基于MCGS組態(tài)軟件的板材雕刻機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘" 要：板材雕刻機(jī)是一種用于在板材上進(jìn)行雕刻、切割、剪裁的機(jī)器。為提高雕刻機(jī)的速度和精度，并研究其在控制方面的應(yīng)用，通常采用PLC控制伺服電機(jī)帶動(dòng)刀頭進(jìn)行精確的雕刻操作。板材雕刻機(jī)可以根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)好的圖案或模型進(jìn)行雕刻，廣泛應(yīng)用于家具制造、建筑裝飾、藝術(shù)品制作等領(lǐng)域。在板材雕刻機(jī)的控制系統(tǒng)中，通過MCGS組態(tài)軟件，可以直觀地反映雕刻過程，并精確地控制雕刻機(jī)進(jìn)行預(yù)設(shè)圖案的雕刻。通過優(yōu)化控制、調(diào)整運(yùn)動(dòng)路徑和采用高精度的傳感器和編碼器，可以大大提高雕刻機(jī)的速度和精度，實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的雕刻效果。控制系統(tǒng)還能實(shí)時(shí)監(jiān)測刀頭位置和狀態(tài)，及時(shí)調(diào)整雕刻參數(shù)，保證雕刻結(jié)果的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：板材雕刻機(jī)；伺服電機(jī)；MCGS組態(tài)軟件；傳感器；PLC控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TS642" " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）11-0135-04

Abstract： Plate engraving machine is a kind of machine used for carving， cutting and tailoring on the plate. In order to improve the speed and accuracy of the engraving machine， and to study its application in control， PLC is usually used to control the servo motor to drive the tool head for accurate engraving operation. Plate engraving machine can be carved according to pre-designed patterns or models， and is widely used in furniture manufacturing， architectural decoration， art production and other fields. In the control system of the plate engraving machine， through the MCGS configuration software， we can directly reflect the engraving process and accurately control the engraving machine to carve the preset pattern. By optimizing the control， adjusting the motion path and adopting high-precision sensors and encoders， the speed and accuracy of the engraving machine can be greatly improved and a more precise engraving effect can be achieved. The control system can also monitor the position and status of the tool head in real time， adjust the carving parameters in time， and ensure the accuracy of the carving results.

Keywords： plate engraving machine; servo motor; MCGS configuration software; sensor; PLC control system

隨著科技的不斷發(fā)展，自動(dòng)化和智能化逐漸成為現(xiàn)代生產(chǎn)過程中不可或缺的元素。板材雕刻機(jī)作為一種重要的自動(dòng)化設(shè)備，在許多工業(yè)領(lǐng)域中都有廣泛的應(yīng)用，如家具制造、建筑裝飾、藝術(shù)品制作等。為了提高雕刻精度和生產(chǎn)效率，對(duì)于板材雕刻機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。MCGS組態(tài)軟件作為一種通用的自動(dòng)化控制系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)，具有友好的人機(jī)界面、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力、靈活的設(shè)備控制方式，為板材雕刻機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了有力的支持。

MCGS組態(tài)軟件為板材雕刻機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了很多有用的功能。首先，MCGS具有友好的人機(jī)界面，使得操作人員能夠方便地監(jiān)控和控制雕刻機(jī)的運(yùn)行。其次，MCGS具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，能夠?qū)Υ罅康臄?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的分析和處理，為控制系統(tǒng)提供重要的決策依據(jù)。此外，MCGS還具有靈活的設(shè)備控制方式，可以方便地與各種輸入和輸出設(shè)備進(jìn)行連接和通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)雕刻機(jī)的精確控制。

1" 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制要求

1.1" 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文研究的簡易板材雕刻機(jī)應(yīng)用場景廣泛，不但可以在木材表面雕刻，也可以在塑料、鋁合金等材料上雕刻，只需要更換雕刻鉆頭即可。雕刻機(jī)由X軸電機(jī)、Y軸電機(jī)、、升降電機(jī)帶動(dòng)，分別在X軸、Y軸、Z軸方向運(yùn)動(dòng)，其中“O”點(diǎn)為加工原點(diǎn)，整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

操作人員需要把待加工的板材固定在機(jī)器上面，在MCGS觸摸屏上預(yù)設(shè)雕刻參數(shù)和雕刻圖案，雕刻機(jī)啟動(dòng)以后即可按照設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行雕刻[1]。雕刻完成后回到原點(diǎn)，等待下一個(gè)板材的雕刻。如設(shè)備運(yùn)行中發(fā)生故障，設(shè)備還要能急停、過載保護(hù)、短路保護(hù)等。

