建筑装饰石材数控加工技术研究

蒋从根 李文召 甄雪松 姜辉

摘 要：建筑装饰石材企业规模小、技术实力弱、加工工艺研究不足，急需加工工艺研究。因此，论述浮雕产品的加工工艺过程及工艺特点，提出了初步的工艺规范，希望对建筑装饰石材加工工艺具有一定的参考作用。

关键词：建筑装饰石材；浮雕设计；数控加工工艺

中图分类号：TU52                                 文獻标识码：A                                  文章编号：2096-6903（2023）02-0113-03

0 引言

建筑装饰石材的雕刻加工是利用数控雕刻机床、机器人等自动化程度较高的设备，并配合路径生成软件，自动生成工件开粗、半精加工和精加工程序，基本实现自动化的加工方法，该方法是目前建筑装饰石材雕刻的主流方向[1]。

其中以色列Scanv公司开发的Casemate软件包，具有图像矢量化、平面刀具轨迹生成、三维提笔加工等功能，其中图像矢量化功能是目前主流软件中较好的一个[2]。

随着社会的发展，人们越来越注重对环境的美化。高档的居住社区、办公大楼以及现代化的企事业单位等都使用了花样众多的石材产品来装饰和美化环境[3，4]。石材工艺制品纷繁多样，从花鸟鱼虫神话人物再到随身饰品，不胜枚举。数控加工技术在技术行业得到广泛应用，也已初步用于建筑材料加工行业。

目前国内从事石雕企业数量众多，但企业规模小、技术力量弱、加工工艺落后。目前石雕加工企业普遍采用精雕公司的编程软件，由于该编程软件是为模具加工工艺开发，不太适用石雕技术工艺。本课题研究应用精雕软件，加工建筑装饰石材（发泡陶瓷）工艺产品。

1 精雕软件介绍

北京精雕软件由北京精雕集团公司开发，在应用领域上，精雕软件已经彻底突破了适合标牌、广告、建筑模型等较为传统的雕刻应用范畴，在技术门槛更高的工业雕刻领域，如滴塑模、高频模、小五金、眼镜模、紫铜电极等制作业，表现同样出色，成为国内最优秀的雕刻软件[5，6]。软件分为JdPaint、ArtForm、SurfMill等几个系列。目前最高版本为SurfMill9.5，主要用于高精度五轴模具加工。目前建筑装饰石材主要使用精雕的JDPaint、ArtForm系列软件，本文以ArtForm2.0为例论述。

2 装饰石材加工过程

装饰石材品种千变万化，其加工过程包括以下5个步骤（以典型建筑装饰石材浮雕为例）。

2.1 制作浮雕图

按照用户要求，把文字、图画等艺术作品，借助软件，制作成为3D浮雕图，如图1所示。

2.2 按照石材尺寸设计刀路

市场上的发泡陶瓷有各种规格，根据工厂现有发泡陶瓷的尺寸及产品规格设计刀路。在涉及刀路的时候，需要考虑浮雕的分割大小、选择刀具、选择吃刀深度等因素。设计的刀路如图2所示。

2.3 输出加工程序

刀路设计完成后，输出加工程序。加工程序片段如图3所示。

2.4 仿真验证

输出加工程序后，不要急于加工，需要仿真验证，确保正确无误后才雕刻加工。仿真结果如图4所示。

2.5 雕刻加工

用仿真验证后的加工程序，实施雕刻，生产出完整的石材雕刻产品。雕刻完成的吊花如图5所示。

3 浮雕图设计制作

3.1 画线

精雕ArtForm2.0设计制作浮雕图，需要用到许多工具实现。如祥云、堆料、去料、扫掠面、磨光等。为了精准对模型进行处理，使用颜色内处理的概念。即只在颜色内有效，颜色外不操作处理。划线是进行颜色区分的前提，导动去料、堆料、祥云等都需要按照一定轨迹处理。画线就是提供这些运行轨迹，所以，画线是浮雕制作的第一步，而且是非常重要的一部。画线规范、布局合理，是成功设计浮雕的重要基础。划线采用工具主要是“样条”，根据需要也可以使用“直线”、“圆弧”、“多义线”等工具。浮雕图的原始图片如图6所示。

石材浮雕图主要制作方法是堆料、去料、祥云，重点是画好分界线和祥云的运动轨迹线。线如图7所示。

画线是需要耐心的工作，需要不断修改，达到理想状态，线条不理想，可以通过“节点编辑”进行编辑。对于对称的图形，可是使用“镜像”“复制”“对称”等工具，批量复制，减少工作量。

3.2 设计浮雕

3.2.1 建立模型

雕塑是在模型上进行的，模型相当于实际雕塑的原材料。操作步骤是选中“线条”或图形，在“模型”菜单中点击“新建模型”，设置参数，输入完参数后按确定即可完成模型的创建。如果选择菜单命令前选择了二维图形，系统自动把二维图形包围盒的长宽值设置于对话框中的长宽输入框中。

