或數(shù)據(jù)進行編制、轉換為可用以通訊、傳輸和儲存的信號形式的設備。步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的控制元件。單片機控制端口輸出電脈沖的數(shù)量及其頻率的大小決定了電動機轉子角位移的大小和轉速的高低，兩者成正比關系，而繞組的通電順序則決定了電動機的轉向。因此，通過控制輸入電脈沖的數(shù)目、頻率及電動機繞組的通電順序就可以獲得所需要的轉角、轉速及轉向，可以很容易地實現(xiàn)步進電機的數(shù)字控制［１］，系統(tǒng)幾乎不受電壓和環(huán)境溫度等因素的影響，控制誤差小，穩(wěn)定性高。隨著單片機技術的日益成熟，基于單片機的控制系統(tǒng)在各個領域得到了廣泛的應用，特別適合應用于性能穩(wěn)定、誤差率低、響應迅速的系統(tǒng)當中。故本文設計了以單片機作為核心、編碼器作為測量元件、步進電機作為執(zhí)行元件的加工中心回轉工作臺的閉環(huán)控制系統(tǒng)。
１ 加工中心分度系統(tǒng)
此次設計的冶金鋸片加工中心分度系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)等部分構成。加工中心回轉工作臺轉位的閉環(huán)控制總體結構如圖１所示。
圖１ 加工中心分度系統(tǒng)的閉環(huán)控制總體結構示意圖
其中控制系統(tǒng)以 ＳＴＣ８９Ｃ５２ 單片機為核心，動力系統(tǒng)由步進電機和驅(qū)動組成，傳動系統(tǒng)則由減速器和主軸構成。此外對原先 Ｘ５２１６ 的主軸傳動結構進行了重新設計及優(yōu)化，在滿足加工精度使用要求的前提下設計電機與主軸同向傳動，縮短了傳動鏈，減少了傳動過程中所造成的誤差。因為考慮到所選用三相步進電機步距角為 １．２°，不足以滿足加工中心多樣加工的要
求，因此自行設計了一套傳動比ｉ＝１２０ 的三級減速器。為了進一步提升加工中心分度精度，相比于原來加工中心
開環(huán)控制結構，新的回轉工作臺系統(tǒng)加入了編碼器，使整個系統(tǒng)構成一個閉環(huán)控制，增加了系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和精確程度。根據(jù)所選用的步進電機功率和額定電流參數(shù)，綜合考慮選用了驅(qū)動器３ＤＭ２２８３，該驅(qū)動器
采用了３２位ＤＳＰ 技術，可以設置４００～５１２００內(nèi)的細分以及額定電流內(nèi)的任意電流值，能夠滿足大多數(shù)場合的應用需要。
２ 分度系統(tǒng)主要組成部分的確定
２．１ 編碼器
根據(jù)冶金銑齒時的分度精度±２′的要求，綜合各方面因素選擇了德國海德漢公司生產(chǎn)的 ＲＯＮ２７５型角度編碼器，它的系統(tǒng)精度可以達到±５″，采用 ＴＴＬ 電平接口，有一個參考點。供電電源為５ＶＤＣ，固有頻率≥
１２００ Ｈｚ，滿足使用要求。為了避免角度編碼器的軸承受力過大，減少軸向運動和軸之間的不對正誤差，選擇用分離式聯(lián)軸器聯(lián)接驅(qū)動軸與編碼器。為確保測量的高精度，使編碼器軸與驅(qū)動軸對正非常重要。角度編碼器有帶定心環(huán)的內(nèi)置安裝法蘭，編碼器軸通過膜片式聯(lián)軸器和扁平聯(lián)軸器連接驅(qū)動軸。編碼器安裝示意圖如圖２所示。
１－ 回轉工作臺；２－ 驅(qū)動軸；３－ 聯(lián)軸器；４－ 編碼器
圖２ 編碼器安裝示意圖
２．２ 步進電機
根據(jù)機床回轉平臺主軸電機啟動扭矩≥１８ Ｎｍ的要求，綜合經(jīng)濟性考慮選用了雷賽科技的１１０ 系列三相步進電機。該電機克服了傳統(tǒng)電機低速爬行、共振區(qū)明顯、噪聲大、高速扭矩小、啟動頻率低等缺點，具有伺服的某些特點。該電機的保持扭矩可以達到２０Ｎｍ，步距角為１．２°，步距角精度可以達到０．０６°，配合減速器的使用，可以很好地滿足實際使用要求。