1.2" 系統(tǒng)控制要求

1）板材雕刻機(jī)系統(tǒng)中X軸、Y軸方向運(yùn)動(dòng)均由伺服電機(jī)控制，伺服電機(jī)型號(hào)為松下A5系列，伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周1 000個(gè)脈沖，同時(shí)移動(dòng)距離為10 mm。系統(tǒng)Z軸方向（雕刻機(jī)鉆頭上升或者下降）由變頻器帶動(dòng)三相異步電機(jī)移動(dòng)，變頻器有高、中、低3種速度完成鉆頭的雕刻任務(wù)[2]。

2）設(shè)備通電以后檢查雕刻機(jī)的雕刻鉆頭是否在“O”點(diǎn)，如果不在原點(diǎn)，那么觸摸屏上面的原點(diǎn)指示燈熄滅，設(shè)備不能啟動(dòng)。此時(shí)需要按下觸摸屏上面按鈕（歸零點(diǎn)），X軸、Y軸的伺服電機(jī)1 rpm/s速度反轉(zhuǎn)，雕刻機(jī)鉆頭在伺服電機(jī)的帶動(dòng)下返回原點(diǎn)。到達(dá)“O”點(diǎn)位置以后傳感器檢測到信號(hào)，觸摸屏上原點(diǎn)指示燈亮，設(shè)備才能啟動(dòng)。

3）設(shè)備啟動(dòng)以后，通過控制面板上面速度選擇按鈕來確定雕刻鉆頭的旋轉(zhuǎn)速度，旋轉(zhuǎn)速度分為高、中、低3種速度選擇，當(dāng)速度選擇完成后按下觸摸屏上面（轉(zhuǎn)速確定）按鈕，觸摸屏顯示當(dāng)前轉(zhuǎn)速。

4）觸摸屏上有2種紋路選擇，可以任意選擇一種紋路進(jìn)行雕刻加工，如圖2所示。雕刻機(jī)鉆頭按照選擇的紋路進(jìn)行加工，加工過程中觸摸屏上紅色圓點(diǎn)實(shí)時(shí)指示雕刻機(jī)鉆頭加工軌跡，加工完成后設(shè)備回到原點(diǎn)，等待更換板材進(jìn)行下一次加工。

2" PLC選型及I/O分配

在選擇PLC時(shí)，主要需要考慮以下幾個(gè)關(guān)鍵因素：經(jīng)濟(jì)性、可靠性以及是否能滿足設(shè)備控制要求。首先，從經(jīng)濟(jì)性的角度來看，三菱FX3U-48MT晶體管型PLC價(jià)格相對(duì)合理，其具有很高的性能和穩(wěn)定性。此外，F(xiàn)X3U系列PLC在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，具有豐富的I/O模塊和特殊功能模塊，方便用戶根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行擴(kuò)展和定制。其次，可靠性是PLC選型的重要因素，三菱FX3U-48MT PLC采用了高性能的處理器和大容量的內(nèi)存，可以在惡劣的工業(yè)環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行。最后，其還具有自診斷功能，可以在出現(xiàn)問題時(shí)及時(shí)進(jìn)行報(bào)警和故障排除，大大降低了設(shè)備故障率，提高了設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。

本次板材雕刻機(jī)設(shè)備控制要求中，需要2臺(tái)伺服電機(jī)和1臺(tái)變頻器控制的三相異步電機(jī)，選用三菱FX3U-48MT晶體管型PLC，其有原點(diǎn)回歸指令并同時(shí)控制三軸伺服電機(jī)或者步進(jìn)電機(jī)，其I/O分配見表1。

3" 系統(tǒng)PLC程序設(shè)計(jì)

3.1" 回原點(diǎn)程序（ZRN指令）

本設(shè)備在啟動(dòng)之前必須回原點(diǎn)，原點(diǎn)回歸指令（ZRN）能實(shí)現(xiàn)雕刻機(jī)鉆頭回到“O”點(diǎn)位置，程序設(shè)計(jì)如圖3所示。單擊觸摸屏（歸零點(diǎn)）按鈕M0，置位輔助繼電器M100，伺服電機(jī)以K1000速度（1rpm/s）原點(diǎn)回歸，原點(diǎn)傳感器X5有上升沿信號(hào)時(shí)速度變?yōu)榕佬兴俣菿50繼續(xù)運(yùn)行。當(dāng)原點(diǎn)傳感器X5發(fā)出下降沿信號(hào)時(shí)，ZRN指令執(zhí)行完成，同時(shí)M8029接通復(fù)位輔助繼電器M100，置位M101標(biāo)志為下一步運(yùn)行發(fā)出信號(hào)。

