基于数控技术的陶瓷坯体雕刻加工技术研究-

陶瓷雕刻是我国传统的陶瓷艺术种类之一。

其坯体的雕刻方法依据工艺的差异可分为圆雕、捏雕、浮雕、镂雕与半刀泥五大类，以期通过艺术形式的外在表现，充分展现艺术之美与自然之美。

但实际生产中，传统手工雕刻过于依赖个人技术，
且工作环境较为恶劣又耗时费工，难以形成量产[1]。

因此，基于数控技术智能化的发展步伐，通过将数控技术引入到陶瓷坯体雕刻加工过程中，可充分发挥陶瓷坯体各项数控雕刻生产加工技术优势。

技术人员通过在计算机中输入要雕刻的图案，利用精确的人工智能绘笔进行逐一勾勒，既避免了人工勾勒出错的概率，又大大加快了烧制瓷器的产量，做到了陶瓷坯体加工效率与综合质量的全面提升。

并且，通过利用现代化技术优势，
也可实现陶瓷产业与科技领域的充分融合，以生产出具备较高创新性的陶瓷产品，为复兴
我国传统文化工艺赋予了较高的商业价值。

陶瓷坯体是由粘土、长石、石英混合干燥后形成的一种脆性材料，
原料配比为6:2.5:1.5。

其中，粘土是陶瓷坯体成型的主要结合剂，
负责将长石和石英石一系列的瘠性物料充分结合。

长石是陶瓷坯体成型的溶剂成分，可切实降低陶瓷坯体在烧制过程中的烧结温度，避免坯体破裂。

石英同样具有较高的熔点，可在陶瓷坯体成型
过程中起到骨架的支撑作用，
避免烧结过程中坯体产生膨胀或收缩，以此增强坯体的耐磨性与稳定性。

具体的加工工艺流程如下图1所示。

从图1中可以看出，陶瓷坯体加工共分为原料精选、配方细磨、高强除铁、压滤、陈腐、练泥、成形、修坯、干燥9步，最终形成适合陶瓷雕刻的坯体。

而对于陶瓷坯体塑形而言，由于陶瓷制品种类繁多、形状大小也均有着细微差异，其塑形方法也可分为注浆成形法（坯料含水量≤38%）、可塑成型法（坯料含水量≤26%）、压制成形法（坯料含水量≤3%）三种。

其中注浆成型法是当前陶瓷生产过程中的常用技术，通过分为冷法（包括常压注浆、加压注浆等）与热法（即热压注法），适用于不同陶瓷类型。

通过陶瓷坯体的加工机理上可以看出，陶瓷坯体具有脆性高、表面粗糙、易沾污的特点，而为进一步提高陶瓷坯体的雕刻质量，
则可通过应用数控技术达到更优的加工效果，为我国陶瓷加工制造业的可持续发展提供产品保障[2]。

为进一步深入基于数控技术的陶瓷坯体雕刻加工技术研究，下文以经济型卧式三轴雕刻机为例，
通过阐述其设计思路、进给系统、控制系统以及加工实例，明确数控技术在陶瓷坯体回转加工雕刻中的实践应用，
为后
期陶瓷坯体数控雕刻技术的发展提供借鉴参考。

经济型卧式三轴雕刻机的组成示意图如下图2所示。

从图2中可以看出，卧式三轴雕刻机是由控制软件、进电机驱动器、步电机驱动器以及雕刻主轴组成，
共包曹晓明
(辽宁轨道交通职业学院,沈阳110000
)
,传统手工陶瓷坯体雕刻工艺已不能满足市场的需求。

而随着计算机辅助设计、计算机数控技术等技术的迅速发展与日益成熟,若在陶瓷坯体雕刻中引入数控雕刻技术,则可大幅度提高陶瓷生产效率,增强陶瓷产品的加工精度与加工速度。

本文通过阐述当前陶瓷坯体的加工机理,并从设计思路、进给系统、控制系统、加工实例四方面分析陶瓷坯体数控雕刻加工设备,以此实现基于数控技术的陶瓷坯体雕刻加工技术研究,明确数控技术为陶瓷坯体雕刻加工带来的改变,促进陶瓷艺术雕刻的多样化发展。

