一种小型雕刻机低成本实现闭环控制方案的研究
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《装备制造技术））２０１６年第０７期 一种小型雕刻机低成本实现闭环控制方案的研究 卢桂萍，赖坤钰，宋圳基，孙妍 （北京理工大学珠海学院工业自动化学院，广东珠海５１９０８８）
摘要：介绍了一种小型雕刻机低成本实现闭环控制的方案，通过在运动部件上固定同步带一端，编码器输入轴上安装 同步轮，同步带与同步轮啮合实现传动，Ａ，ｋｒ￣实现编码器对运动部件的位置信息检测的方法实现反馈。通过主控单片机 的程序算法根据编码器信息对步进电机进行实时调节从而实现闭环控制，最终可以以低成本实现闭环控制。相比于行业 上常用的光栅尺和磁栅尺作为位置检测传感器，与伺服电机组成闭环控制的方式，所介绍的闭环控制方案在成本上有极 大的优势。 关键词：雕刻机；闭环控制；低成本；同步带
中图分类号：ＴＰ２４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—５４５Ｘ（２０１６）０７—００３１—０４
雕刻机作为一种加工设备，其精度和精度稳定 性需在各种加工工况下得到保证，才能实现高精度 的加工。而市面上在售的小型雕刻机常用的驱动单 元为步进电机和伺服电机，传动方式为滚珠丝杠螺 母副或齿轮齿条副，其所能实现的控制方式只是开 环或者半闭环控制，在进给过大或者意外撞击时发 生有可能会发生丢步或者机构形变导致产生加工误 差，而这些误差的产生并不能由雕刻机的控制器检 测到，所以这些误差是不可控的而且不能作任何的 补偿 ｚｊ。行业里常用的有光栅尺和磁栅尺作为位置 检测传感器，与伺服电机组成闭环控制，这两种方案 可以实现高精度的检测，但是造价成本高，不适宜应 用于低成本的小型雕刻机上【３Ｊ，本文介绍一种低成本 的闭环控制方案，采用步进电机和编码器组成的闭 环控制方式。图１所示为全自动雕刻机。
图１本文设计的雕刻机
１原理 实现闭环控制则需要直接检测运动部件的位置 信息，本文所采用的方法为编码器和同步带组合，具 体实现方案是将同步带固定在运动部件上，编码器输 入轴上安装有同步轮，同步带与同步轮啮合实现传 动，从而实现编码器对运动部件的位置信息检测【４＿５１， 如图２所示
图２ Ｙ轴闭环结构示意 １．１编码器控制方法 编码器以欧姆龙Ｅ６Ｂ２一ＣＷＺ６Ｃ为例，该编码器 的分辨率，共有３路信号输出，分别为Ａ相、Ｂ相、ｚ 相，其中Ａ相和Ｂ相每旋转一周都会输出２０００个脉 冲，而且两路信号间隔，Ｔ为１圈３６０。，可以根据Ａ 相和Ｂ相的信号先后确定旋转方向，ｚ相为每旋转一 圈则输出１个脉冲，如图３所示。
收稿日期：２０１６—０４—０７ 基金项目：广东省“千百十”人才培养工程 作者简介：卢桂萍（１９７６一）女，吉林东辽人，硕士学位，副教授，研究方向为虚拟现实与网络化制造，机电一体化。
３１ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｎｏ．０７，２０１６ 旋转方向：ＣＷ 旋转方向：ＣＣＷ （从轴倒卷右转） （从轴倒卷左转）