3.2" X軸、Y軸方向伺服電機(jī)運(yùn)行程序（DDRVA指令）

X軸、Y軸方向伺服電機(jī)多點(diǎn)定位控制采用DDRVA指令（絕對(duì)定位）來實(shí)現(xiàn)，程序設(shè)計(jì)如圖4所示。程序中的M1是觸摸屏啟動(dòng)按鈕，M2是紋路1選擇按鈕，絕對(duì)定位程序（DDRVA K5000 K1000 Y000 Y002）中的K5000是X軸伺服電機(jī)脈沖總數(shù)，也就是伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)5圈移動(dòng)5 cm。K1000是伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度，通過伺服控制器的參數(shù)設(shè)定可以使得電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度為1 rpm/s。同理可得Y軸伺服電機(jī)運(yùn)行的距離和運(yùn)行速度和X軸相同，雕刻機(jī)鉆頭就可以雕刻出紋路1所示的圖案。

4" 松下A5系列伺服電機(jī)參數(shù)設(shè)置

伺服電機(jī)是一種用作執(zhí)行元件的電機(jī)，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中[3-4]。其主要功能是將收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，伺服電機(jī)通常用于控制機(jī)械系統(tǒng)的位置、速度或加速度。其通過接收來自控制器的電信號(hào)，根據(jù)信號(hào)的大小和方向，控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)所需的位置或速度調(diào)整。伺服電機(jī)由電機(jī)本體、傳感器、控制器3部分組成。電機(jī)本體是實(shí)際產(chǎn)生動(dòng)力的部分，通常是由直流電機(jī)或交流電機(jī)構(gòu)成。傳感器用于監(jiān)測電機(jī)的位置或速度，并將這些信息反饋給控制器。控制器根據(jù)傳感器反饋的信息和預(yù)設(shè)的控制算法，生成相應(yīng)的電信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)所需的控制目標(biāo)。

伺服電機(jī)的工作原理是通過控制電流或電壓來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)矩或速度。控制器根據(jù)輸入信號(hào)的要求，調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)矩或速度輸出，使其達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)。例如，當(dāng)需要控制電機(jī)的位置時(shí)，控制器會(huì)根據(jù)傳感器反饋的位置信息，計(jì)算出電機(jī)需要移動(dòng)的距離和方向，并生成相應(yīng)的電信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置。本設(shè)備選用的松下A5系列伺服電機(jī)具有電機(jī)小型化、輸出扭矩高、轉(zhuǎn)子慣量小和位置及速度控制精度高的特點(diǎn)。按照任務(wù)要求伺服控制器參數(shù)設(shè)置見表2。在設(shè)定參數(shù)Pr0.06=0、Pr0.07=3完成啟動(dòng)電機(jī)后發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)方向和預(yù)設(shè)方向相反，只需要參數(shù)設(shè)定Pr0.06=1即可。

5" MCGS組態(tài)軟件設(shè)計(jì)

5.1" 脈沖數(shù)據(jù)寄存程序

本設(shè)備要求觸摸屏上紅色點(diǎn)能按照板材雕刻機(jī)鉆頭運(yùn)行軌跡實(shí)時(shí)移動(dòng)，那么PLC的高速脈沖輸出Y0、Y1發(fā)出的脈沖數(shù)量要實(shí)時(shí)傳輸?shù)郊拇嫫髦腥ィ绦蛟O(shè)計(jì)如圖5所示。首先對(duì)寄存器D8340、D8350復(fù)位，清空里面的數(shù)據(jù)。觸摸屏上紅色點(diǎn)移動(dòng)的垂直距離和水平距離為125，通過DIV D8340 K40 D0指令把脈沖數(shù)量0～5 000轉(zhuǎn)換成0～125。

5.2" MCGS組態(tài)軟件簡介

MCGS組態(tài)軟件是一款專門用于工業(yè)控制的軟件，其主要功能是采集和監(jiān)測現(xiàn)場的數(shù)據(jù)和狀態(tài)。其通過與現(xiàn)場設(shè)備和傳感器進(jìn)行連接，實(shí)時(shí)獲取各種參數(shù)和信號(hào)，并將其以直觀、可視化的方式展示給操作者或管理者[5]。MCGS組態(tài)軟件可以通過與PLC（可編程邏輯控制器）或DCS（分散控制系統(tǒng)）等控制設(shè)備進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)采集和監(jiān)測設(shè)備的狀態(tài)和數(shù)據(jù)。其可以讀取傳感器的測量值，如溫度、壓力、流量等，也可以獲取設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，如開關(guān)狀態(tài)、報(bào)警狀態(tài)等。MCGS組態(tài)軟件也可以將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，以便更好地理解和掌握現(xiàn)場的運(yùn)行情況。其可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，比如設(shè)定閾值，當(dāng)數(shù)據(jù)超過或低于設(shè)定值時(shí)，軟件會(huì)及時(shí)發(fā)出警報(bào)或報(bào)警信息，以提醒操作者或管理者注意。