;陶瓷坯体;雕刻加工
;进给系统
数字化技术
Digitization technology
图1陶瓷坯体加工工艺流程
括进给系统、控制系统两大部分。

其中，进给系统由步进电机驱动机、步进电机、滚珠丝杆、直线导轨四部分组成，当系统给予步进电机驱动器一定的脉冲量后，驱动器则可驱动步进电机运作，确保雕刻机内的X、Y、Z 轴可按照设定的计划运动。

控制系统由美国Artsoft 公司出品的CNC 控制软件Mach3组成，通过与计算机设备的构建连接渠道，使得卧式三轴雕刻机各部分的硬件能够按照顺序工作完成坯体的雕刻加工[3]。

同时，该卧式三轴雕刻机还应用了浮雕CAD/CAM 技术，通过以VisualC++作为开发工具，
以ObjectARX 作为数据库来支撑雕刻加工，实现陶瓷坯体雕刻加工的完全自动化。

在实际工作中，卧式三轴雕刻机通过以上三个系统的相互合作，可让刀具在雕刻主轴上高速运转，并随着Y、Z 轴步进电机的旋转完成上下、前后的运动，确保工件可绕着X 轴伺服电机的旋转而运动，达到控制雕刻主轴与陶瓷坯体的相互运动的最终目的，
至此完成陶瓷坯体雕刻的工艺流程。

从卧式三轴雕刻机的设计思路上来看，
进给系统共包括步进电机驱动机、步进电机、滚珠丝杆、直线导轨四个部分，其系统工作流程如下图3所示。

从图3中可以看出，本文所研究的卧式三轴雕刻机采用了步进电机式的进给系统，通过与机械驱动结构结合的方式，使各刀具、轴承按照既定的方式运动，完成陶瓷坯体预定的雕刻工作。

一方面，Y、Z 直线轴的步进电机进给系统包括步进电机驱动器、
步进电机、滚珠丝杆等机械传动结构。

在实际工作中，
通过滚珠丝杆的传动作用，可将旋转运动转变为直线运动，有效提高了陶瓷坯体的雕刻精度，同时由于滚珠丝杆丝母间的摩擦力较小，Y、Z 轴的转动也会更加轻松，可以传递较大扭力，确保雕刻位置更加精确[4]。

另一方面，X 回转轴的步进电机进给系统包括步进电机驱动器、
步进电机、谐波减速器三部分组成。

其中，谐波减速器主要由带有内齿圈的刚性齿轮、带有外齿圈的柔性齿轮以及波发生器组成，其结构示意图如下图4所示。

而在X 回转轴实际工作时，
通常有波发生器主动、钢轮固定以及柔轮输出三种工作模式。

以波发生器主动工作模式为例。

当波发生器为主动时，凸轮在柔轮内转动，促使柔轮与薄壁轴承发生可控的弹性变形，这时柔轮的齿在变形过程中就完成了齿合和齿离的工作过程，保证波发生器的长轴处于完全齿合，而短轴方向的齿则完全推开，有效保证了X 轴的回转精度，实现了陶瓷坯体雕刻加工的精细化工作。

尤其是在针对大批量的陶瓷坯体雕刻时，
一般卧式雕刻机在对于300件陶瓷坯体（周长尺寸在750mm 左右）进行雕刻时，如果直接由步进电梯带动回转，即使采用16细分数，也很难达到较高的回转精度。

但通过谐波减速机的接入，X 回转轴的回转比可达到80-600，同时也可做到与
X 回转轴的无侧隙啮合，具有传动速比大、传动效率高、承载力强、传动精度高的优点[5]。

卧式三轴雕刻机的控制系统设计选用了PC 机的开放式数控系统，通过利用软件插补的方式，即PC 机+上位机软件控制，极大节约了陶瓷坯体自动化雕刻的开发成本。

其中，对于PC 机的要求为普通电脑即可，性能能保障自动雕刻工作的顺利进行，如华为擎云B730、戴尔成就3710等[6]。

上位机软件作为安装在电脑里的数控软件，本机选用的是编程方式较为简单的Mach3软件，其软件界面如下图5所示。

在实际工作中，Mach3软件可直接连接PC 电脑的LPT 并口接口，直接控制步进电机驱动器与雕刻设备的输入、输出脉冲以及方向信号，进而实现精准控制数控机床，
完成既定的陶瓷坯体雕刻工作。