3.2.2 冲压厚度

选中所有线，点击键盘“空格”键，给线条包裹范围内画上颜色，点击“冲压”，选择冲压高度，选择“颜色内”选项，点击模型中的颜色，即完成基础4 mm冲压。

3.2.3 上色

选中颜色，敲击键盘的“M”键，去掉颜色，再点击“颜色”菜单下的“单线整体自动分色”按钮，完成各部分自动分色，如图8所示。也可以用种子填色等手动方式分色，手动分色效率太低，不建议使用。

3.2.4 设计浮雕效果

本产品需要祥云、去料等工具即可完成浮雕设计。祥云工具的使用方法是：点击“几何”菜单中的“祥云（单线浮雕）”，在单出的对话框中输入高度值“3.5”，这个一般小于初始冲压高度值，选择“切除”选项，选中图形中的颜色，再选择运动轨迹线，即完成雕塑。浮雕效果，如图9所示。

4 设计刀路

4.1 浮雕分割及雕刻布局

用户不同，浮雕的尺寸也会千差万别。市场上石材的尺寸也是千差万别，不可能把用户的浮点产品一次雕出来。必须根据用户的需求尺寸、石材尺寸、运输方便等，把浮雕分割成若干块。

分割的原则一个是考虑运输安装方便，根据浮雕的厚度，一般考虑分割成1 000 mm×1 000 mm以内。再综合考虑材料利用率和运输安装方便，调整分割单元尺寸。市场上发泡陶瓷尺寸1 200 mm×2 400 mm规格较多，综合考虑，横向布局两块，纵向布局三块，雕刻时留20 mm的“缇干”存水，四周留15 mm的余料，每个单元参考尺寸为767 mm。浮雕单元布局如图10所示。

分割的操作方法是：点击“艺术曲面”菜单中的“修剪”，选择“二维闭环”，选中“被剪裁曲面”和“剪裁封闭轮廓”，选择“保留”的“环内”或“环外”或“环内环外”，再點击“确定”，就可完成浮雕剪裁分割。

在分割浮雕时往往会出现死机状况，重启分割还会继续出现死机。解决的办法是把分割框放大一个小尺寸（例如0.1 mm），基本上不影响产品尺寸，但会立即解决问题。

4.2 工艺参数设定

4.2.1 雕刻平面确定

为方便工艺参数计算和实际雕刻操作方便，浮雕的最高面为“0”平面。这是必须遵循的原则，否则容易出现计算错误和打刀等事故。

4.2.2 刀具选择

刀具有平底刀、圆底刀、牛鼻刀等几种。如果雕刻地面比较比较平坦，则选择圆底刀或牛鼻刀。需根据雕塑的深度选择雕刀的直径。60 mm以下的，选择D6雕刀为宜，超过60 mm深度的，选择D8雕刀为宜。

4.2.3 路径间距选择

路径间距指的是刀路两次路劲中心之间的距离，路径间距越大，浮雕比表面越粗糙，刀具损耗也越大，路径间距越小，浮雕表面越光滑，刀具损耗也越小。但反过来，又会影响加工效率。所以选择合理选择路径间距。一般来说，圆底刀具，路径间距不能超过刀具直径的?，对于平底刀具，可以适当加大，但也不要超过?。

4.2.4 刀具路径输出

刀具路径设计完成以后，需要输出路径，提供给雕刻机运行。刀具路径输出，就是平常大家所说的后置。目前国内绝大部分石材雕刻机使用上海维宏的控制系统，需要输出上海微宏的NC格式。精雕ArtForm默认输出“Eng”格式，这是精雕自己的格式，大家使用不习惯，需要输出“Self-Def—Form”格式。这个格式需要用户自己添加上海维宏开发的后置程序。选中后，选择输出文件夹和文件名，就可以输出浮雕加工程序。

5 结语

建筑石雕市场蓬勃发展，市场需求越来越大。目前行业规模大、分散、发展不均衡，业者规模小，市场编程工艺人员缺乏，工艺水平低下。市场的培训班鱼龙混杂，需要行业工作者勤奋深入研究，为行业业者提供成熟工艺方法，促进行业健康发展，满足社会需求。

参考文献

[1] 陈新亮.泡沫陶瓷板在工程中的应用[J].建材技术与应用， 2021（3）：32-34.

[2] 林彩梅.基于CAD/CAM的石材拼花设计与加工的研究与应用[J].甘肃联合大学学报（自然科学版），2015，29（1）：52-55.

[3] 晏辉.对石材产品加工中细节的几点看法[J].石材，2018（10）： 19-25.

[4] 潘洁珍.产品设计创新驱动石材产业发展探析—以广东云浮为例[J].石材，2019（6）：55-58.

[5] 卞化梅，王丽萍.基于JDPaint5.50雕刻石膏工艺品的设计与加工[J].制造业自动化，2014（9）：49-51.

[6] 梁保生.木工数控雕刻工艺研究[J].中国新技术新产品，2016 （14）：58-59.