数控技术提升惠安石雕艺术效果的应用

胡美莲

（泉州华光职业学院 福建省泉州市 362121）

1 绪论

惠安石雕因其精湛的雕刻技艺、独特的艺术风格、浓厚的文化底蕴而闻名天下。其技艺经历了上千年的文化积淀，将黄河流域的中源文化、海洋文化以及独特的闽南文化融为一体，充分展示了各种文化与技艺融合的艺术魅力。惠安石雕不仅仅只是工艺品，更是充分体现了世世代代雕刻工匠们勤劳朴实和无穷的创造力。

如今，随着人们生活水平的提高，越来越多的年青人不愿意从事劳动强大度、工作环境差的行业。惠安石雕这门优秀传统技艺面临着传承问题。一直以来，石雕作为惠安重要的经济支柱，备受惠安政府的重视，每年都会举办大型的石材雕艺交流会。传统的石雕工艺因生产周期长、技艺要求高而无法进行批量生产。惠安各中小型石雕石材企业逐渐地意识到石雕工艺生产急需转型升级，朝自动化数控雕刻方向发展。将数控技术运用在石雕行业中能有效地节约用工数量、解放繁重的体力劳动、提升石雕艺术效果，实现石雕产业由粗矿转为精致，由技艺传授变为数控技术培养，促进石雕行业可持续发展。

2 数控系统的研究

为尽快实现石雕产业转型升级，惠安政府联合各石材石雕企业成立技术创新团队，并与高校共同研发数控石材雕刻设备。下面以1325数控石材雕刻机为例，对数控系统的组成、性能及特性进行分析研究。

2.1 数控系统的组成

石材雕刻机数控系统主要由数控程序编制及载体、输入/输出装置、控制系统、伺服系统、测量反馈系统、机床主体及辅助装置六个部分组成。

2.1.1 数控程序编制及载体

数控程序编制是由程序员通过编程机或CAD/CAM软件将雕刻物件加工轨迹、运动状态、切削用量等编译成控制加工的各种指令；

载体是用来存储数控加工指令的容器，使数控加工指令便于输入到数控装置中。常用的载体有穿孔纸带、磁带和磁盘。通常根据数控装置的设置来决定采用哪种存储载体。

2.1.2 输入/输出装置

输入装置负责将数控程序载体中的加工信息输入到数控系统的内存储器。

输出装置是负责将输入的加工信息（刀具的位置、切削参数、系统故障、操作提示等）显示或打印的装置。

2.1.3 控制系统

控制系统是根据数控装置输出的加工指令来控制机械移动部件进行各项运动的系统。

2.1.4 伺服系统

伺服系统是指高精度地复现输入的加工指令，精确的实现机械移动部件的运动位置、角度、状态等，使移动部件随时按照输出的指令运动。

2.1.5 测量反馈系统

测量反馈系统是检测元件将x、y、z等各坐标轴在实际运动中的准确位置和移动速度检测出来，再转化成信号反馈给控制系统中，并与设定的信号值进行对比，最后将纠正后的指令输入给伺服系统。

2.1.6 机床主体及辅助装置

机床主体及辅助装置是用来完成自动雕刻加工的机械结构装备。

机床主体部件主要有床身、主轴传动电机、进给电机、工作台、滑动横梁、运动导轨、雕刻刀具等。现在新研发的机床主体具有抗震性能强、转动精度高、柔性好、承载力强、安全性高等特性。

机床辅助装置是为确保数控机床主体部件正常运作所安装的必要配件。常用的装置有：卡盘、立柱、主轴的冷却、润滑装置、数控机床的尾座、数控转台装置、寻边器、导轨防尘装置、数控分度头、排屑、照明等。

2.2 数控系统的性能

以本课题研究的1325数控石材雕刻机为例，通过机床的机械部件和技术参数来研究数控系统的性能。本雕刻机的机床采用的是龙门和床身直连模式，应用优质厚壁钢桥无缝焊接技术，保证整个机器运行的稳定性。机床全部的安装孔位均采用五轴加工中心一次性加工完成，大大提高了机床的几何精度。床身全部采用了淬火去应力处理，保证设备长期运行时精度不会丢失。机床的运行精度数值是0.4mm，重复运行精度数字是0.02mm。工作台面带梯形槽，采用以铝为主的合金材料，加工行程值是1300mm×2500mm×300mm。雕刻系统的雕刻驱动轴采用了恒功率高速精密电主轴，功率高达5500w，运转速度每秒高达25000转，空运行速度每秒最快达20m。主轴驱动伺服系统采用富田SVS系列交流感应异步伺服电机；进给伺服系统采用日本三菱伺服电机。这两款伺服电机均具备动态响应快速、转矩大、低速运行稳定、输出精度高等优点。导轨采用台湾高精度25方型Y向双排四列直线滚珠滑块，X/Y轴均采用高性能双齿齿条转动方式，承载力较大，使机床能平稳、快速、精确地运行；Z轴采用2510高精密度滚动钢丝，确保转动灵敏平稳、同步性能好、切削精度高。控制系统采用了基于Microsoft Windows操作系统的上海维宏运动控制系统，该控制系统具备手动操纵机床设备功能、保存/恢复工件原点功能、自动对刀功能、三维模拟显示功能、日志功能、仿真功能、断电记忆功能。操作系统兼容性好，能支持多种辅助设计软件。

