數(shù)控技術(shù)提升惠安石雕藝術(shù)效果的應(yīng)用

胡美蓮

（泉州華光職業(yè)學(xué)院 福建省泉州市 362121）

1 緒論

惠安石雕因其精湛的雕刻技藝、獨(dú)特的藝術(shù)風(fēng)格、濃厚的文化底蘊(yùn)而聞名天下。其技藝經(jīng)歷了上千年的文化積淀，將黃河流域的中源文化、海洋文化以及獨(dú)特的閩南文化融為一體，充分展示了各種文化與技藝融合的藝術(shù)魅力。惠安石雕不僅僅只是工藝品，更是充分體現(xiàn)了世世代代雕刻工匠們勤勞樸實(shí)和無(wú)窮的創(chuàng)造力。

如今，隨著人們生活水平的提高，越來(lái)越多的年青人不愿意從事勞動(dòng)強(qiáng)大度、工作環(huán)境差的行業(yè)?；莅彩襁@門(mén)優(yōu)秀傳統(tǒng)技藝面臨著傳承問(wèn)題。一直以來(lái)，石雕作為惠安重要的經(jīng)濟(jì)支柱，備受惠安政府的重視，每年都會(huì)舉辦大型的石材雕藝交流會(huì)。傳統(tǒng)的石雕工藝因生產(chǎn)周期長(zhǎng)、技藝要求高而無(wú)法進(jìn)行批量生產(chǎn)?；莅哺髦行⌒褪袷钠髽I(yè)逐漸地意識(shí)到石雕工藝生產(chǎn)急需轉(zhuǎn)型升級(jí)，朝自動(dòng)化數(shù)控雕刻方向發(fā)展。將數(shù)控技術(shù)運(yùn)用在石雕行業(yè)中能有效地節(jié)約用工數(shù)量、解放繁重的體力勞動(dòng)、提升石雕藝術(shù)效果，實(shí)現(xiàn)石雕產(chǎn)業(yè)由粗礦轉(zhuǎn)為精致，由技藝傳授變?yōu)閿?shù)控技術(shù)培養(yǎng)，促進(jìn)石雕行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

2 數(shù)控系統(tǒng)的研究

為盡快實(shí)現(xiàn)石雕產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，惠安政府聯(lián)合各石材石雕企業(yè)成立技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，并與高校共同研發(fā)數(shù)控石材雕刻設(shè)備。下面以1325數(shù)控石材雕刻機(jī)為例，對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的組成、性能及特性進(jìn)行分析研究。

2.1 數(shù)控系統(tǒng)的組成

石材雕刻機(jī)數(shù)控系統(tǒng)主要由數(shù)控程序編制及載體、輸入/輸出裝置、控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、測(cè)量反饋系統(tǒng)、機(jī)床主體及輔助裝置六個(gè)部分組成。

2.1.1 數(shù)控程序編制及載體

數(shù)控程序編制是由程序員通過(guò)編程機(jī)或CAD/CAM軟件將雕刻物件加工軌跡、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、切削用量等編譯成控制加工的各種指令；

載體是用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)控加工指令的容器，使數(shù)控加工指令便于輸入到數(shù)控裝置中。常用的載體有穿孔紙帶、磁帶和磁盤(pán)。通常根據(jù)數(shù)控裝置的設(shè)置來(lái)決定采用哪種存儲(chǔ)載體。

2.1.2 輸入/輸出裝置

輸入裝置負(fù)責(zé)將數(shù)控程序載體中的加工信息輸入到數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)存儲(chǔ)器。

輸出裝置是負(fù)責(zé)將輸入的加工信息（刀具的位置、切削參數(shù)、系統(tǒng)故障、操作提示等）顯示或打印的裝置。

2.1.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是根據(jù)數(shù)控裝置輸出的加工指令來(lái)控制機(jī)械移動(dòng)部件進(jìn)行各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。

2.1.4 伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)是指高精度地復(fù)現(xiàn)輸入的加工指令，精確的實(shí)現(xiàn)機(jī)械移動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)位置、角度、狀態(tài)等，使移動(dòng)部件隨時(shí)按照輸出的指令運(yùn)動(dòng)。

2.1.5 測(cè)量反饋系統(tǒng)