。Ｔ（３６０￣） 查 Ｔ（３６０。） ＯＮ ｝ ＯＮ Ｉ Ａ相ＯＦＦ—一Ｌ—ｊ Ｌ— Ａ相０Ｆ 一一一一Ｌ—Ｌ～
Ｂ相ＯＮ Ｂ相ＯＮ ００ Ｃ相ＯＦＦ ！｝ＬＪ Ｌ—Ｃ相ＯＦＦ—一：ＬＪ Ｌ＿＿』 ＝ 州９ｏ 丰 腮 ９０
注：Ａ相比Ｂ相前 注：Ａ相比Ｂ相滞后 １／４￣１／８．ｒ相位 １／４￣１／８Ｔ相应
（动作网的ＯＮ、ＯＦ＇／＂表示 输ｍ晶体管的ＯＮ、０ＦＦ）
图３编码器信号定义 １．２同步轮设计 同步轮选用型号为为ＨＴＤ一３Ｍ，齿数为２２的同 步轮，其外径ｄ。＝２０．２５ ｍｍ，选用的同步带的厚度 ｈ。：０．５ ｍｍ，则可知该结构可对运动部件实现的分 辨率为： （２０．２５＋０．５）×叮Ｔ —— 丽
控制核心选用意法半导体生产的ＳＴＭ３２Ｆ２１７单 片机，利用单片机的定时器功能中的正交编码模式 对编码器输出的脉冲进行计数，配置其计数模式为 ＴＩＭ编码模式３，即对所有边缘都进行计数，所以编 码器每旋转１／２ ０００圈单片机则可以捕获４个有效 信号，所以２ ０００Ｐ／Ｒ的编码器可以实现４倍频的检 测，即８ ０００ Ｐ／Ｒ的分辨率，那么最终该结构和单片 机的组合可以实现的分辨率为： Ｐｌ＝Ｐ×１／４＝０．００８ １５ ｍｍ ０．０３２ ６ ｍｍ／ｐ
２获取位置信息 以ＳＴＭ３２Ｆ２１７单片机为例，共有１４个定时器， 其中有８个定时器可用于正交编码计数，分别为： ＴＩＭ１、ＴＩＭ２、ＴＩＭ３、ＴＩＭ４、ＴＩＭ５、ＴＩＭ８、ＴＩＭ９、ＴＩＭ１２； 有１０个定时器可用于脉冲输出用于步进电机的驱 动，分另０为：ＴＩＭ１、ＴＩＭ２、ＴＩＭ３、ＴＩＭ４、ＴＩＭ５、ＴＩＭ８、 ＴＩＭ９、ＴＩＭ１０、ＴＩＭ１１、ＴＩＭ１２、ＴＩＭ１３、ＴＩＭ１４．以小型四 轴雕刻机为例，单片机需要完成４个轴的步进电机 驱动和４个编码器脉冲的获取，所以需要分配单片 机的内部定时器资源，定时器ＴＩＭ１、ＴＩＭ８、ＴＩＭ１０、 ＴＩＭ１ １用于输出频率可变的脉冲，用于驱动步进电 机，定时器ＴＩＭ２、ＴＩＭ３、ＴＩＭ４、ＴＩＭ５用于获取编码器 信息。以Ｙ轴的定时器ＴＩＭ２为例，将其配置为正交 编码模式，触发模式为上下边沿触发，那么编码器的 Ａ相和Ｂ相在编码器旋转１／２ ０００圈时就可以完成 对单片机４次触发，可以实现编码器的４倍频检测， 从而提高反馈系统的分辨率进而提高闭环精度，定 时器ＴＩＭ２的初始化设定程序如下。 ｖｏｉｄ Ｅｎｃｏｄｅｒ Ｉｎｉｔ（ｖｏｉｄ）
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｛ ＧＰＩＯ—ＩｎｉｔＴｙｐｅＤｅｆ ＧＰＩＯ—ＩｎｉｔＳｔｒｕｃｔｕｒｅ； ＴＩＭ＿ＴｉｍｅＢａｓｅＩｎｉｔＴｙｐｅＤｅｆ ＴＩＭ—ＴｉｍｅＢａｓｅＳｔｒｕｃ—
ｔｕｒｅ； ＴＩＭ—ＩＣＩｎｉｔＴｙｐｅＤｅｆ ＴＩＭ
—ＩＣＩｎｉｔＳｔｒｕｃｔｕｒｅ；
ＲＣＣ—ＡＰＢ２ＰｅｒｉｐｈＣｌｏｃｋＣｍｄ （ＲＣＣ—ＡＨＢ１Ｐｅ—
ｒｉｐｈ—ＧＰＩＯＡＩＲＣＣ—ＡＨＢ１Ｐｅｒｉｐｈ—ＧＰＩＯＢＩ，ＥＮＡＢＬＥ）；
ＧＰＩＯ—Ｓｔｒｕｃｔｌｎｉｔ（＆ＧＰＩＯ—ＩｎｉｔＳｔｒｕｃｔｕｒｅ）；
ＧＰＩＯ—ＩｎｉｔＳｔｒｕｃｔｕｒｅ．ＧＰＩＯ—Ｍｏｄｅ＝ＧＰＩＯ—Ｍｏｄｅ—ＡＦ；
