（机械制造及其自动化专业论文）砖雕材质性能分析及数控雕刻加工技术的研究.pdf

硕十学位论文 摘要 雕刻技术不仅在历史文明发展中有着重要的地位，而且在我国它还是 一门传统的工艺。砖雕是其中的一种重要的组成部分，它蕴含着中国特有 的文化气息，集艺术与技术于一体，然而随着人们对满足审美要求的砖雕 产品的需求出现前所未有的增长，传统的手工雕刻生产已不能满足市场的 需求，数控雕刻技术的迅猛发展使得木雕、石雕等的业化生产变成了现实， 这些都为砖雕的自动化生产提供了必要的条件。为此，本文从工程实际出 发，深入研究砖雕材质的性能以及适合于砖雕行业的数控加工技术。 针对砖雕材质性能的特殊性，分析脆性材料裂纹的产生机理，并通过 大量实验从外观质量、结构性质、力学性能等指标对青砖材质进行综合评 定，建立了一套砖雕材质质量评价体系，使得砖雕选材有据可循。 从精度的考虑，针对砖雕的建模问题，提出了基于z m a p 算法的平面 网格划分方法与b e z i e r 曲线抬高点生成曲面高度的砖雕三维建模理论，并 在此基础上应用了几种建模方法：满足不同砖雕图案的建模需求。 考虑实际加工生产过程中影响加工精度的几个问题，如工序的优化、 刀具的选择、工件的装夹、平面的找正等，研究解决这些问题的具体处理 方式。 根据数控雕刻加工中的两种基本加工方法一行切法与环切法的基本 理论，运用行切法和环切法设计了砖雕加工的刀具路径，提出了采用反刀 具等距法求解刀位面，投影法优化砖雕加工路径的方法，解决路径规划问 题；在a r t c a m 仿真平台下通过反复仿真试验寻找合理的刀具参数设置、 材料参数设置、机床参数设置，得到了适宜的刀具路径文件，提出了通过 减少程序编制误差，提高程序运行效率的程序优化方法。将数控加工方法 与传统雕刻的人工修复手法相结合，最终实现砖雕的工业化生产的方案。 关键词： 砖雕材质：路径优化；加工精度；刀路文件 砖雕材质性能分析及数控雕刻加t 技术的研究 a b s t r a c t e n g r a v i n gt e c h n o l o g yn o to n l yp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h eh i s t o r i c a ld e v e l o p m e n t o fc i v i l i z a t i o n , b u ta l s oi no u rc o u n t r y , i ti sat r a d i t i o n a lp r o c e s s t h eb r i c ki so n eo ft h e i m p o r t a n tp a r t s ，i tc o n t a i n st h eu n i q u ec u l t u r a la t m o s p h e r e ，a r ta n dt e c h n o l o g yi no n es e t , h o w e v e r , w i t hd e m a n df o rt h ep r o d u c tt om e e tt h ea e s t h e t i cr e q u i r e m e n t so ft h eb r i c k u n p r e c e d e n t e dg r o w t h , t h et r a d i t i o n a lh a n d - c a r v e dp r o d u c t i o nc a n n o tm e e tt h en e e d so f t h em a r k e t n l er a p i dd e v e l o p m e n to fc n ce n g r a v i n gt e c h n o l o g ym a k e st h ep r o d u c t i o no f w o o dc a r v i n g ，s t o n ec a r v i n g ，a n do t h e ri n d u s t r yb e c o m ear e a l i t y , t h e n e c e s s a r y c o n d i t i o n sf o rt h ea u t o m a t e dp r o d u c t i o no ft h eb r i c k i tp r o v i d e st h en e c e s s a r yc o n d i t i o n s f o rt h ea u t o m a t e dp r o d u c t i o no ft h eb r i c k f r o ma