三轴雕刻机

业内第一本适合木作设计师及爱好者阅读及实践的木作教程

《画说木作》

作者:陈玲江 编著 出版社:北京大学出版社 出版时间:2023年11月

开 本：16开

纸 张：胶版纸

包 装：平装

是否套装：否

国际标准书号ISBN：9787301342732

1、三轴雕刻机介绍

      三轴雕刻机实际就是数控机床的简化版，三轴雕刻机是微木工加工工具或设备里最为贵重及应用最为广泛的工具，在某种程度上可以代替很多木作加工工具，因此学习好三轴雕刻是本书的重要技能。

                                          山崎马扎克品牌的各类数控加工中心

       机床是一个国家制造业先进与否的重要标志，不过可惜具有国际影响力及占有率的基本都是国外更是，如日本的山崎马扎克排名第一，德国通快公司排名第二，德日合资公司德玛吉森精机排名第三，其后分别为马格、天田、大隈、牧野、格劳博、哈斯、埃马克。

                                 北京精雕的三轴数控机床

      三维雕刻机是坐标轴的三个轴，即x轴、y轴、z轴，其中x表示左右空间，y表示前后空间，z表示上下空间，这样就形成了人的视觉立体感，三维雕刻机就是由三维雕刻软件制作能适用各种平面材质上进行切割，二维雕刻，三维雕刻。三维雕刻机与3D打印机的原理近似，三维是由二维组成的，二维即只存在两个方向的交错，将一个二维和一个一维叠合在一起就得到了三维；雕刻是一层一层的细削，而打印则是一层一层的堆叠。

                                                 中小型数控机床的基本模块及式样

木工加工中心：

      说到数控木工加工中心，我们不得不提到数控机床。近年来，数控机床在木工和家具机械行业发展迅速。以数控木工铣床（包括数控刨床、数控雕刻机等）为代表的数控木工加工中心、数控木工车床、数控木工锯床、数控木工钻床相继问世，形成了门类齐全、系列齐全的格局，成为推动木工和家具机械行业发展的主力军。数控木工加工中心不仅技术更先进、更人性化，而且加工精度更高，有效降低了工人的劳动强度和对工人操作技能的要求。

     要理解数控加工中心，字面上来说，“CNC”和“加工中心”是两个关键词。如何理解？首先，“数控”是“数字控制”，也就是我们通常所说的CNC（计算机数控）。控制系统可以用控制代码或其他符号指令对程序进行逻辑处理，并通过计算机进行解码，使机床执行指定的动作。其次，加工中心是在数控铣床的基础上发展起来的。与数控铣床最大的区别在于加工中心具有自动更换加工刀具的能力。通过在刀库上安装不同用途的刀具，可在一次夹紧中通过自动换刀装置更换主轴上的加工刀具，以实现多种加工功能。因此，数控加工中心是一种由机械设备和数控系统组成的高效自动化机床，适用于复杂零件的加工。

    下图的木工加工中心最大的特色在于木工行业的应用，如欧式家具、明清复古家具零部件的多工位雕刻加工，工位有一个、两个、三个甚至六七个的三轴数控，大大提升了加工的效率。

                              多头高效率的木工加工中心设备

三轴雕刻机的行业应用：

2.木制工艺品加工：钟表框、工艺相框、书法牌匾、电器柜台面、体育用品器材、薄铝板镂铣雕刻；

3.电子产品行业：电路板、绝缘材料、LED显示屏、家电（彩电、洗衣机、冰箱）外壳或模型等雕刻镂铣 

4.乐器生产行业：雕刻乐器三维曲面、外形切割，如大、小提琴面板与琴头、吉他、二胡等三维曲面雕刻镂铣

5.金属制品行业：轮廓框架、夹具等

                                     常见的小型三轴雕刻机行业应用

       本书作者在微木工创作加工过程中采购的是偏小号的桌面型“加工中心”，主要加工对象是各类木头、硬度较低的诸如铝铜锡等，另外较多的加工对象就是塑料、尼龙等材料。

                                            作者购买的小型三轴数控机器

   1、给三轴雕刻机制作或购买一个防尘套

      因为加工木料与其他材料不一样，如果加工金属等可能还需要铣削液及集液槽等配套，而加工木料时候最多也最容易产生的是木屑及粉尘，如何仅仅将该机器至于某个位置开放性使用，不过多久周边就粉尘四溢出，木作设计师必须得配套口罩等防护，且容易从头到尾都沾满各种粉尘。

