数字化玉雕技术简介-数字化玉雕

第一节　数字化玉雕技术的原理

一、数字化玉雕技术的概念

基于图形图像数据的数字化玉雕加工技术是近十几年发展起来的一种新的雕刻技术，它用于玉雕表面文字、图案的雕刻等方面，是计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机数字控制（CNC）、精密伺服驱动和新材料等先进技术的高度融合。

数字化玉雕通过计算机将玉雕图案以数字的形式生成二维图、三维图等内部描述，在计算机屏幕上显示出具有真实感的图形，再通过导入CAM软件，生成程序，由雕刻机按此执行命令，完成浅浮雕、高浮雕及小部分的圆雕、镂空雕工艺，制造出玉雕产品。

在其成长的过程中又根据玉石雕刻应用的特殊性，综合了玉雕业的艺术设计和造型技术使得数字化玉雕成为一门独特的专业技术。

二、数字化玉雕技术的原理

数字化玉雕的主体就是雕刻机，它是一种由程序控制的自动化机床，它所依赖的是一种由数字化信号对其设备运行及加工过程实行掌控调节的自动控制技术。数字化玉雕机加工玉雕产品时，首先将玉雕产品的三维立体信息和工艺信息编制成加工程序，由输入部分送入数控装置，经过数控装置的处理、运算，按各坐标轴的分量送到各轴的驱动电路，经过转换、放大后驱动伺服电机，带动各轴运动，并进行反馈控制，使刀具和玉雕件及其他辅助装置严格地按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数有条不紊地工作，从而加工出玉雕产品的全部轮廓。

其间CAM软件会将整个面分解为无数小点，数控装置按照一定规律及设置好的刀具路径给出最佳轨迹点、走向类型（直线、弧线等），然后由刀具来行走雕刻。一般来说，雕刻机走刀的整体趋势是一层接着一层平行走，因此，虽经过数遍不同类型刀具精细行走，但是仍可以在玉雕表面观察到清晰、排列密集的细线。

数字化玉雕技术的基本原理是:将数控设备末端执行部件的运动（或多个末端执行部件的合成运动）纳入到适当的坐标系中，将所要求的复杂运动分解成各坐标轴的简单直线运动或回转运动，并用一个满足精度要求的基本长度单位（Basic Length Unit，BLU）对各坐标轴进行离散化，由电子控制装置（即数控装置）按数控程序规定的运动控制规律产生与基本长度单位对应的数字指令脉冲，对各坐标轴的运动进行控制，并通过伺服执行元件加以驱动，从而实现所要求的复杂运动。

数控技术的核心是插补与驱动。插补装置的功用是将期望的设备运动轨迹沿各坐标轴微分成基本长度单位，并转换成可控制各坐标轴运动的一系列数字指令脉冲。驱动装置是指伺服驱动系统，其功用是将插补装置输出的数字指令脉冲进行转换与放大，驱动执行元件，实现由数字指令脉冲序列规定的坐标运动，并最终由各坐标运动合成所期望的运动轨迹。对应于插补装置输出的每一个数字指令脉冲，伺服驱动系统末端执行部件所实现的理论位移被称为脉冲当量，它是系统所能控制的最小位移，又称系统的控制分辨率，一般取其为基本长度单位。早期数控功能是采用硬件数字电路实现的，而现代数控功能均采用微型计算机来实现，因此现代数控功能又被称为计算机数字控制技术，简称计算机数控技术。计算机数控技术属先进制造技术，是现代制造业实现柔性自动化的基础，也是计算机集成制造（Computer Integrated Manufacturing，CIM）、智能制造（Intelligent Manufacturing，IM）、敏捷制造（Agile Manufac-turing，AM）、虚拟制造（Virtual Manufacturing，VM）等先进制造技术或生产模式的基础。

计算机数控技术广泛应用于各种机电产品或设备的控制，如各种数控机床（CNC Machine Tools）、三坐标测量机（Coordinate Measuring Machines，CMM）、工业机器人（Industrial Ro-bots，IR）、绘图机（Drawing Machines）、激光快速成型机（Rapid Prototyping Machine，RPM）等均采用数控技术进行控制。

