数字化玉雕设备转变为现代创新工具

第一节　数字化玉雕的设备

运用于玉石雕刻的雕刻机以前多为放样机，即先制作一个雕塑，然后以其为母型，用探针在其表面移动，以此带动相关的旋转刀具，磨削成型。一台机器可以同时复制几个直至几十个雕塑。这种雕刻机多用于木雕。这种机器成本不大，机械原理简单，但最大的缺点是雕塑的可变性较小，每做一个品种都需先做一个母样，而且精度不高。

在现代玉石雕刻领域中已开始运用由计算机控制的数字化玉石雕刻机。

数字化玉石雕刻机属CAM系统，利用计算机对制造过程进行设计、管理和控制，包括玉石工艺设计和数控编程。数字化玉石雕刻机是机械制造与计算机软件技术紧密结合的新型雕刻机械。

CAD（计算机辅助设计）和CAM（计算机辅助制造）开始是两个独立发展的分支，随着计算机的推广和发展，两者之间的相互依存关系变得越来越紧密。设计软件系统只有在数控加工的配合下，才能充分显示其强大的功能和优越性，而数控技术也只有依靠设计软件产生的数字模型才能发挥效率，两者的结合，形成了计算机辅助设计和计算机辅助制造的完整系统。运用数字化玉石雕刻机可以适应现代社会对玉石工艺雕刻产品的需求，它不仅可以提供规格相同的雕刻产品，提高产品的品质，而且可以提供多规格、多尺寸的同一类型产品，同时可以大大提高设计效率，相当快地做出产品，有利于新产品的开发。它还可以通过计算机的加工经验数据、人机对话，使一些繁复精细的雕刻动作程序化，可以让一般的操作者也能进行制作。特别是计算机辅助设计和制造为我们提供了一个新的工作概念，适应了新材料的运用，适应了新造型的开发，适应了新工艺的创造，为繁荣玉石工艺雕刻开辟了一个新的空间。

目前的计算机雕刻机在雕刻文字、平面图案等玉雕性质的形态上已具有相当强的功能。

数字化玉石雕刻机可加工的材料为和田玉、翡翠、水晶、玛瑙等玉石材料。

数字化玉雕机床是一种将数字计算技术应用于机床的控制技术。它把机械加工过程中的各种控制信息用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制数字化玉石雕刻机床的动作，按图样要求的形状和尺寸，自动地将玉雕件加工出来。数字化玉雕机床较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的玉雕件加工问题，是一种柔性的、高效能的自动化玉石雕刻机床，代表了现代机床控制技术的发展方向，是一种典型的机电一体化产品。

一、数字化玉雕机组成及工作原理

（一）数字化玉雕机床的组成

数字化玉石雕刻机床的组成。数控机床一般由数控装置（简称CNC装置）、输入输出设备、伺服单元、驱动装置（或称执行机构）、测量反馈装置及机床本体组成。

1.数控装置

数控装置是数控系统的核心，主要包括微处理器、存储器、局部总线、外围逻辑电路以及与数控系统的其他组成部分联系的接口等。它接受输入装置送来的脉冲信号，经过数控装置的控制软件和逻辑电路进行编译、运算和逻辑处理，然后将各种信息指令输出给伺服系统，使设备各部分规范有序地运行。数字化玉石雕刻机床的数控系统完全由软件处理数字信息，因而具有真正的柔性化，可处理逻辑电路难以处理的复杂信息，使数字控制系统的性能大大提高。

2.输入/输出设备

输入设备的作用是将程序代码变成相应的电脉冲信号，传送并存入数控装置。现在数控设备通常是直接通过数控装置上的键盘将数控加工程序单上的内容输入给数控装置的，称为手动数据输入（MDI）方式。数控系统一般配有CRT显示器或点阵式液晶显示器作为输出设备，显示的信息较丰富，并能显示图形。操作人员可通过显示器获得必要的信息。

3.伺服单元

伺服单元是数控装置和机床本体的联系环节，它把来自数控装置的指令信号放大成控制驱动装置的大功率信号。根据接收指令的不同，伺服单元有脉冲式和模拟式之分，而模拟式伺服单元按电源种类又可分为直流伺服单元和交流伺服单元。

