數控技術提升惠安石雕藝術效果的應用

胡美蓮

（泉州華光職業學院 福建省泉州市 362121）

1 緒論

惠安石雕因其精湛的雕刻技藝、獨特的藝術風格、濃厚的文化底蘊而聞名天下。其技藝經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魅力。惠安石雕不僅僅只是工藝品，更是充分體現了世世代代雕刻工匠們勤勞樸實和無窮的創造力。

如今，隨著人們生活水平的提高，越來越多的年青人不愿意從事勞動強大度、工作環境差的行業。惠安石雕這門優秀傳統技藝面臨著傳承問題。一直以來，石雕作為惠安重要的經濟支柱，備受惠安政府的重視，每年都會舉辦大型的石材雕藝交流會。傳統的石雕工藝因生產周期長、技藝要求高而無法進行批量生產。惠安各中小型石雕石材企業逐漸地意識到石雕工藝生產急需轉型升級，朝自動化數控雕刻方向發展。將數控技術運用在石雕行業中能有效地節約用工數量、解放繁重的體力勞動、提升石雕藝術效果，實現石雕產業由粗礦轉為精致，由技藝傳授變為數控技術培養，促進石雕行業可持續發展。

2 數控系統的研究

為盡快實現石雕產業轉型升級，惠安政府聯合各石材石雕企業成立技術創新團隊，并與高校共同研發數控石材雕刻設備。下面以1325數控石材雕刻機為例，對數控系統的組成、性能及特性進行分析研究。

2.1 數控系統的組成

石材雕刻機數控系統主要由數控程序編制及載體、輸入/輸出裝置、控制系統、伺服系統、測量反饋系統、機床主體及輔助裝置六個部分組成。

2.1.1 數控程序編制及載體

數控程序編制是由程序員通過編程機或CAD/CAM軟件將雕刻物件加工軌跡、運動狀態、切削用量等編譯成控制加工的各種指令；

載體是用來存儲數控加工指令的容器，使數控加工指令便于輸入到數控裝置中。常用的載體有穿孔紙帶、磁帶和磁盤。通常根據數控裝置的設置來決定采用哪種存儲載體。

2.1.2 輸入/輸出裝置

輸入裝置負責將數控程序載體中的加工信息輸入到數控系統的內存儲器。

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

2.1.3 控制系統

控制系統是根據數控裝置輸出的加工指令來控制機械移動部件進行各項運動的系統。

2.1.4 伺服系統

伺服系統是指高精度地復現輸入的加工指令，精確的實現機械移動部件的運動位置、角度、狀態等，使移動部件隨時按照輸出的指令運動。

2.1.5 測量反饋系統

測量反饋系統是檢測元件將x、y、z等各坐標軸在實際運動中的準確位置和移動速度檢測出來，再轉化成信號反饋給控制系統中，并與設定的信號值進行對比，最后將糾正后的指令輸入給伺服系統。

2.1.6 機床主體及輔助裝置

機床主體及輔助裝置是用來完成自動雕刻加工的機械結構裝備。

機床主體部件主要有床身、主軸傳動電機、進給電機、工作臺、滑動橫梁、運動導軌、雕刻刀具等。現在新研發的機床主體具有抗震性能強、轉動精度高、柔性好、承載力強、安全性高等特性。

機床輔助裝置是為確保數控機床主體部件正常運作所安裝的必要配件。常用的裝置有：卡盤、立柱、主軸的冷卻、潤滑裝置、數控機床的尾座、數控轉臺裝置、尋邊器、導軌防塵裝置、數控分度頭、排屑、照明等。

2.2 數控系統的性能

以本課題研究的1325數控石材雕刻機為例，通過機床的機械部件和技術參數來研究數控系統的性能。本雕刻機的機床采用的是龍門和床身直連模式，應用優質厚壁鋼橋無縫焊接技術，保證整個機器運行的穩定性。機床全部的安裝孔位均采用五軸加工中心一次性加工完成，大大提高了機床的幾何精度。床身全部采用了淬火去應力處理，保證設備長期運行時精度不會丟失。機床的運行精度數值是0.4mm，重復運行精度數字是0.02mm。工作臺面帶梯形槽，采用以鋁為主的合金材料，加工行程值是1300mm×2500mm×300mm。雕刻系統的雕刻驅動軸采用了恒功率高速精密電主軸，功率高達5500w，運轉速度每秒高達25000轉，空運行速度每秒最快達20m。主軸驅動伺服系統采用富田SVS系列交流感應異步伺服電機；進給伺服系統采用日本三菱伺服電機。這兩款伺服電機均具備動態響應快速、轉矩大、低速運行穩定、輸出精度高等優點。導軌采用臺灣高精度25方型Y向雙排四列直線滾珠滑塊，X/Y軸均采用高性能雙齒齒條轉動方式，承載力較大，使機床能平穩、快速、精確地運行；Z軸采用2510高精密度滾動鋼絲，確保轉動靈敏平穩、同步性能好、切削精度高。控制系統采用了基于Microsoft Windows操作系統的上海維宏運動控制系統，該控制系統具備手動操縱機床設備功能、保存/恢復工件原點功能、自動對刀功能、三維模擬顯示功能、日志功能、仿真功能、斷電記憶功能。操作系統兼容性好，能支持多種輔助設計軟件。