２．３ 單片機
本系統(tǒng)控制相對簡單，選用了８位單片機，考慮到編碼器有３ 路信號 Ｚ、Ａ、Ｂ，并且由于５２ 系列單片機有３個定時計數(shù)器 Ｔ０、Ｔ１ 和 Ｔ２，所以相應地 Ｚ、Ａ、Ｂ可分別接入Ｔ0 、Ｔ1 、Ｔ2 計數(shù)器進行計數(shù)和后續(xù)處理。所以本次系統(tǒng)的改造設計當中采用了 ＳＴＣ 公司生產(chǎn)的ＳＴＣ８９Ｃ５２ 單片機，該單片機具有結構簡單、成本低、使用方便、穩(wěn)定性高等特點。此外 ＳＴＣ８９Ｃ５２ 內(nèi)部程序儲存空間達到８ｋＢ，是５１ 系列單片機的兩倍，同時還支持 ＭＣＳ５１ 系列單片機的所有功能，滿足系統(tǒng)使用要求。
３ 閉環(huán)控制系統(tǒng)
３．１ 閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成
由于老式加工中心回轉工作臺分度機構多采用機械式分度機構，多為開環(huán)控制系統(tǒng)，因此系統(tǒng)的控制精度相對較低，系統(tǒng)簡單，抗*力差，加工精度不高。此次設計除了對其控制和驅(qū)動裝置以及機械結構有所改進外，系統(tǒng)中還加入了編碼器，對整個加工過程有一個實時的檢測和反饋，構成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖３所示。采用閉環(huán)控制，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和自我修正能力，提高了加工精度，改善了系統(tǒng)的抗*力，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
圖３ 閉環(huán)控制系統(tǒng)
本系統(tǒng)主要以 ＳＴＣ８９Ｃ５２ 單片機為核心和主控制器，選用三相步進電機和３ＤＭ２２８３ 驅(qū)動器組成電機和驅(qū)動系統(tǒng)，由旋轉編碼器作為檢測元件。
３．２ 轉位閉環(huán)控制系統(tǒng)的硬件連接
編碼器是集光機電技術于一體的速度位移傳感 器，在檢測長度和旋轉角度等方面得到廣泛的應用。通常其輸出有 Ａ、Ｂ、Ｚ 三相脈沖。Ａ、Ｂ 相脈沖依旋轉方向不同而造成理想相位差分別為±９０°，通過比對兩 者的相位差，用來區(qū)分電機的正、反轉。同時通過與 Ｚ 相脈沖信號的比對可以確定當前的回轉位置，從而提 高回轉精度。編碼器每轉動一圈發(fā)出一個Ｚ 相脈沖， 可用它作為機械零位檢測［２］，同時也可以用來作為系統(tǒng)結束的標識信號。
控制系統(tǒng)用到了５２ 系列單片機的Ｔ0 、Ｔ1 、Ｔ2 三個定時計數(shù)器，它們分別記錄編碼器的Ｚ、Ａ、Ｂ 脈沖信號。通過單片機調(diào)整步進電機的驅(qū)動脈沖信號，從而 對銑齒加工分度精度進行精確控制，實現(xiàn)回轉工作臺 的閉環(huán)控制。本次回轉工作臺閉環(huán)控制系統(tǒng)選用的步進電機步距角為１．２°，在未選用細分驅(qū)動的前提下，單片機控制端口每輸出一個脈沖則電機轉動１．２°。已知減速器傳動比為１／１２０，所以一個脈沖轉動的角度１．２°／１２０＝０．０１°。那么轉動一周所需要的電子脈沖數(shù)為３６０°／０．０１°＝３６０００。如果分度數(shù)為ｎ，那么一個分度數(shù)所需的電子脈沖數(shù)為３６０００／ｎ［３］。
