陶瓷壞體數控雕刻加工技術分析

關鍵詞：陶瓷；設計研究；可調節；雕刻機

1前言

在我國廣西北部灣地區，欽州的堤興陶著有中國四大名陶之一的美稱，距今已有1300多年的歷史，以欽江東，西兩岸特有的紫紅陶土為原料，東泥軟為肉，西泥硬為骨，按一定的比例混合，得以燒制成骨肉相連的昵興陶上品。以欽江東，西兩岸特有的紫紅陶土為原料，深藏于山腹底層，天然安全，細膩豐富。富有鐵、鋅、鈣、鍶等十幾種對人體有益的礦物質，不需要添加任何化學色素和化學物，耐酸耐堿，無毒性（鉛、鎘等釋出量為零）。[當前為科技迅速發展的時代，各行業各領域都在向科技領域進行轉型、改革。

2 技術背景

就目前發展的狀況而言，陶瓷雕刻制作技術仍舊局限于手工雕刻和普通機械簡單且簡陋的成形，站在我國現代化高速發展的角度思考，這種雕刻加工技術的缺陷極其明顯[]：

（1）效率低。手工雕刻的效率確實非常低下，陶瓷產品因其固有的物理性能又極易破壞，陶泥的水分，雕刻環境的溫度，時間上的限制等始終都是影響產品價值的主要因素，因此，一件產品的生產雕刻所需的時間往往與付出成反比關系，年產量極低，需求量遠大于生產量。

（2）產品單一。陶瓷產品在雕刻時都幾乎要求一次性雕刻成形，若多次雕刻或出現雕刻錯誤就很有可能導致此產品在成形后出現裂紋或質量不達標；且對大多數陶泥雕刻也有時間上的嚴格控制，時間過長陶泥上的水分流失嚴重就會出現雕刻困難從而導致破壞現象，因此大多數的陶瓷產品雕刻的圖案都極其簡單。復雜的圖案雕刻非常考驗雕刻帥傅的技術水平，且能掌握高雕刻技術的師傅極少，因此大部分的陶瓷產品就表現得非常單一。

（3）依賴性高。陶瓷產品的內在質量和外在觀賞價值取決于每位雕刻師傅的技術水平。不言而喻，高價值的產品便會對雕刻師傅產生依賴性，但高價值的產品需求量又遠遠超過雕刻師傅的工作負擔，而這些工序基本上是由一個人全程雕刻全程負責的，不可轉讓，因此傳統的手工雕刻依賴性極高。

（4）損害健康。手工雕刻始終離不開與粉塵的直接接觸，導致的直接健康問題就是呼吸道疾病問題。如何防止粉塵，保護自身健康始終是各行各業正在努力改善工作環境的方向之一。

3創新設計與分析研究

對于傳統的手工雕刻存在的許多缺點，有必要研究設計一款能實現機械加工且適用于大尺寸壞體加工的陶瓷雕刻機。本論文針對需要解決的技術問題，創新設計了一款適用于大尺寸壞體雕刻且加工效率高，并可以根據使用需求調整回轉半徑的多功能多用途靈便的陶瓷雕刻機，在此對可調節回轉半徑陶瓷雕刻機進行相關的創新設計與分析研究。

可調節回轉半徑陶瓷雕刻機，包括數控裝置和機床主體，所述機床主體包括底座和固定于其上的立柱，在底座和立柱之間設置有加強板，所述底座上設置有Y軸進給機構和A軸旋轉機構，所述立柱上設置有X軸進給機構和Z軸進給機構，其中：

所述Y軸進給機構包括設置于底座上的Y軸支撐座，在Y軸支撐座安裝有Y軸步進電機、Y軸滾珠絲杠、呈水平方向設置的2個Y軸線性導軌與所述Y軸線性導軌滑動配合的Y軸滑塊（每一個Y軸線性導軌上設置2個Y軸滑塊，共4個）以及2個Y軸軸承座，在Y軸滑塊頂端固裝有用于安裝A軸旋轉機構的工作臺；Y軸滾珠絲杠的兩端通過軸承分別安裝于2個Y軸軸承座中，Y軸步進電機的輸出軸通過Y軸聯軸器與Y軸滾珠絲杠的一端同軸連接。

所述A軸旋轉機構包括設置于工作臺上的A軸支撐座、A軸旋轉電機、主動輪、從動輪和用于置放被加工陶瓷坯體的卡盤，其中，A軸旋轉電機安裝于A軸支撐座上，其輸出軸穿過A軸支撐座與安裝在A軸支撐座下方的主動輪固接，所述主動輪和從動輪可以通過同步帶進行有效的連接，從動輪的輸出軸穿過A軸支撐座，所述的卡盤固接于該從動輪的輸出軸上。

所述X軸進給機構包括設置于立柱上的X軸支撐座，在X軸支撐座安裝有X軸步進電機、X軸滾珠絲杠、呈縱向設置的2個X軸線性導軌和與所述X軸線性導軌滑動配合的Y軸滑塊（每一個X軸線性導軌上設置2個X軸滑塊，共4個）、以及2個X軸軸承座；所述X軸滑塊頂端固裝有用于安裝Z軸進給機構的Z軸支撐座；X軸滾珠絲杠的兩端通過軸承分別安裝于2個X軸軸承座中，X軸步進電機的輸出軸通過X軸聯軸器與X軸滾珠絲杠的一端同軸連接。

