本文主要闡述了永宏A5伺服在木雕數(shù)控雕刻機(jī)上的應(yīng)用，該系統(tǒng)適用于各類木質(zhì)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(jīng)過一系列的調(diào)試，雕刻出的板子切刀口無刀紋、版面花紋雕刻速度可達(dá)18m/s，完全符合該行業(yè)要求。

1行業(yè)介紹

    數(shù)控雕刻機(jī)是數(shù)控技術(shù)和雕刻工藝相結(jié)合的產(chǎn)物，是一種專用的數(shù)控機(jī)床。與通用的數(shù)控機(jī)床類似，數(shù)控雕刻機(jī)通過數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)程序代碼控制雕刻機(jī)作實(shí)現(xiàn)雕刻加工的自動(dòng)化。較傳統(tǒng)的手工雕刻、仿形雕刻，數(shù)控雕刻具有生產(chǎn)效率高、加工精度高、成品率高、對零件的適應(yīng)性強(qiáng)等顯著優(yōu)勢；同時(shí)，借助于專用的雕CAD/CAM軟件系統(tǒng)，加工控制程序的生成快捷、修改方便。因此，數(shù)控雕刻機(jī)現(xiàn)已成為實(shí)現(xiàn)雕刻加工自動(dòng)化、高效率、高精度的有效率手段，也是當(dāng)今雕刻機(jī)的發(fā)展主流，廣泛應(yīng)用于機(jī)械工業(yè)、廣告?zhèn)髅健⑷粘ＯM(fèi)以及建筑裝演等眾多領(lǐng)域，如圖1所示。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1方案背景

    數(shù)控雕刻機(jī)目前市場上使用的控制系統(tǒng)方案為數(shù)控系統(tǒng)+伺服或者數(shù)控系統(tǒng)+簡易步進(jìn)電機(jī)，如表1所示，其中伺服使用最多的品牌是臺(tái)達(dá)和松下，步進(jìn)使用最多的是雷賽；數(shù)控系統(tǒng)使用最多的品牌是凱恩帝、新代和廣數(shù)。由于永宏A5一拖二伺服性價(jià)比相對于其他品牌較高，所以永宏A5伺服在雕刻機(jī)的應(yīng)用前景很好?，F(xiàn)在客戶采用的是永宏A5伺服+新代數(shù)控系統(tǒng)。

2.2客戶需求

    如表2所示，根據(jù)客戶要求，該木雕雕刻機(jī)在工藝上和伺服有關(guān)的有以下要求：首先設(shè)備在水平方向運(yùn)動(dòng)的機(jī)械慣量略大，要求帶動(dòng)該方向設(shè)備的伺服電機(jī)慣量要足夠；再者切割過程中，伺服要穩(wěn)定，剛性可調(diào)控，才能切出無刀紋，優(yōu)美的拐角的板子。

2.3解決方案

    本項(xiàng)目中的雕刻機(jī)主要用于各類木質(zhì)板材的雕刻，如圖2所示。本次為柜體板材的雕刻。根據(jù)工藝要求，該系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)；其中系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括硬件（產(chǎn)品）配置、機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣控制等三部分，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括流程控制、I/O配置和程序設(shè)計(jì)等三部分。

    基于表3所述各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，木雕雕刻機(jī)方案架構(gòu)如圖3所示；本方案控制系統(tǒng)采用新代數(shù)控系統(tǒng)控制器，主要完成設(shè)備3個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)、主軸運(yùn)轉(zhuǎn)以及刀片作等流程的控制同時(shí)數(shù)控系統(tǒng)自帶觸摸屏可以提供自動(dòng)操作、手動(dòng)調(diào)試和配方參數(shù)、程序修改、模擬工作畫面團(tuán)等功能界面，用戶可根據(jù)自身需求進(jìn)行各項(xiàng)操作和參數(shù)設(shè)置。；伺服系統(tǒng)采用永宏A5，主要控制XYZ三軸快速定位；主軸電機(jī)由變頻器控制，可調(diào)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(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1硬件配置

    木雕雕刻機(jī)的硬件系統(tǒng)由新代數(shù)控系統(tǒng)控制器、永宏A5伺服驅(qū)動(dòng)器、普通電機(jī)、變頻器、雕刻刀頭、機(jī)床、鼓風(fēng)機(jī)、吸塵機(jī)、各類閥門、限位傳感器和外圍輸入輸出線路（包括按鈕和報(bào)警指示燈）等組成。木雕雕刻機(jī)的硬件系統(tǒng)清單如表4所示木雕雕刻機(jī)硬件配置如圖4所示。

3.2機(jī)械結(jié)構(gòu)

    木雕雕刻機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：XYZ運(yùn)動(dòng)軸部分（控制切刀在XYZ坐標(biāo)系中移動(dòng)），主軸部分（不同個(gè)主軸帶著不同規(guī)格的刀高速旋轉(zhuǎn)用于雕刻）、刀口部分（直接和材料接觸的部分，有不同的規(guī)格，對應(yīng)刻出不同效果）和工作臺(tái)部分（放置待加工產(chǎn)品，圖片放置了一塊正在加工的木板）。木雕雕刻機(jī)整體結(jié)構(gòu)解析如圖5所示。

