基于手工操作的自动刻花设备的制作方法

本发明涉及珠宝首饰加工领域，具体的说是一种基于手工操作的自动刻花设备。

背景技术：

珠宝首饰刻花具有一定的艺术属性，通过纯电脑编程得到的花形往往过于死板，没有艺术感，客户接受度低。高附加值的刻花首饰制品一般是由技艺高超的技工师傅手工操作完成，其中包含了技工师傅极其细微的操作手法以及对美的灵感和领悟，尤其对于一些特殊的花形需要更加特殊的操作手法，往往只存在于技工师傅的思想中，进而体现在其细微的操作手法上，通过电脑编程很难达到手工加工的效果。

对于规模化的首饰加工企业来说，完全依靠工人手工加工的成本高，效率低，且刻花技工的培养难度大，培养周期长，同时也伴随着人员流动性高等问题。

因此，目前急需一种能进行自动加工又能满足客户接收度的自动刻花系统，也即：通过自动加工达到手工加工的效果，从而满足客户的审美需求。

本案能加工的工件包括串珠、戒指、手镯、吊坠以及亮片饰品等，根据工件的不同更换对应的夹具即可。

本案以常见的珠串式首饰加工为例进行说明。待刻花毛坯工件为球形珠、柱形珠或其它异形珠等珠状工件。下面结合说明书附图1，对手工刻花机进行简单介绍。

图1中，刻花机包括机台1，机台1上设置底座2，底座2上沿左右方向滑动安装有由第一手轮驱动机构驱动的第一滑座3，第一滑座3上沿前后方向滑动安装有由第二手轮驱动机构驱动的第二滑座4，第二滑座4上转动安装有由手轮旋转驱动机构驱动的转动座5，转动座5上沿左右方向滑动安装有由第四手轮驱动机构驱动的第四滑座6，第四滑座6上沿前后方向滑动安装有由第五手轮驱动机构驱动的第五滑座7。

第五滑座7上转动安装有两根相对设置的顶杆8，其中一根顶杆8的端部安装第六手轮9，另一根顶杆8可连同其安装轴承一起轴向滑动，该顶杆8轴向向外滑动时夹具打开，在两根顶杆8的内端部之间装入工件10，两根顶杆8形成夹具，该夹具能打开且能由第六手轮9驱动转动。对于两个顶杆8的具体安装，第五滑座7的两端分别安装一块夹具侧板11，两根顶杆8分别转动安装在夹具侧板11上，可滑动的顶杆8后部安装弹簧复位机构，当需要打开夹具时，将顶杆8向外拽开，装入工件后，松开顶杆8，在弹力作用下，两根顶杆8将工件夹紧。

各滑座均采用滑块12和滑槽121配合式的滑动安装结构，手轮驱动机构包括手轮和丝杠驱动机构，滑块12上开设螺纹孔或安装丝母，丝杠驱动机构包括与螺纹孔或丝母配合的丝杠13、安装在滑槽121其中一端的丝杠支撑座14，手轮固装在丝杠13的端部，丝杠13转动安装在丝杠支撑座14上。通过转动手轮可驱动丝杠13转动，从而带动滑块12和滑座直线滑移。第一、二、四、五手轮驱动机构为直线位移，其手轮分别为用于手工操作的第一手轮15、第二手轮16、第四手轮17、第五手轮18。手轮旋转驱动机构包括第三手轮19和同步带传动机构，同步带传动机构包括与第三手轮19同轴安装的主动带轮和安装在转动座5下方的从动带轮，两带轮通过同步带26连接。