（一）数控装置工作原理

数控装置是一种控制系统，它自动阅读输入载体上预先给定的数字值，对其进行译码、运算，并据此控制刀具与玉雕件的相对运动，从而加工出所需要的玉雕件。数控装置工作原理如图2-1-1所示。

数字化玉雕机依据加工程序，不断改变刀具与玉雕件之间相对运动的参数（位置、速度等），用刀具对玉雕件进行切削加工，最终得到所需要的合格玉雕件。数字化玉雕机数字控制的核心问题是如何控制刀具或工作台正确运动从而加工出合格的产品。

（二）数控装置的插补原理

从自动控制的角度来看，数控系统是一种轨迹控制系统，其本质是以多个执行部件（各运动轴）的位移量为控制对象并使其协调运动的自动控制系统，是一种配有专用操作系统的计算机控制系统。

图2-1-1　数控装置工作原理图

组成玉雕件轮廓的基本线型是直线和圆弧，一些复杂的曲线、曲面经过适当处理后，也可以用直线和圆弧去逼近、拟合。因此在数控加工时，数控系统根据加工程序中的相关数据信息（如玉雕件上几何要素的起点坐标、终点坐标、圆心坐标、圆弧半径等），把刀具与玉雕件的运动坐标分割成一些最小的单位量，即最小位移量，由数控系统按照玉雕件程序的要求，使坐标移动若干个最小位移量（即控制刀具运动轨迹），从而实现刀具与玉雕件的相对运动，完成对玉雕件的加工。同时，通过系统内规定的运算，把拟合后的轮廓轨迹计算出来，并且一边计算一边根据计算结果向有关坐标轴分配脉冲等指令信号，伺服机构则将这些指令信号进行放大后驱动执行电机，使刀具或工作台沿着有关坐标轴运动，逐步加工出既定的轮廓形状来。

对于轮廓控制系统来说，最重要的功能便是插补功能，这是由于插补运算是在机床运动过程中实时进行的，即在有限的时间内，必须对各坐标轴实时地分配相应的位置控制信息和速度控制信息。轮廓控制系统正是因为有了插补功能，才能加工出各种形状复杂的玉雕件。可以说，插补功能是轮廓控制系统的本质特征。因此，插补算法的优劣将直接影响CNC系统的性能指标。

插补的基本概念:当走刀轨迹为直线或圆弧时，数控装置在线段的起点和终点坐标值之间进行数据点的密化，求出一系列中间点的坐标值，然后按中间的坐标值，向各坐标输出脉冲数，保证加工出需要的直线或圆弧轮廓，数控装置进行的这种数据点的密化被称作插补，一般数控装置都具有对基本函数（如直线函数和圆函数）进行插补的功能。对任意曲面玉雕件的加工，必须使刀具运动的轨迹与该曲面完全吻合，才能加工出所需的玉雕件。

（三）刀具半径补偿(https://www.daowen.com)

在数字化玉雕机上进行玉雕件轮廓的铣削加工时，由于刀具半径的存在，刀具中心轨迹和玉雕件轮廓不重合。当数字化玉雕机具备刀具半径补偿功能时，编程人员只需根据玉雕件轮廓编程，数控系统会自动计算出刀具中心轨迹，加工出所需要的玉雕件轮廓。

1.什么是刀具半径补偿

数字化玉雕机在加工过程中，它所控制的是刀具中心轨迹。用户总是按玉雕件轮廓编写加工程序，因而在进行内轮廓加工时，刀具中心必须向玉雕件的内侧偏移一个偏置量（粗加工时，其偏置量是刀具半径与加工裕量之和）；在进行外轮廓加工时，刀具中心必须向玉雕件的外侧偏移一个偏置量，如图2-1-2所示。这种根据按玉雕件轮廓编制的程序和预先设定的偏置参数，使数控装置能实时自动生成刀具中心轨迹的功能称为刀具半径补偿功能。