驅(qū)動器的ＰＵＬ－、ＤＩＲ－、ＥＮＡ 分別與單片機的Ｐ１．１、Ｐ１．２、Ｐ１．３接口連接，單片機通過這３ 個引腳與３ＤＭ２２８３進行數(shù)據(jù)交換。同時，３ＤＭ２２８３ 的 ＰＵＬ＋、ＤＩＲ＋、ＥＮＡ＋接口分別接５ ＶＤＣ。轉位閉環(huán)控制系統(tǒng)硬件連接圖如圖４ 所示，驅(qū)動器接入２２０ Ｖ 交流電用以驅(qū)動步進電機，ＰＥ 端接地線，同時 Ｕ、Ｖ、Ｗ 端口接入三相步進電機。
本次研究選用了１１０ 系列三相步進電機，它的控制等效電路如圖５所示。三相步進電機有３條勵磁信號引線 Ａ、Ｂ、Ｃ，其轉動由這３ 條引線上勵磁脈沖產(chǎn)生的時間決定，每出現(xiàn)一個脈沖信號，步進電機轉過一個脈沖角。要想實現(xiàn)步進電機的連續(xù)轉動，只要通過單片機控制步進電機驅(qū)動器依序不斷地向步進電機送出脈沖信號即可。通過控制繞組的通電順序來控制電機的轉向，通過調(diào)整脈沖信號的頻率來控制步進電機的轉速，頻率越高則電機轉速越快。正向轉動的通電順序為 Ａ－ＡＢ－Ｂ－ＢＣ－Ｃ－ＣＡ，反向轉動的通電順序為 Ｃ－ＣＢ－Ｂ－ＢＡ－Ａ－ＡＣ 。
圖４ 轉位閉環(huán)控制系統(tǒng)硬件連接圖
圖５ 步進電機的控制等效電路
通過各硬件模塊的搭建，初步具備了實現(xiàn)加工中心分度精度系統(tǒng)閉環(huán)控制的條件。通過 ＭＣＳ－５１單片機的匯編語言可以實現(xiàn)系統(tǒng)初始化，歸零點子程序，Ｔ0 、Ｔ1 、Ｔ2 定時計數(shù)器的數(shù)據(jù)采集分析，步進電機控制脈沖的發(fā)生等模塊的控制，從而實現(xiàn)對加工中心分度機構的閉環(huán)控制，進而實現(xiàn)對回轉位置的精確控制。閉環(huán)控制系統(tǒng)程序流程如圖６所示。
５ 分度系統(tǒng)抗干擾設計
由于在加工車間之中同時存在眾多的大功率用電設備，例如各類機床、電焊機、高功率電機、繼電器等， 這些設備的動作會造成電磁干擾、機械干擾、噪聲干 擾、光干擾等，影響本系統(tǒng)平穩(wěn)運行，破壞了分度系統(tǒng)的精度，因此必須采取有效措施來排除這些干擾。
通過設置隔離變壓器、交流凈化電源、低通濾波器 等裝置，來降低電網(wǎng)干擾對系統(tǒng)的影響。將電路板所 用開關電源的直流全部浮空，對硬件采取合理的布置，
信號走線統(tǒng)一從左向右。用地線將各部分隔離開來， 從而減少高頻脈沖信號及電磁離合器對分度系統(tǒng)的影響。通過設計光電隔離電路來實現(xiàn)單片機電路Ｉ／Ｏ端口與步進電機驅(qū)動器接口以及光電編碼器接口的電平轉換和隔離。為了濾除高頻和低頻的干擾，對電路板上的＋５Ｖ 和＋２４Ｖ 的電源入口接入０．０１μＦ 的瓷片電容和１００μＦ 的電解電容。為防止電壓波動和執(zhí)行程序跑飛影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，為單片機系統(tǒng)設置看門狗電路，使得單片機電路在遇到故障時能夠自動復位， 起到保護系統(tǒng)的作用。
圖６ 閉環(huán)控制系統(tǒng)程序流程
結束語
此次研究基于ＳＴＣ８９Ｃ５２單片機，利用３ＤＭ２２８３驅(qū)動器和１１０系列三相步進電機以及編碼器對傳統(tǒng)的加工中心分度工作臺進行了改造升級。使之由過去的開環(huán)控制系統(tǒng)升級為閉環(huán)控制系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，改進了銑齒加工的分度精度。利用５２系列單片機有３個定時計數(shù)器的特點，直接與編碼器的三路信號相連，記錄加工中心回轉平臺的旋轉情況，繼而對步進電機的脈沖信號進行調(diào)整，進一步控制電機進行補償，從而提高了分度精度，使系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性得到提高。