对于刀具的安装，如图1所示，机台1上在底座2的一侧安装立柱20，刀架21滑动安装在立柱20顶端且可通过手动扳机22控制升降，刀头23由主电机24驱动转动，机台1上设置主电机开关27。对于手动扳机驱动机构，其一般采用扇形齿轮与齿条配合的结构，即在扳机的铰接轴上安装扇形齿轮，在立柱20上安装与齿轮配合的齿条，同时，扳机上连接复位弹簧，操作时，用手按动扳机22，扳机22带动扇形齿轮转动，在齿条的作用下，整个刀架21位置下移，松开扳机22，在复位弹簧的作用下，扳机22反转复位，刀架21位置上升。对于刀头23的安装，其通过轴承套筒25转动安装在刀架21底部，刀头23位于夹具正上方，刀头23上安装切割刀片。

手工刻花机的工作原理是：以柱形珠为例，将柱形珠横置，利用两根顶杆8分别顶在柱形珠的两个端部从而将工件夹紧；右手操作扳机22来控制刀架21的高度，从而带动刀头23和其上的切割刀片升降，具体加工中切刀的位置不变，轻微操作扳机22以控制切割深度，通过移动和转动工件来改变切割位置；移动和转动工件是由左手操作各手轮来完成，具体的，首先操作第一手轮15和第二手轮16来粗调工件的前后、左右位置，将工件位置调整到刀头的正下方，然后打开主电机24，刀头转动，右手控制刀头升降来进行刻花，与此同时，左手分别操作第三手轮19、第四手轮17、第五手轮18和第六手轮9来微调工件的位置，进行刻花作业，常规尺寸工件，在加工中不再操作第一手轮15和第二手轮16，对于某些特殊尺寸的工件，也需要操作第一手轮15和第二手轮16；其中，第三手轮18用于调节工件绕其自身中心的水平旋转位置，第四手轮17和第五手轮18用于微调工件的前后和左右位置，第六手轮9用于调节工件绕其自身中轴线的轴向旋转位置。

可见，利用手工刻花机，刻花技工在前期需要操作两个手轮调整基准位置，在加工时，需要右手控制扳机调节刀头升降，左手需要选择操作四个或六个手轮中的一个，通过技工反复细微的操作打磨，最终将毛坯工件加工成一件具有艺术美感的工艺产品。串珠工件体积小，数量大，而手工操作不仅效率低，而且工作强度大，显然很难满足规模化生产的需求。

基于上述问题，在手工刻花机的基础上，结合精密传感器测量技术和精密电机控制技术，本案申请人研发出了一种能模仿手工操作的自动刻花方法，同时，为了实现该方法，还专门研制了配套的加工设备。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种基于手工操作的自动刻花设备，该设备能精确模拟手工操作动作并进行自动加工，从而能降低劳动强度、提高工作效率，整机结构简单、操作方便、加工效果好，利用该设备能达到手工加工的效果，并能进行复杂花形的自动加工，从而能提高客户接受度。

为解决上述技术问题，本发明刻花设备的结构特点是包括一台检测机、一台自动刻花机和上位机。

检测机包括手工刻花机、用于检测手工刻花机各滑座以及刀架位移量的多个位移传感器、用于检测转动座旋转角度的第一旋转编码器、用于检测顶杆转动角度的第二旋转编码器；各位移传感器和旋转编码器的信号输出端均电连接至一上位机；

自动刻花机的主机架为手工刻花机的原型机，手工刻花机的原型机包括机台、底座、第一滑座，第二滑座、转动座、第四滑座、第五滑座、顶杆、立柱、刀架、刀头和用于驱动刀头转动的主电机，自动刻花机还包括能驱动第一滑座滑动的第一电机、能驱动第二滑座滑动的第二电机、能驱动转动座转动的第三电机、能驱动第四滑座滑动的第四电机、能驱动第五滑座滑动的第五电机、能驱动顶杆转动的第六电机和能驱动刀架升降的第七电机；各电机的控制端均电连接至上位机。