ne n g i n e e r i n gr e a l i t y , t h ep e r f o r m a n c e o ft h eb r i c km a t e r i a la n dc n cm a c h i n i n gt e c h n o l o g yt h a ti ss u i t a b l ef o rt h eb r i c k i n d u s t r yh a v eb e e ni nd e p t hs t u d y c o n t e n ta n di n n o v a t i o nc a r lb es u m m a r i z e d 弱f o l l o w s ： r e c a l l i n gt h ed e v e l o p m e n to f c h i n e s et r a d i t i o n a lb r i c k c o m p a r e i n gw i t ht r a d i t i o n a l s c u l p t u r ea b r o a db ym a t e r i a lp r o d u c t i o na n de n g r a v e p r o c e s s i n gm e t h o d s ，t h e nm a k e r e s e a r c hb yc o m b i n i n g 诵mt h ep r o b l e m so fc a r v i n gc a d c a m s y s t e m ，t h i n kt h a tt h e k e yp o i mo fa c h i e v e i n gt h eb r i c kc n ce n g r a v i n gi sh o wt oc o n t r o lt h ep h e n o m e n o no f t h ec o l l a p s ed e b r i sp r o c e s s i n ga n de n s u r eq u a l i t yp r o c e s s f o rt h es p e c i a l p r o p e r t i e so fb r i c km a t e r i a l s ，m a k ea n a l y s i so ft h eg e n e r a t i o n m e c h a n i s mo fb r i t t l em a t e r i a l sc r a c k t oe s t a b l i s has e to fb r i c km a t e r i a lq u a l i t ye v a l u a t i o n s y s t e mb yc o m p r e h e n s i v ea s s e s s m e n to ft h eg r e e nb r i c km a t e r i a l f o ra c c u r a c yr e 籼n s ，b r i c kt h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n gt h e o r yh a sb e e np u t f o r w a r db yz - m a pa l g o r i t h mf o rp l a n a rm e s hm e t h o da n db e z i e rs u r f a c eg e n e r a t i o n m e t h o d , t h e ns e v e r a lm o d e l i n gm e t h o d sh a v eb e e np r o p o s e dt om e e tt h em o d e lo f d i f f e r e n tb r i c kp a t t e m s e v e r a li s s u e sa f f e c t i n gt h em a c h i n i n ga c c u r a c yi nt h ea c t u a lp r o c e s sh a v eb e e n c o n s i d e r e d , s u c h 嬲p r o c e s so p t i m i z a t i o n , t o o ls e l e c t i o n , w o r k p i e c ec l a m p i n g ，p l a n e a l i g n m e n ta n ds oo n t h e n ，as p