基于数控技术的陶瓷坯体雕刻加工技术研究-

Vol.33No.09（SerialNo.326）FOSHANCERAMICS

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，

共包曹晓明渊辽宁轨道交通职业学院袁沈阳110000冤

近几年袁传统手工陶瓷坯体雕刻工艺已不能满足市场的需求遥而随着计算机辅助设计尧计算机数控技术等技术的迅速发展与日益成熟袁若在陶瓷坯体雕刻中引入数控雕刻技术袁则可大幅度提高陶瓷生产效率袁增强陶瓷产品的加工精度与加工速度遥本文通过阐述当前陶瓷坯体的加工机理袁并从设计思路尧进给系统尧控制系统尧加工实例四方面分析陶瓷坯体数控雕刻加工设备袁以此实现基于数控技术的陶瓷坯体雕刻加工技术研究袁明确数控技术为陶瓷坯体雕刻加工带来的改变袁促进陶瓷艺术雕刻的多样化发展遥数控技术曰陶瓷坯体曰雕刻加工

曰进给系统数字化技术Digitizationtechnology

图

1陶瓷坯体加工工艺流程96

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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2

经济型卧式三轴雕刻机组成示意图

图3进给系统工作流程图4谐波减速器结构示意图97

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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）98

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