第一电机安装在底座的端部、第二电机安装在第一滑座的端部、第四电机安装在转动座的端部、第五电机安装在第四滑座的端部，第一电机、第二电机、第四电机、第五电机均通过丝杠驱动机构与对应的滑座动力连接；第三电机固定安装在第二滑座的端部，第三电机的动力输出端通过同步带传动机构与转动座动力连接；第四电机安装在第五滑座的端部，第四电机的动力输出端与顶杆的外端部连接；第七电机安装在立柱顶端且朝下设置，第七电机的动力输出端连接丝杠，刀架上安装有与丝杠配合的丝母。

在检测机中，位移传感器包括安装在第一滑座与底座之间的第一位移传感器、安装在第二滑座与第一滑座之间的第二位移传感器、安装在第四滑座与转动座之间的第三位移传感器、安装在第五滑座与第四滑座之间的第四位移传感器以及安装在刀架与立柱之间的第五位移传感器。

在检测机中，位移传感器为读数头与光栅尺配合式的位移传感器，靠近光栅尺两个端部的位置上均设置限位。

在检测机中，第一旋转编码器与第三手轮同轴安装在第二滑座的端部；第二旋转编码器通过支架安装在第五滑座的端部且第二旋转编码器的输入轴与第六手轮同轴连接。

在自动刻花机中，在由各电机驱动的直线位移位置上均安装有原点开关，各原点开关的信号输出端均电连接至上位机。

直线位移位置包括自动刻花机的第一滑座与底座之间、第二滑座与第一滑座之间、第四滑座与转动座之间、第五滑座与第四滑座之间以及刀架与立柱之间共五个直线位移位置。

原点开关为光电感应开关，光电感应开关的反射片采用活动粘接式的安装方式。

上述结构中，基于手工刻花机的框架结构，检测机由手工刻花机加装五个直线位移传感器和两个旋转编码器得到。自动刻花机则是由手工刻花机去除所有手轮以及手动扳机后先得到原型机，在原型机的基础上，各动作位置加装精密伺服电机而得到。上位机中内置cpu和电机控制电路，并配置显示屏及鼠标键盘，通过实时采集传感器数据，存储得到工件的加工数据包供自动刻花机调用。

为了保证手动刻花与自动刻花初始加工位置的一致性，除了在校准刀头时保证两台机器的切割刀片安装一致外，还需要保证刀头的初始位置一致。对于刀头校准，只需保证自动刻花机的切割刀片探出刀头的长度与检测机的一致即可。而对于刀头初始加工位置的一致性，当然可以经过多次试加工并调整电机零点位置的方式来保证，但是显然该方式费时费力且会造成浪费。本案采用原点匹配和原点执行的方式，在检测机调好刀头的初始加工位后，对各个滑座、转动座以及刀架的位置进行标记，然后在自动刻花机的相同位置同样做标记并控制电机驱动各移动部件移到标记位置，以该位置作为电机的原点位置，可通过软件设置电机原点位置或者在标记位置上设置机械或电子式感应开关的方式，在自动刻花机开机时，各电机即自动搜寻原点位置。本案中，优选的，电机的原点开关采用光电开关的结构，能保证反馈的精度，同时，感应开关的感应片或反射片的位置可调，从而能更方便直接的对原点位置进行调整。

综上所述，本发明实现了模拟手工进行自动加工的目的，产品效果和手工加工效果一样，客户接受度高，借助该设备，降低了劳动强度，提高了加工效率，设备结构简单，加工改造方便，为规模化自动加工奠定了基础。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