e c i f i ca p p r o a c ht ot h e s ep r o b l e m sh a sb e e ng i v e n f i n a l l y , t h et w ob a s i cp r o c e s s i n gm e t h o d si nc n ce n g r a v i n gp r o c e s s l i n ec u ta n d c i r c u m c i s i o nc u tm e t h o dh a v eb e e ni n t r o d u c e d , a n dc o m p a r et h eb o t ha d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e sp o i n t s ，c o l l e c tl i n e c u t t i n gl a wa n dc i r c u m c i s i o nm e t h o dt od e s i g nb r i c k p r o c e s s i n gt o o lp a t h ，p r o p o s et h a te q u i d i s t a n tm e t h o ds o l v e sa n t i - t o o lk n i f ep l a n e sa n d t h ep r o j e c t i o nm e t h o dto p t i m i z e st h eb r i c kp r o c e s s i n gp a t h i ti sag o o ds o l u t i o nt ot h e p r o b l e mo fp a t hp l a n n i n g ；i na r t c a ms i m u l a t i o np l a t f o t i n ，r e a s o n a b l et o o lp a r a m e t e r s e t t i n g s ，t h em a t e r i a lp a r a m e t e rs e t t i n g s ，t h em a c h i n ep a r a m e t e r ss e t t i n g sa n da p p r o p r i a t e t o o lp a t hf i l e sh a v eb e e no b t a i n e db yr e p e a t e dt e s t i n g p r o g r a mo p t i m i z a t i o nm e t h o d s h a v e b e e np u tf o r w a r db yr e d u c ep r o g r a m m i n ge r r o r s ，a n di m p r o v et h er u n n i n g e f f i c i e n c yo ft h ep r o g r a m a tl a s t ，t h ep r o g r a mt h a tc o m b i n e sc n cm a c h i n i n gm e t h o d a n dt h et r a d i t i o n a lc a r v e da r t i f i c i a lr e p a i rp r a c t i c e sh a sb e e nd e s i g n e d k e y w o r d s ：b r i c km a t e r i a l ；p a t ho p t i m i z a t i o n ；m a c h i n i n ga c c u r a c y ；t o o lp a t hf i l e s n 硕+ 学位论文 插图索引 图1 1 砖雕应用实例1 图1 2 西欧各主义流派的雕塑作品4 图1 3 史前雕塑的代表实例5 图1 4 自交叉现象的问题6 图2 1 工艺流程8 图2 2 砖雕毛坯样品。1o 图2 3 裂纹产生的过程1 1 图2 4 裂纹非平面扩展模型1 2 图2 5 裂纹尖端场直角坐标系和极坐标分量1 2 图2 6 纯i 型加载时，归一化的裂纹扩展力随图2 5 中偏角的变化1 3 图2 7 归一化的裂纹扩展力随偏角的变化1 4 图2 8 青砖材质的气孔。1 4 图2 9 称量装置1 6 图2 1 0 压力试验机1 7 图2 1 l 测试点位置1 8 图2 1 2 曲线拟合精确度对比2 0 图2 1 3 弯曲强度测试试验平台2 1 图2 1 4 常温条件下青砖和石材的抗弯、抗压的曲线对比2 2 图3 1 艺术造型系统总体框架2 3 图3 2 z - m a p 法示意图。