                                           设想给三轴数控外加一个防尘套

          如何制作一个完美的高性价比的防护罩，本书作者也费了不少周章，如用泡沫kt板粘合、视图用透明亚克力加工制作等，最终选择了摄影棚来完美解决了这个问题，框架式与铝膜复合的外罩不仅轻盈牢固，且因为其本来的作用，三轴雕刻机在里面犹如被摄影的物件，各个细节清晰明了；加工产生的木粉尘后续可以通过工业吸尘器清理，非常方便实用。

                                       最终安装好的三轴数控外壳及使用情况

 2、三轴雕刻机控制模块

        该三轴雕刻机主要由机箱控制及手轮控制两种结合的方式，主控制箱有电源开关、手轮/电脑模式切换、急停按键、主轴调速旋钮、主轴手动/电脑控制按键、主轴正反转按键、主轴转速面板等构成。

                                              三轴数控的主要两个控制模块及界面

控制箱的基本说明：

                                                 主控制箱的功能

手轮控制功能：

■ 智能手轮XYZA四轴控制，微调定位，速度XI X2 X5 X10 X20区间任意切换。

■ 精确定位，精度可达0.01mm,速度XI转动手轮转盘，每一格就代表0.01mm,同理 X2、X5、X10、X20 代表每一格 0. 02mm、0.05mm、0.1mm、0.2mm。

■ 自动分中功能，您只需要以产品其中一边为零点，再碰一下产品的对边，按下自动分中按键，自动找到产品中点位置。

■ 快速返回原点功能，可以任意设置一个地方为手轮原点的坐标，用手轮移动到其他的位置，如果要回到原来的原点位置，按下快速返回原点按键，XYZA四轴联动快速归零！

■ 记忆功能，独立控制机器，可以记录手轮自己移动的动作，也可以记录电脑程序移动的动作，对于一些小批量加工，可以用手轮记录程序，然后用手轮重复运动,还有无限循环loop模式,能够一直不停的重复已经记录好的程序，类似小型的流水线加工。

■ 自动对刀功能，可以把对刀器插到控制器后面，按下手轮自动对刀按钮，刀具慢慢下降碰到对刀器，回弹10mm距离。

■ 主轴开始、停止功能：手轮模式，可以调节转速旋钮到一个想要的转速，如果需要停止转速，可以按下主轴开始、停止按钮，方便快捷控制转速。

■ 拓展功能应用，控制器后面新增了两个继电器的输入、输出端口，可以给需要DIY改装设计的客户使用，比如点胶机，自动螺丝机等。

 三轴雕刻机的使用说明书

3、三轴雕刻机的刀具

           三轴雕刻机主要用的刀具是铣刀，是用于铣削加工的、具有一个或多个刀齿的旋转刀具。工作时各刀齿依次间歇地切去工件的余量。铣刀主要用于在铣床上加工平面、台阶、沟槽、成形表面和切断工件等。

                             与三轴雕刻机配套的各种刀具

木工铣刀的选择

     选择合适的木工刀具，讲究一个性价比。市面上的铣刀主要可分为三档，普通、精品、高档。

     普通铣刀有的包装非常普通，一看就知道是普通的，还有一类普通铣刀刷了油漆加了透明的外壳，这类铣刀看着像精品其本质还是普通，选择时要慎重。精品铣刀有的包装很简单，有的包装也花哨，这类刀主要看刀刃的锋利。一般来说刀刃越亮做工精细的是精品铣刀。高档铣刀质量可靠，但价格不菲。

     一般而言低密度、低硬度板材选用普通铣刀，含钉子等板材对铣刀损耗很大选普通铣刀，用的不多的选普通铣刀，高密度高硬度板材选好的铣刀，用于亚克力板、人造石的用好的铣刀。

接下来介绍下本人经常使用的几款铣刀:

1、玉米铣刀用途：也称为棱齿铣刀或者锣刀及波萝纹铣刀，一般适用加工合成石、电木、环氧板、波纤板等绝缘材料。产品原料采用硬质合金棒材和钨钢棒材，具有高硬度，高耐磨性，高强度，抗弯曲，抗折损，刀具寿命长。

