建筑裝飾石材數控加工技術研究

蔣從根 李文召 甄雪松 姜輝

摘 要：建筑裝飾石材企業規模小、技術實力弱、加工工藝研究不足，急需加工工藝研究。因此，論述浮雕產品的加工工藝過程及工藝特點，提出了初步的工藝規范，希望對建筑裝飾石材加工工藝具有一定的參考作用。

關鍵詞：建筑裝飾石材；浮雕設計；數控加工工藝

中圖分類號：TU52 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2023）02-0113-03

0 引言

建筑裝飾石材的雕刻加工是利用數控雕刻機床、機器人等自動化程度較高的設備，并配合路徑生成軟件，自動生成工件開粗、半精加工和精加工程序，基本實現自動化的加工方法，該方法是目前建筑裝飾石材雕刻的主流方向[1]。

其中以色列Scanv公司開發的Casemate軟件包，具有圖像矢量化、平面刀具軌跡生成、三維提筆加工等功能，其中圖像矢量化功能是目前主流軟件中較好的一個[2]。

隨著社會的發展，人們越來越注重對環境的美化。高檔的居住社區、辦公大樓以及現代化的企事業單位等都使用了花樣眾多的石材產品來裝飾和美化環境[3，4]。石材工藝制品紛繁多樣，從花鳥魚蟲神話人物再到隨身飾品，不勝枚舉。數控加工技術在技術行業得到廣泛應用，也已初步用于建筑材料加工行業。

目前國內從事石雕企業數量眾多，但企業規模小、技術力量弱、加工工藝落后。目前石雕加工企業普遍采用精雕公司的編程軟件，由于該編程軟件是為模具加工工藝開發，不太適用石雕技術工藝。本課題研究應用精雕軟件，加工建筑裝飾石材（發泡陶瓷）工藝產品。

1 精雕軟件介紹

北京精雕軟件由北京精雕集團公司開發，在應用領域上，精雕軟件已經徹底突破了適合標牌、廣告、建筑模型等較為傳統的雕刻應用范疇，在技術門檻更高的工業雕刻領域，如滴塑模、高頻模、小五金、眼鏡模、紫銅電極等制作業，表現同樣出色，成為國內最優秀的雕刻軟件[5，6]。軟件分為JdPaint、ArtForm、SurfMill等幾個系列。目前最高版本為SurfMill9.5，主要用于高精度五軸模具加工。目前建筑裝飾石材主要使用精雕的JDPaint、ArtForm系列軟件，本文以ArtForm2.0為例論述。

2 裝飾石材加工過程

裝飾石材品種千變萬化，其加工過程包括以下5個步驟（以典型建筑裝飾石材浮雕為例）。

2.1 制作浮雕圖

按照用戶要求，把文字、圖畫等藝術作品，借助軟件，制作成為3D浮雕圖，如圖1所示。

2.2 按照石材尺寸設計刀路

市場上的發泡陶瓷有各種規格，根據工廠現有發泡陶瓷的尺寸及產品規格設計刀路。在涉及刀路的時候，需要考慮浮雕的分割大小、選擇刀具、選擇吃刀深度等因素。設計的刀路如圖2所示。

2.3 輸出加工程序

刀路設計完成后，輸出加工程序。加工程序片段如圖3所示。

2.4 仿真驗證

輸出加工程序后，不要急于加工，需要仿真驗證，確保正確無誤后才雕刻加工。仿真結果如圖4所示。

2.5 雕刻加工

用仿真驗證后的加工程序，實施雕刻，生產出完整的石材雕刻產品。雕刻完成的吊花如圖5所示。

3 浮雕圖設計制作

3.1 畫線

精雕ArtForm2.0設計制作浮雕圖，需要用到許多工具實現。如祥云、堆料、去料、掃掠面、磨光等。為了精準對模型進行處理，使用顏色內處理的概念。即只在顏色內有效，顏色外不操作處理。劃線是進行顏色區分的前提，導動去料、堆料、祥云等都需要按照一定軌跡處理。畫線就是提供這些運行軌跡，所以，畫線是浮雕制作的第一步，而且是非常重要的一部。畫線規范、布局合理，是成功設計浮雕的重要基礎。劃線采用工具主要是“樣條”，根據需要也可以使用“直線”、“圓弧”、“多義線”等工具。浮雕圖的原始圖片如圖6所示。

石材浮雕圖主要制作方法是堆料、去料、祥云，重點是畫好分界線和祥云的運動軌跡線。線如圖7所示。

畫線是需要耐心的工作，需要不斷修改，達到理想狀態，線條不理想，可以通過“節點編輯”進行編輯。對于對稱的圖形，可是使用“鏡像”“復制”“對稱”等工具，批量復制，減少工作量。

3.2 設計浮雕

3.2.1 建立模型

雕塑是在模型上進行的，模型相當于實際雕塑的原材料。操作步驟是選中“線條”或圖形，在“模型”菜單中點擊“新建模型”，設置參數，輸入完參數后按確定即可完成模型的創建。如果選擇菜單命令前選擇了二維圖形，系統自動把二維圖形包圍盒的長寬值設置于對話框中的長寬輸入框中。

