關(guān)鍵詞：陶瓷；設(shè)計研究；可調(diào)節(jié)；雕刻機

1前言

在我國廣西北部灣地區(qū)，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(zhì)，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(fā)展的時代，各行業(yè)各領(lǐng)域都在向科技領(lǐng)域進行轉(zhuǎn)型、改革。

2 技術(shù)背景

就目前發(fā)展的狀況而言，陶瓷雕刻制作技術(shù)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(xiàn)代化高速發(fā)展的角度思考，這種雕刻加工技術(shù)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(chǎn)品因其固有的物理性能又極易破壞，陶泥的水分，雕刻環(huán)境的溫度，時間上的限制等始終都是影響產(chǎn)品價值的主要因素，因此，一件產(chǎn)品的生產(chǎn)雕刻所需的時間往往與付出成反比關(guān)系，年產(chǎn)量極低，需求量遠大于生產(chǎn)量。

（2）產(chǎn)品單一。陶瓷產(chǎn)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(xiàn)雕刻錯誤就很有可能導致此產(chǎn)品在成形后出現(xiàn)裂紋或質(zhì)量不達標；且對大多數(shù)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(xiàn)雕刻困難從而導致破壞現(xiàn)象，因此大多數(shù)的陶瓷產(chǎn)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(shù)水平，且能掌握高雕刻技術(shù)的師傅極少，因此大部分的陶瓷產(chǎn)品就表現(xiàn)得非常單一。

（3）依賴性高。陶瓷產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量和外在觀賞價值取決于每位雕刻師傅的技術(shù)水平。不言而喻，高價值的產(chǎn)品便會對雕刻師傅產(chǎn)生依賴性，但高價值的產(chǎn)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(zhuǎn)讓，因此傳統(tǒng)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(yè)正在努力改善工作環(huán)境的方向之一。

3創(chuàng)新設(shè)計與分析研究

對于傳統(tǒng)的手工雕刻存在的許多缺點，有必要研究設(shè)計一款能實現(xiàn)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(shù)問題，創(chuàng)新設(shè)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(jù)使用需求調(diào)整回轉(zhuǎn)半徑的多功能多用途靈便的陶瓷雕刻機，在此對可調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)半徑陶瓷雕刻機進行相關(guān)的創(chuàng)新設(shè)計與分析研究。

可調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)半徑陶瓷雕刻機，包括數(shù)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(shè)置有加強板，所述底座上設(shè)置有Y軸進給機構(gòu)和A軸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，所述立柱上設(shè)置有X軸進給機構(gòu)和Z軸進給機構(gòu)，其中：

所述Y軸進給機構(gòu)包括設(shè)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(shè)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(shè)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(zhuǎn)機構(gòu)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(lián)軸器與Y軸滾珠絲杠的一端同軸連接。

所述A軸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)包括設(shè)置于工作臺上的A軸支撐座、A軸旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(gòu)包括設(shè)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(shè)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(shè)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(gòu)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(lián)軸器與X軸滾珠絲杠的一端同軸連接。

所述Z軸進給機構(gòu)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(shè)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(shè)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(lián)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(shù)控裝置分別連接控制X軸步進電機、A軸旋轉(zhuǎn)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(gòu)實現(xiàn)被加工陶瓷坯體的在水平方向上的往復移動，A軸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)實現(xiàn)被加工陶瓷坯體的在水平方向上的旋轉(zhuǎn)移動，X軸進給機構(gòu)實現(xiàn)雕刻工具在縱向方向上的往復移動，而Z軸進給機構(gòu)實現(xiàn)被雕刻工具的在水平方向上的往復移動?？烧{(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)半徑陶瓷雕刻機設(shè)計如下圖所示：

上述技術(shù)方案中，優(yōu)選是在底座和立柱之間設(shè)置加強板，從而提高設(shè)置在立柱上的X軸進給機構(gòu)的剛性。

上述技術(shù)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(shù)方案中，所述的雕刻工具具體可以是雕刻刀。

上述技術(shù)方案中，所述數(shù)控裝置完成所有加工數(shù)據(jù)的處理、計算工作，最終實現(xiàn)雕刻機機床主體的指揮工作；其組成與現(xiàn)有技術(shù)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(yōu)選在底座上還設(shè)置一緊急控制所述雕刻機停止的急停開關(guān)。

可調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)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(shè)置有加強板；在底座上還設(shè)置有一緊急控制所述雕刻機停止的急停開關(guān)。

4雕刻精確度高

雕刻刀具為高精度刀具，采用數(shù)控機床自動更換雕刻刀具技術(shù)，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(zhuǎn)電機可以通過電腦計算機直接實現(xiàn)數(shù)字控制，可以達到高精度的定位和調(diào)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(nèi)，基本上避免了人工測量和讀取數(shù)據(jù)出現(xiàn)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(xiàn)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(shù)為基礎(chǔ)，并結(jié)合計算機系統(tǒng)，在Mastercam等數(shù)控機床專用的軟件和相關(guān)輔助軟件支持下，實現(xiàn)自動化在線精準定位測量以及進行數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)采集、中央單元分析處理、3D技術(shù)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(jié)構(gòu)誤差等對測量精度的影響，只要按照設(shè)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(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)半徑陶瓷雕刻機的工作原理

