本文主要闡述了永宏A5伺服在木雕數(shù)控雕刻機上的應用，該系統(tǒng)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(yè)要求。

1行業(yè)介紹

數(shù)控雕刻機是數(shù)控技術和雕刻工藝相結合的產物，是一種專用的數(shù)控機床。與通用的數(shù)控機床類似，數(shù)控雕刻機通過數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)程序代碼控制雕刻機作實現(xiàn)雕刻加工的自動化。較傳統(tǒng)的手工雕刻、仿形雕刻，數(shù)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(yōu)勢；同時，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)控雕刻機現(xiàn)已成為實現(xiàn)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(fā)展主流，廣泛應用于機械工業(yè)、廣告?zhèn)髅?、日常消費以及建筑裝演等眾多領域，如圖1所示。

2系統(tǒng)設計方案

2.1方案背景

數(shù)控雕刻機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(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(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(wěn)定，剛性可調控，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(jù)工藝要求，該系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)硬件設計和系統(tǒng)軟件設計；其中系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)采用新代數(shù)控系統(tǒng)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(shù)控系統(tǒng)自帶觸摸屏可以提供自動操作、手動調試和配方參數(shù)、程序修改、模擬工作畫面團等功能界面，用戶可根據(jù)自身需求進行各項操作和參數(shù)設置。；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(tǒng)硬件設計

3.1硬件配置

木雕雕刻機的硬件系統(tǒng)由新代數(shù)控系統(tǒng)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(tǒng)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(guī)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(guī)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(shù)控系統(tǒng)作為設備核心控制單元，實現(xiàn)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(shù)控系統(tǒng)自帶觸摸屏可以提供自動操作、手動調試和配方參數(shù)、程序修改、模擬工作畫面團等功能界面，用戶可根據(jù)自身需求進行各項操作和參數(shù)設置。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(tǒng)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(shù)說明

4.4.1參數(shù)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(xù)調試的時候一直接觸程序，有時候會改里面相應的參數(shù)，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(huán)增益Pn100、速度環(huán)積分時間Pn101、位置環(huán)增益Pn102、慣量Pn103、前饋Pn109、濾波時間Pn401等6個參數(shù)。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(xù)提升剛性，但是參數(shù)不易太大。對工藝的影響：剛性太大會引起震動或者慣量太?。◣Р粍釉O備）引起抖動的現(xiàn)象都會影響到截面刀紋；Fn102位置環(huán)增益太大，拐角往里收，太小拐角往外擴，此時拐角的效果和慣量也有關系，慣量上不去，位置環(huán)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(huán)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(guī)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(tài)后，效果還可以但有所欠缺。后續(xù)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(fā)現(xiàn)的規(guī)律來的。以下是調角的一點心得：角的效果取決于三軸聯(lián)動，位置環(huán)增益可以增加伺服響應速度，參數(shù)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(xù)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(xiàn)場圖片。