3.2.2 沖壓厚度

選中所有線，點擊鍵盤“空格”鍵，給線條包裹范圍內畫上顏色，點擊“沖壓”，選擇沖壓高度，選擇“顏色內”選項，點擊模型中的顏色，即完成基礎4 mm沖壓。

3.2.3 上色

選中顏色，敲擊鍵盤的“M”鍵，去掉顏色，再點擊“顏色”菜單下的“單線整體自動分色”按鈕，完成各部分自動分色，如圖8所示。也可以用種子填色等手動方式分色，手動分色效率太低，不建議使用。

3.2.4 設計浮雕效果

本產品需要祥云、去料等工具即可完成浮雕設計。祥云工具的使用方法是：點擊“幾何”菜單中的“祥云（單線浮雕）”，在單出的對話框中輸入高度值“3.5”，這個一般小于初始沖壓高度值，選擇“切除”選項，選中圖形中的顏色，再選擇運動軌跡線，即完成雕塑。浮雕效果，如圖9所示。

4 設計刀路

4.1 浮雕分割及雕刻布局

用戶不同，浮雕的尺寸也會千差萬別。市場上石材的尺寸也是千差萬別，不可能把用戶的浮點產品一次雕出來。必須根據用戶的需求尺寸、石材尺寸、運輸方便等，把浮雕分割成若干塊。

分割的原則一個是考慮運輸安裝方便，根據浮雕的厚度，一般考慮分割成1 000 mm×1 000 mm以內。再綜合考慮材料利用率和運輸安裝方便，調整分割單元尺寸。市場上發泡陶瓷尺寸1 200 mm×2 400 mm規格較多，綜合考慮，橫向布局兩塊，縱向布局三塊，雕刻時留20 mm的“緹干”存水，四周留15 mm的余料，每個單元參考尺寸為767 mm。浮雕單元布局如圖10所示。

分割的操作方法是：點擊“藝術曲面”菜單中的“修剪”，選擇“二維閉環”，選中“被剪裁曲面”和“剪裁封閉輪廓”，選擇“保留”的“環內”或“環外”或“環內環外”，再點擊“確定”，就可完成浮雕剪裁分割。

在分割浮雕時往往會出現死機狀況，重啟分割還會繼續出現死機。解決的辦法是把分割框放大一個小尺寸（例如0.1 mm），基本上不影響產品尺寸，但會立即解決問題。

4.2 工藝參數設定

4.2.1 雕刻平面確定

為方便工藝參數計算和實際雕刻操作方便，浮雕的最高面為“0”平面。這是必須遵循的原則，否則容易出現計算錯誤和打刀等事故。

4.2.2 刀具選擇

刀具有平底刀、圓底刀、牛鼻刀等幾種。如果雕刻地面比較比較平坦，則選擇圓底刀或牛鼻刀。需根據雕塑的深度選擇雕刀的直徑。60 mm以下的，選擇D6雕刀為宜，超過60 mm深度的，選擇D8雕刀為宜。

4.2.3 路徑間距選擇

路徑間距指的是刀路兩次路勁中心之間的距離，路徑間距越大，浮雕比表面越粗糙，刀具損耗也越大，路徑間距越小，浮雕表面越光滑，刀具損耗也越小。但反過來，又會影響加工效率。所以選擇合理選擇路徑間距。一般來說，圓底刀具，路徑間距不能超過刀具直徑的?，對于平底刀具，可以適當加大，但也不要超過?。

4.2.4 刀具路徑輸出

刀具路徑設計完成以后，需要輸出路徑，提供給雕刻機運行。刀具路徑輸出，就是平常大家所說的后置。目前國內絕大部分石材雕刻機使用上海維宏的控制系統，需要輸出上海微宏的NC格式。精雕ArtForm默認輸出“Eng”格式，這是精雕自己的格式，大家使用不習慣，需要輸出“Self-Def—Form”格式。這個格式需要用戶自己添加上海維宏開發的后置程序。選中后，選擇輸出文件夾和文件名，就可以輸出浮雕加工程序。

5 結語

建筑石雕市場蓬勃發展，市場需求越來越大。目前行業規模大、分散、發展不均衡，業者規模小，市場編程工藝人員缺乏，工藝水平低下。市場的培訓班魚龍混雜，需要行業工作者勤奮深入研究，為行業業者提供成熟工藝方法，促進行業健康發展，滿足社會需求。

參考文獻

[1] 陳新亮.泡沫陶瓷板在工程中的應用[J].建材技術與應用， 2021（3）：32-34.

[2] 林彩梅.基于CAD/CAM的石材拼花設計與加工的研究與應用[J].甘肅聯合大學學報（自然科學版），2015，29（1）：52-55.

[3] 晏輝.對石材產品加工中細節的幾點看法[J].石材，2018（10）： 19-25.

[4] 潘潔珍.產品設計創新驅動石材產業發展探析—以廣東云浮為例[J].石材，2019（6）：55-58.

[5] 卞化梅，王麗萍.基于JDPaint5.50雕刻石膏工藝品的設計與加工[J].制造業自動化，2014（9）：49-51.

[6] 梁保生.木工數控雕刻工藝研究[J].中國新技術新產品，2016 （14）：58-59.