图1为现有手工刻花机的结构示意图；

图2为本发明设备中检测机的结构示意图；

图3为本发明设备中自动刻花机的结构示意图；

图4为本发明设备的电路原理结构示意图；

图5为本发明方法的流程框图。

具体实施方式

本发明的设备以手工刻花机为基础，下面结合说明书附图1，对手工刻花机进行简单介绍。

图1中，刻花机包括机台1，机台1上设置底座2，底座2上沿左右方向滑动安装有由第一手轮驱动机构驱动的第一滑座3，第一滑座3上沿前后方向滑动安装有由第二手轮驱动机构驱动的第二滑座4，第二滑座4上转动安装有由手轮旋转驱动机构驱动的转动座5，转动座5上沿左右方向滑动安装有由第四手轮驱动机构驱动的第四滑座6，第四滑座6上沿前后方向滑动安装有由第五手轮驱动机构驱动的第五滑座7。第五滑座7上转动安装有两根相对设置的顶杆8，其中一根顶杆8的端部安装第六手轮9，另一根顶杆8可连同其安装轴承一起轴向滑动，该顶杆8轴向向外滑动时夹具打开，在两根顶杆8的内端部之间装入工件10，两根顶杆8形成夹具，该夹具能打开且能由第六手轮9驱动转动。对于两个顶杆8的具体安装，第五滑座7的两端分别安装一块夹具侧板11，两根顶杆8分别转动安装在夹具侧板11上，可滑动的顶杆8后部安装弹簧复位机构，当需要打开夹具时，将顶杆8向外拽开，装入工件后，松开顶杆8，在弹力作用下，两根顶杆8将工件夹紧。各滑座均采用滑块12和滑槽121配合式的滑动安装结构，手轮驱动机构包括手轮和丝杠驱动机构，滑块12上开设螺纹孔或安装丝母，丝杠驱动机构包括与螺纹孔或丝母配合的丝杠13、安装在滑槽121其中一端的丝杠支撑座14，手轮固装在丝杠13的端部，丝杠13转动安装在丝杠支撑座14上。通过转动手轮可驱动丝杠13转动，从而带动滑块12和滑座直线滑移。第一、二、四、五手轮驱动机构为直线位移，其手轮分别为用于手工操作的第一手轮15、第二手轮16、第四手轮17、第五手轮18。手轮旋转驱动机构包括第三手轮19和同步带传动机构，同步带传动机构包括与第三手轮19同轴安装的主动带轮和安装在转动座5下方的从动带轮，两带轮通过同步带26连接。

对于刀具的安装，如图1所示，机台1上在底座2的一侧安装立柱20，刀架21滑动安装在立柱20顶端且可通过手动扳机22控制升降，刀头23由主电机24驱动转动，机台1上设置主电机开关27。对于手动扳机驱动机构，其一般采用扇形齿轮与齿条配合的结构，即在扳机的铰接轴上安装扇形齿轮，在立柱20上安装与齿轮配合的齿条，同时，扳机上连接复位弹簧，操作时，用手按动扳机22，扳机22带动扇形齿轮转动，在齿条的作用下，整个刀架21位置下移，松开扳机22，在复位弹簧的作用下，扳机22反转复位，刀架21位置上升。对于刀头23的安装，其通过轴承套筒25转动安装在刀架21底部，刀头23位于夹具正上方，刀头23上安装切割刀片。

刻花机能加工的工件包括串珠、戒指、手镯、吊坠以及亮片饰品等，根据工件的不同更换对应的夹具即可。本案以常见的珠串式首饰加工为例进行说明。待刻花毛坯工件为球形珠、柱形珠或其它异形珠等珠状工件。

手工刻花机的工作原理是：以柱形珠为例，将柱形珠横置，利用两根顶杆8分别顶在柱形珠的两个端部从而将工件夹紧；右手操作扳机22来控制刀架21的高度，从而带动刀头23和其上的切割刀片升降，具体加工中切刀的位置不变，轻微操作扳机22以控制切割深度，通过移动和转动工件来改变切割位置；移动和转动工件是由左手操作各手轮来完成，具体的，首先操作第一手轮15和第二手轮16来粗调工件的前后、左右位置，将工件位置调整到刀头的正下方，然后打开主电机24，刀头转动，右手控制刀头升降来进行刻花，与此同时，左手分别操作第三手轮19、第四手轮17、第五手轮18和第六手轮9来微调工件的位置，进行刻花作业，常规尺寸工件，在加工中不再操作第一手轮15和第二手轮16，对于某些特殊尺寸的工件，也需要操作第一手轮15和第二手轮16；其中，第三手轮18用于调节工件绕其自身中心的水平旋转位置，第四手轮17和第五手轮18用于微调工件的前后和左右位置，第六手轮9用于调节工件绕其自身中轴线的轴向旋转位置。

