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）

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）

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，从而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。

雕刻机；闭环控制；低成本；同步带

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［1-2］。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［3］，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［4-5］，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-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。

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-3M，齿数为22的同步轮，其外径d0=20.25 mm，选用的同步带的厚度h0=0.5 mm，则可知该结构可对运动部件实现的分辨率为：

≈0.032 6 mm/p

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：

P1＝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，分别为：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、TIM11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。

编码器正转时TIM-＞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-＞CNT的值就可以知道Y轴在这段时间内实际移动的距离，其余3个轴也是同样的操作。

3　步进电机驱动

以Y轴动单元为例，选用57步进电机作为动力单元，步距角为1.8°，DM542步进电机驱动器，细分选择为2 000 p/r，即每输入2 000个脉冲，步进电机就旋转1圈，输入1个脉冲就步进电机就完成相应角度的旋转，移动部件的位置由脉冲量确定，而速度则是有前后两个脉冲的间隔时间即脉冲频率来确定，那么单片机通过输出脉冲数和脉冲频率可调的脉冲来实现对各个轴的控制，以Y轴的定时器TIM8为例，通过程序将其配置为PWM输出模式，并且将输出管脚映射到PC6，将PC6管脚通过电气连接到Y轴步进电机驱动器的脉冲输入端即可通过程序来控制Y轴的步进电机，其配置程序如下［6］。

通过函数void Stepping_Motor_Y（uint8_t dir_y，uint32_t pul_y，uint32_t amount_y）来对Y轴的电机进行控制，参数dir_y设定电机的不使能或者正反转，参数pul_y设定脉冲的频率即电机旋转的速度，参数amount_y设定本次输出脉冲的总数即运动部件的位移，以小型四轴雕刻机为例，单片机驱动四个轴的步进电机的思路为：根据每1条G代码或者其它的数控的移动指令解析成每个轴所需的移动量以及移动速度，通过类似的设定函数配置好每个轴的参数，然后根据4个轴中最先需要移动的轴为基准，对该轴的的输出脉冲进行计数，等该轴输出到相应脉冲量后启动其他的轴，可以准确的分配不同的轴的启动时间，完成不同轴的插补顺序，驱动程序如下。

4　闭环处理

步进电机是开环控制单元，单片机输出脉冲给驱动器后不能得知步进电机是否发生丢步，所以就引入了编码器和同步带搭配的位置检测方案，单片机根据编码器获取的位置信息对步进电机的脉冲数进行动态调节，对丢步进行补偿，以及对机构进行保护［7-8］。

闭环控制一般有两种：一是固定闭环周期的闭环控制，二是动态闭环周期的闭环控制。固定闭环周期的闭环控制是在固定的周期内根据反馈环的反馈信息对控制换进行调节，以实现闭环控制［9］，但是本文所介绍的小型雕刻机各轴的速度区间范围较大，如果闭环周期较长则会降低运动部件在低速运动时的闭环精度，如果闭环周期较短，可以满足低速时的闭环精度，但是会一直消耗单片机的宝贵的处理能力，而且并不是所有的运动都需要这么短的闭环周期。所以选择动态闭环周期的闭环控制方式，动态的周期的根据输出相应的脉冲量后进行闭环控制调节，在低速和高速时都可以保证闭环精度，并且不会导致单片机处理量的浪费，而且也可以根据不同分辨率的编码器以及传动机构快速改变闭环精度［10］。以Y轴移动部件为例，采用的传动方式为步进电机通过双膜片式联轴器以丝杆连接，传动比为1:1，丝杆型号为1605，导程Ph0=5 mm/r，可以得知每个脉冲所对应Y轴运动部件的位移量为：

4×0.002 5=0.01 mm

5　结束语

经过上面论证和实际加工运行验证，本文介绍的闭环控制方案的闭环的精度可以满足小型雕刻机的加工精度，相比于单纯用步进电机的开环控制有着不可比拟的精度稳定性，相比于市面上采用光栅尺或者磁栅尺的雕刻机在成本上更加竞争优势。

当然，本方案也存在一些不足之处有待完善，如不能用在大型机床上，避免长距离的同步带由于自身重量在垂直方向上有误差，同时本方案在小型雕刻机上有着更为广阔的应用空间，例如机械间隙提前补偿等，也可以用于任意直线运动的闭环控制，或者拓展为减速后的多圈旋转运动的闭环控制。雕刻机实物如图4所示。

图4　雕刻机实物

［1］Spencer BF and Nagarajaiah S.State of the art of structural control［J］.Journal of Structural Engineering 2003，129（7）: 845-856.

［2］Jung HJ，Spencer BF，Ni YQ and Lee IW.State-of-the-art of semiactive control systems using mr fluid dampers in civil engineeringapplications［J］.StructuralEngineeringand Mechanics，2004，17（3-4）:493-526.

［3］Ploplys NJ，Kawka PA and Alleyne AG.Closed-loop control over wireless networks［C］.IEEE，2014.

［4］Control Systems Magazine［J］.2004，24（3）:58-71.

［5］Wang Y，Lynch JP and Law KH.Design of a low-power wireless structural monitoring system.

［6］for collaborative computational algorithms.Proceedings of the SPIE-The International Society for Optical Engineering［M］. San Diego，CA，USA，2005：106-117.

［7］王建强，潘王琴，张棉好.基于Mach3的开放式数控车床系统换刀宏程序开发［J］.制造业自动化，2012，（05）：63-64.

［8］王建强.基于Mach3的经济型数控铣床试验台的研发［J］.新技术新工艺，2012，（01）：4-5.

［9］钱绍祥.基于ARM的三维雕刻机控制系统设计［D］.镇江：江苏大学，2007.

［10］李法新.基于CAD/CAM的数控加工自动编程系统的设计［D］.陕西：西北工业大学，2002.

Research on Low-Cost Implementation of Closed-loop Control Program for a Small Engraving Machine

LU Gui-ping，LAI Kun-yu，SONG Zhen-ji，SUN Yan
（School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Technology，Zhuhai Guangdong 519088，China）

The low cost closed-loop control program for a small engraving machine is introduced in this paper. Synchronous belt and synchronous wheel complete gear transmission Based on the moving parts and fixed belt is installed on the shaft encoder input synchronous wheel.So as to realize the feedback method of detecting position information of the moving parts of the encoder.Through the program the microcontroller control algorithm according to the encoder information to the stepper motor control to achieve real-time closed-loop control，the final closedloop control can be achieved at low cost.Compared to the industry commonly used grating and magnetic grating as a position detection sensor，and servo motor closed-loop control method，the closed-loop control scheme introduced here has great advantages in cost.

engraving machine；closed-loop control；low cost；synchronous belt

TP24

A

1672-545X（2016）07-0031-04

2016-04-07

广东省“千百十”人才培养工程

卢桂萍（1976-）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。