石材雕刻：如何處理平面雕刻數(shù)控

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的審美觀不斷改變，越來越崇尚自然，作為天然裝飾工藝材料的石材制品的應(yīng)用得到迅猛發(fā)展。天然石材以其華麗的色彩、穩(wěn)定的物理化學(xué)性能和良好的加工性能在建筑裝飾、工藝制品、生活器具等方面得到大量應(yīng)用。

石材雕刻類制品尤其是用于室內(nèi)裝飾的浮雕、刻畫、畫框、透雕窗格、壁爐飾面等精細(xì)雕刻制品的發(fā)展尤為迅速，向著藝術(shù)化、高檔化、規(guī)?；瘧?yīng)用方向發(fā)展，同時(shí)，石質(zhì)藝術(shù)雕刻制品的應(yīng)用也已成為現(xiàn)代城市建筑中景觀的重要組成部分，其應(yīng)用量成為展現(xiàn)城市文化品位的重要標(biāo)志。

目前，市場(chǎng)上專門用于加工平面雕刻制品的設(shè)備很少，大都是采用手工雕刻，工作效率低、質(zhì)量不穩(wěn)定且勞動(dòng)強(qiáng)度大。計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展為石材雕刻制品的自動(dòng)化高效加工奠定了基礎(chǔ)，數(shù)控加工中心在平面雕刻制品加工中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了石雕制品的機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)，且效率較高，但是，數(shù)控加工中心的價(jià)格和加工成本太高，一般企業(yè)難以接受。因此,國(guó)內(nèi)企業(yè)迫切的需要功能多、價(jià)格和加工成本低、效率高的經(jīng)濟(jì)實(shí)用型平面雕刻制品數(shù)控加工設(shè)備。

針對(duì)國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)實(shí)用型平面雕刻制品數(shù)控加工設(shè)備的需求情況，我們擬開發(fā)平面雕刻制品專用加工設(shè)備，使其能高效率、高精度的加工平面雕刻制品，又具有較寬的適應(yīng)面，本身或通過增減附件而具有其他用途,以提高其利用率。

     【1.1設(shè)備的功能、運(yùn)動(dòng)分析】

平面雕刻制品的加工工藝一般為：石料選擇→(模型制作)→坯料加工→平面雕刻制品的型面成形加工→(拋光加工)→制品組裝→清洗、防護(hù)、驗(yàn)收。

雕刻制品常用的加工設(shè)備有兩種：一是仿形加工設(shè)備;二是計(jì)算機(jī)數(shù)控加工設(shè)備。仿形加工一般是控制觸頭與靠模模型直接接觸，當(dāng)觸頭沿著模型上的輪廓運(yùn)動(dòng)時(shí)，刀具與觸頭同步運(yùn)動(dòng)，把模型上的輪廓復(fù)制到工件上，對(duì)于比較精細(xì)的雕刻制品的復(fù)雜型面難以加工。況且，仿形加工設(shè)備需要制作與加工對(duì)象一致或成比例的模型，模型的制作和管理較麻煩。計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)在雕刻制品加工設(shè)備上的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了雕刻設(shè)備的自動(dòng)化控制與加工，通過計(jì)算機(jī)掃描的方式輸入制品信息，不需制作模型即可方便快捷的進(jìn)行雕刻制品的加工。

雕刻制品的自動(dòng)化加工關(guān)鍵是其型面的成形加工，需要由計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)控制設(shè)備運(yùn)動(dòng)，使加工工具相對(duì)于工件在水平方向、豎直方向和前后方向(簡(jiǎn)稱為X、Y、Z方向)的插補(bǔ)聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，以滿足其加工要求。為便于設(shè)計(jì)、制造，設(shè)備的機(jī)械部分采用模塊化設(shè)計(jì)。通過對(duì)雕刻制品加工的功能需求、運(yùn)動(dòng)和設(shè)備的結(jié)構(gòu)分析，可設(shè)計(jì)出設(shè)備的子功能、功能元及其相互關(guān)系的功能分解體系，