通過以上各參數及性能的研究，發現先進的數控系統應具備精密度高、可靠性強、功能模塊完善、通用性廣、智能與集成一體化等性能。

2.3 數控系統的特性

石材雕刻設備的數控系統具備以下兩大特性。

2.3.1 集成性

石材雕刻機在加工過程中除了控制機臺設備的操作外，更重要的是將CAD建模技術、CAM刀軌加工技術、CNC軟件控制系統、圖像動態模擬仿真等技術集于一體。在石雕產品從建模到完成的整個過程中，數控系統的每個技術環節都很重要，它們各執其能、相互配合為整個加工過程提供便捷、高效的一體化服務。

2.3.2 自動化

數控技術是由計算機數控系統軟件編制成相應的加工程序，再通過運動控制器優化指令給伺服驅動系統，驅動電機帶動機床設備轉動，從而帶動雕刻刀具自動雕刻。在產品加工過程中，工作人員只需要熟練掌握機臺的操作方法和數控系統軟件技術的應用，如：輸入操作命令、設置切削參數、觀察操作動態等，大大降低了工作人員的勞動強度。同時，因同一加工程序使得刀具的走刀軌跡完全一致，所以能夠實現石雕產品批量生產。數控自動化技術真正意義上讓石雕工藝生產從勞動者的雙手中解放出來，既提高了生產效率，又使批量產品精度高且重復一致性能好。

3 數控伺服系統的研究

伺服系統（servomechanism）是伺服放大器將CNC裝置輸出的控制指令進行功率放大、變換與調控等處理后，精確地輸出移動部件的位移或旋轉角度并跟蹤輸入移動部件的位移或旋轉角度的自動反饋控制裝置。伺服系統是機械部件運動的能量來源，它將數控裝置中的脈沖信號轉變成機械能量驅動電機運轉，使電主軸刀具精確地按照程序制定的刀削軌跡在工作臺上進行切削，最終雕刻成各種平面或立體的石雕產品。

3.1 伺服系統的主要結構

伺服系統主要由伺服電機、伺服放大器、功率驅動裝置、檢測元件等組成。

伺服電機是執行者，主要功能是服從數控裝置發出的信號，驅動機械部件加工運作。伺服電機能夠隨時跟隨指令進行動作，不存在“自傳”情況，即電機一接收到驅動指令就立刻轉動，指令一消失就立刻停止。

伺服放大器主要用來控制電機的高精度轉動定位。它主要負責響應并處理CNC裝置輸出的控制命令，控制電機的轉速和轉動角度。伺服電機通常都會自配編碼器，目的是直接將電機的轉速與運轉的角度信息提供給伺服放大器，保證運作精準度。

功率驅動裝置是用來帶動電機運動的電子器件。

檢測元件是用于檢測機械部件的位移、方向、速度并發出反饋信號給CNC數控裝置的元件，它是構成全閉環或半閉環伺服系統的重要裝置。

3.2 開環、全閉環、半閉環伺服系統

伺服系統根據控制原理的不同，可分為：開環、全閉環和半閉環。

開環伺服系統是無檢測元件，由數控裝置輸出的加工信號通過功率放大器直接控制步進電機轉動。雖然這種系統具有較好的穩定性，可是它的運作精確度不高，因此，主要適用于經濟實用型數控機。

全閉環伺服系統是有檢測元件，主要安裝在工作臺上，便于檢測其實際方位、操作速度并將檢測的結果反饋給數控裝置。理論上這種系統能夠實現高精度位置控制，但實際上受到機械傳動部件的慣量、剛性、摩擦特性等因素的影響，其穩定性差，對移動部件和機床的剛性要求也十分嚴格，主要適用于大型數控機床。

半閉環伺服系統也是有檢測元件，主要安裝在電機軸上，用來檢測電機的旋轉速度與各坐標軸的位移，并將檢測結果反饋給數控裝置。這種系統結構不復雜、穩定性好、精度較高、容易檢修，普遍適用于中小型數控機床。

4 影響石雕藝術效果的關鍵技術

石材只有經過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效果。通過數控雕刻的研究發現CAD/CAM集成技術、圖形圖像處理技術、主軸驅動系統、切削技術等對加工精度影響很大。以下從這幾個方面進行分析。

