智能寫字雕刻機的設計與實現

卓洋洋　劉代榮　嚴紀志　王君普

【摘 要】本設計以臺達DVP-20PM00M專業運動型PLC為控制器，利用AutoCAD，結合燕秀工具對圖片漢字進行分解，利用Mastercam X生成G代碼導入PMSOFT編程軟件生成梯形圖，最終通過程序設計精確控制步進電機帶動寫字筆進行漢字書寫。如把寫字筆換成激光器還可以進行各種雕刻。

【關鍵詞】PLC；AutoCAD；步進電機；雕刻機

1 系統組成

智能寫字雕刻機以步進電機作為控制對象，以Auto CAD作為輸入窗口，進行漢字坐標提取，采用同步帶直線模組滑臺帶動寫字筆（或雕刻頭）在二維平面的運動軌道上實現連續精確的運行。

系統主要由運動控制模塊、PLC控制模塊、人機模塊、數控導軌模塊、供電模塊、開關模塊等組成。

運動控制模塊以直流電機驅動為基礎，采用步進電機作為動力，實現控制對象在XYZ三個方向的運動。PLC控制模塊以臺達PLC為控制核心，通過對檢測模塊的反饋信息進行分析，將控制信息發送至被控對象，控制寫字筆（或雕刻頭）的運行軌跡。人機模塊通過Auto CAD作為輸入窗口，進行漢字坐標提取，通過RS232傳入PLC進行分析。數控導軌模塊采用KM3305A同步帶直線模組滑臺，控制寫字筆（或雕刻頭）在二維平面的運動軌道，實現連續精確的運行。供電模塊采用開關電源，為主電路及其控制系統供電。開關模塊用于控制電路通斷。

2 硬件選擇

2.1 步進電機的選擇

步進電機是將脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制電機。它的直線位移量或角位移量與脈沖信號數成正比，而與負載大小無關（在非超載的情況下），因此通過控制脈沖信號的個數，就能實現步進電機的精確定位。同時，步進電機的直線速度或轉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調整步進電機的轉速，從而達到調速的目的，并能快速起動、反轉和制動。

本設計選用臺達ECMA系列單相步進電機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。它不僅能滿足設計的要求，而且更加經濟，性價比高。

2.2 步進電機驅動器的選擇

步進電機驅動器接收從PLC發出的脈沖信號并將其轉化為步進電機的角位移，換句話說，步進電機驅動器每接收一個脈沖信號，就驅動步進電機旋轉一個步距角。因此步進電機的轉速和脈沖信號的頻率成正比，通過控制脈沖信號的頻率，就可以對步進電機進行精確的調速。同時，控制輸入脈沖的個數，就可以實現對步進電機的精確定位。

本設計選用了一款與ECMA系列步進電機相匹配的高電壓、高電流、雙路全橋式電機驅動器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低位晶體管的發射器連接到一起，而其對應的外部端口則可用來連接一個外部感應電阻。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DVP-20PM00M型號的PLC，有16個I/O接口，最大可擴展I/O至512點，內置10K容量的RAM數據存儲器，64K容量的ROM程序存儲器。

2.4 人機模塊的選擇

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

本設計選用Auto CAD為人機模塊。利用Auto CAD，結合燕秀工具對圖片漢字進行分解，利用Mastercam X生成G代碼導入PMSOFT編程軟件生成梯形圖，最終把程序送入到PLC中，以實現對步進電機的控制。

2.5 滑臺的選擇

本設計選用了三維十字珠絲滑臺線性模組。用聯軸器將步進電機與滑臺珠絲桿聯接，步進電機轉動帶動滑臺做勻速、加減速的自動往返運行。

3 設計與實現

區別與已有的XY雙軸寫字雕刻機，本設計以PLC控制器為基礎，具有XYZ三軸閉環高精度寫字雕刻功能，能夠進行各種文字的書寫及其雕刻。以對A4紙點陣化X、Y找點為基礎，設置Z軸的0與1位置（0與紙面接觸，1離開紙面），利用Auto CAD準確提取漢字的坐標，將坐標送入PLC進行分析。

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

4 創新與應用

本系統的創新點。（1）利用Auto CAD為基礎準確提取漢字的坐標；（2）采用三軸閉環控制系統控制精度高；（3）采用導軌式機械手臂，控制簡潔方便。

實用價值。本設計可以應用于平面焊接、鉆孔、點膠，應用于美學的雕刻、書寫以及醫療、軍工等精度要求較高、重復工作的地方。本設計性價比高，便于組裝與維修，提高了生產的效率。

[責任編輯：張濤]