智能寫字雕刻機(jī)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

卓洋洋　劉代榮　嚴(yán)紀(jì)志　王君普

【摘 要】本設(shè)計以臺達(dá)DVP-20PM00M專業(yè)運(yùn)動型PLC為控制器，利用AutoCAD，結(jié)合燕秀工具對圖片漢字進(jìn)行分解，利用Mastercam X生成G代碼導(dǎo)入PMSOFT編程軟件生成梯形圖，最終通過程序設(shè)計精確控制步進(jìn)電機(jī)帶動寫字筆進(jìn)行漢字書寫。如把寫字筆換成激光器還可以進(jìn)行各種雕刻。

【關(guān)鍵詞】PLC；AutoCAD；步進(jìn)電機(jī)；雕刻機(jī)

1 系統(tǒng)組成

智能寫字雕刻機(jī)以步進(jìn)電機(jī)作為控制對象，以Auto CAD作為輸入窗口，進(jìn)行漢字坐標(biāo)提取，采用同步帶直線模組滑臺帶動寫字筆（或雕刻頭）在二維平面的運(yùn)動軌道上實(shí)現(xiàn)連續(xù)精確的運(yùn)行。

系統(tǒng)主要由運(yùn)動控制模塊、PLC控制模塊、人機(jī)模塊、數(shù)控導(dǎo)軌模塊、供電模塊、開關(guān)模塊等組成。

運(yùn)動控制模塊以直流電機(jī)驅(qū)動為基礎(chǔ)，采用步進(jìn)電機(jī)作為動力，實(shí)現(xiàn)控制對象在XYZ三個方向的運(yùn)動。PLC控制模塊以臺達(dá)PLC為控制核心，通過對檢測模塊的反饋信息進(jìn)行分析，將控制信息發(fā)送至被控對象，控制寫字筆（或雕刻頭）的運(yùn)行軌跡。人機(jī)模塊通過Auto CAD作為輸入窗口，進(jìn)行漢字坐標(biāo)提取，通過RS232傳入PLC進(jìn)行分析。數(shù)控導(dǎo)軌模塊采用KM3305A同步帶直線模組滑臺，控制寫字筆（或雕刻頭）在二維平面的運(yùn)動軌道，實(shí)現(xiàn)連續(xù)精確的運(yùn)行。供電模塊采用開關(guān)電源，為主電路及其控制系統(tǒng)供電。開關(guān)模塊用于控制電路通斷。

2 硬件選擇

2.1 步進(jìn)電機(jī)的選擇

步進(jìn)電機(jī)是將脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制電機(jī)。它的直線位移量或角位移量與脈沖信號數(shù)成正比，而與負(fù)載大小無關(guān)（在非超載的情況下），因此通過控制脈沖信號的個數(shù)，就能實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的精確定位。同時，步進(jìn)電機(jī)的直線速度或轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正比，通過改變電脈沖的頻率就能在很大范圍內(nèi)調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到調(diào)速的目的，并能快速起動、反轉(zhuǎn)和制動。

本設(shè)計選用臺達(dá)ECMA系列單相步進(jìn)電機(jī)ECMA-C2060RS作為被控對象，額定電壓為交流220V，額定輸出功率為400W，最大轉(zhuǎn)矩為47.74N/M，編碼器分辨率為17bit，高速脈沖輸入為4MPPS。它不僅能滿足設(shè)計的要求，而且更加經(jīng)濟(jì)，性價比高。

2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的選擇

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器接收從PLC發(fā)出的脈沖信號并將其轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)的角位移，換句話說，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器每接收一個脈沖信號，就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個步距角。因此步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和脈沖信號的頻率成正比，通過控制脈沖信號的頻率，就可以對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行精確的調(diào)速。同時，控制輸入脈沖的個數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的精確定位。

本設(shè)計選用了一款與ECMA系列步進(jìn)電機(jī)相匹配的高電壓、高電流、雙路全橋式電機(jī)驅(qū)動器L298。L298提供兩個使能輸入端，可以在不依賴于輸入信號的情況下，使能或禁用L298器件。L298低位晶體管的發(fā)射器連接到一起，而其對應(yīng)的外部端口則可用來連接一個外部感應(yīng)電阻。L298還提供一個額外的電壓輸入，所以其邏輯電路可以工作在更低的電壓下。其最大工作電流4A，電壓DC 4.5V～46V。

2.3 PLC的選擇

選用臺達(dá)DVP-20PM00M型號的PLC，有16個I/O接口，最大可擴(kuò)展I/O至512點(diǎn)，內(nèi)置10K容量的RAM數(shù)據(jù)存儲器，64K容量的ROM程序存儲器。

2.4 人機(jī)模塊的選擇

人機(jī)模塊是人機(jī)信息交換的重要部分，是人與機(jī)器進(jìn)行信息交流的重要途徑。通過人機(jī)模塊，把自己的想法變成程序輸入到機(jī)器中，也能通過人機(jī)模塊向人們提供需要的信息。

本設(shè)計選用Auto CAD為人機(jī)模塊。利用Auto CAD，結(jié)合燕秀工具對圖片漢字進(jìn)行分解，利用Mastercam X生成G代碼導(dǎo)入PMSOFT編程軟件生成梯形圖，最終把程序送入到PLC中，以實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的控制。

2.5 滑臺的選擇

本設(shè)計選用了三維十字珠絲滑臺線性模組。用聯(lián)軸器將步進(jìn)電機(jī)與滑臺珠絲桿聯(lián)接，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動帶動滑臺做勻速、加減速的自動往返運(yùn)行。

3 設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

區(qū)別與已有的XY雙軸寫字雕刻機(jī)，本設(shè)計以PLC控制器為基礎(chǔ)，具有XYZ三軸閉環(huán)高精度寫字雕刻功能，能夠進(jìn)行各種文字的書寫及其雕刻。以對A4紙點(diǎn)陣化X、Y找點(diǎn)為基礎(chǔ)，設(shè)置Z軸的0與1位置（0與紙面接觸，1離開紙面），利用Auto CAD準(zhǔn)確提取漢字的坐標(biāo)，將坐標(biāo)送入PLC進(jìn)行分析。

PLC上電后，通過Auto CAD繪制的圖形轉(zhuǎn)換的梯形圖輸入到PLC中，打開手動開關(guān)，PLC立即發(fā)出脈沖，通過Y0～？Y7把脈沖序列傳送給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器立即驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)帶動滑臺上的寫字筆（或雕刻頭）做勻速的自由往返運(yùn)動，觸碰到滑臺任何一個限位開關(guān)后將換向。

4 創(chuàng)新與應(yīng)用

本系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)。（1）利用Auto CAD為基礎(chǔ)準(zhǔn)確提取漢字的坐標(biāo)；（2）采用三軸閉環(huán)控制系統(tǒng)控制精度高；（3）采用導(dǎo)軌式機(jī)械手臂，控制簡潔方便。

實(shí)用價值。本設(shè)計可以應(yīng)用于平面焊接、鉆孔、點(diǎn)膠，應(yīng)用于美學(xué)的雕刻、書寫以及醫(yī)療、軍工等精度要求較高、重復(fù)工作的地方。本設(shè)計性價比高，便于組裝與維修，提高了生產(chǎn)的效率。

[責(zé)任編輯：張濤]