2 4 图3 3 二次b e z i e r 曲线与控制点2 6 图3 4 不同跨距对b e i z e r 曲线模型的影响2 7 图3 5 不同跨距对b e i z e r 曲线模型的影响2 8 图3 6 砖雕模型的获取方法2 9 图3 7 图像灰度化处理3 0 图3 8 灰度图的进一步处理。3 0 图3 9 浮雕模型效果对比3 0 图3 1 0 二值化图像模型生成流程3 l 图3 1 l 灰度处理的效果及所含颜色种类3 l 图3 1 2 图像初步处理过程3 l 图3 1 32 5 维模型生成实例3 2 图3 1 4 颜色合并过程3 3 图3 1 5 基于填充颜色的建模实例3 3 图3 1 6 位图边缘临摹后生成的矢量图实例3 3 图3 1 7 曲面融合建模实例3 4 图4 1 夹具的组成3 7 图4 2 气动类可换支承钳口通用虎钳3 7 图4 3 通用可调央具系统3 8 图4 4 台虎钳央具的使用3 9 图4 5 定位板、压板装夹砖雕工件示意图4 0 图4 6 打表时的高点和低点4 0 i i i 砖雕材质性能分析及数控雕刻加t 技术的研究 图4 7 雕刻刀具图例4 2 图4 8 刀具磨损阶段4 3 图5 1 程序生成的c 气m 流程图4 5 图5 2 行切法走刀方式4 7 图5 3 螺旋法加工方式。4 7 图5 4 行切法与环切法的比较4 8 图5 5 反刀具等距法原理示意图4 9 图5 6 刀具的离散表示。5 0 图5 7 行切刀轨规划与离散示意图一5 l 图5 8 环切刀轨规划与离散示意图5 2 图5 9 模型的刀具路径优化实例5 2 图5 1 0 工艺品模型实例5 3 图5 1 l 模型尺寸设置5 4 图5 1 2 模型材料设置5 4 图5 1 3 材料及其加工原点示意图5 4 图5 1 4 粗加工仿真路径及结果5 5 图5 1 5 图像的矢量偏置处理5 6 图5 1 6 半精加工仿真路径及结果5 6 图5 1 7 细节矢量区域选择5 7 图5 1 8 清角加工的路径仿真及结果5 7 图5 1 9 精加工的仿真路径及结果5 8 图5 2 0 刀具路径文件生成对话框5 9 i v 硕+ 学位论文 插表索引 表2 1 江南古建筑用青砖参考尺寸及允许偏差局部( 单位m m ) 9 表2 2 传统青砖外观质量要求及允许偏差( 单位：m m ) 9 表2 2 金砖的抗压强度等级1 6 表2 3 试样抗压强度平均值。17 表2 4 计算结果。1 9 表2 5 弯曲强度计算值2 2 v 硕士学位论文 1 i 课题研究背景和意义 第一章绪论 砖雕一般用作建筑用的构件，以青砖为基材用凿和木锤雕琢出各种人物、花 卉、风景、动物、书法等图案，用来装饰建筑的不同位置。种类有浮雕、透雕、 镂空雕和线刻等。其中很多用于民房、佛塔、寺院等建筑的前檐构件及墙面装饰， 不过其用途主要以建筑用为主，一般配合石雕、木雕用在建筑的不同部位【1 1 。一 般建筑用砖雕面积较大，细节雕刻技艺方面比较粗糙，不过整体气势磅礴、浑然 一体艺术美感十足，是雕刻师高智慧、高技能的结晶。如图1 1 。 ( a ) 上海豫园窗棂( 双面透雕) ( b ) 五台山菩萨顶通道门的砖雕装饰( c ) 浙江省南浔张石铭故居 图1 1 砖雕应用实例 目前国内建筑业兴盛，各类砖雕装饰墙面层出不穷，在各类装饰性庭院中比 较常见。不仅如此，在室内装潢过程中也常常采用一些精美砖雕工艺品。然而对 于砖雕的生产远未达到批量化的程度，仍然停留在手工作坊阶段。存在着生产自 动化水平低、过分依赖个人技术、生产效率低下，产品设计与开发周期过长、劳 动力投入过大、产品市场竞争力不强的不足的情况，再加上社会生活节奏的加快， 人口流动性等原因导致真正掌握这门技术尤其是年轻人越来越少，很多关键技术 得不到继承，使得我国这一传统的非物质文化遗产濒临消亡。 近年来c a d c a m ( 计算机辅助设计、计算机辅助制造) 、铣削技术的快速发 展，使得人们不断尝试和探索将先进制造技术的理念引用到砖雕的加工中去，实 现梦寐以求的自动化生产从而可以取代当前几乎纯手工作业的砖雕加工方法，提 高生产效率，缩短产品的开发与生产周期并在一定程度上提高了产品的加工精度 与加工速度，降低生产成本，实现砖雕生产的自动化、规模化、系统化，逐步摆 脱传统的手工作业生产模式，使人们从繁重的体力劳动中解脱出来。 砖雕材质性能分析及数控加- t 技术的研究 相比岩石、木料、象牙、陶瓷等材料，青砖材料存在着质地疏松、质催、硬 度大、密度不均并在生产过程中出现大小不等的气泡的问题【2 1 。这样在自动化生 产过程中就会出现崩屑现象，不仅产品质量达不到要求，还可能导致整个加工过 程的失败使企业蒙受巨大经济损失。