     【1.2、設(shè)備結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)】

通過設(shè)備的功能、運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)分析，根據(jù)圖1、所示關(guān)系，該設(shè)備可以劃分為五個(gè)功能模塊，如圖2所示。

根據(jù)上述分析，將設(shè)備的五大功能模塊結(jié)構(gòu)化為：雙立柱框架模塊、水平托板模塊、豎直托板模塊、動(dòng)力頭模塊和工作臺(tái)模塊，其中的動(dòng)力頭模塊的主運(yùn)動(dòng)采用電主軸驅(qū)動(dòng)。通過各功能模塊的標(biāo)準(zhǔn)接口連接組裝，即可實(shí)現(xiàn)雕刻制品加工功能的設(shè)備，如圖3所示。

設(shè)備由雙立柱與固定式橫梁組成設(shè)備的雙立柱框架結(jié)構(gòu)(3)，板材(6)通過真空吸盤(7)固定在工作臺(tái)(8)上，動(dòng)力頭(4)固定在豎直拖板(1)上，電主軸帶動(dòng)雕刻刀(5)作主運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)制品的加工。水平拖板(2)裝在由兩根圓柱導(dǎo)軌組成的橫梁上，由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)作橫向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了刀具的X向進(jìn)給運(yùn)動(dòng);豎直拖板與水平拖板通過豎向圓柱導(dǎo)軌相連，由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)作上下運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了刀具的Y向進(jìn)給運(yùn)動(dòng);工作臺(tái)由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)作縱向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了工件的Z向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

1-豎直托板模塊、2-水平托板模塊、3-雙立柱框架模塊、、4-動(dòng)力頭模塊

5-雕刻刀、6-工件、7-真空吸盤、8-工作臺(tái)模塊

根據(jù)常用制品的規(guī)格參數(shù)，結(jié)合設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)以及各模塊的參數(shù)，確定了設(shè)備的規(guī)格參數(shù)，

雕刻動(dòng)力頭3.5、kW動(dòng)力頭橫向移動(dòng)距離(X向)2000、mm

工作臺(tái)前后移動(dòng)范圍(Y向)2070、mm

加工幅面1500mm×1200mm

工作臺(tái)尺寸1500mm×1200mm

外形尺寸3850、mm×3000、mm×2500、mm

總重量(約)3000、kg

      【1.3設(shè)備控制系統(tǒng)】

設(shè)備的控制系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)及三坐標(biāo)的伺服聯(lián)動(dòng)。設(shè)備加工信息可以通過激光掃描器(實(shí)物模型)、掃描儀(效果圖)掃描輸入，也可由CAD圖形信息輸入，建立制品模型信息，再通過圖像、圖形處理軟件完成加工信息的處理。

(1)采用模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)，通過功能、運(yùn)動(dòng)分析，將平面石材雕刻制品加工設(shè)備結(jié)構(gòu)劃分為雙立柱框架模塊、水平托板模塊、豎直托板模塊、動(dòng)力頭模塊和工作臺(tái)模塊五大功能模塊，按照模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造，便于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)組織及使用、維護(hù)。

(2)設(shè)備采用雙立柱、龍門框架式結(jié)構(gòu)，設(shè)備剛度高。主要部件采用焊接件，工藝性好，制造成本低，結(jié)構(gòu)緊湊，具有較高的性能價(jià)格比。

(3)設(shè)備動(dòng)力頭模塊的主運(yùn)動(dòng)采用電主軸驅(qū)動(dòng)可方便進(jìn)行浮雕、刻畫、畫框、透雕等大部分平面雕刻制品的高效加工。

(4)設(shè)備的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了加工信息的自動(dòng)輸入與處理，簡(jiǎn)化了操作，提高了編制制品模型程序的效率和準(zhǔn)確度?？刂撇捎孟冗M(jìn)、實(shí)用、宜人、自動(dòng)化程度高。

(5)設(shè)備各功能模塊均設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)接口，可通過更換不同的功能模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)備功能的拓展，達(dá)到一機(jī)多能的要求。