参照附图，本发明的刻花设备包括一台检测机、一台自动刻花机和上位机。其中：检测机包括手工刻花机、用于检测手工刻花机各滑座以及刀架位移量的多个位移传感器、用于检测转动座5旋转角度的第一旋转编码器28、用于检测顶杆8转动角度的第二旋转编码器29；各位移传感器和旋转编码器的信号输出端均电连接至一上位机43；自动刻花机的主机架为手工刻花机的原型机，手工刻花机的原型机包括机台1、底座2、第一滑座3，第二滑座4、转动座5、第四滑座6、第五滑座7、顶杆8、立柱20、刀架21、刀头23和用于驱动刀头23转动的主电机24，自动刻花机还包括能驱动第一滑座3滑动的第一电机35、能驱动第二滑座4滑动的第二电机36、能驱动转动座5转动的第三电机37、能驱动第四滑座6滑动的第四电机38、能驱动第五滑座6滑动的第五电机39、能驱动顶杆8转动的第六电机40和能驱动刀架21升降的第七电机41；各电机的控制端均电连接至上位机43。

参照附图，在自动刻花机中，第一电机35安装在底座2的端部、第二电机36安装在第一滑座3的端部、第四电机38安装在转动座5的端部、第五电机39安装在第四滑座6的端部，第一电机35、第二电机36、第四电机38、第五电机39均通过丝杠驱动机构与对应的滑座动力连接；第三电机37固定安装在第二滑座4的端部，第三电机37的动力输出端通过同步带传动机构与转动座5动力连接；第四电机38安装在第五滑座7的端部，第四电机38的动力输出端与顶杆8的外端部连接；第七电机41安装在立柱20顶端且朝下设置，第七电机41的动力输出端连接丝杠，刀架21上安装有与丝杠配合的丝母。

参照附图，在检测机中，位移传感器包括安装在第一滑座3与底座2之间的第一位移传感器30、安装在第二滑座4与第一滑座3之间的第二位移传感器31、安装在第四滑座6与转动座5之间的第三位移传感器32、安装在第五滑座7与第四滑座6之间的第四位移传感器33以及安装在刀架21与立柱20之间的第五位移传感器34。

参照附图，在检测机中，位移传感器为读数头与光栅尺配合式的位移传感器，靠近光栅尺两个端部的位置上均设置限位。

参照图3，在检测机中，第一旋转编码器28与第三手轮19同轴安装在第二滑座4的端部；第二旋转编码器29通过支架安装在第五滑座7的端部且第二旋转编码器29的输入轴与第六手轮9同轴连接。

参照附图，在自动刻花机中，在由各电机驱动的直线位移位置上均安装有原点开关42，各原点开关42的信号输出端均电连接至上位机43。其中，直线位移位置包括自动刻花机的第一滑座3与底座2之间、第二滑座4与第一滑座3之间、第四滑座6与转动座5之间、第五滑座7与第四滑座5之间以及刀架21与立柱20之间共五个直线位移位置。原点开关42为光电感应开关，光电感应开关的反射片采用活动粘接式的安装方式。

本发明的设备中，基于手工刻花机的框架结构，检测机由手工刻花机加装五个直线位移传感器和两个旋转编码器得到。自动刻花机则是由手工刻花机去除所有手轮以及手动扳机后先得到原型机，在原型机的基础上，各动作位置加装精密伺服电机而得到。上位机中内置cpu和电机控制电路，并配置显示屏及鼠标键盘，通过实时采集传感器数据，存储得到工件的加工数据包供自动刻花机调用。