因此对砖雕坯料性能进行分析，并对砖雕数 控雕刻机加工工艺进行研究以满足大批量自动化生产的需求，已经成为当今砖雕 自动化生产过程中的热点问题。 砖雕艺术作为中国传统造型艺术的重要组成部分，它所具有的人类最为本源 的精神特质及其创造本能体现在艺术中的生机，对于今天振奋中国主流艺术无疑 是一种极有益的调节和滋补，因此加快砖雕的市场化推广，使我国这一传统的艺 术精髓发扬光大，是我们当前需要面临的一个课题【3 】。保护我国这一历史悠久的 传统非物质文化遗产，使中国艺术走向世界对于弘扬民族文化精神具有历史性的 意义。 1 2 本课题相关的国内外研究状况 1 2 1 国内砖雕传统加工现状 砖雕艺术是我国独特的建筑雕刻艺术，它的产生与发展与我国古代独有的建 筑风格息息相关，在我国有着大约两千年的历史。 ( 1 ) 砖雕传统加工研究 国内传统的砖雕加工工艺没有统一规范的成文教材，匠工技术基本出自口授 师传或祖传。目前国内针对砖雕还没有形成完善的系统研究，迄今砖雕加工仍停 留在由工匠借助简单的辅助工具( 折尺、锯子、刨子、钻、铲、刻刀等) 手工雕 刻的阶段。产业化经营处于零散化小规模、作坊式的生产阶段。砖雕手工雕刻的 工艺流程其实并不复杂，但在技术上要求极高，其工艺流程主要包括：构思、手 工画图、选材、修砖、上样、刻样、打坯、出细、磨光、修复、成品等工序。其 中，手工图为硬笔简画，即根据客户的需要设计的对名家字画和传统雕刻图案的 临摹图；选材就是对青砖坯料的选择，不同批次的青砖坯料性能差异较大，对砖 雕质量的加工影响是不同的，因此选材是整个砖雕加工过程中很重要的一环；修 砖是将砖体打磨修整出雕刻基准面；上样就是工匠将图样描画到青砖上：刻样则 是为防止上样的图案在雕刻过程中被擦除，将图案浅刻在砖上；雕刻完工之后， 还要进行磨光和修复，以达到最佳效果，最后得到成品【4 。l 。 ( 2 ) 青砖制造工艺研究 作为生产过程中关键一环的砖雕坯料一青砖其制造工艺在我国有着悠久的 文化历史。现代青砖的需求量大，自然资源日益紧张，因此对传统青砖生产的研 究已经迫在眉睫。国内已经掀起一股研究青砖加工的热潮：许拥胜、徐国正等通 过对青砖的烧结工艺研究总结，认为烧制青砖的窑炉经历了从古代的间歇窑到现 2 硕l ：学位论文 代的连续窑的发展阶段，制砖生产工艺发生了重大变革。在砖坯成型方式上由手 工抟土制砖发展到今天的机械挤出或液压成型标志着轰轰烈烈的机械化大生产 模式的建立，氧化气氛下生产青砖也成为现实【6 9 1 。不过对于对工业废弃物的综 合利用仍然是整个行业开发的难点。在此基础之上提出了一套较为完整的现代化 青砖制作工艺，流程如下图1 2 所示： 图1 2 砖制作加工工艺流程图 国内大量的学者对研究青砖制造工艺做出了巨大贡献。例如：潘素瑛、恽怀 顺等研究通过调配粉煤灰配方提高活性在不降低粉煤灰砖力学性能的基础上降 低水泥用量，以期达到投资少、成本低、产品质量较高的目的节约成本提高劳动 生产率i l 叭。邢国，杨家宽等通过将工业废渣赤泥引入到砖的烧结中，实现了资 源的回收利用i l 。不过由于赤泥成分比例不确定性，烧结砖的质量得不到保证 金卓仁、姚佳良等通过对比不同的添加剂对粉煤灰的影响，研究一种能提高加粉 煤灰活性，加快水化速度，提高制品强度的符合外加剂【1 2 13 1 。任素梅、徐洪胜利 用本地工业废料铁尾矿粉、废碱渣、矿渣及粉煤灰，研制一种成本较低的免烧砖， 实现了节能利废、综合利用的目的。陈仁品、黄劲松等对镁铬砖这种线性材料 做了分析，并且采用v o d 视频点播技术对一些材料进行了试验，并且给出了镁 铬砖的操作使用条件。刘慧林研究了不同晶石矿体配方的青砖，在耐热震性、耐 腐蚀性、导热性等方面进行了比较，得到实验比较结果【1 4 i6 1 。 制作砖雕的原料是水墨青砖，它与砌筑墙体普通粘土砖有所不同，是特制的。 3 砖雕材质性能分析及数控加工技术的研究 目前，这种特制砖还没有实现大规模自动化生产，大部分工序仍然由手工完成， 制作工艺繁杂，造价昂贵。 1 2 2 国外传统雕塑的发展现状 国外并没有关于砖雕产品的研究，但是传统雕塑的发展历史悠久有着几千年 的历史，总的说来，西方的雕塑发展，大致可以分为三个部分：史前雕塑、古典 雕塑、现代雕塑。 史前雕塑的时间漫长，其演变反映史前人类文化逐渐丰富的过程，这一时期 没有明显的地域性分别，所以它标志着整个人类文明的最初探索，而并不单一的 代表。比较著名的史前雕塑有两个维纳斯，一件是距今2 5 0 0 0 年前的威伦道夫的 维纳斯，另一件是距今大约1 5 0 0 0 年前的维斯普格的维纳斯，这些滚圆丰满的妇 人形象，表达出原始人对丰产的象征性渴望，也表明人是如何执意要留下自己的 痕迹，要在现实的世界上打下自己的记号。如图1 3 所示。 