通过以上各参数及性能的研究，发现先进的数控系统应具备精密度高、可靠性强、功能模块完善、通用性广、智能与集成一体化等性能。

2.3 数控系统的特性

石材雕刻设备的数控系统具备以下两大特性。

2.3.1 集成性

石材雕刻机在加工过程中除了控制机台设备的操作外，更重要的是将CAD建模技术、CAM刀轨加工技术、CNC软件控制系统、图像动态模拟仿真等技术集于一体。在石雕产品从建模到完成的整个过程中，数控系统的每个技术环节都很重要，它们各执其能、相互配合为整个加工过程提供便捷、高效的一体化服务。

2.3.2 自动化

数控技术是由计算机数控系统软件编制成相应的加工程序，再通过运动控制器优化指令给伺服驱动系统，驱动电机带动机床设备转动，从而带动雕刻刀具自动雕刻。在产品加工过程中，工作人员只需要熟练掌握机台的操作方法和数控系统软件技术的应用，如：输入操作命令、设置切削参数、观察操作动态等，大大降低了工作人员的劳动强度。同时，因同一加工程序使得刀具的走刀轨迹完全一致，所以能够实现石雕产品批量生产。数控自动化技术真正意义上让石雕工艺生产从劳动者的双手中解放出来，既提高了生产效率，又使批量产品精度高且重复一致性能好。

3 数控伺服系统的研究

伺服系统（servomechanism）是伺服放大器将CNC装置输出的控制指令进行功率放大、变换与调控等处理后，精确地输出移动部件的位移或旋转角度并跟踪输入移动部件的位移或旋转角度的自动反馈控制装置。伺服系统是机械部件运动的能量来源，它将数控装置中的脉冲信号转变成机械能量驱动电机运转，使电主轴刀具精确地按照程序制定的刀削轨迹在工作台上进行切削，最终雕刻成各种平面或立体的石雕产品。

3.1 伺服系统的主要结构

伺服系统主要由伺服电机、伺服放大器、功率驱动装置、检测元件等组成。

伺服电机是执行者，主要功能是服从数控装置发出的信号，驱动机械部件加工运作。伺服电机能够随时跟随指令进行动作，不存在“自传”情况，即电机一接收到驱动指令就立刻转动，指令一消失就立刻停止。

伺服放大器主要用来控制电机的高精度转动定位。它主要负责响应并处理CNC装置输出的控制命令，控制电机的转速和转动角度。伺服电机通常都会自配编码器，目的是直接将电机的转速与运转的角度信息提供给伺服放大器，保证运作精准度。

功率驱动装置是用来带动电机运动的电子器件。

检测元件是用于检测机械部件的位移、方向、速度并发出反馈信号给CNC数控装置的元件，它是构成全闭环或半闭环伺服系统的重要装置。

3.2 开环、全闭环、半闭环伺服系统

伺服系统根据控制原理的不同，可分为：开环、全闭环和半闭环。

开环伺服系统是无检测元件，由数控装置输出的加工信号通过功率放大器直接控制步进电机转动。虽然这种系统具有较好的稳定性，可是它的运作精确度不高，因此，主要适用于经济实用型数控机。

全闭环伺服系统是有检测元件，主要安装在工作台上，便于检测其实际方位、操作速度并将检测的结果反馈给数控装置。理论上这种系统能够实现高精度位置控制，但实际上受到机械传动部件的惯量、刚性、摩擦特性等因素的影响，其稳定性差，对移动部件和机床的刚性要求也十分严格，主要适用于大型数控机床。

半闭环伺服系统也是有检测元件，主要安装在电机轴上，用来检测电机的旋转速度与各坐标轴的位移，并将检测结果反馈给数控装置。这种系统结构不复杂、稳定性好、精度较高、容易检修，普遍适用于中小型数控机床。

4 影响石雕艺术效果的关键技术

石材只有经过精心雕刻成各种图案才能提高它的附加值。石雕工艺品的雕刻精度直接影响石雕艺术效果。通过数控雕刻的研究发现CAD/CAM集成技术、图形图像处理技术、主轴驱动系统、切削技术等对加工精度影响很大。以下从这几个方面进行分析。

4.1 CAD/CAM集成技术

CAD/CAM集成技术是将设计与制造融为一体，以人的创作思维为主导，以电脑硬件和软件为技术支撑，充分发挥了人的智慧和系统中各模块功能，共同实现对产品的绘制、计算分析，图像处理、程序编制信息转换成加工代码、动态仿真等。CAD/CAM集成技术在石材雕刻机中得到广泛的应用，不仅大大缩短了设计周期，而且提高了石材雕刻技术和石雕工艺效果。