4.驱动装置

驱动装置把放大的指令信号变为机械运动，通过简单的机械连接部件驱动机床，使工作台精确定位或按规定的轨迹做严格的相对运动，最后加工出图纸所要求的玉雕件。驱动装置与伺服单元相对应，有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机等。伺服单元和驱动装置可合称为伺服驱动系统，它是数字化玉石雕刻机床工作的动力装置，数控装置的指令要靠伺服驱动系统来实施。数控装置可以采用很高的精度和速度进行计算并发出脉冲信号，关键在于伺服系统能以多高的速度和精度去响应执行。所以从某种意义上说，数字化玉石雕刻机床的功能强弱主要取决于数控装置，而数字化玉石雕刻机床性能的好坏主要取决于伺服驱动系统。

5.测量反馈装置

测量反馈装置是将运动部件的实际位移、速度及当前的环境（如温度、振动、摩擦和切削力等因素的变化）参数加以检测，转变为电信号后反馈给数控装置，通过比较，得出实际运动与指令运动的误差，并发出误差指令，纠正所产生的误差。

6.机床本体

数字化玉石雕刻机床在加工过程中一般具有切削用量大、连续加工发热量大等特点，因而对加工精度有一定影响，而且在加工中它是自动控制，没法像普通机床一样由人工进行调整、补偿，所以数字化玉石雕刻机床本体的设计要求比普通机床更严格，制造要求更精密，需要采取加强刚性、减小热变形、提高精度等方面的措施。

（二）数字化玉雕过程和原理

1.数字化玉雕机工作过程

数字化玉雕加工玉雕件是按照事先编写好的加工程序单来进行的。首先，对玉雕图进行工艺分析，根据图样中对材料、尺寸、形状、加工精度等的要求来确定加工方案，进行工艺处理和数值计算，确定合理的程序原点（对刀点）、走刀路线及切削用量。在此基础上，根据数控系统规定的功能指令代码和程序段格式编写数控加工程序单。编程中的数字处理包括:按玉雕件几何尺寸、加工路线，计算刀具中心运动轨迹取得刀位数据；根据机床插补功能及被加工玉雕件轮廓的复杂程度决定计算工作量。若计算量小，可手工计算完成，若计算量大，则要依靠自动编程系统进行计算。其目的是获得玉雕件轮廓相邻几何元素交点或切点的坐标值，得出几何要素的起点、终点、圆弧的圆心坐标值等。然后，编写好的加工程序单，可以制成输入数据，其中所包含的加工数据可通过光电阅读机、键盘或计算机接口三种方式输入给数控机床的数控装置。数控装置将输入指令进行译码、寄存和运算后，向系统各个坐标的伺服系统发出指令信号，经驱动电路的放大处理，驱动伺服电动机输出角位移和角速度，并通过执行部件的传动系统转换为工作台的直线位移，实现进给运动。计算机数控的控制功能很强，可以同时控制多根轴。

2.数字化玉雕机工作原理

数字化玉雕加工时以程序段为单位，由系统程序逐段进行处理，不仅将刀位数据，还将加工速度F代码及其他辅助代码（S代码表示主轴转速，T代码表示刀具号，M代码表示辅助功能指令）按语法规则解释成计算机所能认可的数据形式，并以一定的格式存放在内存专用区间。此外，对刀具补偿（长度与半径补偿）进行处理，对进给速度（合成速度分解成沿各坐标的分速度以及自动增减速等）进行处理，完成加工中的插补运算（由主CPU担任），数据由存储区间调入时，依靠控制总线通过地址总线取址并将数据沿数据总线输入CPU运算，结果仍沿总线返回，分别送至相关输出接口。输出信号也要通过一系列电路处理（分配、中断和缓冲），才能使伺服电机进给，使主轴按转速回转或停止。CRT显示出程序执行过程，并输出位置环与速度环的反馈信号经总线往返后由CPU进一步随机处理的结果。全部过程均在时钟频率的统一控制下，有条不紊地进行工作。数控系统的工作原理可以用图3-1-1来表示。

下面对各个加工过程的工作原理进行说明。

（1）输入。玉石加工前，要对数控装置输入玉雕程序、控制参数以及各种补偿数据。输入方式通常分为如下几种。

a.MDI输入方式，也叫做手动数据输入方式。

b.介质输入方式，如纸带通过数据接口输入。

c.计算机输入方式，由上级计算机的DNC（直接数控）接口输入。

图3-1-1　数控系统工作原理示意图

（2）译码。按语法规则将输入信息以程序段为单位，翻译成计算机所能识别的代码形式，并以一定的数据格式存放在指定的内存专用区间。

（3）刀具补偿。由于玉雕件加工程序编写是以玉雕件的轮廓轨迹来编程，而加工实际中是以刀具中心点所移动的轨迹为依据。因此，必须在刀具半径和刀具长度上给予补偿，即进行两者之间的转换。