①使用超细晶粒硬质合金材料，具有良好的铣、削性能，工作高效率；

②有足够的抗弯强度和耐磨性；

③铣槽、孔及板边、表面洁净、整齐、无毛刺。

       玉米铣刀用途与普通整体高速钢立铣刀或焊接合金立铣刀不同，是一种在圆柱形刀体上安装硬质合金可转位刀片的铣削刀具。铣刀通常直接带有与机床联接的锥柄，锥柄形式根据机床接口标准而定，一般有采用机械手换刀的 BT 柄、JT 柄及手动换刀的ST 柄等。铣刀的刀片沿刀体轴向排列成螺旋状，形成较长的侧切削刃，一排切削刃通常用一个螺旋形主排屑槽，数量根据刀具规格不同而不同，通常为4 ～8，所以该类铣刀也称为螺旋立铣刀。该类铣刀在机械加工中主要用于粗铣去余量加工，应用场所非常广泛，可用于小平面、台阶侧面及底面、沟槽等的铣削加工，使用灵活方便，具有较高的加工效率。

2、平底铣刀用途：主要进行精铣或粗铣，铣凹槽，去除大量毛坯，小面积水平平面或者轮廓精铣。本文作者常用于面板上的小孔位打孔，特别用于类似音响孔位的打孔铣削。

3、平底尖刀用途：刃口呈平直，主要用于劈削铲平木料表而的凹凸，使其平滑无痕。型号大的也能用来凿大型，有块面感，运用得法，如绘画的笔触效果， 显得刚劲有力，生动自然。平刀的锐角能刻线，二刀相交时能剔除刀脚或印刻图案。

4、单刃铣刀的优缺点

     优点：单刃铣刀容削，排削性能好，所以可以高转速，快进给切削，表面质量好！单刃铰刀的直径和倒锥可以根据切削状况进行微调，为了能方便快捷 而又准确地对刀具进行调整。

     单刃铣刀缺点：加工速度上的区别由于刃数量的多少直接关系到切割速度的快慢，所以单刃铣刀较双刃铣刀的加工速度会慢一些。

  4、雕刻防护板及夹具的使用

A、压板及夹具，压板用电木板也称作胶木板、酚醛层压纸板，是使用品质优良的漂白木积纸及棉绒纸做为补强物，并以高纯度、全合成的石化原料所反应制成的酚醛树脂做为树脂粘合剂制造而成的木板。电木板在雕刻的过程中主要起“垫背”固定作用，因为性能好不变形及不伤害刀具，因此应用比较广泛。

B、精密手动平口钳，主要对较小木料的表面雕刻加工起固定作用。

2、三轴雕刻机应用所需软件

       三轴雕刻机所需软件一个是前面提到的类似犀牛、SLIDWORKS、UG等三维建模软件，这些软件导出支持北京精雕JDSoft SurfMill  所支持的 三维模型格式：dxf、igs、stp、obj、3dm、stl等诸多格式，再由精雕软件进行编程变成适合三轴数控机床里的Mach3 CNC控制软件各种刀路文件.NC 文件，结合手动控制模块进行定位，最终将编程的刀路在木料上数控加工。

      三维软件这里可以根据木作设计师所用的软件来进行建模，这里限于篇幅不多介绍。

       JDSoft SurfMill是一款功能强大的雕刻软件，可以帮助用户在软件设计机械模型，您可以通过雕刻的方式设计零件，可以快速设计机械零件模型，结合机床软件就可以将设的模型加工，为企业提供更方便的零件雕刻方案，软件界面功能还是很多的，可以直接在使用实体工具创建零件，支持曲线绘制功能。

