1 引言
随着数控技术的发展与普及，现如今对成本低廉、性能可靠的数控雕刻机的需求曰益明显，而市面上的雕刻机主要是用于广告行业的三轴雕刻机，无法用于陶瓷回转曲面的浮雕加工。能用于五面体加工的只有价格昂贵的五轴联动加工中心，若用在陶瓷浮雕，不仅成本太高，而且也不能满足陶瓷行业特殊性的要求。
为此一种能用于陶瓷行业的高速五面体雕刻机急于问世，它能够完全取代陶瓷手工雕刻，大大降低劳动强度，而且能实现标准化、批量化的陶瓷生产，对陶瓷行业具有重要意义。
2 机械结构设计
需要雕刻的陶瓷大部分为回转腔体类形状，因此采用在三个直线运动轴的基础上增加一个回转工作台和一个主轴摆头的五轴联动设计方案。
用于雕刻的材料为未烧硬的瓷坯，无法使用夹具，只能放置在回转工作台上，采用石膏作为回转台面。在石膏上加工出与瓷坯对应的定位槽，便于定位，同时能加大瓷坯和台面的附着力。
3 控制系统设计
出于经济型五轴联动雕刻机的考虑，本设计采用基于PC机的开放式数控系统，利用软件插补的方式，由计算机的LPT并口输出控制信号到各个轴步进电机驱动器，驱动各个轴的步进电机运动。
3.1 硬件设计
采用了日本东方两相混合式步进电机以及相应控制型CNC驱动器，该驱动器采用东芝公司生产的低电阻、高许可损耗封装的大电流步进电机专用驱动芯片TB6560HQ，通过改进电路结构的设计，使其性能有较大的提高，可以不加其它散热方式的情况下可靠稳定地工作在3A电流，可以驱动3A (含)以下的二相混合式步进电机。
结构设计方面，TB6560HQ芯片采用卧式安装，增加了散热效果和结构强度。采用大型散热器，加大散热面积，有利于稳定工作。具有完善的热保护功能，过热时自动关闭步进电流输出。具有独立的手动控制功能，可脱离PC机手动操作。带有一组受控的继电器，常开触点输出。另外还设有对刀、原点定位控制接口，和急停、限位控制接口。
电路设计方面，可不加其它散热方式可靠稳定地工作在3A电流(可以推动3．5A的电机但需要考虑力矩是否满足要求的问题)。具有自动半流控制功能，以减少步进电机锁定期间驱动器、电机的发热量。加入12V、5V电源转换器件， 只需要输入一组24V直流电源， 并附有冷却风扇12V电源接口。控制信号输入端采用完全光电隔离，减少干扰，有效防止故障扩大化，同时电源输入端加入防反接、过流保护器件。内置的一组受控的继电器常开触点可以直接控制主轴起停等动作，也可以在CNC控制软件中用于电荷泵控制整个设备。具有热保护信号、初始状态监控信号输出，适合单片机系统控制。采用H桥双极性驱动，恒流PWM斩波微步控制，具有整步、1／2、1／4、1／8细分，以及斯密特触发半流控制方式。信号输入端采用完全光隔离电路，经带斯密特触发器的反相电路对输入信号整形。
接口方面，采用LPT(打印终端line pnnt termina1)并口输入使出方式。在其25针并口定义中，2至9口为8个数据位， 用于步进电机驱动器脉冲和方向的控制一共只能控制4个轴，如果对第五轴进行控制则需要第二个LPT接口， 然而大多数计算机只有一个LPT，默认为LPT1，为此需要另外加入一个并行口适配器即LPT2。或者可以定义1口和14口为第五轴的脉冲和方向信号，省去一个并口。
3.2 软件设计
CNC控制软件中能够支持五轴联动的有Mach2等。用该软件进行插补的数控系统无需运动控制卡等硬件设备，只需要带LPT并口的计算机以及相应的步进电机驱动器，就能构成开环或者半闭环的数控系统，最多能控制六轴运动。该软件根据导人的G代码进行插补运算，得出各个轴的脉冲信号并由LPT并口输出，控制各个轴的步进电机的联动。
初次运行Mach2，应首先对端口与引脚进行设置，根据对并口的定义设置各端口引脚号。再进行电机运行参数设定，每单位步数N即运动1MM 的距离所需要的脉冲数N= 幕 。由于步进电机矩频特性的限制，步进电机的速度应根据由矩频特性曲线得到的理论速度进行设定，也可以将速度由低向高调整，以电机不失步为原则，此时是步进电机最高运行速度。另外电机的加速减速过程也要相应设定。设定好后便可以开始加载G代码进行加工了。
4 数控陶瓷雕刻机的应用
4.1 陶瓷浮雕建模
首先将矢量图案转换成 ．dxf文件并导人UG等软件中，再将这些样条曲线缠绕于柱面，然后投影到相应陶瓷曲面，最后用得到的这些曲面上的样条曲线产生曲面片体， 并对这些曲面片体进行拔高处理，便得到曲面回转体的浮雕模型。
4.2 浮雕的加工
通过浮雕三维模型产生五轴刀路文件，再经专用后置处理文件生成NC代码，然后输入Mach2控制软件中便可以进行浮雕加工了。由于加工材料为未烧硬的瓷坯，雕刻时所需的切削力极小，所以可以选用最大进给速度，并采用一刀完成。
如图4的B图为自行研制的五轴联动数控陶瓷雕刻机加工出的陶瓷浮雕实物。
5 结语
随着科学技术的发展，数控技术已广泛应用于各种加工行业，是当今制造业的核心。五轴联动数控陶瓷雕刻机的研制成功，对陶瓷行业的发展有着重要意义。该雕刻机能实现五轴联动加工，取代了繁琐的传统手工雕刻，大大降低了劳动强度，而且能实现标准化、批量化的陶瓷生产。特别适合花瓶、花盆等陶瓷的浮雕加工，还能进行陶瓷雕塑的加工，其经济效益不可估量。
(审核编辑: 智汇张瑜)