（4）进给速度处理。它包括将刀具速度由编程中的合成速度转换为各坐标上的分速度的处理以及软件自动增、减速的处理。

（5）插补。当玉雕件的被加工面含有斜、锥或曲面时，数字化玉雕机床需要依靠预先编写好的程序指令，以数值计算方法密化起始点至终止点之间的小线段，以插值方法完成刀具应走的轨迹从而达到工艺要求，这个过程叫做插补。完成插补功能的装置叫做插补器。其本质是在保证玉雕件轮廓精度的要求下，把程序始点至程序终点间分成足够微小的线段进行插补，完成定义域内两点之间线段的密化工作。在磨削时，通过两个轴联合行动可形成斜面或曲面，但在玉雕件加工曲面时，至少要有三个坐标配合运动。由此可见，有些曲面可以用两轴联动并由第三轴控制加工出来，有些则要三轴联动或三轴以上联动。

（6）位置控制。在伺服回路的位置环上控制位置，这种功能可由软件完成，也可由硬件完成。在闭环（或半闭环）控制系统中，在每个采样周期（可以和插补周期相等或为插补周期的若干分之一）内，将插补计算出的理论位置与实际反馈位置进行比较，用差值去控制进给电机。在位置控制中，通常还要完成位置回路的增益调整、各坐标方向的螺距误差补偿和反向间隙补偿。在开环控制系统中，每进行一次插补运算都产生进给增量，并以脉冲的形式输出。在插补运算过程中，不断向各坐标轴发出互相协调的进给脉冲，控制步进电机运行。位置控制原理如图3-1-2所示。

（7）输入/输出（I/O）处理。数字化玉雕机床上的强电信号输入/输出和计算机一侧的弱电信号进行交换与处理，以便控制许多应答式动作，如换刀或润滑启闭、冷却供断等。

（8）显示。数字化玉雕机床的显示大多为CRT（阴极射线管）显示。通常显示玉雕程序、参数、数字化玉雕机床状态、刀具、报警及自诊断等。

图3-1-2　位置控制原理

（9）诊断。当故障或不正常情况出现时，系统融合在各部分的自诊断程序会使数字化玉雕机床报警，中断运行。同时，各种诊断程序也可以检测各部位的故障所在，以便及时排除故障。

3.运动轨迹的离散与拟合

数控加工中心刀具或玉雕件的运动轨迹的控制是核心问题，刀具中心轨迹应该准确地依照玉雕件的轮廓形状来生成，以满足几何尺寸精度的要求。对于平面直线和曲线的运动需要两个运动坐标来确定，对于空间曲线或曲面则需要三个或以上的运动坐标来确定。有些曲线或曲面可直接计算出运动轨迹，如y＝f（x）的运动轨迹。可是有些离散数据表示的曲线或曲面很难直接计算，如列表曲线（曲面）。即使是可直接计算的曲线或曲面，曲线的阶次越高，计算也越难。进行加工的玉雕件的轮廓形状千差万别，但其轮廓大部分是由直线和圆弧构成的。直线和圆弧是简单基本的曲线。因此，实际应用中常采用一小段直线或圆弧来进行拟合（有时也需要抛物线和高次曲线拟合），这种拟合方法就是插补。实际上，插补就是数据密化的过程，即数控装置根据基本的几何数据，按照一定的方法产生直线、圆弧等基本线型，在此基础上来拟合所需要的轮廓轨迹。如图3-1-3所示为圆弧插补过程。

图3-1-3　圆弧插补过程

二、数字化玉雕机的主要性能指标

1.数控机床的精度

精度是数字化玉雕机床的重要技术指标之一。数字化玉雕机床的精度可分为如下几种。

（1）定位精度和重复定位精度。定位精度是指数字化玉雕机床工作台等移动部件所达到的实际位置精度。实际位置与数控指令位置的差值为定位误差，引起定位误差的因素包括伺服系统、检测系统和进给系统误差以及运动部件的几何误差。定位误差将直接影响玉雕件加工的精度。

重复定位精度是指在同一台数字化玉雕机床上，应用相同程序、相同代码加工一批玉雕件，所得到的连续结果的一致程度。重复定位精度受伺服系统特性、进给系统的间隙、刚度以及摩擦特性等因素的影响。

