智能写字雕刻机的设计与实现

时间：2024-05-19

卓洋洋　刘代荣　严纪志　王君普

【摘要】本设计以台达DVP-20PM00M专业运动型PLC为控制器，利用AutoCAD，结合燕秀工具对图片汉字进行分解，利用Mastercam X生成G代码导入PMSOFT编程软件生成梯形图，最终通过程序设计精确控制步进电机带动写字笔进行汉字书写。如把写字笔换成激光器还可以进行各种雕刻。

【关键词】PLC；AutoCAD；步进电机；雕刻机

1 系统组成

智能写字雕刻机以步进电机作为控制对象，以Auto CAD作为输入窗口，进行汉字坐标提取，采用同步带直线模组滑台带动写字笔（或雕刻头）在二维平面的运动轨道上实现连续精确的运行。

系统主要由运动控制模块、PLC控制模块、人机模块、数控导轨模块、供电模块、开关模块等组成。

运动控制模块以直流电机驱动为基础，采用步进电机作为动力，实现控制对象在XYZ三个方向的运动。PLC控制模块以台达PLC为控制核心，通过对检测模块的反馈信息进行分析，将控制信息发送至被控对象，控制写字笔（或雕刻头）的运行轨迹。人机模块通过Auto CAD作为输入窗口，进行汉字坐标提取，通过RS232传入PLC进行分析。数控导轨模块采用KM3305A同步带直线模组滑台，控制写字笔（或雕刻头）在二维平面的运动轨道，实现连续精确的运行。供电模块采用开关电源，为主电路及其控制系统供电。开关模块用于控制电路通断。

2 硬件选择

2.1 步进电机的选择

步进电机是将脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电机。它的直线位移量或角位移量与脉冲信号数成正比，而与负载大小无关（在非超载的情况下），因此通过控制脉冲信号的个数，就能实现步进电机的精确定位。同时，步进电机的直线速度或转速与脉冲信号的频率成正比，通过改变电脉冲的频率就能在很大范围内调整步进电机的转速，从而达到调速的目的，并能快速起动、反转和制动。

本设计选用台达ECMA系列单相步进电机ECMA-C2060RS作为被控对象，额定电压为交流220V，额定输出功率为400W，最大转矩为47.74N/M，编码器分辨率为17bit，高速脉冲输入为4MPPS。它不仅能满足设计的要求，而且更加经济，性价比高。

2.2 步进电机驱动器的选择

步进电机驱动器接收从PLC发出的脉冲信号并将其转化为步进电机的角位移，换句话说，步进电机驱动器每接收一个脉冲信号，就驱动步进电机旋转一个步距角。因此步进电机的转速和脉冲信号的频率成正比，通过控制脉冲信号的频率，就可以对步进电机进行精确的调速。同时，控制输入脉冲的个数，就可以实现对步进电机的精确定位。

本设计选用了一款与ECMA系列步进电机相匹配的高电压、高电流、双路全桥式电机驱动器L298。L298提供两个使能输入端，可以在不依赖于输入信号的情况下，使能或禁用L298器件。L298低位晶体管的发射器连接到一起，而其对应的外部端口则可用来连接一个外部感应电阻。L298还提供一个额外的电压输入，所以其逻辑电路可以工作在更低的电压下。其最大工作电流4A，电压DC 4.5V～46V。

2.3 PLC的选择

选用台达DVP-20PM00M型号的PLC，有16个I/O接口，最大可扩展I/O至512点，内置10K容量的RAM数据存储器，64K容量的ROM程序存储器。

2.4 人机模块的选择

人机模块是人机信息交换的重要部分，是人与机器进行信息交流的重要途径。通过人机模块，把自己的想法变成程序输入到机器中，也能通过人机模块向人们提供需要的信息。

本设计选用Auto CAD为人机模块。利用Auto CAD，结合燕秀工具对图片汉字进行分解，利用Mastercam X生成G代码导入PMSOFT编程软件生成梯形图，最终把程序送入到PLC中，以实现对步进电机的控制。

2.5 滑台的选择

本设计选用了三维十字珠丝滑台线性模组。用联轴器将步进电机与滑台珠丝杆联接，步进电机转动带动滑台做匀速、加减速的自动往返运行。

3 设计与实现

区别与已有的XY双轴写字雕刻机，本设计以PLC控制器为基础，具有XYZ三轴闭环高精度写字雕刻功能，能够进行各种文字的书写及其雕刻。以对A4纸点阵化X、Y找点为基础，设置Z轴的0与1位置（0与纸面接触，1离开纸面），利用Auto CAD准確提取汉字的坐标，将坐标送入PLC进行分析。

PLC上电后，通过Auto CAD绘制的图形转换的梯形图输入到PLC中，打开手动开关，PLC立即发出脉冲，通过Y0～？Y7把脉冲序列传送给步进电机驱动器，步进电机驱动器立即驱动步进电机带动滑台上的写字笔（或雕刻头）做匀速的自由往返运动，触碰到滑台任何一个限位开关后将换向。

4 创新与应用

本系统的创新点。（1）利用Auto CAD为基础准确提取汉字的坐标；（2）采用三轴闭环控制系统控制精度高；（3）采用导轨式机械手臂，控制简洁方便。