ＧＰＩＯ—．ＩｎｉｔＳｔｒｕｃｔｕｒｅ．ＧＰＩＯ— Ｓｐｅｅｄ＝ＧＰＩＯ— Ｓｐｅｅｄ——１ ００ ＭＨｚ： ＧＰＩＯ—ＩｎｉｔＳｔｒｕｃｔｕｒｅ．ＧＰＩＯ—Ｐｉｎ＝ＧＰＩＯ—Ｐｉｎ～０ ＩＧＰＩ—
Ｏ Ｐｉｎ １ｌＧＰ１０ Ｐｉｎ １５： ＧＰＩＯ—Ｉｎｉｔ（ＧＰＩＯＡ，＆ＧＰＩＯ—ｌｎｉｔＳｔｒｕｃｔｕｒｅ）；
ＧＰＩＯ ＩｎｉｔＳｔｒｕｃｔｕｒｅ．ＧＰＩＯ Ｐｉｎ＝ＧＰＩＯ Ｐｉｎ ３； ＧＰＩＯ—Ｉｎｋ（ＧＰＩＯＢ，＆ＧＰＩＯ—ｌｎｉｔＳｔｒｕｃｔｕｒｅ）；
ＧＰＩＯ＿ＰｉｎＡＦＣｏｎｆｉｇ（ＧＰＩＯＡ，ＧＰＩＯ—ＰｉｎＳｏｕｒｃｅ １ ５，
ＧＰ１０ ＡＦ ＴＩＭ２）： ＧＰＩＯ＿ＰｉｎＡＦＣｏｎｆｉｇ （ＧＰＩＯＢ，ＧＰＩＯ—ＰｉｎＳｏｕｒｃｅ３，
ＧＰ１０ ＡＦ ＴＩＭ２）： ＲＣＣ ＡＰＢ１ＰｅｒｉｐｈＣｌｏｃｋＣｍｄ （ＲＣＣ ＡＰＢ１Ｐｅ— ｒｉｐｈ ＴＩＭ２，ＥＮＡＢＬＥ）： ＴＩＭ ＤｅＩｎｉｔ（ＴＩＭ２）： ＴＩＭ ＴｉｍｅＢａｓｅＩｎｉｔ（ＴＩＭ２，＆ＴＩＭ ＴｉｍｅＢａｓｅＳｔｒｕｃ— ｔｕｒｅ）； ＴＩＭ＿ＴｉｍｅＢａｓｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅ．ＴＩＭ—Ｐｅｒｉｏｄ＝６５５３５； ＴＩＭ ＴｉｍｅＢａｓｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅ．ＴＩＭ Ｐｒｅｓｃａｌｅｒ＝３： ＴＩＭ ＴｉｍｅＢａｓｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅ．ＴＩＭ ＣｌｏｃｋＤｉｖｉｓｉｏｎ＝ＴＩＭ ＣＫＤ ＤＩＶ１： ＴＩＭ—ＴｉｍｅＢａｓｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅ．ＴＩＭ—ＣｏｕｎｔｅｒＭｏｄｅ＝ＴＩＭ—
ＣｏｕｎｔｅｒＭｏｄｅ Ｕｐ；
ＴＩＭ ＴｉｍｅＢａｓｅＩｎｉｔ（ＴＩＭ２．＆ＴＩＭ ＴｉｍｅＢａｓｅＳｔｒｕｃ— ｔｕｒｅ）； ＴＩＭ—ＥｎｃｏｄｅｒｌｎｔｅｒｆａｅｅＣｏｎｆｉｇ （ＴＩＭ２，ＴＩＭ—Ｅｎｃｏ
ｄｅｒＭｏｄｅ＿ＴＩ １ ２，ＴＩＭ—ＩＣＰｏｌａｒｉｔｙ—ＢｏｔｈＥｄｇｅ，ＴＩＭ—ＩＣＰｏ
ｌａｒｉｔｙ—ＢｏｔｈＥｄｇ）；
ＴＩＭ ＩＣＳｔｒｕｅｔｌｎｉｔ（＆ＴＩＭ ＩＣＩｎｉｔＳｔｒｕｃｔｕｒｅ）； ＴＩＭ—ＩＣＩｎｉｔＳｔｒｕｃｔｕｒｅ．ＴＩＭ—ＩＣＦｉｌｔｅｒ＝０； ＴＩＭ—ＩＣＩｎｉｔ（ＴＩＭ２，＆ＴＩＭ—ＩＣＩｎｉｔＳｔｒｕｃｔｕｒｅ）；
ＴＩＭ ＡＲＲＰｒｅｌｏａｄＣｏｎｆｉｇ（ＴＩＭ２。ＥＮＡＢＬＥ）； ＴＩＭ—ＣｌｅａｒＦｌａｇ（ＴＩＭ２，ＴＩＭ—ＦＬＡＧ—Ｕｐｄａｔｅ）；
ＴＩＭ—ＩＴＣｏｎｆｉｇ（ＴＩＭ２，ＴＩＭ＿ＩＴ＿Ｕｐｄａｔｅ，ＥＮＡＢＬＥ）；
ＴＩＭ２一＞ＣＮＴ＝３０００： ＴＩＭ Ｃｍｄ（ＴＩＭ２，ＥＮＡＢＬＥ）； 编码器正转时ＴＩＭ一＞ＣＮＴ的值就会在初始值 ３０００的基础上累加，反转是则会减去相应的数值，通 过定期读取ＴＩＭ一＞ＣＮＴ的值就可以知道ｌ，轴在这段
