陶瓷智能浮雕機(jī)設(shè)計

黎泉 朱艷 賈廣攀 吳甲蘭

摘 要：中國四大名陶之一的坭興陶市場需求日益增長，但是其浮雕工藝的手工生產(chǎn)率低下，無法滿足高效生產(chǎn)要求。本文結(jié)合市場需求，設(shè)計了一款陶瓷智能浮雕機(jī)。根據(jù)坭興陶浮雕工藝的特點，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計為四軸聯(lián)動。本設(shè)計采用Mach3軟件作為PC機(jī)控制軟件，通過Mach3控制板與機(jī)械結(jié)構(gòu)連接，并通過位置傳感器形成閉環(huán)控制，使用ArtCAM軟件將雕刻圖案矢量圖轉(zhuǎn)換為浮雕的曲面圖，并生成加工代碼，最后通過實例驗證了浮雕機(jī)設(shè)計的正確性和可行性。

關(guān)鍵詞：陶瓷;浮雕;Mach3;ArtCAM

中圖分類號：UTQ174.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）09-0072-03

Abstract： The market demand for Nixing pottery， one of the four famous potteries in China， is growing day by day， but the manual productivity of its relief craftsmanship is low， which cannot meet the requirements of efficient production. This paper designed a ceramic intelligent relief machine based on market demand. According to the characteristics of Nixing pottery relief craftsmanship， the mechanical structure was designed for four-axis linkage. This design used Mach3 software as the PC control software， connected with the mechanical structure through the Mach3 control board， and formed a closed-loop control through the position sensor， used the ArtCAM software to convert the engraving pattern vector diagram into a relief surface diagram， and generated the processing code， finally verified the correctness and feasibility of the relief machine design through an example.

Keywords： Nixing pottery;relief;Mach3;ArtCAM

欽州坭興陶是中國四大名陶之一，據(jù)《欽州縣志》記載，坭興陶的歷史可以追溯到新石器時代，經(jīng)過長遠(yuǎn)的歷史積淀，坭興陶凝聚了豐富的物質(zhì)文化和精神文化，具有較高的藝術(shù)收藏價值。坭興陶的泥料可塑性和黏性較強(qiáng)，人們可以在坯體表面進(jìn)行雕、刻、鏤等不同的藝術(shù)裝飾，而浮雕則是耗時較長的工序之一，同時對工匠的技能手法要求較高。坭興陶的浮雕與一般的浮雕具有較大的不同，一般浮雕都是在坯體或者其他材質(zhì)平面上浮起一定厚度的形象，而坭興陶的浮雕則采用平面以下另雕突起的方式，它的最高點頂多與器物平面相當(dāng)[1]。隨著坭興陶產(chǎn)業(yè)的不斷優(yōu)化升級和需求量的不斷增大，坭興陶的規(guī)?；a(chǎn)對浮雕等制作工序以及生產(chǎn)率提出了新的要求，傳統(tǒng)的手工浮雕工藝已不能滿足市場需求。因此，有必要研發(fā)一臺滿足坭興陶制作工藝要求的智能浮雕機(jī)，其具有比較廣闊的市場。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

本研究設(shè)計的陶瓷智能浮雕機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示，由于坭興陶浮雕面大都為平面類或回轉(zhuǎn)類，因此運(yùn)動軸設(shè)計為[X]、[Y]、[Z]三個直線軸和繞[Y]軸旋轉(zhuǎn)的[B]軸，其共有4個自由度，如圖2所示。

注：1.機(jī)架;2.輸送架;3.夾具架;4.[X]軸支架;5.[Y]軸支架;6.[Z]軸支架;7.[X]軸滑軌;8.[Y]軸滑軌;9.[Z]軸滑軌;10.基座;11.輸送裝置;12.傳送帶;13.驅(qū)動電機(jī);14.軸孔;15.卡槽;16.下夾具;17.上夾具;18.支座;19.第一轉(zhuǎn)動架;20.第一液壓缸;21.第一油泵;22.升降電機(jī);23.轉(zhuǎn)動裝置;24.雕刻機(jī)構(gòu);25.底板;26.雕刻電機(jī);27.刀具;28.[X]軸電機(jī);29.[Y]軸電機(jī);30.[Z]軸電機(jī)。