（2）分度精度。分度精度是指分度工作台在分度时，指令要求回转的角度值和实际回转的角度值的差值。分度精度既影响玉雕件加工部位在空间的角度位置，也影响孔系加工的同轴度等。

2.分辨率与脉冲当量

分辨率是指两个相邻的分散细节之间可以分辨的最小间隔。对测量系统而言，分辨率是可以测量的最小增量；对控制系统而言，分辨率是可以控制的最小位移增量或角位移增量。

脉冲当量指数控装置每发出一个脉冲信号，反映到数字化玉雕机床各运动部件的位移量或角位移量。

3.数字化玉雕机床的可控轴数与联动轴数

数字化玉雕机床完成的运动越多，控制轴数就越多，对应的功能就越强，同时数字化玉雕机床结构的复杂程度与技术含量也就越高。可控轴数是指数字化玉雕机床数控装置最多可以控制的坐标轴数目。联动轴数是指数字化玉雕机床数控装置控制各坐标轴协调动作的坐标轴数目，目前有两轴联动、两轴半联动、三轴联动、四轴联动、五轴联动等，其中两轴半联动是三个坐标轴中有两个轴联动，另外一个坐标轴只作周期性的进给。

4.数字化玉雕机床的运动性能指标

数字化玉雕机床的运动性能指标主要包括主轴转速、进给速度、坐标行程、回转轴的转角范围、刀库容量及换刀时间等。

三、数字化玉雕机技术发展的趋势

高速、精密、复合、智能和绿色是数字化玉雕机技术发展的总趋势。近几年，数字化玉雕机技术取得了可喜的成绩，主要表现在以下几个方面。

1.复合化

复合化加工通过增加数字化玉雕机床的功能，减少玉雕件加工过程中的定位装夹次数及对刀等辅助工艺时间，从而提高数字化玉雕机床生产率。复合化加工还可减少辅助工序，减少夹具和数字化玉雕加工机床数量，对降低整体加工和数字化玉雕机床维护费用也有利。复合化包含工序复合化和功能复合化。数字化玉雕机床复合化发展的趋势是尽可能将玉雕件所有工序集中在一台机床上加工。复合加工的另一领域是与非刀具切削的复合，例如切削加工与激光加工技术的复合。

随着数字化玉雕机床技术进步，复合加工技术日趋成熟，包括铣-车复合加工、车-镗-钻-磨加工等复合加工、车磨复合加工、成形复合加工、特种复合加工等，复合加工的精度和效率大大提高。“一台机床就是一个加工厂”、“一次装卡，完全加工”等理念正在被更多人接受，复合加工机床发展正呈现多样化的态势。

2.智能化

智能加工是一种基于知识处理理论和技术的加工方式，发展智能加工的目的是要解决加工过程中众多不确定性的、要求人工干预才能解决的问题。

数控加工智能化趋势有两个方面:一方面是采用自适应控制技术，以提高加工工艺和效率；另一方面是在现代数字化玉雕机床上装备有多种监控和检测装置，对玉雕件、刀具等进行监测，实时监视加工的全部过程，当发现玉雕件尺寸超差、刀具磨损或崩刃破损时便立即报警，并给予补偿或调换刀具。

3.高柔性化

柔性是指数字化玉雕机床适应加工对象变化的能力。提高数字化玉雕机床柔性化正朝着两个方向努力:一是提高数字化玉雕机床的单机柔性化；二是向单元柔性化和系统柔性化发展。

机器人使柔性化组合效率更高，机器人与主机的柔性化组合使得柔性更加灵活、功能进一步扩展、加工效率更高。机器人与加工中心、车铣复合机床、磨床、工具磨床、锯床、激光加工机床等组成多种形式的柔性单元和柔性生产线，并已经开始应用。

4.高精度

数字化玉雕机床的加工精度已从原来的丝级（0.01mm）提升到目前的微米级（0.001mm），有些品种已达到0.01μm。超精密数字化玉雕机床的微细切削和磨削加工，精度可稳定达到0.05μm，形状精度可达0.01μm。采用光、电、化学等能源的特种加工精度可达到纳米级（0.001μm）。通过数字化玉雕机床结构设计优化，数字化玉雕机床零部件的超精加工和精密装配，采用高精度的全闭环控制、温度和振动等动态误差补偿技术，提高数字化玉雕机床加工的几何精度，降低形位误差、表面粗糙度等，从而进入亚微米、纳米级超精加工时代。

