1 引言

　　隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展與普及，現(xiàn)如今對成本低廉、性能可靠的數(shù)控雕刻機的需求曰益明顯，而市面上的雕刻機主要是用于廣告行業(yè)的三軸雕刻機，無法用于陶瓷回轉(zhuǎn)曲面的浮雕加工。能用于五面體加工的只有價格昂貴的五軸聯(lián)動加工中心，若用在陶瓷浮雕，不僅成本太高，而且也不能滿足陶瓷行業(yè)特殊性的要求。

　　為此一種能用于陶瓷行業(yè)的高速五面體雕刻機急于問世，它能夠完全取代陶瓷手工雕刻，大大降低勞動強度，而且能實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、批量化的陶瓷生產(chǎn)，對陶瓷行業(yè)具有重要意義。

2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　需要雕刻的陶瓷大部分為回轉(zhuǎn)腔體類形狀，因此采用在三個直線運動軸的基礎(chǔ)上增加一個回轉(zhuǎn)工作臺和一個主軸擺頭的五軸聯(lián)動設(shè)計方案。

　　用于雕刻的材料為未燒硬的瓷坯，無法使用夾具，只能放置在回轉(zhuǎn)工作臺上，采用石膏作為回轉(zhuǎn)臺面。在石膏上加工出與瓷坯對應(yīng)的定位槽，便于定位，同時能加大瓷坯和臺面的附著力。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

　　出于經(jīng)濟(jì)型五軸聯(lián)動雕刻機的考慮，本設(shè)計采用基于PC機的開放式數(shù)控系統(tǒng)，利用軟件插補的方式，由計算機的LPT并口輸出控制信號到各個軸步進(jìn)電機驅(qū)動器，驅(qū)動各個軸的步進(jìn)電機運動。

　　3.1 硬件設(shè)計

　　采用了日本東方兩相混合式步進(jìn)電機以及相應(yīng)控制型CNC驅(qū)動器，該驅(qū)動器采用東芝公司生產(chǎn)的低電阻、高許可損耗封裝的大電流步進(jìn)電機專用驅(qū)動芯片TB6560HQ，通過改進(jìn)電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計，使其性能有較大的提高，可以不加其它散熱方式的情況下可靠穩(wěn)定地工作在3A電流，可以驅(qū)動3A (含)以下的二相混合式步進(jìn)電機。

　　結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，TB6560HQ芯片采用臥式安裝，增加了散熱效果和結(jié)構(gòu)強度。采用大型散熱器，加大散熱面積，有利于穩(wěn)定工作。具有完善的熱保護(hù)功能，過熱時自動關(guān)閉步進(jìn)電流輸出。具有獨立的手動控制功能，可脫離PC機手動操作。帶有一組受控的繼電器，常開觸點輸出。另外還設(shè)有對刀、原點定位控制接口，和急停、限位控制接口。

　　電路設(shè)計方面，可不加其它散熱方式可靠穩(wěn)定地工作在3A電流(可以推動3．5A的電機但需要考慮力矩是否滿足要求的問題)。具有自動半流控制功能，以減少步進(jìn)電機鎖定期間驅(qū)動器、電機的發(fā)熱量。加入12V、5V電源轉(zhuǎn)換器件， 只需要輸入一組24V直流電源， 并附有冷卻風(fēng)扇12V電源接口?？刂菩盘栞斎攵瞬捎猛耆怆姼綦x，減少干擾，有效防止故障擴大化，同時電源輸入端加入防反接、過流保護(hù)器件。內(nèi)置的一組受控的繼電器常開觸點可以直接控制主軸起停等動作，也可以在CNC控制軟件中用于電荷泵控制整個設(shè)備。具有熱保護(hù)信號、初始狀態(tài)監(jiān)控信號輸出，適合單片機系統(tǒng)控制。采用H橋雙極性驅(qū)動，恒流PWM斬波微步控制，具有整步、1／2、1／4、1／8細(xì)分，以及斯密特觸發(fā)半流控制方式。信號輸入端采用完全光隔離電路，經(jīng)帶斯密特觸發(fā)器的反相電路對輸入信號整形。