可調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)半徑陶瓷雕刻機的工作流程與現(xiàn)有的數(shù)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(fā)送相關(guān)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(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中能夠大體上營造試驗對象所需要的環(huán)境溫度、濕度等因素以及試驗對象固有的物理本質(zhì)和化學特性，從而模擬試驗對象在現(xiàn)實生活中的場景，以至于得出的數(shù)據(jù)和結(jié)果就像真實場景中的一樣。例如電腦計算機仿真數(shù)據(jù)控制處理操作系統(tǒng)。在現(xiàn)實生活與機械工程實踐中，普遍使用這種類似的仿真系統(tǒng)模型，例如物理、數(shù)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(shù)據(jù)處理、分析和研究，這樣的仿真系統(tǒng)有利于節(jié)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(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)半徑陶瓷雕刻機就是利用這樣的電腦仿真系統(tǒng)原理從而控制雕刻機的所有機械雕刻。

首先根據(jù)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(shè)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(guān)技術(shù)參數(shù)，設(shè)置完成后在電腦計算機仿真軟件中進行可調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)半徑陶瓷雕刻機的雕刻仿真，雕刻機會根據(jù)設(shè)置的雕刻路徑、深度自動調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)半徑，自動切換所需的不同型號的雕刻工具。雕刻仿真結(jié)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(guān)的參數(shù)調(diào)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(shè)計需求。最后，將實體陶瓷裝夾到可調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)半徑陶瓷雕刻機工作臺上，與電腦建立數(shù)據(jù)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(xiàn)實陶瓷藝術(shù)產(chǎn)品，這就是機械雕刻的高超之處。

6可調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)半徑陶瓷雕刻機的優(yōu)勢

與現(xiàn)有技術(shù)相比，可調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)半徑陶瓷雕刻機的特點在于：

（1）將動力主軸運動方向設(shè)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(jù)雕刻坯體的大小調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)半徑小于主軸行程。本設(shè)計將傳統(tǒng)機床Y軸設(shè)置為水平方向，并與Z軸平行。用于調(diào)節(jié)受到回轉(zhuǎn)半徑限制而無法雕刻坯體，通過控制Y軸步進電機使?jié)L珠絲杠的旋轉(zhuǎn)移動工作臺，來實現(xiàn)調(diào)節(jié)坯體回轉(zhuǎn)中心與雕刻刀具之間的距離，從而實現(xiàn)可調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)半徑。主軸采用夾持型，可根據(jù)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(xiàn)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(shù)據(jù)部分結(jié)合運作，可實現(xiàn)大尺寸壞體的大批量生產(chǎn)，加工過程中壞體不易損壞，加工效率高，有望實現(xiàn)陶瓷雕刻產(chǎn)業(yè)的自動化流水生產(chǎn)線。

（4）圖案雕刻可以根據(jù)不同的客戶要求實現(xiàn)個性化生產(chǎn)，雕刻精度得到有效保障，滿足現(xiàn)代社會人們對美的追求，提高陶瓷產(chǎn)品的創(chuàng)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(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)半徑陶瓷雕刻機可實現(xiàn)個人技術(shù)機械化、創(chuàng)新化，雕刻機師傅只需掌握可調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)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(xiàn)陶瓷雕刻不停地生產(chǎn)制造。

（6）人工智能化的可調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)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(xù)性、均勻性、完整性。將手工工藝技術(shù)轉(zhuǎn)化為機械設(shè)計技術(shù)，有利于關(guān)鍵技術(shù)的機械化傳承，對非物質(zhì)文化遺產(chǎn)添加了創(chuàng)新的元素和活的靈魂，同時也有較好的保護和傳承發(fā)揚的作用，機械化設(shè)計技術(shù)最終也可以轉(zhuǎn)化為手工技術(shù)。

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

7結(jié)語

可調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)半徑陶瓷雕刻機是推進陶瓷雕刻行業(yè)發(fā)展并結(jié)合我國當代科學技術(shù)而設(shè)計發(fā)明的產(chǎn)物，針對陶瓷雕刻過程時遇到的問題進行分析，并結(jié)合現(xiàn)有雕刻機的缺點，設(shè)計、研究出的可行性、低成本、高效率的可調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)半徑陶瓷雕刻機，它能適應時代的發(fā)展，滿足人們對陶瓷產(chǎn)品的不同需求，雕刻出更具有時代個性、科技感的陶瓷產(chǎn)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(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)半徑陶瓷雕刻機雕刻出來，燒出來的作品同樣是活靈活現(xiàn)，古色古香，很有韻味，不失一分時髦。本論文對可調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)半徑陶瓷雕刻機的設(shè)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(jié)問題需要改進與完善，敬請各位學者批評指正！

參考文獻

[1]吳小玲.論欽州坭興陶的文化內(nèi)涵、特點及發(fā)展[J].廣西地方志，2007（04）：32-37.

[2]王玉濤.陶瓷坯體數(shù)控雕刻加工技術(shù)研究[D].景德鎮(zhèn)陶瓷學院，2014.

[3]黃鵬.淺談數(shù)控車床實踐操作入門教學[J].價值工程，2011，30（19）：217-218.D0I：10.14018/j.cnki.cn13-1085/n.2011.19.023.

[4]舒宏庭.基于PC機的五軸陶瓷雕刻機的研究[D].南昌大學，2009.

[5]盧培鑫.數(shù)控技術(shù)和其他材料在陶瓷制模中的應用[J].景德鎮(zhèn)陶瓷 2010（4）：10-11.

[6]趙娜.基于二次元影像儀的陶瓷雕刻機開放式數(shù)控系統(tǒng)研究[D].山東理工大學，2013.

[7]李海萍，余程.基于視覺系統(tǒng)的非接觸動態(tài)測量裝置的設(shè)計[J].機床與液壓，2008，36（12）：129-131.

[8]趙艷茹.PLC可編程序控制器在機床數(shù)控系統(tǒng)中的應用探討[J].職業(yè)，2012（08）：21.