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。