4.1 CAD/CAM集成技術

CAD/CAM集成技術是將設計與制造融為一體，以人的創作思維為主導，以電腦硬件和軟件為技術支撐，充分發揮了人的智慧和系統中各模塊功能，共同實現對產品的繪制、計算分析，圖像處理、程序編制信息轉換成加工代碼、動態仿真等。CAD/CAM集成技術在石材雕刻機中得到廣泛的應用，不僅大大縮短了設計周期，而且提高了石材雕刻技術和石雕工藝效果。

數控雕刻機在加工過程中，首先雕刻藝人發揮其設計創作思維，利用CAD軟件繪制石雕工藝的圖形或通過圖形圖像編輯軟件對掃描實物進行二次加工設計成雕刻的圖案，然后通過CAM軟件將設計好的圖形或圖案進行一系列的數據處理，生成加工程序和相應的刀具運動軌跡代碼，最后由雕刻機床的控制軟件將加工代碼轉化為相應的操作指令從而驅動機床進行加工。CAM軟件的基本功能包含前置處理和后置處理兩個部分。前置處理主要負責讀取CAD軟件輸出的數據（設計信息），生成刀具運行軌跡和加工信息；后置處理則主要負責將運行軌跡和加工信息轉換成加工代碼。CAM軟件通常采用輪廓跟蹤算法將256灰度圖像轉換為加工G代碼。這種方法減少了跟蹤起始點的數量，減少空行次數，使刀具只會在需要加工的區域進行運行，提高石材雕刻質量和效率。

4.2 圖形圖像處理技術

石雕工藝品加工的圖案主要來源于對掃描的圖片進行圖形圖像處理而得的二次加工圖片。圖形圖像處理技術中點的運算尤為重要。它可以通過調整灰度線性、拉伸灰度、調整灰度閾值、灰度均衡等改變圖像灰度級別從而得到新的圖像。標志塊處理技術可以使圖像按順序進行分塊處理，進一步提高雕刻效率。例如在雕刻文字時，標志塊內的圖形跟蹤程序會按雕刻順序依次跟蹤，使一個字雕完后才會開始雕刻下一個字，減少了空行次數，節省了大量時間。圖像輪廓矢量化處理能夠使雕刻出來的工藝品更加平滑、細膩。

4.3 主軸驅動系統

主軸驅動系統是用來帶動主軸轉動，使主軸上的刀具進行自動雕刻。它是石雕工藝品成型的主要運動之一。大多數石材都具有硬度高且容易開裂的特點，所以石材雕刻機必須選擇專用的主軸。雕刻刀具主軸的旋轉速度對雕刻加工產品的質量有很大的影響，所以高速主軸元件是主軸驅動系統的關鍵部件。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快，加工出來的石雕工藝品效果才會更好。同時，高速電機在高速轉動時會不斷的產生熱能，如果不將這些熱量散去，就會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，用于吸收熱量，確保其運轉精度和使用壽命。

4.4 切削技術

數控石材雕刻機的切削技術是指利用主軸上的雕刻刀具配合主軸的運動對石材原料進行雕刻，是影響石雕工藝品藝術效果最關鍵的技術。首先在石材加工前要進行切削工藝分析，合理的切削工藝分析能夠節約成本、提高生產效率、改善石雕工藝產品質量。通常石材在加工之前要根據加工產品的形狀大小確定好適合的加工余量，因為過大的余量不僅會造成原材料過多的損耗，還容易磨損雕刻刀具與機床；過小的余量則容易使原材料在加工過程中因誤差和表面缺陷問題造成產品不合格而成為廢品。對于圖案復雜、精度要求高的石雕工藝品在加工過程中要注意遵循先面后孔、由粗到細的加工工序，這樣才能提高加工精度，提升石雕藝術效果。其次注重雕刻刀具的選用。不同型號、種類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石材的硬度，否則在加工過程中容易崩刀。雕刻過程通常分為粗雕刻和精雕刻兩個部分。粗雕刻是對石材進行快速切削加工，雕刻出石雕工藝品大致造型。由于粗雕刻的切削余量大，在切削過程中會產生震動，所以應該選擇直徑較大的雕刻刀具。一般情況下，對于造型簡單的粗雕刻采用平底刀，而對于造型復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決定的。在精雕刻加工中刀具也是根據造型的復雜程度來選擇的，通常選用直徑較小的錐球刀或牛鼻刀。

5 總結

綜上所述，傳統的石雕工藝存在生產周期長、生產效率低、勞動強度大、環境污染等問題，嚴重阻礙了石雕產業的發展。隨著計算機技術、數字技術、CAD/CAM集成技術的發展，數控技術已廣泛地運用在石材雕刻領域中。近幾年，惠安石雕技術創新團隊與各高校合作共同研發數控雕刻技術，通過科技創新改善石雕行業的工作環境、減少勞動強度，提升石雕產品藝術效果，實現石雕行業轉型升級，促進石雕產業可持續發展。