为了保证手动刻花与自动刻花初始加工位置的一致性，除了在校准刀头23时保证两台机器的切割刀片安装一致外，还需要保证刀头23的初始位置一致。对于刀头校准，只需保证自动刻花机的切割刀片探出刀头23的长度与检测机的一致即可。而对于刀头23初始加工位置的一致性，当然可以经过多次试加工并调整电机零点位置的方式来保证，但是显然该方式费时费力且会造成浪费。本案采用原点匹配和原点执行的方式，在检测机调好刀头的初始加工位后，对各个滑座、转动座以及刀架的位置进行标记，然后在自动刻花机的相同位置同样做标记并控制电机驱动各移动部件移到标记位置，以该位置作为电机的原点位置，可通过软件设置电机原点位置，也可在标记位置上设置机械或电子式感应开关，在自动刻花机开机时，各电机即自动搜寻原点位置。本案中，优选的，电机的原点开关42采用光电开关的结构，能保证反馈的精度，同时，感应开关的感应片或反射片的位置可调，从而能更方便直接的对原点位置进行调整。

结合本案刻花设备的结构，现将与设备对应的刻花方法总结如下，刻花方法包括：

步骤1）制作检测机，取一台手工刻花机，在手工刻花机的各个位移位置加装位移传感器、各旋转位置加装旋转编码器；

步骤2）制作自动刻花机，另取一台手工刻花机，去除手工刻花机的各手轮并同轴替代安装伺服电机；去除手动扳机驱动机构，替代安装伺服电机以驱动刀架升降；将各伺服电机的控制端均连接到上位机；

步骤3）原点匹配，调整检测机的初始加工位置以及自动刻花机的初始加工位置，将两者的初始加工位置保持一致；

步骤4）录制加工过程，在检测机中装入待加工毛坯工件，手动操作检测机进行刻花加工，利用位移传感器和旋转编码器实时采集各位移数据和旋转角度数据并存储到上位机，刻花完成后，保存数据并作为工件自动加工档案；

步骤5）原点执行，自动刻花机开机，控制各伺服电机动作将各个滑座、转动座以及刀架移动到初始加工位置；

步骤6）执行自动加工，在自动刻花机中装入待加工毛坯工件，上位机调取与毛坯工件对应的工件自动加工档案并控制各伺服电机执行档案中的位移和旋转角度，直至工件加工完成。

步骤1）中所述的位移位置包括手工刻花机的第一滑座3与底座2之间、第二滑座4与第一滑座3之间、第四滑座6与转动座5之间、第五滑座7与第四滑座6之间以及刀架21与立柱20之间共五个直线位移位置。步骤1）中所述的旋转位置包括转动座5与第二滑座4之间、顶杆8与夹具侧板11之间共两个旋转位置。

步骤3）具体的包括：步骤3.1）在检测机中装入标准工件，调节各手轮，将标准工件调整到刀头正下方且使得刀尖正对标准工件的中心位置，以该位置作为初始加工位置；步骤3.2）标记检测机中各个滑座、转动座以及刀架的位置；步骤3.3）在自动刻花机中与步骤3.2）的相同位置做标记，以各标记点作为对应轴上伺服电机的电机原点。在上述方法的基础上，步骤5）具体的为：自动刻花机开机，各伺服电机自动搜寻电机原点。

方法中，通过对两台手工刻花机进行结构改造和功能扩展，在检测机中加装五个位移传感器和两个旋转编码器，分别对手工刻花过程中的七个动作进行采集，采集的数据存储到上位机以供自动刻花机调用，由于有了精确的数据采集，只需依据时间节点对自动刻花机中的各个电机进行精密控制即可保证自动刻花过程与手工刻花过程动作一致，从而能达到相同的加工效果。

综上所述，本发明不限于上述具体实施方式。本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可做若干的更改或修饰。上述更改或修饰均落入本本发明的保护范围。