5.高速化(https://www.daowen.com)

电主轴的发展实现了主轴高转速，直线电动机的发展实现了坐标轴的高速移动，如加工时主轴转速超过每分钟1万转，工作台快速移动速度超过100m/min。功能部件不断向高速度、高精度、大功率和智能化方向发展，并取得成熟的应用。全数字交流伺服电动机和驱动装置，高技术含量的电主轴、力矩电机、直线电动机，高性能的直线滚动组件，高精度主轴单元等功能部件的推广应用，极大地提高了数字化玉雕机床的技术水平。

6.多功能化

现代数控系统由于采用了多CPU结构和分级中断控制方式，因此在一台数字化玉雕机床上可以同时进行玉雕件加工和程序编制。一般的数控系统都具有高速远距离串行接口，通过网卡连成局域网，可以实现几台数字化玉雕机床之间的数据通信，也可以直接对几台数字化玉雕机床进行控制。

7.造型宜人化

造型宜人化是一种新的设计思想和理念。它将功能设计、人机工程学与工业美学有机地结合起来，是技术与经济、文化、艺术的协调统一，其核心是使产品变为更具魅力的商品，引导人们进入一种新的工作环境。

四、业内常用数字化玉雕机的介绍

（一）三轴数字化玉雕机

数字化玉雕机是集磨、铣、削为一体的多功能数控机床，既可作为通用雕刻设备进行CAD/CAM技术、雕刻加工、雕刻工艺实验等研究工作，同时也可作为开放式数控设备平台使用。操作者可利用运动控制器提供的底层运动函数库进行电机运动规划、控制及运动控制系统设计方面的实践，也可利用CNC系统平台进行开放式数控系统开发及数控技术的研究和教学。

作为机电一体化设备的典型，数控雕刻机是玉石雕刻、金属雕刻、木雕等相关专业领域的理想设备。数字化玉雕机的控制系统采用嵌入式DSP处理器进行插补运算，实现空间直线和圆弧插补等功能，体积小并且操作方便。

1.数控雕刻机的特点

数控雕刻机与计算机结合组成一套图文雕刻系统，集绘图、扫描、排版、雕刻于一体，能快速、方使地雕刻出各种精美的二维三维图案及各种文字字体，广泛运用于雕刻、广告、美术等行业，能雕刻各种玉石、有机玻璃、硬PVC板、ABS板、木板、铝、玻璃、大理石、不锈钢等材料。

数控雕刻机具有以下特点。

（1）具有软限位和硬限位的双重保护，避免因误操作和其他故障引发的飞车事故，安全可靠。

（2）使用基于Windows平台的控制软件，提供丰富的信息和图形功能。

（3）控制软件支持超长文件加工，支持标准NC（G代码）等文件格式输入。

（4）三轴等比或不等比缩放功能。

（5）图形加工前的三维仿真和加工过程中的动态显示。

（6）可任意段加工，也可以在加工过程中的任意位置暂停和继续加工。

（7）手动控制下的单轴运动和多轴直线、圆弧插补。

（8）支持CAM软件的自动编程。

（9）各种错误实时提示。

2.数控雕刻机的组成

数控雕刻机一般由机床主体和控制器两大部分组成。

机床主体包括床身、工作台、装夹工具（三爪自定心卡盘、机用虎钳、压板、平口钳等）、主轴以及附件（工作灯、手摇脉冲发生器等）。

数控雕刻机的控制器一般有两种类型:工业控制计算机和嵌入式DSP控制系统。工业控制计算机具有良好的扩充性（可与其他的雕刻机和计算机联网）、强大的计算处理能力等优点；而嵌入式DSP控制系统具有体积小、操作简便等特点。

如图3-1-4所示是三轴数字化玉雕机床的主轴头传动结构示意图，由交流或直流伺服电机、联轴器、双向推力球轴承、滚珠丝杆副、主轴箱体和配重等组成。伺服电机通过联轴器与丝杠固定并直接带动丝杠转动，丝母与主轴箱体固定，由丝杠带动丝母及主轴箱体进行上下移动。其支撑导向机构是通过两根直线滚动导轨完成的。由于滚珠丝杠副和直线滚动导轨在制作时已施加消间隙预紧力，可容易地实现高定位精度和重复定位精度的传动。其移动位置是由CRT显示器显示，最小显示的数值达1μm:由于采用滚珠丝杠副和直线滚动导轨，摩擦阻力非常小，为防止主轴因自重而滑落，主轴伺服电机内装有失电制动装置，通电时，制动器松开，主轴可实现伺服控制；断电时，制动器吸合，主轴锁定。

