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    本文主要闡述了永宏A5伺服在木雕數控雕刻機上的應用，該系統適用于各類木質板材的雕刻。本次為柜體板材的雕刻，有刨花板、高密度板倆種。經過一系列的調試，雕刻出的板子切刀口無刀紋、版面花紋雕刻速度可達18m/s，完全符合該行業要求。

1行業介紹

    數控雕刻機是數控技術和雕刻工藝相結合的產物，是一種專用的數控機床。與通用的數控機床類似，數控雕刻機通過數控系統根據程序代碼控制雕刻機作實現雕刻加工的自動化。較傳統的手工雕刻、仿形雕刻，數控雕刻具有生產效率高、加工精度高、成品率高、對零件的適應性強等顯著優勢；同時，借助于專用的雕CAD/CAM軟件系統，加工控制程序的生成快捷、修改方便。因此，數控雕刻機現已成為實現雕刻加工自動化、高效率、高精度的有效率手段，也是當今雕刻機的發展主流，廣泛應用于機械工業、廣告傳媒、日常消費以及建筑裝演等眾多領域，如圖1所示。

2系統設計方案

2.1方案背景

    數控雕刻機目前市場上使用的控制系統方案為數控系統+伺服或者數控系統+簡易步進電機，如表1所示，其中伺服使用最多的品牌是臺達和松下，步進使用最多的是雷賽；數控系統使用最多的品牌是凱恩帝、新代和廣數。由于永宏A5一拖二伺服性價比相對于其他品牌較高，所以永宏A5伺服在雕刻機的應用前景很好?，F在客戶采用的是永宏A5伺服+新代數控系統。

2.2客戶需求

    如表2所示，根據客戶要求，該木雕雕刻機在工藝上和伺服有關的有以下要求：首先設備在水平方向運動的機械慣量略大，要求帶動該方向設備的伺服電機慣量要足夠；再者切割過程中，伺服要穩定，剛性可調控，才能切出無刀紋，優美的拐角的板子。

2.3解決方案

    本項目中的雕刻機主要用于各類木質板材的雕刻，如圖2所示。本次為柜體板材的雕刻。根據工藝要求，該系統主要包括系統硬件設計和系統軟件設計；其中系統硬件設計包括硬件（產品）配置、機械結構和電氣控制等三部分，系統軟件設計包括流程控制、I/O配置和程序設計等三部分。

    基于表3所述各項技術指標，木雕雕刻機方案架構如圖3所示；本方案控制系統采用新代數控系統控制器，主要完成設備3個軸的運動、主軸運轉以及刀片作等流程的控制同時數控系統自帶觸摸屏可以提供自動操作、手動調試和配方參數、程序修改、模擬工作畫面團等功能界面，用戶可根據自身需求進行各項操作和參數設置。；伺服系統采用永宏A5，主要控制XYZ三軸快速定位；主軸電機由變頻器控制，可調切削速度，目前客戶用的變頻器是市面上較為低端的FULING變頻器。

3系統硬件設計

3.1硬件配置

    木雕雕刻機的硬件系統由新代數控系統控制器、永宏A5伺服驅動器、普通電機、變頻器、雕刻刀頭、機床、鼓風機、吸塵機、各類閥門、限位傳感器和外圍輸入輸出線路（包括按鈕和報警指示燈）等組成。木雕雕刻機的硬件系統清單如表4所示木雕雕刻機硬件配置如圖4所示。

3.2機械結構

    木雕雕刻機的機械結構主要由四部分組成：XYZ運動軸部分（控制切刀在XYZ坐標系中移動），主軸部分（不同個主軸帶著不同規格的刀高速旋轉用于雕刻）、刀口部分（直接和材料接觸的部分，有不同的規格，對應刻出不同效果）和工作臺部分（放置待加工產品，圖片放置了一塊正在加工的木板）。木雕雕刻機整體結構解析如圖5所示。