所述Z軸進給機構包括固裝于所述的X軸滑塊上的Z軸支撐座，在Z軸支撐座安裝有Z軸步進電機、Z軸滾珠絲杠、呈水平方向設置的2個Z軸線性導軌和與所述Z軸線性導軌滑動配合的Z軸滑塊（每一個Z軸線性導軌上設置2個Z軸滑塊，共4個）以及2個Z軸軸承座；Z軸滾珠絲杠的兩端通過軸承分別安裝于2個Z軸軸承座中，Z軸步進電機的輸出軸通過Z軸聯軸器與Z軸滾珠絲杠的一端同軸連接；在Z軸支撐座上還安裝有主軸夾持座，所述主軸夾持座上安裝有主軸電機，該主軸電機的輸出軸上通過雕刻機卡頭安裝有雕刻刀。所述數控裝置分別連接控制X軸步進電機、A軸旋轉電機、Y軸步進電機和Z軸步進電機。

上述實施方式中，Y軸進給機構實現被加工陶瓷坯體的在水平方向上的往復移動，A軸旋轉機構實現被加工陶瓷坯體的在水平方向上的旋轉移動，X軸進給機構實現雕刻工具在縱向方向上的往復移動，而Z軸進給機構實現被雕刻工具的在水平方向上的往復移動。可調節回轉半徑陶瓷雕刻機設計如下圖所示：

上述技術方案中，優選是在底座和立柱之間設置加強板，從而提高設置在立柱上的X軸進給機構的剛性。

上述技術方案中，所述的雕刻工具通過雕刻機卡頭固定于主軸電機的輸出軸上。

上述技術方案中，所述的雕刻工具具體可以是雕刻刀。

上述技術方案中，所述數控裝置完成所有加工數據的處理、計算工作，最終實現雕刻機機床主體的指揮工作；其組成與現有技術相同，通常包含微計算機的電路、各種接口電路、CRT顯示器等硬件及相應的軟件。3]

為了在特殊情況下緊急控制所述雕刻機的運行，優選在底座上還設置一緊急控制所述雕刻機停止的急停開關。

可調節回轉半徑陶瓷雕刻機，其特征在于：所述的雕刻工具通過雕刻機卡頭固定于主軸電機的輸出軸上；所述的雕刻工具為雕刻刀；所述底座和立柱之間設置有加強板；在底座上還設置有一緊急控制所述雕刻機停止的急停開關。

4雕刻精確度高

雕刻刀具為高精度刀具，采用數控機床自動更換雕刻刀具技術，減小累計誤差和手工的裝夾誤差。X、Y、Z三軸的步進電機和旋轉電機可以通過電腦計算機直接實現數字控制，可以達到高精度的定位和調速功能，雕刻機在測量大尺寸壞體時精度公差范圍可高達 ±0 001mm 、偏心誤差可被雕刻機嚴格控制在 0.01mm 范圍內，基本上避免了人工測量和讀取數據出現的誤差；雕刻機有自動識別并清零的測量功能，位置誤差也不會出現疊加積累，有利于大幅度提高陶瓷雕刻中的雕刻精度，使機器雕刻的工藝品更加精致和美觀。雕刻機測量是以傳感技術為基礎，并結合計算機系統，在Mastercam等數控機床專用的軟件和相關輔助軟件支持下，實現自動化在線精準定位測量以及進行數據庫數據采集、中央單元分析處理、3D技術特征提取和三維影像識別，在雕刻過程中達到測量目的。測量運用了二次元非接觸影像測量儀，精度不受機器的干擾，從而避免了人為的測量誤差和測量器具及機械結構誤差等對測量精度的影響，只要按照設計精度的要求來操作便可獲得相應的測量精度和加工精度。

5可調節回轉半徑陶瓷雕刻機的工作原理

可調節回轉半徑陶瓷雕刻機的工作流程與現有的數控機床、線切割、激光切割等有著相似之處，都是通過電腦仿真軟件發送相關的控制程序指令從而控制機械的加工。所謂的仿真是指用智能的辦法，在數據處理系統中能夠大體上營造試驗對象所需要的環境溫度、濕度等因素以及試驗對象固有的物理本質和化學特性，從而模擬試驗對象在現實生活中的場景，以至于得出的數據和結果就像真實場景中的一樣。例如電腦計算機仿真數據控制處理操作系統。在現實生活與機械工程實踐中，普遍使用這種類似的仿真系統模型，例如物理、數學、軟件等模型來模仿實際場景，代替實際狀況來進行實驗、數據處理、分析和研究，這樣的仿真系統有利于節約成本，減少材料的浪費，提高效率，并能全方位計算，確保準確性。可調節回轉半徑陶瓷雕刻機就是利用這樣的電腦仿真系統原理從而控制雕刻機的所有機械雕刻。

