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五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控陶瓷雕刻機(jī)的研究與開(kāi)發(fā)

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關(guān)鍵詞:五軸聯(lián)動(dòng) 數(shù)控 雕刻機(jī)

    1 引言

      隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展與普及,現(xiàn)如今對(duì)成本低廉、性能可靠的數(shù)控雕刻機(jī)的需求曰益明顯,而市面上的雕刻機(jī)主要是用于廣告行業(yè)的三軸雕刻機(jī),無(wú)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(jià)格昂貴的五軸聯(lián)動(dòng)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(jī)急于問(wèn)世,它能夠完全取代陶瓷手工雕刻,大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度,而且能實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、批量化的陶瓷生產(chǎn),對(duì)陶瓷行業(yè)具有重要意義。

    2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

      需要雕刻的陶瓷大部分為回轉(zhuǎn)腔體類(lèi)形狀,因此采用在三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)軸的基礎(chǔ)上增加一個(gè)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)和一個(gè)主軸擺頭的五軸聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)方案。

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

    3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

      出于經(jīng)濟(jì)型五軸聯(lián)動(dòng)雕刻機(jī)的考慮,本設(shè)計(jì)采用基于PC機(jī)的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng),利用軟件插補(bǔ)的方式,由計(jì)算機(jī)的LPT并口輸出控制信號(hào)到各個(gè)軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,驅(qū)動(dòng)各個(gè)軸的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

      3.1 硬件設(shè)計(jì)

      采用了日本東方兩相混合式步進(jìn)電機(jī)以及相應(yīng)控制型CNC驅(qū)動(dòng)器,該驅(qū)動(dòng)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(jī)專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片TB6560HQ,通過(guò)改進(jìn)電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),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(dòng)3A (含)以下的二相混合式步進(jìn)電機(jī)。

      結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,TB6560HQ芯片采用臥式安裝,增加了散熱效果和結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(guò)熱時(shí)自動(dòng)關(guān)閉步進(jìn)電流輸出。具有獨(dú)立的手動(dòng)控制功能,可脫離PC機(jī)手動(dòng)操作。帶有一組受控的繼電器,常開(kāi)觸點(diǎn)輸出。另外還設(shè)有對(duì)刀、原點(diǎn)定位控制接口,和急停、限位控制接口。

      電路設(shè)計(jì)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(dòng)3.5A的電機(jī)但需要考慮力矩是否滿足要求的問(wèn)題)。具有自動(dòng)半流控制功能,以減少步進(jìn)電機(jī)鎖定期間驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)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。控制信號(hào)輸入端采用完全光電隔離,減少干擾,有效防止故障擴(kuò)大化,同時(shí)電源輸入端加入防反接、過(guò)流保護(hù)器件。內(nèi)置的一組受控的繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)可以直接控制主軸起停等動(dòng)作,也可以在CNC控制軟件中用于電荷泵控制整個(gè)設(shè)備。具有熱保護(hù)信號(hào)、初始狀態(tài)監(jiān)控信號(hào)輸出,適合單片機(jī)系統(tǒng)控制。采用H橋雙極性驅(qū)動(dòng),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(hào)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(duì)輸入信號(hào)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(gè)數(shù)據(jù)位, 用于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器脈沖和方向的控制一共只能控制4個(gè)軸,如果對(duì)第五軸進(jìn)行控制則需要第二個(gè)LPT接口, 然而大多數(shù)計(jì)算機(jī)只有一個(gè)LPT,默認(rèn)為L(zhǎng)PT1,為此需要另外加入一個(gè)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(hào),省去一個(gè)并口。

      3.2 軟件設(shè)計(jì)

      CNC控制軟件中能夠支持五軸聯(lián)動(dòng)的有Mach2等。用該軟件進(jìn)行插補(bǔ)的數(shù)控系統(tǒng)無(wú)需運(yùn)動(dòng)控制卡等硬件設(shè)備,只需要帶LPT并口的計(jì)算機(jī)以及相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,就能構(gòu)成開(kāi)環(huán)或者半閉環(huán)的數(shù)控系統(tǒng),最多能控制六軸運(yùn)動(dòng)。該軟件根據(jù)導(dǎo)人的G代碼進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算,得出各個(gè)軸的脈沖信號(hào)并由LPT并口輸出,控制各個(gè)軸的步進(jìn)電機(jī)的聯(lián)動(dòng)。

      初次運(yùn)行Mach2,應(yīng)首先對(duì)端口與引腳進(jìn)行設(shè)置,根據(jù)對(duì)并口的定義設(shè)置各端口引腳號(hào)。再進(jìn)行電機(jī)運(yùn)行參數(shù)設(shè)定,每單位步數(shù)N即運(yùn)動(dòng)1MM 的距離所需要的脈沖數(shù)N= 幕 。由于步進(jìn)電機(jī)矩頻特性的限制,步進(jìn)電機(jī)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(jī)不失步為原則,此時(shí)是步進(jìn)電機(jī)最高運(yùn)行速度。另外電機(jī)的加速減速過(guò)程也要相應(yīng)設(shè)定。設(shè)定好后便可以開(kāi)始加載G代碼進(jìn)行加工了。

    4 數(shù)控陶瓷雕刻機(jī)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(duì)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(guò)浮雕三維模型產(chǎn)生五軸刀路文件,再經(jīng)專(zhuān)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(shí)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(dòng)數(shù)控陶瓷雕刻機(jī)加工出的陶瓷浮雕實(shí)物。

    5 結(jié)語(yǔ)

      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(dòng)數(shù)控陶瓷雕刻機(jī)的研制成功,對(duì)陶瓷行業(yè)的發(fā)展有著重要意義。該雕刻機(jī)能實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)加工,取代了繁瑣的傳統(tǒng)手工雕刻,大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度,而且能實(shí)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。

    (審核編輯: 智匯張瑜)

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