陶瓷智能浮雕機設計

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率低下，無法滿足高效生產要求。本文結合市場需求，設計了一款陶瓷智能浮雕機。根據坭興陶浮雕工藝的特點，機械結構設計為四軸聯動。本設計采用Mach3軟件作為PC機控制軟件，通過Mach3控制板與機械結構連接，并通過位置傳感器形成閉環控制，使用ArtCAM軟件將雕刻圖案矢量圖轉換為浮雕的曲面圖，并生成加工代碼，最后通過實例驗證了浮雕機設計的正確性和可行性。

關鍵詞：陶瓷;浮雕;Mach3;ArtCAM

中圖分類號：UTQ174.5 文獻標識碼：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《欽州縣志》記載，坭興陶的歷史可以追溯到新石器時代，經過長遠的歷史積淀，坭興陶凝聚了豐富的物質文化和精神文化，具有較高的藝術收藏價值。坭興陶的泥料可塑性和黏性較強，人們可以在坯體表面進行雕、刻、鏤等不同的藝術裝飾，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[1]。隨著坭興陶產業的不斷優化升級和需求量的不斷增大，坭興陶的規模化生產對浮雕等制作工序以及生產率提出了新的要求，傳統的手工浮雕工藝已不能滿足市場需求。因此，有必要研發一臺滿足坭興陶制作工藝要求的智能浮雕機，其具有比較廣闊的市場。

1 機械結構設計

本研究設計的陶瓷智能浮雕機機械結構如圖1所示，由于坭興陶浮雕面大都為平面類或回轉類，因此運動軸設計為[X]、[Y]、[Z]三個直線軸和繞[Y]軸旋轉的[B]軸，其共有4個自由度，如圖2所示。

注：1.機架;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.驅動電機;14.軸孔;15.卡槽;16.下夾具;17.上夾具;18.支座;19.第一轉動架;20.第一液壓缸;21.第一油泵;22.升降電機;23.轉動裝置;24.雕刻機構;25.底板;26.雕刻電機;27.刀具;28.[X]軸電機;29.[Y]軸電機;30.[Z]軸電機。

陶瓷智能浮雕機包括機架、輸送裝置、夾緊裝置、轉動裝置和雕刻裝置等。

機架由基座、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，夾具架上設置有與[Z]軸平行的夾具滑軌。

輸送裝置安裝在輸送架上，其包括驅動電機及傳送帶，傳送帶與輸送架用滾筒連接，驅動電機固定于輸送架用以驅動傳送帶，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，由升降電機驅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。

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

輸送裝置上共設置有三個托盤，分別為上料托盤、加工托盤和卸料托盤。在進行浮雕作業時，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行固定，由輸送裝置進行托盤交換，上料托盤移動到雕刻位置，成為加工托盤，控制[X]、[Y]、[Z]軸的移動可實現雕刻頭的直線移動。[B]軸設置在托盤上，控制托盤的轉動可實現坯體的旋轉，實現其回轉表面的加工。雕刻加工完成后，由輸送裝置進行托盤交換，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，轉入下一工序。

2 控制系統設計

陶瓷智能浮雕機的控制系統組成如圖3所示。計算機端采用Mach3軟件（見圖4）作為運動控制軟件，Mach3軟件是由美國ArtSoft公司開發的可用于Windows平臺的數控軟件，Mach3軟件使用PC機上的LPT或者USB端口作為浮雕機的輸入與輸出通道，輸出脈沖與方向信號，用以控制步進電機或伺服電機驅動器，進而控制浮雕機，該軟件支持所有國際標準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控制卡發送各軸步進電機驅動信號到對應的驅動器，用以驅動各進給軸，Mach3控制卡同時發送PWM脈沖信號控制主軸電機的轉動。由于采用的是步進電機，控制方式為開環控制，因此在浮雕機上各進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，形成閉環控制，以此提高控制精度，確保浮雕圖案的準確性。

陶瓷智能浮雕機共有三個直線軸和一個旋轉軸，Mach3控制系統需要控制這四個軸的運動，同時要控制主軸的轉動，或者停止時保持一定的扭矩。在調試設備時，Mach3控制卡上的每個端口都對應控制不同的軸，接線時需要調節好控制板上各端口與所控制軸之間的關系，只有確保對應的關系正確，才能保證浮雕機各軸運動與控制代碼運行的一致性[4]。

3 浮雕加工實現

ArtCAM軟件是英國Delcam公司研發的CAD造型和CNC、CAM加工解決方案，是復雜立體三維浮雕設計、珠寶設計和加工的首選CAD/CAM軟件解決方案，可快速將二維構思轉換成三維藝術產品[5]。在坭興陶智能浮雕機機械結構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。為了驗證機器的正確性與可靠性，筆者選取已設計好的“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），經仔細檢查并保證無誤后生成NC代碼，最后導入PC機的Mach3軟件，通過Mach3控制卡控制機械結構進行實際加工，雕刻好的陶瓷杯子如圖7所示。經比對灰度圖、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，僅細節處有細微差別，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的正確性和可行性。

4 結論

經過對陶瓷智能浮雕機的機械機構、硬件電路、Mach3軟件、雕刻圖案及雕刻刀軌的調試和反復試驗，浮雕機能夠正常、連續、穩定地工作，各軸定位準確，雕刻效果良好。浮雕機下一步的改進可圍繞自動上下料、自動識別形狀及自動對刀等方面進行，以期實現全過程自動化生產，進一步提高生產率。

參考文獻：

[1]平友舜.試論坭興陶的歷史沿革和藝術特點[J].南京藝術學院學報（美術與設計版），1985（4）：40-44.

[2]王寬，趙巍，張翔宇.基于Mach3的教學型五軸數控機床控制系統設計[J].天津職業技術師范大學學報，2016（1）：37-40.

[3]龔志遠.小型CNC雕刻機設計[J].組合機床與自動化加工技術，2011（2）：100-102.

[4]李榮泳.基于Mach3軟件的經濟型五軸雕刻機開發[D].東莞：東莞理工學院，2011：18.

[5]羅奇亮.數控雕刻機控制系統的研究及實現[D].西安：西安工業大學，2010：12-13.