測(cè)量反饋系統(tǒng)是檢測(cè)元件將x、y、z等各坐標(biāo)軸在實(shí)際運(yùn)動(dòng)中的準(zhǔn)確位置和移動(dòng)速度檢測(cè)出來(lái)，再轉(zhuǎn)化成信號(hào)反饋給控制系統(tǒng)中，并與設(shè)定的信號(hào)值進(jìn)行對(duì)比，最后將糾正后的指令輸入給伺服系統(tǒng)。

2.1.6 機(jī)床主體及輔助裝置

機(jī)床主體及輔助裝置是用來(lái)完成自動(dòng)雕刻加工的機(jī)械結(jié)構(gòu)裝備。

機(jī)床主體部件主要有床身、主軸傳動(dòng)電機(jī)、進(jìn)給電機(jī)、工作臺(tái)、滑動(dòng)橫梁、運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌、雕刻刀具等?，F(xiàn)在新研發(fā)的機(jī)床主體具有抗震性能強(qiáng)、轉(zhuǎn)動(dòng)精度高、柔性好、承載力強(qiáng)、安全性高等特性。

機(jī)床輔助裝置是為確保數(shù)控機(jī)床主體部件正常運(yùn)作所安裝的必要配件。常用的裝置有：卡盤(pán)、立柱、主軸的冷卻、潤(rùn)滑裝置、數(shù)控機(jī)床的尾座、數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)裝置、尋邊器、導(dǎo)軌防塵裝置、數(shù)控分度頭、排屑、照明等。

2.2 數(shù)控系統(tǒng)的性能

以本課題研究的1325數(shù)控石材雕刻機(jī)為例，通過(guò)機(jī)床的機(jī)械部件和技術(shù)參數(shù)來(lái)研究數(shù)控系統(tǒng)的性能。本雕刻機(jī)的機(jī)床采用的是龍門(mén)和床身直連模式，應(yīng)用優(yōu)質(zhì)厚壁鋼橋無(wú)縫焊接技術(shù)，保證整個(gè)機(jī)器運(yùn)行的穩(wěn)定性。機(jī)床全部的安裝孔位均采用五軸加工中心一次性加工完成，大大提高了機(jī)床的幾何精度。床身全部采用了淬火去應(yīng)力處理，保證設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)精度不會(huì)丟失。機(jī)床的運(yùn)行精度數(shù)值是0.4mm，重復(fù)運(yùn)行精度數(shù)字是0.02mm。工作臺(tái)面帶梯形槽，采用以鋁為主的合金材料，加工行程值是1300mm×2500mm×300mm。雕刻系統(tǒng)的雕刻驅(qū)動(dòng)軸采用了恒功率高速精密電主軸，功率高達(dá)5500w，運(yùn)轉(zhuǎn)速度每秒高達(dá)25000轉(zhuǎn)，空運(yùn)行速度每秒最快達(dá)20m。主軸驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)采用富田SVS系列交流感應(yīng)異步伺服電機(jī)；進(jìn)給伺服系統(tǒng)采用日本三菱伺服電機(jī)。這兩款伺服電機(jī)均具備動(dòng)態(tài)響應(yīng)快速、轉(zhuǎn)矩大、低速運(yùn)行穩(wěn)定、輸出精度高等優(yōu)點(diǎn)。導(dǎo)軌采用臺(tái)灣高精度25方型Y向雙排四列直線(xiàn)滾珠滑塊，X/Y軸均采用高性能雙齒齒條轉(zhuǎn)動(dòng)方式，承載力較大，使機(jī)床能平穩(wěn)、快速、精確地運(yùn)行；Z軸采用2510高精密度滾動(dòng)鋼絲，確保轉(zhuǎn)動(dòng)靈敏平穩(wěn)、同步性能好、切削精度高?？刂葡到y(tǒng)采用了基于Microsoft Windows操作系統(tǒng)的上海維宏運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)具備手動(dòng)操縱機(jī)床設(shè)備功能、保存/恢復(fù)工件原點(diǎn)功能、自動(dòng)對(duì)刀功能、三維模擬顯示功能、日志功能、仿真功能、斷電記憶功能。操作系統(tǒng)兼容性好，能支持多種輔助設(shè)計(jì)軟件。

通過(guò)以上各參數(shù)及性能的研究，發(fā)現(xiàn)先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)具備精密度高、可靠性強(qiáng)、功能模塊完善、通用性廣、智能與集成一體化等性能。