并且，为进一步保证控制系统的稳定工作，控制电
路也起到了至关重要的作用。

本机所选用的控制电路为东芝公司推出的步进电机驱动芯片TB6560周雕刻机接
口控制板，主要由驱动接口和步进电机驱动电路组成。

其中，驱动接口主要用于接口板与PC 电脑的联系，
保证图3进给系统工作流程
图4谐波减速器结构示意图
电脑中下达的各项自动化雕刻指令能正确下达至数控机床中。

而步进电机驱动电路是驱动步进电机运作的核心部分，致力于将电脑信号按照指令要求传送到各轴驱动器中，具备以下五种功能。

第一，具备自动变流功能，当驱动电机停止工作时，可自动减小电流，减少电机发热，延长电机的使用寿命。

第二，具备高速光耦隔离与AC/DC 电源隔离，能充分保障电脑的使用安全，防止因设备过载而造成系统崩溃。

第三，
具备主轴控制继电器，能快速使用Mach3软件控制主轴的启动和停止，提高了雕刻工作的进行效率。

第四，
具备四路输入控制，可执行限位、急停、复位、分中等操作指令，满足了陶瓷坯体多样化的雕刻需求[7]。

第五，整体采用了H 桥双极性驱动，可进行1、1/2、1/4、1/16细分，实现对反向电路输入信号
的全面整形。

为进一步明确基于数控技术的陶瓷坯体雕刻加工技术优势，下文以陶瓷坯体浮雕为例，通过从选择刀具加工路径、浮雕加工方式、生成刀路文件三方面，阐述陶瓷坯体的实际雕刻过程，明确数控技术在陶瓷坯体雕刻加工中的应用路径，以彰显数控技术加入下陶瓷坯体工作的技术优势。

在卧式三轴雕刻机实际操作前，
需先将陶瓷坯体固定在回转工作台上，确保坯体工件的轴心与X 轴的回转轴心重合，同时设置好加工坐标，明确本次雕刻加工的实际范围，然后对陶瓷坯体进行反求建模，至此完成陶瓷坯体数控雕刻的准备工作。

在实际操作中，首先是对刀具加工路径的选择。

因常用的雕刻加工走刀方式分为行切与环切两种。

其中，行切即为刀具沿着直线方向加工，环切即为刀具沿轮廓顺序加工。

因行切在实际雕刻中常会出现往返加工的情况，交替出现顺铣和逆铣；而环切的加工过程铣刀的切削常保持一种状态，虽加工的
精度较高，但所耗时间过长。

并且也由于顺铣和逆铣对加工的质量影响不大，且陶瓷坯体浮雕工作往往是一次性完成，所以对于大部分陶瓷坯体浮雕基本采用行切式走刀方式。

行切法走刀路线为一组平行线，
每条走刀路径都是平行的，NC 程序段少，有利于提高加工效率。

在本次应用中，行切法主要采用单向切削的方式，即刀具向同一方向切削，完成切削进给操作，到终点后，抬刀具到安全高度，并快速返回起刀方向，以固定的顺铣和逆铣规律，保证切削的表面质量。

其次，带队刀具加工路径选择完成后，需进一步选定浮雕的加工方式，因本次陶瓷坯体的浮雕模型选择为“花鸟”，所以在进行加工前，第一，需设置陶瓷坯体的X、Y、Z 值。

此时需注意的是，坯体的X、Y 值必须与电脑中所建立的三维模型尺寸相同，Z 值则根据模型参数Hmax 来设定，得出X、Y、Z 尺寸为130×130×4mm。

第二，需设置加工参数。

因本次陶瓷坯体浮雕加工区域已设置好为100×100mm 的矢量区域，所以整体加工参数如下：主轴转速20000r/min，进给率2000mm/min，下切速度600mm/min。

最后，生成刀路文件。

因刀路文件是在刀具路径加工策略与刀具运行的各类加工参数，如行距、下切步距、主轴转速等，所以按照数控雕刻机床的要求，刀具路径文件的输出格式可以*.tap 为主，并将文件导入到Mach3软件中，
为后期同批次的陶瓷坯体雕刻汇总刀具加工数据，提高雕刻效率。