                                               北京精雕软件的界面

软件特色

　　1、精雕7.0提供零件设计功能，可以帮助用户在软件设计零件；

　　2、可以在软件对曲面设计，可以对曲线编辑；

　　3、支持五轴加工，支持三轴加工；

　　4、提供丰富的绘图功能，在软件直接设计曲面；

　　5、鼠标点击曲线工具就可以开始绘图，支持圆形，支持多边形，支持曲线打断；

　　6、提供多种曲面生成方式，支持投影倒面、包裹到面、沿面上线排线；

　　7、支持沿曲面偏移曲线、曲面曲面（平面）交线、曲面（组）边界线；

　　8、支持曲面流线、曲面上画线、曲面分模线、面板高光切割；

　　9、绘制圆：径向两点圆、两点半径圆、三点圆、圆心半径圆、截面圆；

　　10、绘制2次曲线：自定义、过顶点、过焦点；

　　11、借助曲线生成：两视图构造曲线、中位线、空间镜像线、拉伸曲线；

　　12、借助曲面生成：沿面上线排列、面板高光切割、套用UV曲线、建立U曲线、加工边界线。

   相关软件教程：https://zhuanlan.zhihu.com/p/413275415

      三维雕刻机中的北京精雕软件编程教程

          电脑三轴数控屏幕主要软件：

     Mach3 CNC控制软件是开放式数控系统, 操作简单，维护方便, 具有开放性、性能稳定、价格低廉的新型数控系统. 标准PC电脑完全转换为全功能的CNC控制器,最高6轴连动CNC控制,直接支持多种DXF, BMP,JPG,HPGL文件格式输入,视觉G代码显示,直接生成G代码,主轴转速控制,多重继电器控制,手摇脉冲生成,包括大量加工策略,视频展示,可以用触摸屏,全屏显示,数字化. 三维动态显示跟踪、自动对刀、程序跳段执行（断点记忆）。

                                       Mach3 mill的基本界面

3、三轴雕刻机如何使用

案例示范一：一维垂直方向的雕刻，以轮廓切割及区域加工为主要加工方法制作卡通木作冰箱贴

所需工具：三轴雕刻机、松木薄板、磁铁、胶枪等。

                                木作或竹板制作的卡通冰箱贴

      案例加工分析：根据模型的特点，确定加工方法，如哪些是需要轮廓切割的，哪些是需要铣槽的，哪些需要孔位加工的，并根据加工的铣刀尺寸、磁铁尺寸及产品本身应用的相对尺寸来协调出最终的模型。

          三维建模与渲染效果：根据上述分析，通过三维建模来调整模型及轮廓线稿，渲染图则验证建模的细节是否基本符合设计的要求，后续三维模型导出stp或igs格式进行精雕软件编程。

      三维雕刻机中的北京精雕软件编程教程

a、建完模型及渲染初步后，确认各个尺寸，将各个图形紧凑放置在一个区域内，测绘下整体长宽，目的是寻找适合的木料，这里确定了8.5cm*12.5cm的厚度约0.9cm的榉木板，然后用热熔枪将榉木板横平竖直地固定在电木板或近似的“垫背”上，方便后续加工；因为需要轮廓切割，所以热熔胶枪除了周边固定，底部需要几条热熔胶进行固定，热熔胶的最大好处在于固定牢固及后期可以通过铲刀剥离，不损坏切割后的木料。

b、本流程也是最关键的流程就是北京精雕软件编程，分析三维模型，设定加工方法，这里主要是轮廓切割及区域加工，本次分四大步骤来完成，第一步骤是卡通轮廓的雕刻，获得动物冰箱贴的整体形状；第二步为动物眼睛的区域加工，这里用了1.5mm的玉米铣刀，雕刻深度为6mm（1.5mm玉米铣刀的深度），本过程也可以后续通过钻孔加工获得；第三步为辅助轮廓凹槽的加工，用的也是1.5mm玉米铣刀的区域加工；从第一步到第三步获得冰箱贴正面的轮廓及细节；第四步则需要将前面三步加工好的木料反过来再15mm直径、深度5mm的圆孔加工，这个孔主要放置磁铁，当然不同的磁铁需要不同尺寸的孔的参数。

c、完成的毛胚进行砂纸打磨，一个是去毛刺，另外可以去除表面的刀痕或记号等，最终就磁铁安装加工，这里用的还是热熔胶滴胶固定的形式，最终形成了我们样品设想的样子。

案例示范二：二维垂直方向的雕刻，以曲面加工为主要加工方法制作北欧木玩

a、单面的曲面木作加工：挪威设计工作室Permforast的木作轮船

      本加工对象是北欧木玩中的经典产品，一组海上游船与油井的场景木玩，从船体上我们可以看到是单面曲面的加工工艺，再结合上面案例的轮廓切割及区域加工手段；说起曲面加工，如果需要非常精确的确实只有依靠数控加工最为便捷及准确，因此三轴雕刻过程中的曲面加工是非常重要的一个环节。

                                      挪威设计工作室Permforast的木作轮船

      项目分析：该油船主要由四部分组成，第一个为停机坪，第二个为油桶，第三个为控制仓，最为重要的第四个就是船体，通过逆向建模分析，传统由两个船形状的双曲线扫掠而成，因此结合本次加工项目，主要的就是曲面加工、轮廓切割及区域加工三种混合加工方式进行。

b、双面曲面加工：挪威设计工作室Permforast的木作赛车加工示范