陶瓷智能浮雕機(jī)包括機(jī)架、輸送裝置、夾緊裝置、轉(zhuǎn)動裝置和雕刻裝置等。

機(jī)架由基座、輸送架、夾具架和雕刻架等組成，基座和輸送架底部均安裝有支撐座，其用于擺放在地面或桌面上，夾具架和雕刻架均安裝在基座上，夾具架和雕刻架分布在輸送架的兩側(cè)，夾具架上設(shè)置有與[Z]軸平行的夾具滑軌。

輸送裝置安裝在輸送架上，其包括驅(qū)動電機(jī)及傳送帶，傳送帶與輸送架用滾筒連接，驅(qū)動電機(jī)固定于輸送架用以驅(qū)動傳送帶，在陶瓷坯體上料、雕刻、下料時傳送托盤。

夾緊裝置由上夾具、下夾具和升降電機(jī)等組成。上夾具安裝在滑軌上并置于傳送帶的上方，由升降電機(jī)驅(qū)動其沿夾具滑軌滑動，傳送帶上同時安裝有多個下夾具，其與上夾具配合使用。

轉(zhuǎn)動裝置設(shè)置在上夾具的下方，并位于傳送帶的上、下傳送部分之間，其由支撐架、第二轉(zhuǎn)動架、轉(zhuǎn)動電機(jī)、第二油泵和兩個對稱設(shè)置的第二液壓缸等構(gòu)成。支撐架安裝于基座上，第二轉(zhuǎn)動架安裝在支撐架上并可繞其轉(zhuǎn)動，第二油泵和兩個第二液壓缸安裝于第二轉(zhuǎn)動架上，第二液壓缸通過油管連接至對應(yīng)的第二油泵，第二液壓缸的活塞桿上設(shè)計有夾緊片，夾緊片由第二液壓缸驅(qū)動以夾緊或松開轉(zhuǎn)軸，第二轉(zhuǎn)動架由固定安裝在支撐架上的轉(zhuǎn)動電機(jī)驅(qū)動。雕刻裝置安裝在雕刻架上，在進(jìn)行浮雕作業(yè)時，其可沿著[Z]軸上下移動。

輸送裝置上共設(shè)置有三個托盤，分別為上料托盤、加工托盤和卸料托盤。在進(jìn)行浮雕作業(yè)時，要將已制作好的陶瓷坯體放置在上料托盤上，上、下部分各有夾緊裝置進(jìn)行固定，由輸送裝置進(jìn)行托盤交換，上料托盤移動到雕刻位置，成為加工托盤，控制[X]、[Y]、[Z]軸的移動可實現(xiàn)雕刻頭的直線移動。[B]軸設(shè)置在托盤上，控制托盤的轉(zhuǎn)動可實現(xiàn)坯體的旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)其回轉(zhuǎn)表面的加工。雕刻加工完成后，由輸送裝置進(jìn)行托盤交換，加工托盤移出雕刻位置，變成下料托盤。最后，將陶瓷坯體卸下，完成陶瓷坯雕刻加工，轉(zhuǎn)入下一工序。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

陶瓷智能浮雕機(jī)的控制系統(tǒng)組成如圖3所示。計算機(jī)端采用Mach3軟件（見圖4）作為運(yùn)動控制軟件，Mach3軟件是由美國ArtSoft公司開發(fā)的可用于Windows平臺的數(shù)控軟件，Mach3軟件使用PC機(jī)上的LPT或者USB端口作為浮雕機(jī)的輸入與輸出通道，輸出脈沖與方向信號，用以控制步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)驅(qū)動器，進(jìn)而控制浮雕機(jī)，該軟件支持所有國際標(biāo)準(zhǔn)G代碼，支持多種DXF、JPG、HPGL和BMP等文件格式輸入[2-3]。其通過并口與Mach3控制卡連接，再由Mach3控制卡發(fā)送各軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動信號到對應(yīng)的驅(qū)動器，用以驅(qū)動各進(jìn)給軸，Mach3控制卡同時發(fā)送PWM脈沖信號控制主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)動。由于采用的是步進(jìn)電機(jī)，控制方式為開環(huán)控制，因此在浮雕機(jī)上各進(jìn)給軸安裝位置傳感器，將各軸的實時位置信號回傳到Mach3控制卡，形成閉環(huán)控制，以此提高控制精度，確保浮雕圖案的準(zhǔn)確性。

