數(shù)控技術在玉雕中的應用研究

李敏芳

(江蘇省吳中中等專業(yè)學校，江蘇蘇州215104)

隨著社會的發(fā)展，人們的審美意識逐漸提高，對美的追求也日益豐富，并且生活水平提高也推動人們消費的多樣化。玉雕作為頗具深厚文化意蘊的工藝品越來越受到人們的青睞，人們對玉器的市場需求越來越大，各種各樣的玉雕產(chǎn)品層出不窮，崇玉、愛玉、藏玉、制玉的傳統(tǒng)習俗興盛不衰。

1 研究背景

玉雕是以玉石為基材，雕刻出人物、山水、花卉和動物等圖像和生活場景的雕刻藝術品?！包S金有價玉無價”，玉雕件自古以來就享有盛譽。玉以其深厚的文化內(nèi)涵和精湛的工藝促使玉雕產(chǎn)品成為人們的收藏品和消費品。迄今玉雕生產(chǎn)仍舊處于借助簡單輔助工具手工雕刻而成的作坊式階段，存在過分依賴個人技術、產(chǎn)品設計和加工周期長、生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品批量小、市場拓展能力弱等缺陷。且因勞動強度大、工況差等缺陷，致使近年來從事手工雕刻的人員特別是青年從業(yè)者急劇減少，導致關鍵技術無人繼承。傳統(tǒng)的手工雕刻無論從生產(chǎn)效率和精度上都難以適應工業(yè)生產(chǎn)的需要，一定程度上阻礙著玉雕在現(xiàn)代工業(yè)中的應用廣度。

另一方面，隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，尤其是計算機在工業(yè)中的廣泛應用，計算機輔助設計技術（CAD）、計算機輔助加工技術（CAM）、計算機數(shù)控技術（CNC）、高速銑削技術（HSM）廣泛應用于各個制造業(yè)，使工業(yè)產(chǎn)品的形態(tài)豐富，產(chǎn)量增加，效益提高。

2 北京精雕JDPaint介紹

本文的軟件處理工作主要在北京精雕JDPaint軟件中完成，該軟件由北京精雕科技有限公司開發(fā)。北京精雕科技有限公司，是一家研制和生產(chǎn)小刀具雕刻機的專業(yè)廠家。公司在1994年成立，一直專注于小刀具精加工領域，目前在世界各地擁有很多客戶。經(jīng)過十多年的不懈努力，北京精雕已具備了自主研發(fā)和制造CNC雕刻機、CAD/CAM軟件、數(shù)控系統(tǒng)和高速電主軸的綜合能力，是一家集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售的高新技術企業(yè)。目前，在同行業(yè)中，北京精雕處于領先地位。

JDPaint軟件是北京精雕CNC雕刻系統(tǒng)的基本組成部分，它是一套面向雕刻行業(yè)的CAD、CAM軟件，也是國內(nèi)較早的專業(yè)雕刻軟件。與國內(nèi)的其他雕刻軟件相比，JDPaint在曲面造型方面的功能有很大優(yōu)勢。在一些行業(yè)，特別是仿古木雕行業(yè)，該軟件的使用已經(jīng)比較廣泛。

圖1 JDPaint界面

3 數(shù)控技術在玉雕中應用的實踐研究

本文以北京精雕的JDPaint雕刻軟件為基礎，結(jié)合現(xiàn)代數(shù)控機床技術，由數(shù)控設備對玉坯進行數(shù)控雕刻進行了實踐研究。所使用的技術路線及主要工作流程如圖2所示。

圖2 玉雕數(shù)控雕刻流程圖

首先根據(jù)玉雕樣件的圖像（已有手工玉雕件的實樣照片），形成樣件的二維矢量輪廓，然后由二維矢量輪廓，生成玉雕的三維模型（即浮雕模型），由三維模型再生成相應的刀具路徑和NC代碼，最后由雕刻機對實樣進行數(shù)控雕刻加工。

圖3 玉雕樣件 圖4樣件圖像手工描圖圖5樣件浮雕模型視圖 圖6最終數(shù)控雕刻成品

3.1 玉雕樣件選擇

本文選擇了典型的花草類型玉雕樣件作為實踐研究對象，見圖3。值得注意的是，目前玉雕樣件僅限于浮雕類玉雕件。限于雕刻機器的加工能力，一些三維形狀復雜、鏤空的玉雕樣件在實踐中還未作嘗試。

3.2 樣件圖像矢量化處理

通過照片或者掃描的方式，把樣件原稿圖像輸入JDPaint軟件。由于這些圖像是以像素信息存儲的，所以首先需要將這些圖形信息轉(zhuǎn)化為真正的矢量圖形信息，以利于三維模型的建立。

一般情況下，把照片或者掃描圖片轉(zhuǎn)化成矢量圖有兩種方式：手工描圖或者圖像矢量化重建。手工描圖就是在軟件中直接繪制圖像輪廓，從而獲得矢量圖形。手工描圖過程也成為“手動抄圖錄入”，只要熟悉應用CAD中的繪圖命令就可以實現(xiàn)手工描圖。而圖像矢量化重建是指運用一些圖形學原理，經(jīng)過曲線擬合、邊界光滑、消除噪聲等一些手段，自動或半自動地把像素圖轉(zhuǎn)換為矢量圖。