3.3電氣控制

    木雕雕刻機的電氣控制采用新代數控系統作為設備核心控制單元，實現設備3個軸的運動、主軸運轉以及刀片工作等流程的控制同時數控系統自帶觸摸屏可以提供自動操作、手動調試和配方參數、程序修改、模擬工作畫面團等功能界面，用戶可根據自身需求進行各項操作和參數設置。圖6為控制柜接線圖，圖7所示為新代系統接線。

4系統軟件設計

4.1工藝流程

    木雕雕刻機的工藝流程主要包括三部分：對刀、雕刻圖案和切板，對刀主要將各個主軸的水平點對其齊，保證切板時不會劃傷工作臺或者板子沒用完全切透。雕刻圖案是工藝的重點，完成通過各個軸帶的不同的刀具完成不同的雕刻效果；切板是最后一道工藝，將板子從整版上切下來。工藝流程如圖8所示。

4.2控制流程

    控制流程如圖9所示。

4.3I/O點配置

    該處主要介紹的是新代系統IO和伺服驅動器控制IO的接線，具體見圖10。

    具體說明：Y軸雙軸接法要圖A（共用一路脈沖，接50PIN一側就好），X軸按圖A接，Z軸按圖B接，一起接到一個50pin中。

4.4伺服參數說明

4.4.1參數設置以及說明，如表6所示。

4.4.2新代程序

    雖然新代程序不是我們來編寫，但后續調試的時候一直接觸程序，有時候會改里面相應的參數，如切割速度以及哪個軸為主軸。圖11所示為新代程序（圖中S18000就是雕刻機對應的雕刻速度，為1.8m/s）。

4.4.3調試難點

    第一臺設備是四主軸的，相對來說慣量大，圖案角的效果一直出不來，如圖12所示，角一直有棱角，也就是說伺服3軸的剛性不匹配。

4.4.4解決方案以及說明

    總共有速度環增益Pn100、速度環積分時間Pn101、位置環增益Pn102、慣量Pn103、前饋Pn109、濾波時間Pn401等6個參數。Pn100增大，Pn101減小，Pn102增大，Pn103增大，電機剛性增大，反之減小。電機剛性過大會造成抖動以及嘯叫。如果電機剛性不夠已經開始嘯叫，可適當增加PA401以達繼續提升剛性，但是參數不易太大。對工藝的影響：剛性太大會引起震動或者慣量太小（帶不動設備）引起抖動的現象都會影響到截面刀紋；Fn102位置環增益太大，拐角往里收，太小拐角往外擴，此時拐角的效果和慣量也有關系，慣量上不去，位置環增益再大拐角也不會向里收（目前設備就是出于該情況，拐角收不進去）。當拐角向里收的時候，調小位置環或者適當增加前饋可以解決。還有一點，電機剛性不夠時可能導致設備過沖，也會影響拐角效果。

5實施結果

    經過反復的調試，摸索到了該項目與我們A5伺服性能配合的關鍵點。找到規律后調試起來有了方向，但對第一臺設備還是比較牽強，因為第一臺設備四主軸略微超過了A5伺服電機慣量的極限，每次調到那個臨界點，再去調整伺服剛性沒有

起到更好的效果反而更差了。第一臺設備調到了最佳狀態后，效果還可以但有所欠缺。后續又有新設備改成三軸了，調試起來明顯得心應手，完全按著之前發現的規律來的。以下是調角的一點心得：角的效果取決于三軸聯動，位置環增益可以增加伺服響應速度，參數越高響應越快，對應角處會少切，如果倆側均勻出問題則調Z軸，單側出問題調單軸。此外增加前饋也會明顯的改變角的效果。后續調試的雕刻機性能非常好，雕刻速度可達18m/s，無刀紋、拐角美觀。客戶對雕刻的板子十分滿意，還將其作為模板留存下來。圖14所示為現場圖片。