　　接口方面，采用LPT(打印終端line pnnt termina1)并口輸入使出方式。在其25針并口定義中，2至9口為8個數(shù)據(jù)位， 用于步進(jìn)電機驅(qū)動器脈沖和方向的控制一共只能控制4個軸，如果對第五軸進(jìn)行控制則需要第二個LPT接口， 然而大多數(shù)計算機只有一個LPT，默認(rèn)為LPT1，為此需要另外加入一個并行口適配器即LPT2?；蛘呖梢远x1口和14口為第五軸的脈沖和方向信號，省去一個并口。

　　3.2 軟件設(shè)計

　　CNC控制軟件中能夠支持五軸聯(lián)動的有Mach2等。用該軟件進(jìn)行插補的數(shù)控系統(tǒng)無需運動控制卡等硬件設(shè)備，只需要帶LPT并口的計算機以及相應(yīng)的步進(jìn)電機驅(qū)動器，就能構(gòu)成開環(huán)或者半閉環(huán)的數(shù)控系統(tǒng)，最多能控制六軸運動。該軟件根據(jù)導(dǎo)人的G代碼進(jìn)行插補運算，得出各個軸的脈沖信號并由LPT并口輸出，控制各個軸的步進(jìn)電機的聯(lián)動。

　　初次運行Mach2，應(yīng)首先對端口與引腳進(jìn)行設(shè)置，根據(jù)對并口的定義設(shè)置各端口引腳號。再進(jìn)行電機運行參數(shù)設(shè)定，每單位步數(shù)N即運動1MM 的距離所需要的脈沖數(shù)N= 幕 。由于步進(jìn)電機矩頻特性的限制，步進(jìn)電機的速度應(yīng)根據(jù)由矩頻特性曲線得到的理論速度進(jìn)行設(shè)定，也可以將速度由低向高調(diào)整，以電機不失步為原則，此時是步進(jìn)電機最高運行速度。另外電機的加速減速過程也要相應(yīng)設(shè)定。設(shè)定好后便可以開始加載G代碼進(jìn)行加工了。

4 數(shù)控陶瓷雕刻機的應(yīng)用

　　4.1 陶瓷浮雕建模

　　首先將矢量圖案轉(zhuǎn)換成 ．dxf文件并導(dǎo)人UG等軟件中，再將這些樣條曲線纏繞于柱面，然后投影到相應(yīng)陶瓷曲面，最后用得到的這些曲面上的樣條曲線產(chǎn)生曲面片體， 并對這些曲面片體進(jìn)行拔高處理，便得到曲面回轉(zhuǎn)體的浮雕模型。

　　4.2 浮雕的加工

　　通過浮雕三維模型產(chǎn)生五軸刀路文件，再經(jīng)專用后置處理文件生成NC代碼，然后輸入Mach2控制軟件中便可以進(jìn)行浮雕加工了。由于加工材料為未燒硬的瓷坯，雕刻時所需的切削力極小，所以可以選用最大進(jìn)給速度，并采用一刀完成。

　　如圖4的B圖為自行研制的五軸聯(lián)動數(shù)控陶瓷雕刻機加工出的陶瓷浮雕實物。

5 結(jié)語

　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各種加工行業(yè)，是當(dāng)今制造業(yè)的核心。五軸聯(lián)動數(shù)控陶瓷雕刻機的研制成功，對陶瓷行業(yè)的發(fā)展有著重要意義。該雕刻機能實現(xiàn)五軸聯(lián)動加工，取代了繁瑣的傳統(tǒng)手工雕刻，大大降低了勞動強度，而且能實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、批量化的陶瓷生產(chǎn)。特別適合花瓶、花盆等陶瓷的浮雕加工，還能進(jìn)行陶瓷雕塑的加工，其經(jīng)濟(jì)效益不可估量。