MCGS組態(tài)軟件還提供了豐富的可視化功能，可以將采集到的數(shù)據(jù)以圖表、曲線、儀表盤等形式展示出來，使得操作者或管理者可以直觀地了解設(shè)備的運(yùn)行情況和趨勢(shì)變化。同時(shí)，軟件還支持自定義界面和圖形，可以根據(jù)用戶的需求進(jìn)行個(gè)性化設(shè)置。MCGS組態(tài)軟件還具備遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制的能力。它可以通過網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備的監(jiān)測和操作，方便用戶在不同地點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程控制和管理。

5.3" MCGS組態(tài)軟件參數(shù)設(shè)定

板材雕刻機(jī)控制系統(tǒng)的觸摸屏設(shè)計(jì)包括按鈕、指示燈、動(dòng)畫和標(biāo)簽等內(nèi)容[6]。“啟動(dòng)”按鈕的設(shè)定，單擊“標(biāo)準(zhǔn)按鈕”→基本屬性輸入“啟動(dòng)”→操作屬性選擇“數(shù)據(jù)對(duì)象值操作”→選擇“按1松0”和M0。“紋路1”按鈕設(shè)定時(shí)，數(shù)據(jù)對(duì)象值操作選擇“置1”，等程序執(zhí)行完畢復(fù)位“紋路1”按鈕。

觸摸屏上紅色動(dòng)態(tài)移動(dòng)點(diǎn)的制作，首先“工具箱”→“橢圓”→窗口位置畫出小圓→雙擊小圓→填充顏色（紅色）→勾選“水平移動(dòng)”“垂直移動(dòng)”→水平移動(dòng)表達(dá)式“D0”→最大移動(dòng)偏移量400→垂直移動(dòng)表達(dá)式“D2”→最大移動(dòng)偏移量400，最終觸摸屏制作如圖6所示。

6" 系統(tǒng)調(diào)試

本文只介紹板材雕刻機(jī)觸摸屏控制的X軸、Y軸控制系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)還需要加入手動(dòng)調(diào)試、Z軸變頻器控制、特殊情況處理等。在手動(dòng)調(diào)試完成后進(jìn)入自動(dòng)控制界面，按下“歸零點(diǎn)”后X軸、Y軸伺服電機(jī)同時(shí)回到原點(diǎn)位，調(diào)整雕刻機(jī)鉆頭轉(zhuǎn)速擋位并按下“轉(zhuǎn)速確定”按鈕，雕刻電機(jī)轉(zhuǎn)速顯示在觸摸屏上。按下“紋路1”或者“紋路2”按鈕，啟動(dòng)設(shè)備后雕刻機(jī)Z軸向下移動(dòng)，當(dāng)下限位傳感器有信號(hào)時(shí)Z軸停止運(yùn)行，X軸、Y軸伺服電機(jī)帶動(dòng)鉆頭按照預(yù)先設(shè)定的紋路進(jìn)行板材雕刻，紅色圓點(diǎn)也按照鉆頭運(yùn)行軌跡移動(dòng)。經(jīng)過多次調(diào)試設(shè)備，雕刻機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，能達(dá)到預(yù)先設(shè)定的工作要求。

7" 結(jié)束語

經(jīng)過多次實(shí)際運(yùn)行測試，基于MCGS組態(tài)軟件的板材雕刻機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)在定位準(zhǔn)確性、控制方便性、界面友好性和運(yùn)行性能可靠性方面表現(xiàn)出色。通過MCGS組態(tài)軟件界面，用戶可以實(shí)時(shí)監(jiān)控板材雕刻機(jī)的雕刻過程，從而提高工作效率。這一系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)于雕刻機(jī)實(shí)際應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。隨著自動(dòng)化水平的不斷提高，板材雕刻機(jī)的發(fā)展方向趨向于小型化、專業(yè)化和智能化。在這種情況下，系統(tǒng)的響應(yīng)速度變得更加重要，因?yàn)樗梢杂行嵘宀牡窨虣C(jī)系統(tǒng)的性能。

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