2.3 數(shù)控系統(tǒng)的特性

石材雕刻設(shè)備的數(shù)控系統(tǒng)具備以下兩大特性。

2.3.1 集成性

石材雕刻機(jī)在加工過(guò)程中除了控制機(jī)臺(tái)設(shè)備的操作外，更重要的是將CAD建模技術(shù)、CAM刀軌加工技術(shù)、CNC軟件控制系統(tǒng)、圖像動(dòng)態(tài)模擬仿真等技術(shù)集于一體。在石雕產(chǎn)品從建模到完成的整個(gè)過(guò)程中，數(shù)控系統(tǒng)的每個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)都很重要，它們各執(zhí)其能、相互配合為整個(gè)加工過(guò)程提供便捷、高效的一體化服務(wù)。

2.3.2 自動(dòng)化

數(shù)控技術(shù)是由計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)軟件編制成相應(yīng)的加工程序，再通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制器優(yōu)化指令給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)機(jī)床設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)雕刻刀具自動(dòng)雕刻。在產(chǎn)品加工過(guò)程中，工作人員只需要熟練掌握機(jī)臺(tái)的操作方法和數(shù)控系統(tǒng)軟件技術(shù)的應(yīng)用，如：輸入操作命令、設(shè)置切削參數(shù)、觀(guān)察操作動(dòng)態(tài)等，大大降低了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)，因同一加工程序使得刀具的走刀軌跡完全一致，所以能夠?qū)崿F(xiàn)石雕產(chǎn)品批量生產(chǎn)。數(shù)控自動(dòng)化技術(shù)真正意義上讓石雕工藝生產(chǎn)從勞動(dòng)者的雙手中解放出來(lái)，既提高了生產(chǎn)效率，又使批量產(chǎn)品精度高且重復(fù)一致性能好。

3 數(shù)控伺服系統(tǒng)的研究

伺服系統(tǒng)（servomechanism）是伺服放大器將CNC裝置輸出的控制指令進(jìn)行功率放大、變換與調(diào)控等處理后，精確地輸出移動(dòng)部件的位移或旋轉(zhuǎn)角度并跟蹤輸入移動(dòng)部件的位移或旋轉(zhuǎn)角度的自動(dòng)反饋控制裝置。伺服系統(tǒng)是機(jī)械部件運(yùn)動(dòng)的能量來(lái)源，它將數(shù)控裝置中的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成機(jī)械能量驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，使電主軸刀具精確地按照程序制定的刀削軌跡在工作臺(tái)上進(jìn)行切削，最終雕刻成各種平面或立體的石雕產(chǎn)品。

3.1 伺服系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)

伺服系統(tǒng)主要由伺服電機(jī)、伺服放大器、功率驅(qū)動(dòng)裝置、檢測(cè)元件等組成。

伺服電機(jī)是執(zhí)行者，主要功能是服從數(shù)控裝置發(fā)出的信號(hào)，驅(qū)動(dòng)機(jī)械部件加工運(yùn)作。伺服電機(jī)能夠隨時(shí)跟隨指令進(jìn)行動(dòng)作，不存在“自傳”情況，即電機(jī)一接收到驅(qū)動(dòng)指令就立刻轉(zhuǎn)動(dòng)，指令一消失就立刻停止。

伺服放大器主要用來(lái)控制電機(jī)的高精度轉(zhuǎn)動(dòng)定位。它主要負(fù)責(zé)響應(yīng)并處理CNC裝置輸出的控制命令，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)角度。伺服電機(jī)通常都會(huì)自配編碼器，目的是直接將電機(jī)的轉(zhuǎn)速與運(yùn)轉(zhuǎn)的角度信息提供給伺服放大器，保證運(yùn)作精準(zhǔn)度。

功率驅(qū)動(dòng)裝置是用來(lái)帶動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的電子器件。

檢測(cè)元件是用于檢測(cè)機(jī)械部件的位移、方向、速度并發(fā)出反饋信號(hào)給CNC數(shù)控裝置的元件，它是構(gòu)成全閉環(huán)或半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的重要裝置。

3.2 開(kāi)環(huán)、全閉環(huán)、半閉環(huán)伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)根據(jù)控制原理的不同，可分為：開(kāi)環(huán)、全閉環(huán)和半閉環(huán)。

開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)是無(wú)檢測(cè)元件，由數(shù)控裝置輸出的加工信號(hào)通過(guò)功率放大器直接控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。雖然這種系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性，可是它的運(yùn)作精確度不高，因此，主要適用于經(jīng)濟(jì)實(shí)用型數(shù)控機(jī)。