陶瓷智能浮雕機(jī)共有三個直線軸和一個旋轉(zhuǎn)軸，Mach3控制系統(tǒng)需要控制這四個軸的運(yùn)動，同時要控制主軸的轉(zhuǎn)動，或者停止時保持一定的扭矩。在調(diào)試設(shè)備時，Mach3控制卡上的每個端口都對應(yīng)控制不同的軸，接線時需要調(diào)節(jié)好控制板上各端口與所控制軸之間的關(guān)系，只有確保對應(yīng)的關(guān)系正確，才能保證浮雕機(jī)各軸運(yùn)動與控制代碼運(yùn)行的一致性[4]。

3 浮雕加工實現(xiàn)

ArtCAM軟件是英國Delcam公司研發(fā)的CAD造型和CNC、CAM加工解決方案，是復(fù)雜立體三維浮雕設(shè)計、珠寶設(shè)計和加工的首選CAD/CAM軟件解決方案，可快速將二維構(gòu)思轉(zhuǎn)換成三維藝術(shù)產(chǎn)品[5]。在坭興陶智能浮雕機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配好并連接好各電氣控制線路后，人們可以將其投入陶瓷坯體的浮雕作業(yè)。為了驗證機(jī)器的正確性與可靠性，筆者選取已設(shè)計好的“難得糊涂”浮雕灰度圖（見圖5），通過ArtCAM軟件處理后生成其仿真效果圖（見圖6），經(jīng)仔細(xì)檢查并保證無誤后生成NC代碼，最后導(dǎo)入PC機(jī)的Mach3軟件，通過Mach3控制卡控制機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行實際加工，雕刻好的陶瓷杯子如圖7所示。經(jīng)比對灰度圖、浮雕三維圖和實物圖，陶瓷杯上雕刻出來的圖案與灰度圖基本吻合，僅細(xì)節(jié)處有細(xì)微差別，這主要是由雕刻刀具的浮雕力度分布不均引起的，以上實例驗證了浮雕機(jī)的正確性和可行性。

4 結(jié)論

經(jīng)過對陶瓷智能浮雕機(jī)的機(jī)械機(jī)構(gòu)、硬件電路、Mach3軟件、雕刻圖案及雕刻刀軌的調(diào)試和反復(fù)試驗，浮雕機(jī)能夠正常、連續(xù)、穩(wěn)定地工作，各軸定位準(zhǔn)確，雕刻效果良好。浮雕機(jī)下一步的改進(jìn)可圍繞自動上下料、自動識別形狀及自動對刀等方面進(jìn)行，以期實現(xiàn)全過程自動化生產(chǎn)，進(jìn)一步提高生產(chǎn)率。

參考文獻(xiàn)：

[1]平友舜.試論坭興陶的歷史沿革和藝術(shù)特點[J].南京藝術(shù)學(xué)院學(xué)報（美術(shù)與設(shè)計版），1985（4）：40-44.

[2]王寬，趙巍，張翔宇.基于Mach3的教學(xué)型五軸數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計[J].天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)學(xué)報，2016（1）：37-40.

[3]龔志遠(yuǎn).小型CNC雕刻機(jī)設(shè)計[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2011（2）：100-102.

[4]李榮泳.基于Mach3軟件的經(jīng)濟(jì)型五軸雕刻機(jī)開發(fā)[D].東莞：東莞理工學(xué)院，2011：18.

[5]羅奇亮.數(shù)控雕刻機(jī)控制系統(tǒng)的研究及實現(xiàn)[D].西安：西安工業(yè)大學(xué)，2010：12-13.