1 引言

　　隨著數(shù)控技術的發(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)標準化、批量化的陶瓷生產(chǎn)，對陶瓷行業(yè)具有重要意義。

2 機械結構設計

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

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

3 控制系統(tǒng)設計

　　出于經(jīng)濟型五軸聯(lián)動雕刻機的考慮，本設計采用基于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電機驅動器，驅動各個軸的步進電機運動。

　　3.1 硬件設計

　　采用了日本東方兩相混合式步進電機以及相應控制型CNC驅動器，該驅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電機專用驅動芯片TB6560HQ，通過改進電路結構的設計，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，可以驅動3A (含)以下的二相混合式步進電機。

　　結構設計方面，TB6560HQ芯片采用臥式安裝，增加了散熱效果和結構強度。采用大型散熱器，加大散熱面積，有利于穩(wěn)定工作。具有完善的熱保護功能，過熱時自動關閉步進電流輸出。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。另外還設有對刀、原點定位控制接口，和急停、限位控制接口。

　　電路設計方面，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，以減少步進電機鎖定期間驅動器、電機的發(fā)熱量。加入12V、5V電源轉換器件， 只需要輸入一組24V直流電源， 并附有冷卻風扇12V電源接口。控制信號輸入端采用完全光電隔離，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備。具有熱保護信號、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橋雙極性驅動，恒流PWM斬波微步控制，具有整步、1／2、1／4、1／8細分，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， 用于步進電機驅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。用該軟件進行插補的數(shù)控系統(tǒng)無需運動控制卡等硬件設備，只需要帶LPT并口的計算機以及相應的步進電機驅動器，就能構成開環(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)導人的G代碼進行插補運算，得出各個軸的脈沖信號并由LPT并口輸出，控制各個軸的步進電機的聯(lián)動。

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

4 數(shù)控陶瓷雕刻機的應用

　　4.1 陶瓷浮雕建模

　　首先將矢量圖案轉換成 ．dxf文件并導人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行拔高處理，便得到曲面回轉體的浮雕模型。

　　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 結語

　　隨著科學技術的發(fā)展，數(shù)控技術已廣泛應用于各種加工行業(yè)，是當今制造業(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)標準化、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，還能進行陶瓷雕塑的加工，其經(jīng)濟效益不可估量。