3.3電氣控制

    木雕雕刻機(jī)的電氣控制采用新代數(shù)控系統(tǒng)作為設(shè)備核心控制單元，實(shí)現(xiàn)設(shè)備3個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)、主軸運(yùn)轉(zhuǎn)以及刀片工作等流程的控制同時(shí)數(shù)控系統(tǒng)自帶觸摸屏可以提供自動(dòng)操作、手動(dòng)調(diào)試和配方參數(shù)、程序修改、模擬工作畫面團(tuán)等功能界面，用戶可根據(jù)自身需求進(jìn)行各項(xiàng)操作和參數(shù)設(shè)置。圖6為控制柜接線圖，圖7所示為新代系統(tǒng)接線。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1工藝流程

    木雕雕刻機(jī)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(gè)主軸的水平點(diǎn)對其齊，保證切板時(shí)不會(huì)劃傷工作臺(tái)或者板子沒用完全切透。雕刻圖案是工藝的重點(diǎn)，完成通過各個(gè)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(diǎn)配置

    該處主要介紹的是新代系統(tǒng)IO和伺服驅(qū)動(dòng)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(cè)就好），X軸按圖A接，Z軸按圖B接，一起接到一個(gè)50pin中。

4.4伺服參數(shù)說明

4.4.1參數(shù)設(shè)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(xù)調(diào)試的時(shí)候一直接觸程序，有時(shí)候會(huì)改里面相應(yīng)的參數(shù)，如切割速度以及哪個(gè)軸為主軸。圖11所示為新代程序（圖中S18000就是雕刻機(jī)對應(yīng)的雕刻速度，為1.8m/s）。

4.4.3調(diào)試難點(diǎn)

    第一臺(tái)設(shè)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(huán)增益Pn100、速度環(huán)積分時(shí)間Pn101、位置環(huán)增益Pn102、慣量Pn103、前饋Pn109、濾波時(shí)間Pn401等6個(gè)參數(shù)。Pn100增大，Pn101減小，Pn102增大，Pn103增大，電機(jī)剛性增大，反之減小。電機(jī)剛性過大會(huì)造成抖動(dòng)以及嘯叫。如果電機(jī)剛性不夠已經(jīng)開始嘯叫，可適當(dāng)增加PA401以達(dá)繼續(xù)提升剛性，但是參數(shù)不易太大。對工藝的影響：剛性太大會(huì)引起震動(dòng)或者慣量太小（帶不動(dòng)設(shè)備）引起抖動(dòng)的現(xiàn)象都會(huì)影響到截面刀紋；Fn102位置環(huán)增益太大，拐角往里收，太小拐角往外擴(kuò)，此時(shí)拐角的效果和慣量也有關(guān)系，慣量上不去，位置環(huán)增益再大拐角也不會(huì)向里收（目前設(shè)備就是出于該情況，拐角收不進(jìn)去）。當(dāng)拐角向里收的時(shí)候，調(diào)小位置環(huán)或者適當(dāng)增加前饋可以解決。還有一點(diǎn)，電機(jī)剛性不夠時(shí)可能導(dǎo)致設(shè)備過沖，也會(huì)影響拐角效果。

5實(shí)施結(jié)果

    經(jīng)過反復(fù)的調(diào)試，摸索到了該項(xiàng)目與我們A5伺服性能配合的關(guān)鍵點(diǎn)。找到規(guī)律后調(diào)試起來有了方向，但對第一臺(tái)設(shè)備還是比較牽強(qiáng)，因?yàn)榈谝慌_(tái)設(shè)備四主軸略微超過了A5伺服電機(jī)慣量的極限，每次調(diào)到那個(gè)臨界點(diǎn)，再去調(diào)整伺服剛性沒有

起到更好的效果反而更差了。第一臺(tái)設(shè)備調(diào)到了最佳狀態(tài)后，效果還可以但有所欠缺。后續(xù)又有新設(shè)備改成三軸了，調(diào)試起來明顯得心應(yīng)手，完全按著之前發(fā)現(xiàn)的規(guī)律來的。以下是調(diào)角的一點(diǎn)心得：角的效果取決于三軸聯(lián)動(dòng)，位置環(huán)增益可以增加伺服響應(yīng)速度，參數(shù)越高響應(yīng)越快，對應(yīng)角處會(huì)少切，如果倆側(cè)均勻出問題則調(diào)Z軸，單側(cè)出問題調(diào)單軸。此外增加前饋也會(huì)明顯的改變角的效果。后續(xù)調(diào)試的雕刻機(jī)性能非常好，雕刻速度可達(dá)18m/s，無刀紋、拐角美觀?？蛻魧Φ窨痰陌遄邮譂M意，還將其作為模板留存下來。圖14所示為現(xiàn)場圖片。