图3-1-4　三轴数字化玉雕机床主轴头传动结构示意图

1.伺服电机；2.联轴器；3.双向推力球轴承；4.滚珠丝杠副；5.主轴箱体；6.绝缘垫；7.配重；8.立柱

（二）多轴数字化玉雕机

多轴联动加工是指机床坐标系为四轴或四轴以上的机床，其机床结构复杂、控制精度较高、加工程序复杂，适用于加工某些具有特殊要求的复杂形面的玉雕件，在加工中同时提高了这些玉雕件的加工精度和质量，因此多轴联动加工在制造中具有不可忽略的地位。

多轴联动加工中，五轴加工应用范围最为广泛。所谓五轴加工是指在一台机床上至少有五个坐标轴（三个直线坐标和两个旋转坐标），而且可在计算机数控系统（CNC）的控制下协调运动，进行加工。国际上把五轴联动数控技术作为一个国家生产设备自动化水平的标志。

现代数控加工正向高速化、高精度化、高智能化、高柔性化、高自动化和高可靠性方向发展，而多坐标轴数控机床正体现了这一点，它与一般的三坐标轴数控加工相比具有其本身的特点。

1.四轴数字化玉雕机特点

四轴联动机床，就是在三个线性坐标轴（X，Y，Z）的基础上增加一个旋转轴或者摆动轴，有两种基本机床结构，所述如下。

1）摆头结构

主轴装在摆头上，摆头可以摆动一定的角度，并且可以和三个线性轴联动。这种机床结构工作台没有受到影响，所以X轴和Y轴的行程就是原来的，X轴、Y轴工作行程比较大，但这种结构主轴的刚度会受到影响，在刀具路径后处理时要考虑摆长的补偿。

对于圆雕体上有镂空部分、具有倒勾面的一些曲面、侧面需要特殊加工的玉雕件等，可以在一次装夹中加工出整个玉雕件；而三轴加工就必须多次装夹加工才能完成，这必然带来多次装夹和重复定位误差。

2）旋转工作台结构

在X、Y平面工作台上再增加一个旋转工作台，玉雕件安装在旋转工作台上并可随工作台旋转任意角度。这种结构主轴的刚度不受影响，但由于旋转工作台是放置在三轴工作台上的，Z轴的行程会受影响，当在该机床上加工三轴的玉雕件时，其X轴和Y轴的加工范围都会受到影响。

特别适合加工圆雕类玉雕件，如圆雕人物、花卉、器皿件等，一次装夹就可以完成所有加工，减少了夹具和重复安装误差。

2.五轴数字化玉雕机特点

五轴联动机床，就是在三个线性坐标轴（X，Y，Z）的基础上再增加两个旋转坐标轴。五轴数控加工中一台机床有五个坐标轴，可在计算机控制下联合工作，具有以下特点。

（1）可以加工一般三轴数控机床不能加工或很难一次装夹完成加工的连续、平滑的自由曲面，如玉雕瓶、玉雕碗、各种圆雕造型等。如采用三轴数控机床加工，由于其刀具轴线在加工过程中不能改变，加工某些复杂曲面时，就可能产生干涉和欠加工。而用五轴加工由于刀具的轴线可随时调整，避免刀具与玉雕件的干涉，并能一次装夹完成全部加工。

（2）可以提高空间自由曲面的加工精度、质量和效率。例如三轴加工复杂曲面时，多采用球头铣刀，球头铣刀是以点接触，切削效率低，刀具轴线在加工过程中不能调整，一般很难保证用球头上的最佳切削点（即球头上线速度最高点）进行切削。如果采用五轴机床加工，由于刀具轴线在加工过程中随时调整，可获得更高的切削效率和切削质量。

（3）符合玉雕件一次装夹便可完成全部或大部分加工的机床特点。当前，为了进一步提高产品性能和质量，现在玉石雕刻产品中多见多面浮雕、圆雕等产品，而且上面还有许多各式各样的复杂曲面，如果采用三轴加工，必须经过多次定位安装才能完成，而采用五轴加工可一次装夹完成大部分工作。