首先根據客戶的需求用繪圖軟件繪制出陶瓷所需雕刻的圖形圖案以及建立所需雕刻的陶瓷的軟件模型尺寸，將所需雕刻的圖案粘貼到陶瓷品合適的位置上，并設置好雕刻機的工具雕刻路徑以及所需的雕刻工具型號和雕刻的深度、樣式等相關技術參數，設置完成后在電腦計算機仿真軟件中進行可調節回轉半徑陶瓷雕刻機的雕刻仿真，雕刻機會根據設置的雕刻路徑、深度自動調節回轉半徑，自動切換所需的不同型號的雕刻工具。雕刻仿真結束后，對電腦仿真軟件雕刻出來的陶瓷軟件模型進行仔細檢查，檢查所雕刻的圖案是否完整，雕刻深度及雕刻樣式是否清晰美觀，對不滿意的地方進行相關的參數調整，再次模擬仿真，直至電腦軟件模擬雕刻出來的陶瓷模型符合客戶的設計需求。最后，將實體陶瓷裝夾到可調節回轉半徑陶瓷雕刻機工作臺上，與電腦建立數據電路通信，連接CRT顯示器等硬件以及打開相應的軟件，正式對陶瓷進行圖案雕刻。8一般情況下，通過電腦仿真軟件雕刻得出什么樣的陶瓷模型，在實際工作中就能得出與之一樣的現實陶瓷藝術產品，這就是機械雕刻的高超之處。

6可調節回轉半徑陶瓷雕刻機的優勢

與現有技術相比，可調節回轉半徑陶瓷雕刻機的特點在于：

（1）將動力主軸運動方向設計為水平方向，解決了受到行程限制而無法雕刻大尺寸坯體的問題，可根據雕刻坯體的大小調節回轉半徑，由于主軸行程限制，被雕刻的陶瓷坯體半徑也受到主軸行程的限制，只能允許回轉半徑小于主軸行程。本設計將傳統機床Y軸設置為水平方向，并與Z軸平行。用于調節受到回轉半徑限制而無法雕刻坯體，通過控制Y軸步進電機使滾珠絲杠的旋轉移動工作臺，來實現調節坯體回轉中心與雕刻刀具之間的距離，從而實現可調節回轉半徑。主軸采用夾持型，可根據被加工對象的硬度更換不同功率的主軸電機。

（2）使用范圍較廣，可實現浮雕、陰雕或線雕，可解決各種異形胚體浮雕雕刻。

（3）機械部分和數據部分結合運作，可實現大尺寸壞體的大批量生產，加工過程中壞體不易損壞，加工效率高，有望實現陶瓷雕刻產業的自動化流水生產線。

（4）圖案雕刻可以根據不同的客戶要求實現個性化生產，雕刻精度得到有效保障，滿足現代社會人們對美的追求，提高陶瓷產品的創新力及競爭力，有利于擴大中國智造陶瓷走向全世界。

（5）可調節回轉半徑陶瓷雕刻機可實現個人技術機械化、創新化，雕刻機師傅只需掌握可調節回轉半徑陶瓷雕刻機的使用及維修方法就可以控制一組的雕刻機，就可以實現陶瓷雕刻不停地生產制造。

（6）人工智能化的可調節回轉半徑陶瓷雕刻機嚴格按照機械加工雕刻的指令進行，出錯的概率極少，受外界因素影響極少，保證雕刻的連續性、均勻性、完整性。將手工工藝技術轉化為機械設計技術，有利于關鍵技術的機械化傳承，對非物質文化遺產添加了創新的元素和活的靈魂，同時也有較好的保護和傳承發揚的作用，機械化設計技術最終也可以轉化為手工技術。

（7）可實現自動化生產流水線，大幅度減少工作人員處于惡劣的生產環境之中，解決傳統手工人員與粉塵顆粒的接觸，減少各種疾病的發生，滿足當今社會就業人員對日益美好的工作環境的要求，保障全球市場供應需求。

7結語

可調節回轉半徑陶瓷雕刻機是推進陶瓷雕刻行業發展并結合我國當代科學技術而設計發明的產物，針對陶瓷雕刻過程時遇到的問題進行分析，并結合現有雕刻機的缺點，設計、研究出的可行性、低成本、高效率的可調節回轉半徑陶瓷雕刻機，它能適應時代的發展，滿足人們對陶瓷產品的不同需求，雕刻出更具有時代個性、科技感的陶瓷產物。昵興陶泥料比較細膩，在裝飾工藝品方面可以運用浮雕、精刻、剔除等技法，在泥坯上也運用同樣的方法繪出花鳥魚蟲、人物肖像、山水風光等個性化圖案，而這些技法都可以使用可調節回轉半徑陶瓷雕刻機雕刻出來，燒出來的作品同樣是活靈活現，古色古香，很有韻味，不失一分時髦。本論文對可調節回轉半徑陶瓷雕刻機的設計與研究或許存在不足之處，在正式進行線下機械雕刻時或許還會遇到一些細節問題需要改進與完善，敬請各位學者批評指正！

參考文獻

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