全閉環(huán)伺服系統(tǒng)是有檢測(cè)元件，主要安裝在工作臺(tái)上，便于檢測(cè)其實(shí)際方位、操作速度并將檢測(cè)的結(jié)果反饋給數(shù)控裝置。理論上這種系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度位置控制，但實(shí)際上受到機(jī)械傳動(dòng)部件的慣量、剛性、摩擦特性等因素的影響，其穩(wěn)定性差，對(duì)移動(dòng)部件和機(jī)床的剛性要求也十分嚴(yán)格，主要適用于大型數(shù)控機(jī)床。

半閉環(huán)伺服系統(tǒng)也是有檢測(cè)元件，主要安裝在電機(jī)軸上，用來(lái)檢測(cè)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度與各坐標(biāo)軸的位移，并將檢測(cè)結(jié)果反饋給數(shù)控裝置。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不復(fù)雜、穩(wěn)定性好、精度較高、容易檢修，普遍適用于中小型數(shù)控機(jī)床。

4 影響石雕藝術(shù)效果的關(guān)鍵技術(shù)

石材只有經(jīng)過(guò)精心雕刻成各種圖案才能提高它的附加值。石雕工藝品的雕刻精度直接影響石雕藝術(shù)效果。通過(guò)數(shù)控雕刻的研究發(fā)現(xiàn)CAD/CAM集成技術(shù)、圖形圖像處理技術(shù)、主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、切削技術(shù)等對(duì)加工精度影響很大。以下從這幾個(gè)方面進(jìn)行分析。

4.1 CAD/CAM集成技術(shù)

CAD/CAM集成技術(shù)是將設(shè)計(jì)與制造融為一體，以人的創(chuàng)作思維為主導(dǎo)，以電腦硬件和軟件為技術(shù)支撐，充分發(fā)揮了人的智慧和系統(tǒng)中各模塊功能，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的繪制、計(jì)算分析，圖像處理、程序編制信息轉(zhuǎn)換成加工代碼、動(dòng)態(tài)仿真等。CAD/CAM集成技術(shù)在石材雕刻機(jī)中得到廣泛的應(yīng)用，不僅大大縮短了設(shè)計(jì)周期，而且提高了石材雕刻技術(shù)和石雕工藝效果。

數(shù)控雕刻機(jī)在加工過(guò)程中，首先雕刻藝人發(fā)揮其設(shè)計(jì)創(chuàng)作思維，利用CAD軟件繪制石雕工藝的圖形或通過(guò)圖形圖像編輯軟件對(duì)掃描實(shí)物進(jìn)行二次加工設(shè)計(jì)成雕刻的圖案，然后通過(guò)CAM軟件將設(shè)計(jì)好的圖形或圖案進(jìn)行一系列的數(shù)據(jù)處理，生成加工程序和相應(yīng)的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡代碼，最后由雕刻機(jī)床的控制軟件將加工代碼轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的操作指令從而驅(qū)動(dòng)機(jī)床進(jìn)行加工。CAM軟件的基本功能包含前置處理和后置處理兩個(gè)部分。前置處理主要負(fù)責(zé)讀取CAD軟件輸出的數(shù)據(jù)（設(shè)計(jì)信息），生成刀具運(yùn)行軌跡和加工信息；后置處理則主要負(fù)責(zé)將運(yùn)行軌跡和加工信息轉(zhuǎn)換成加工代碼。CAM軟件通常采用輪廓跟蹤算法將256灰度圖像轉(zhuǎn)換為加工G代碼。這種方法減少了跟蹤起始點(diǎn)的數(shù)量，減少空行次數(shù)，使刀具只會(huì)在需要加工的區(qū)域進(jìn)行運(yùn)行，提高石材雕刻質(zhì)量和效率。

4.2 圖形圖像處理技術(shù)

石雕工藝品加工的圖案主要來(lái)源于對(duì)掃描的圖片進(jìn)行圖形圖像處理而得的二次加工圖片。圖形圖像處理技術(shù)中點(diǎn)的運(yùn)算尤為重要。它可以通過(guò)調(diào)整灰度線(xiàn)性、拉伸灰度、調(diào)整灰度閾值、灰度均衡等改變圖像灰度級(jí)別從而得到新的圖像。標(biāo)志塊處理技術(shù)可以使圖像按順序進(jìn)行分塊處理，進(jìn)一步提高雕刻效率。例如在雕刻文字時(shí)，標(biāo)志塊內(nèi)的圖形跟蹤程序會(huì)按雕刻順序依次跟蹤，使一個(gè)字雕完后才會(huì)開(kāi)始雕刻下一個(gè)字，減少了空行次數(shù)，節(jié)省了大量時(shí)間。圖像輪廓矢量化處理能夠使雕刻出來(lái)的工藝品更加平滑、細(xì)膩。