常见五轴数控机床结构和三轴联动数控机床相比，五轴联动数控机床多了两个转动轴，但是在结构布置方面，往往不仅仅是在三轴联动数控机床上添加两个转动轴就可以的。按照主轴的位置关系可分为以下两大类。

（1）立式五轴加工中心。立式五轴加工中心是工作台回转轴式，设置在床身上的工作台可以环绕X轴回转，定义为A轴，A轴一般工作范围为＋30°～-120°。工作台的中间还设有一个回转台，环绕Z轴回转，定义为C轴，C轴都是360°回转。这样通过A轴与C轴的组合，固定在工作台上的玉雕件除了底面之外，其余的五个面都可以由立式主轴进行加工。A轴和C轴最小分度值一般为0.001°，这样又可以把玉雕件细分成任意角度，加工出倾斜面、倾斜孔等。A轴和C轴如与X、Y、Z三直线轴实现联动，就可加工出复杂的空间曲面，当然这需要高档的数控系统、伺服系统以及软件的支持。这种设置方式的优点是主轴的结构比较简单，主轴刚性非常好，制造成本比较低，但一般工作台不能设计太大，承重也较小，特别是当A轴回转大于等于90°时，玉雕件切削时会对工作台带来很大的承载力矩。

另一种是依靠立式主轴头的回转。主轴前端是一个回转头，能自行环绕Z轴360°，成为C轴，回转头上还带可环绕X轴旋转的A轴，一般可达±90°，实现上述同样的功能。这种设置方式的优点是主轴加工非常灵活，工作台也可以设计得非常大，大的玉雕山子、瓶、鼎、圆雕人物、动物、兽类等都可以在这类加工中心上加工。

（2）卧式五轴加工中心。传统的工作台回转轴式五轴加工中心，设置在机床上的工作台A轴一般工作范围为＋20°～-100°。工作台的中间也设有一个回转台B轴，B轴可双向360°回转。这种卧式五轴加工中心的联动特性比较好，常用于加工空间复杂曲面。回转轴也可配置圆光栅尺反馈，分度精度达到几秒，当然这种回转轴结构比较复杂，价格也昂贵。从旋转轴和直线运动轴之间的关系来看，五轴联动数控机床的结构形式主要有双旋转台机床、双旋转主轴头机床和一个旋转工作台一个旋转主轴头机床三大类。

五、数字化玉雕机的维护与保养

数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数字化玉雕设备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴机械加工制造业的渗透形成的机电一体化产品。其技术范围覆盖制造业很多领域，是现代制造业中企业提高效率和竞争力的关键设备。数字化玉雕设备的操作和维护保养是使用数字化玉雕设备的关键因素之一。正确地操作使用，能够防止数字化玉雕机非正常磨损，避免突发故障；做好日常维护保养，可使设备保持良好的状态，延缓劣化进程，及时发现和消灭故障隐患，从而保证安全运行。

（一）数字化玉雕设备使用中应注意的问题

（1）数字化玉雕设备的使用环境。为提高数字化玉雕设备的使用寿命，一般要求要避免阳光的直接照射和其他热辐射，要避免太潮湿、粉尘过多或有腐蚀气体的场所。精密数控设备要远离振动大的设备。

（2）良好的电源保证。为避免电源波动幅度大（大于10%）和可能的瞬间干扰信号等影响，数字化玉雕设备一般采用专线供电（如从低压配电室分一路单独供数字化玉雕机使用）或增设稳压装置等，这样可减小供电质量的影响和电气干扰。

（3）制定有效的操作规程。在数字化玉雕机的使用与管理方面，应制定一系列切合实际、行之有效的操作规程，例如润滑、保养、合理使用及规范的交接班制度等，是数字化玉雕设备使用及管理的主要内容。制定和遵守操作规程是保证数控机床安全运行的重要措施之一。实践证明，众多故障都可因遵守操作规程而避免。

（4）数字化玉雕设备不宜长期封存。购买了数字化玉雕机以后要充分利用，尤其是投入使用的第一年，使其容易出故障的薄弱环节尽早暴露，以便在保修期内得以排除。加工中，应尽量降低对离合器、齿轮等器件的磨损。没有加工任务时，数字化玉雕机也要定期通电，最好是每周通电1～2次，每次空运行1小时左右，以利用机床本身的发热量来降低机内的湿度，使电子元件不致受潮，同时也能及时发现有无电池电量不足报警，以防止系统设定参数的丢失。