图2-1-2　刀具半径补偿原理图

在图2-1-2中，实线为所需加工的玉雕件轮廓，虚线为刀具中心轨迹。根据标准，当刀具中心轨迹在编程轨迹（玉雕件轮廓）前进方向的右边时，称为右刀补，用G42指令实现；反之称为左刀补，用G41指令实现。

2.刀具半径补偿功能的主要用途

在玉雕件加工过程中，采用刀具半径补偿功能，可极大地简化编程的工作量，具体体现在以下两个方面:①由于刀具的磨损或因换刀引起的刀具半径变化时，不必重新编程，只需修改相应的偏置参数即可；②轮廓加工往往不是一道工序能完成的，因此在粗加工时要为精加工工序预留加工余量。加工余量的预留可通过修改偏置参数实现，而不必为粗、精加工各编制一个程序。

3.刀具半径补偿的常用方法

（1）B刀补。这种方法的特点是刀具中心轨迹的段间连接都是以圆弧进行的。其算法简单，实现容易，但由于段间过渡采用圆弧，这就产生了一些无法避免的缺点。

a.当加工外轮廓尖角时，由于刀具中心通过连接圆弧轮廓尖角处始终处于切削状态，要求的尖角往往会被加工成小圆角。

b.在内轮廓加工时，要由程序员人为地编进一个辅助加工的过渡圆弧，如图2-1-2中的圆弧AB。并且还要求这个过渡圆弧的半径必须大于刀具的半径，这就给编程工作带来了麻烦，一旦疏忽，使过渡圆弧的半径小于刀具半径时，就会因刀具干涉而产生过切削现象，使正在加工的玉雕件报废。这些缺点限制了该方法在一些复杂的、要求较高的数控系统（例如仿型数控系统）中的应用。

（2）C刀补。这种方法的特点是相邻两段轮廓的刀具中心轨迹之间用直线进行连接，由数控系统根据玉雕件轮廓的编程轨迹和刀具偏置量直接算出刀具中心轨迹的转接交点C点和C′点（图2-1-2），然后再对刀具中心轨迹作伸长或缩短的修正。这就是所谓的C机能刀具半径补偿（简称C刀补）。它的主要特点是采用直线作为轮廓之间的过渡，因此，该刀补法的尖角工艺性较B刀补的要好，其次在内轮廓加工时，它可实现过切（干涉）自动预报，从而避免过切的产生。

两种刀补的处理方法是有很大区别的:B刀补法在确定刀具中心轨迹时，采用的是“读一段，算一段，再走一段”的处理方法。这样，就无法预计由于刀具半径所造成的下一段加工轨迹对本段加工轨迹的影响，于是，对于给定的加工轮廓轨迹来说，当加工内轮廓时，为了避免刀具干涉，合理地选择刀具的半径以及在加工轨迹转接处选用恰当的过渡圆弧等问题，就不得不靠程序员来处理；为了解决下段加工轨迹对本段加工轨迹的影响问题，C刀补采用的方法是，一次对两段进行处理，即先预处理本段，然后根据下一段的方向来确定其刀具中心轨迹的段间过渡状态，从而完成了本段的刀补运算处理，然后让程序段缓冲器再读一段，用于计算第二段的刀补轨迹，以后按照这种方法进行下去，直至程序结束为止。

4.刀具半径补偿的工作原理

刀具半径补偿执行的过程一般可分为以下三步，如图2-1-3所示。

（1）刀补建立。刀具从起刀点接近玉雕件，并在原来编程轨迹基础上，刀具中心向左（G41）或向右（G42）偏移一个偏置量（图2-1-3中的虚线）。在该过程中不能进行玉雕件加工。

（2）刀补进行。刀补刀具中心轨迹（图2-1-3中的虚线）与编程轨迹（图2-1-3中的实线）始终偏离一个刀具偏置量的距离。

（3）刀补撤销。刀具撤离玉雕件，使刀具中心轨迹终点与编程轨迹的终点（如起刀点）重合（图2-1-3中的虚线）。它是刀补建立的逆过程。同样，在该过程中不能进行玉雕件加工。

图2-1-3　刀补工作过程