数控雕刻机在加工过程中，首先雕刻艺人发挥其设计创作思维，利用CAD软件绘制石雕工艺的图形或通过图形图像编辑软件对扫描实物进行二次加工设计成雕刻的图案，然后通过CAM软件将设计好的图形或图案进行一系列的数据处理，生成加工程序和相应的刀具运动轨迹代码，最后由雕刻机床的控制软件将加工代码转化为相应的操作指令从而驱动机床进行加工。CAM软件的基本功能包含前置处理和后置处理两个部分。前置处理主要负责读取CAD软件输出的数据（设计信息），生成刀具运行轨迹和加工信息；后置处理则主要负责将运行轨迹和加工信息转换成加工代码。CAM软件通常采用轮廓跟踪算法将256灰度图像转换为加工G代码。这种方法减少了跟踪起始点的数量，减少空行次数，使刀具只会在需要加工的区域进行运行，提高石材雕刻质量和效率。

4.2 图形图像处理技术

石雕工艺品加工的图案主要来源于对扫描的图片进行图形图像处理而得的二次加工图片。图形图像处理技术中点的运算尤为重要。它可以通过调整灰度线性、拉伸灰度、调整灰度阈值、灰度均衡等改变图像灰度级别从而得到新的图像。标志块处理技术可以使图像按顺序进行分块处理，进一步提高雕刻效率。例如在雕刻文字时，标志块内的图形跟踪程序会按雕刻顺序依次跟踪，使一个字雕完后才会开始雕刻下一个字，减少了空行次数，节省了大量时间。图像轮廓矢量化处理能够使雕刻出来的工艺品更加平滑、细腻。

4.3 主轴驱动系统

主轴驱动系统是用来带动主轴转动，使主轴上的刀具进行自动雕刻。它是石雕工艺品成型的主要运动之一。大多数石材都具有硬度高且容易开裂的特点，所以石材雕刻机必须选择专用的主轴。雕刻刀具主轴的旋转速度对雕刻加工产品的质量有很大的影响，所以高速主轴元件是主轴驱动系统的关键部件。在石材雕刻中，因刀具直径很小，所以大多主轴单元采用的是高速电主轴，这样雕刻刀具切割速度才会快，加工出来的石雕工艺品效果才会更好。同时，高速电机在高速转动时会不断的产生热能，如果不将这些热量散去，就会降低主轴精度而影响加工精度，所以高速电轴必须配备冷却装置系统，用于吸收热量，确保其运转精度和使用寿命。

4.4 切削技术

数控石材雕刻机的切削技术是指利用主轴上的雕刻刀具配合主轴的运动对石材原料进行雕刻，是影响石雕工艺品艺术效果最关键的技术。首先在石材加工前要进行切削工艺分析，合理的切削工艺分析能够节约成本、提高生产效率、改善石雕工艺产品质量。通常石材在加工之前要根据加工产品的形状大小确定好适合的加工余量，因为过大的余量不仅会造成原材料过多的损耗，还容易磨损雕刻刀具与机床；过小的余量则容易使原材料在加工过程中因误差和表面缺陷问题造成产品不合格而成为废品。对于图案复杂、精度要求高的石雕工艺品在加工过程中要注意遵循先面后孔、由粗到细的加工工序，这样才能提高加工精度，提升石雕艺术效果。其次注重雕刻刀具的选用。不同型号、种类的雕刻刀具其雕刻效果也各不相同。石雕工艺品加工的原料主要有坚硬的花岗岩、大理石、青石，黄锈石，汉白玉等，所以不管选用哪种刀具其硬度必须大大超过石材的硬度，否则在加工过程中容易崩刀。雕刻过程通常分为粗雕刻和精雕刻两个部分。粗雕刻是对石材进行快速切削加工，雕刻出石雕工艺品大致造型。由于粗雕刻的切削余量大，在切削过程中会产生震动，所以应该选择直径较大的雕刻刀具。一般情况下，对于造型简单的粗雕刻采用平底刀，而对于造型复杂的粗雕刻则采用锥刀。石雕工艺品的精美程度是由精雕刻的工艺水平决定的。在精雕刻加工中刀具也是根据造型的复杂程度来选择的，通常选用直径较小的锥球刀或牛鼻刀。

5 总结

综上所述，传统的石雕工艺存在生产周期长、生产效率低、劳动强度大、环境污染等问题，严重阻碍了石雕产业的发展。随着计算机技术、数字技术、CAD/CAM集成技术的发展，数控技术已广泛地运用在石材雕刻领域中。近几年，惠安石雕技术创新团队与各高校合作共同研发数控雕刻技术，通过科技创新改善石雕行业的工作环境、减少劳动强度，提升石雕产品艺术效果，实现石雕行业转型升级，促进石雕产业可持续发展。