（二）数控机床的日常维护

数字化玉雕机种类多，各类数字化玉雕机因其功能、结构及系统的不同，各具不同的特性，其维护保养的内容和规则也各有其特色，具体应根据数字化玉雕机床的种类、型号及实际使用情况，并参照机床使用说明书要求，制定和建立必要的定期、定级保养制度。下面是一些日常维护保养要点。

1.数字化玉雕系统的维护

（1）严格遵守操作规程和日常维护制度。数字化玉雕设备操作人员要严格遵守操作规程和日常维护制度，操作人员的技术业务素质的优劣是影响故障发生频率的重要因素。当数字化玉雕机床发生故障时，操作者要注意保留现场，并向维修人员如实说明出现故障前后的情况，以利于分析、诊断出故障的原因，及时排除。

（2）防止灰尘污物进入数字化玉雕装置内部。在数字化玉雕机床加工车间的空气中一般都会有油雾、灰尘甚至雕刻粉末，一旦它们落在数字化玉雕系统内的电路板或电子器件上，容易引起元器件间绝缘电阻下降，甚至导致元器件及电路板损坏。有的用户在夏天为了使数控系统能超负荷长期工作，采取打开数控柜的门来散热，这是一种极不可取的方法，其最终将导致数控系统的加速损坏，所以应该尽量减少打开数控柜和强电柜的门的次数。

（3）防止系统过热。应该检查数控柜上的各个冷却风扇工作是否正常。每半年或每季度检查一次风道过滤器是否有堵塞现象，若过滤网上灰尘积聚过多，不及时清理，会引起数控柜内温度过高。

（4）数控系统的输入/输出装置的定期维护。20世纪80年代以前生产的数控机床，大多带有光电式纸带阅读机，如果读带部分被污染，将导致读入信息出错，为此，必须按规定对光电阅读机进行维护。

（5）直流电动机电刷的定期检查和更换。直流电动机电刷的过度磨损，会影响电动机的性能，甚至造成电动机损坏，为此，应对电动机电刷进行定期检查和更换。数字化玉雕车床、数字化玉雕铣床、数字化玉雕加工中心等，应每年检查一次。

（6）定期检查和更换存储用电池。一般数控系统内对CMOS RAM存储器件设有可充电电池维护电路，以保证系统不通电期间能保持其存储的内容。在一般情况下，即使电池尚未失效，也应每年更换一次，以确保系统正常工作。电池的更换应在数控系统供电状态下进行，以防更换时CMOS RAM内信息丢失。

（7）备用电路板的维护。备用的印制电路板长期不用时，应定期装到数控系统中通电运行一段时间，以防损坏。

2.机械、液压、气压系统的维护

（1）主传动链的维护。定期调整主轴驱动带的松紧程度，防止因驱动带打滑造成的丢转现象；检查主轴润滑的恒温油箱、调节温度范围，及时补充油量，并清洗过滤器；主轴中刀具夹紧装置长时间使用后，会产生间隙，影响刀具的夹紧，需及时调整液压缸活塞的位移量。

（2）滚珠丝杠副的维护。定期检查、调整丝杠副的轴向间隙，保证反向传动精度和轴向刚度；定期检查丝杠与数字化玉雕床身的连接是否有松动；丝杠防护装置有损坏要及时更换，以防灰尘或切屑进入。

（3）刀库及换刀机械手的维护。严禁把超重、超长的刀具装入刀库，以避免机械手换刀时掉刀或刀具与玉雕件、夹具发生碰撞；经常检查刀库的回零位置是否正确，检查数字化玉雕机床主轴回换刀点位置是否到位，并及时调整；开机时，应使刀库和机械手空运行，检查各部分工作是否正常，特别是各行程开关和电磁阀能否正常动作；检查刀具在机械手上锁紧是否可靠，发现不正常应及时处理。

（4）液压、气压系统维护。定期对各润滑、液压、气压系统的过滤器或分滤网进行清洗或更换；定期对液压系统进行油质化验检查、添加和更换液压油；定期对气压系统分水滤气器放水。

（5）数字化玉雕机床精度的维护。定期进行数字化玉雕机床水平和机械精度检查并校正。机械精度的校正方法有软、硬两种，其软方法主要是通过系统参数补偿，如丝杠反向间隙补偿、各坐标定位精度定点补偿、数字化玉雕机床回参考点位置校正等；硬方法一般要在数字化玉雕机床大修时进行，如进行导轨修刮、滚珠丝杠副预紧调整反向间隙等。