其雕刻后的陶瓷坯体如下图6
所示。

综上所述，本文通过经济型卧式三轴雕刻机的举例分析，针对性展开了基于数控技术的陶瓷坯体雕刻加工技术研究。

可以发现，随着科学技术的快速发展，
数控雕图5Mach3软件界面图
图5“花鸟”系列陶瓷坯体（
未施釉）
要实现对建筑能耗、节能和环境污染等方面的低碳发展控制要点的监督管理，
就要求相关的质量监督人员具有低碳施工的先进理念和较高的业务能力，编制科学合理的现场监督工作计划，采用科学有效的现场管理手段。

首先，质量监督人员要结合项目图纸等资料对现场的材料进行全面的抽检，一方面确保建材的规格和型号能满足项目施工要求，另一方面确保选用的建材能满足低碳环保要求；
其次，质量监督人员要对已经建好的工程进行检验，确认所采用的材料和各种结构配件满足节能环保要求。

此外，质量监督人员要对项目建设中采用的低碳施工技术进行抽查，确认采用的技术能够发挥低
碳施工效果。

转变“重建设轻运营”的观念，提高新建建筑的运行效率，降低运营阶段的能源消耗是实现低碳发展有效措施。

一方面，充分利用相关学者的先进研究成果大力推进低碳建筑的发展，推进装配式、钢结构等新型的节能环保建筑模式的发展；另一方面，通过完善低碳建筑的标准体系建设，加强发展建筑节能技术，注重低碳节能建筑的构造设计，降低建筑运营中对供暖、空调、照明和通风系统能耗，减少不必要的能源损耗和浪费。

同时，利用大数据等技术分析出碳排放量影响较大的产业，通过优化产业结构，
减少既有建筑运营过程的碳排放。

通过提升现有建筑的能源使用效率，
从而扩大建筑节能范围。

如注重对老旧小区的维护可以适当延长建筑
寿命从而降低建筑拆除数量。

可以通过大力推进城镇老旧小区的节能改造，利用现有的建筑节能方法和技术，
加强对老旧小区的节能改造，
降低老旧小区能耗，并提高老旧小区能源使用中的安全性，减少住房空置，助力建筑业低碳发展。

建筑业作为能耗和碳排放大户，
目前尚处于低碳转型的初步探索阶段，要想实现绿色建造和可持续发展还
有很长的路要走，需要社会各界多方协同共治，不断增强市场多方参与主体对建筑业绿色低碳转型的重视度和协同度，通过全社会共同努力来实现建筑业高质量发展的目标。

[1]张凯,陆玉梅,陆海曙.双碳目标背景下我国绿色建筑高质量发展对策研究[J].建筑经济,2022,43(03):14-20.
[2]刘妍妍,武艳丽."双碳"战略下建筑行业产业链协同实施绿色建造的关键路径研究[J].建设科技,2022(16):26-28+31.[3]李铮.落实"双碳"战略打造城乡建设"双碳"标准新高地[J].工程建设标准化,2022(09):39-42.
[4]蒲云辉,王清远,吴启红,董建辉,唐嘉陵.碳达峰碳中和目标背景下建筑业高质量发展的路径[J].成都大学学报(自然科学版),2022,41(02):202-206+224.
[5]陆菊春,欧阳寒旭,韩璐.多主体互动博弈下建筑企业低碳转型的演化机理[J].北京理工大学学报(社会科学版),2019,21(01):17-26.
[6]蒲云辉,王清远,吴启红,董建辉,唐嘉陵.碳达峰碳中和目标背景下建筑业高质量发展的路径[J].成都大学学报(自然科学版),2022,41(02):202-206+224.
(上接第95页)
刻技术可代替传统陶瓷坯体的雕刻工艺，
切实提高陶瓷坯体的雕刻效率与雕刻质量，充分满足当前陶瓷市场对同类型陶瓷雕刻模式的大批量需求。

同时，
数控雕刻技术也切实发挥了自身技术性的性能优势，
在陶瓷坯体雕刻方式的选择上更为精准，
除使陶瓷更加美观外，还使
陶瓷的使用性能更强，可切实满足当前人们的日常生活需求，推动生产工艺达到世界一流水平，为我国陶瓷产业的生产与发展给予了动力源泉。

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