4.3 主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是用來(lái)帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使主軸上的刀具進(jìn)行自動(dòng)雕刻。它是石雕工藝品成型的主要運(yùn)動(dòng)之一。大多數(shù)石材都具有硬度高且容易開(kāi)裂的特點(diǎn)，所以石材雕刻機(jī)必須選擇專(zhuān)用的主軸。雕刻刀具主軸的旋轉(zhuǎn)速度對(duì)雕刻加工產(chǎn)品的質(zhì)量有很大的影響，所以高速主軸元件是主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。在石材雕刻中，因刀具直徑很小，所以大多主軸單元采用的是高速電主軸，這樣雕刻刀具切割速度才會(huì)快，加工出來(lái)的石雕工藝品效果才會(huì)更好。同時(shí)，高速電機(jī)在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)不斷的產(chǎn)生熱能，如果不將這些熱量散去，就會(huì)降低主軸精度而影響加工精度，所以高速電軸必須配備冷卻裝置系統(tǒng)，用于吸收熱量，確保其運(yùn)轉(zhuǎn)精度和使用壽命。

4.4 切削技術(shù)

數(shù)控石材雕刻機(jī)的切削技術(shù)是指利用主軸上的雕刻刀具配合主軸的運(yùn)動(dòng)對(duì)石材原料進(jìn)行雕刻，是影響石雕工藝品藝術(shù)效果最關(guān)鍵的技術(shù)。首先在石材加工前要進(jìn)行切削工藝分析，合理的切削工藝分析能夠節(jié)約成本、提高生產(chǎn)效率、改善石雕工藝產(chǎn)品質(zhì)量。通常石材在加工之前要根據(jù)加工產(chǎn)品的形狀大小確定好適合的加工余量，因?yàn)檫^(guò)大的余量不僅會(huì)造成原材料過(guò)多的損耗，還容易磨損雕刻刀具與機(jī)床；過(guò)小的余量則容易使原材料在加工過(guò)程中因誤差和表面缺陷問(wèn)題造成產(chǎn)品不合格而成為廢品。對(duì)于圖案復(fù)雜、精度要求高的石雕工藝品在加工過(guò)程中要注意遵循先面后孔、由粗到細(xì)的加工工序，這樣才能提高加工精度，提升石雕藝術(shù)效果。其次注重雕刻刀具的選用。不同型號(hào)、種類(lèi)的雕刻刀具其雕刻效果也各不相同。石雕工藝品加工的原料主要有堅(jiān)硬的花崗巖、大理石、青石，黃銹石，漢白玉等，所以不管選用哪種刀具其硬度必須大大超過(guò)石材的硬度，否則在加工過(guò)程中容易崩刀。雕刻過(guò)程通常分為粗雕刻和精雕刻兩個(gè)部分。粗雕刻是對(duì)石材進(jìn)行快速切削加工，雕刻出石雕工藝品大致造型。由于粗雕刻的切削余量大，在切削過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)，所以應(yīng)該選擇直徑較大的雕刻刀具。一般情況下，對(duì)于造型簡(jiǎn)單的粗雕刻采用平底刀，而對(duì)于造型復(fù)雜的粗雕刻則采用錐刀。石雕工藝品的精美程度是由精雕刻的工藝水平?jīng)Q定的。在精雕刻加工中刀具也是根據(jù)造型的復(fù)雜程度來(lái)選擇的，通常選用直徑較小的錐球刀或牛鼻刀。

5 總結(jié)

綜上所述，傳統(tǒng)的石雕工藝存在生產(chǎn)周期長(zhǎng)、生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、環(huán)境污染等問(wèn)題，嚴(yán)重阻礙了石雕產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、CAD/CAM集成技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)已廣泛地運(yùn)用在石材雕刻領(lǐng)域中。近幾年，惠安石雕技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)與各高校合作共同研發(fā)數(shù)控雕刻技術(shù)，通過(guò)科技創(chuàng)新改善石雕行業(yè)的工作環(huán)境、減少勞動(dòng)強(qiáng)度，提升石雕產(chǎn)品藝術(shù)效果，實(shí)現(xiàn)石雕行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，促進(jìn)石雕產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。