本文在實踐中證明，目前矢量圖還不可能做到完全自動化，所以手工描圖這一方式在目前情況下是一種簡單有效的方法。圖4是樣件在精雕軟件中的輪廓曲線。

3.3 三維浮雕模型建模

玉雕浮雕建模，是指在浮雕的二維矢量輪廓圖案基礎上，建立浮雕的三維模型的過程。出現(xiàn)在實際生產(chǎn)中的玉雕都是具有復雜細節(jié)特征的立體模型，它們往往由若干個獨立的曲面片融合而成。

在JDPaint中，玉雕浮雕模型的建立主要是通過雕塑工具下的堆料/去料以及磨光效果處理來完成。而模型截面形狀又是通過“刷子”的概念來實現(xiàn)。所謂刷子，是指限定操作影響范圍的一個區(qū)域。

在矢量輪廓線的基礎上，在JDPaint中建立了樣件的三維浮雕模型。模型在軟件中的建立，實際上也就是不斷地變化模型的參數(shù)（改變刷子形狀），然后通過不斷地移動鼠標來堆砌或者切除刷子所定義的形狀這樣一個過程。本文中樣件的最終三維效果見圖5。

3.4 加工刀具路徑生成

玉雕模型曲面多為不規(guī)則曲面，因此，玉雕加工的刀具路徑不能簡單地選用沿X軸平行或沿Y軸平行方式，需考慮加工件的工程實際來規(guī)劃不同的刀具路徑。

玉雕的素材多為山水、花卉、樹木等風景圖案，二維輪廓線形式多樣復雜，致使玉雕加工中存在時而為大面積空白區(qū)域，時而狹窄甚至尖窄的區(qū)域。實際加工中一般多采用多次加工的方式。首先使用直徑較大的刀具，快速、大范圍地去除大部分材料，稱為粗加工；其次再使用直徑小的刀具，對粗加工中遺留下的區(qū)域，以及一些尖窄區(qū)域部分進行再一次加工，也稱為精加工。有的時候，在粗加工和精加工之間，還會增加一道殘料補加工方式，或者進行二次精加工處理，以達到精度和質(zhì)量要求。一般情況下，粗加工使用的刀具直徑大，精加工則使用直徑小的刀具。

行切法和環(huán)切法是目前雕刻加工中使用較廣的方式：環(huán)切法的刀具軌跡是沿邊界輪廓線，行切法的刀具軌跡是一條直線。通常，行切法會存在往返走刀現(xiàn)象，銑刀的旋轉(zhuǎn)方向與工件的進給方向會交替出現(xiàn)一致與不一致（順銑和逆銑）；而環(huán)切法則能保持切削狀態(tài)。切削狀態(tài)會在一定程度上影響最終的加工質(zhì)量，但一般情況下，粗加工多采用行切法，而精加工和半精加工則多采用環(huán)切或者行切方法。

在JDPaint的刀具環(huán)境下，通過設定和選擇相應的參數(shù)，系統(tǒng)可以自動生成粗加工和精加工所需的加工路徑。以荷花樣件為例，下面是一些刀具路徑粗加工和精加工的參數(shù)設置（圖6、圖7）。本文實踐中粗加工選擇環(huán)切走刀，精加工則使用45°平行截線走刀方式。

圖6 粗加工刀具路徑設置圖7精加工刀具路徑

根據(jù)刀具路徑設置，系統(tǒng)能夠自動計算出刀具軌跡并保存。圖顯示了荷花樣件的刀具軌跡，包含了一次粗加工，一次殘料補加工，和兩次精加工。精加工時使用的是45°平行截線走刀方式。圖8中四張圖從左至右分別為粗加工、殘料補加工和兩次精加工的軌跡路徑。

圖8 荷花樣件刀具軌跡路徑

3.5 刀具路徑文件的產(chǎn)生和輸出

刀具路徑生成后可以進行保存。通過菜單刀具路徑->輸出刀具路徑，即可輸入路徑文件以供雕刻機直接使用。

圖9 加工路徑導出

下面是部分荷花樣件的NC代碼（由ENG轉(zhuǎn)換而來）。

圖10 部分NC加工程序

4 加工設備

實踐中，本文使用了兩臺雕刻設備，對玉雕樣件進行加工，分別是北京精雕公司的精雕PMS_V08_A和常州金奇雕公司的JQD_40H。

圖11 加工設備

5 結(jié)語

把現(xiàn)代數(shù)控雕刻技術應用于傳統(tǒng)玉雕工藝上，具有很好的行業(yè)前景和商業(yè)前景。以數(shù)控雕刻軟件JDPaint為平臺，通過在雕刻軟件中建立玉雕浮雕的三維模型，進而生成可以用于數(shù)控雕刻機的加工文件，最后，由高精度數(shù)控雕刻機加工成成品。加工成品在精細度方面不亞于一個熟練玉雕工藝師的手工作品，并且在加工效率上有明顯的優(yōu)勢。

[1]何松.中國清代玉器的主要成就藝術特征文化內(nèi)涵[J].超硬材料工程，2006，02.

[2]徐銘，琚海.經(jīng)濟型數(shù)控雕刻機的控制系統(tǒng)研究[J].制造技術與機床，2012，09.

[3]袁園.數(shù)控雕刻軟件及加工技術概述[J].科技創(chuàng)新導報，2009，11.

[4]黃有群，趙淑巖.基于Ja v a3D的虛擬雕刻技術[J].沈陽工業(yè)大學學報，2008，06.

[5]王玉國.數(shù)控雕刻加工關鍵技術研究[J].南京航空航天大學博士學位論文，2007，07.

[6]陳祥林，郭秀華.ArtCAM在浮雕加工中的應用研究[J].機械設計及制造，2012，09.