五轴联动数控陶瓷雕刻机的研究与开发

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，如图1所示。

图1 五轴设计方案 

　　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

　　如图2，即为本系统的硬件组成框图。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。

图2 五轴硬件组成示意图 

　　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。