a ) 威伦道夫的维纳斯b ) 维斯普格的维纳斯 图1 3 史前雕塑的代表实例 古典雕塑时期是各民族自身文化的形成时期，它直接反映出了不同时代和不 同地域所产生的文化的差异。此时的雕塑逐渐从人类的共性中独立出区域文化的 个性，并且形成不同的传统，不同的地域，不同的民族依照各自的传统继承、发 展和演变。这一时期在西方主要是指从古希腊古罗马文化的形成到十九世纪末现 代雕塑的出现为止。古希腊雕塑曾经被古埃及雕塑深深的影响过。古埃及雕塑 的审美理想是追求永恒，而古希腊雕塑的审美理想是追求真实的美。在这漫长的 几个世纪中，古典雕塑的发展达到鼎盛，从早期古埃及雕塑的代表一一狮身人面 像诠释的永恒之美到古希腊雕塑代表作之一的掷铁饼者所体现的真实美，是 西方古典雕塑时期迎来的第高峰。如图1 2 ( a ) 所示。从十四世纪起，在意大利， 由于人对自身价值的重新肯定和对世界的发现导致了文艺复兴运动的发生。在这 一时期，艺术家们将人作为了自己美学象征和追求的对象。在十五到十六世纪的 上半叶，这种思想得到发展与传播，从而彻底的改变了欧洲的面貌。许多雕塑大 师在这时相继涌现带来了大量的优秀作品。米开朗基罗无疑是文艺复兴时期最重 要的雕塑家。他的一生创作了无数艺术精品，构成了这一时期最经典的范式，主 4 硕士学位论文 要代表作品：雕像大卫( 1 5 0 1 1 5 0 4 ) ，是美术史中最为人们熟悉的不朽杰作， 也是最鲜明展示盛期文艺复兴意大利美术特点的作品。如图1 2 ( b ) 所示。在用一 块久被弃置的名贵石材雕刻大卫形象时，他真正实现了把生命从石头中释放出来 的理想，以精湛的技巧、强烈的信心，雕凿出这尊完美的英雄巨像【1 7 】。 在进入二十世纪以后有了很大的变化，一方面自希腊罗马的写实雕刻传统还 在继续，比如东欧的许多雕塑家主要以写实的方法进行创作。另一方面实验性艺 术的兴起转而取代厂学院派艺术，成为了主流。各个主义流派相继产生如立体主 义、未来主义、达达主义，其中立体主义的产生掀开了雕塑史的现代部分新篇章。 1 9 0 9 年毕加索的作品妇女头像是一个重要标志。如图1 2 ( c ) 所示。 图1 2 西欧各主义流派的雕塑作品 雕刻加工方面，国外雕刻成品按加工方法不同分为两种不同的类型；一种是 出于美学与艺术价值的考虑，雕刻艺术家在工作室中纯手工雕刻成的艺术品类， 注重艺术表现与价值，不注重生产效率；另一种是用雕刻机加工的制成品，这类 产品数量大，可以实现成批量的所生产，同时所蕴含的艺术价值也相对小【2 5 1 。 1 2 3 国内外雕刻系统c 觥a m 系统的现状 雕刻c a d c a m 系统是机械c a d c a m 系统中一个重要组成部分，它具有自 身的特点及其复杂性，是一个专业化的c a d c a m 系统。一般包括基本的图像处 理、图形输入、图像矢量化、二维轮廓刀具路径生成、二维封闭区域填充的刀具 路径生成、三维刀具路径生成、图形数据交换接口等模块。它和一般c a d c a m 系统相比，增加了图像处理、图像矢量化和三维提笔加工等内容。 国外一些工业发达国家早在7 0 年代就开始从事雕刻c a d c a m 系统的研究 工作，而国内的研究却一直在9 0 年代才开始。到现在，国内外都已研究开发了 一些雕刻c a d c a m 系统，有些系统已经商品化，但它们功能不一，矢量化处理 效果及拟合精度差异较大，刀具路径轨迹优化上、运算处理时间上都存在着不同 程度的问题，比较著名的有色列s c a n v 公司开发的c a s e m a t e 软件包、法国t y p e 3 公司的t y p e 3 软件、英国达尔康公司开发的a r t c a m 软件、美国p t c ( p a r a m e t r i c t e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n ) 公司的p r o e 、以及英国l i n c o m 公司研制开 发的a l p h ac a m 。国外的这些c a d c a m 系统几乎都具备了量化、二维刀具路 5 砖雕材质性能分析及数控加工技术的研究 径生成等功能，可以说各有各的优点。c a s e m a t e 的矢量化功能是目前几种国外软 件中较好一个，但没有浮雕功能；t y p e 3 软件的二维刀具路径生成速度快、效果 好，但其图像矢量化功能薄弱，精度较差，无法直接用于后置的加工处理，只有 对图像进行加工及处理才可以进行浮雕加工；a r t c a m 具有强大的浮雕功能，但 是图像编辑功能薄弱，图像矢量化精度不高，加工时要求图像区域大、清晰度比 较高；a l p h ac a m 最大的特点就是完全整合了微软公司的v b a 程式，能满足特 别的需要，但是主要优势体现在平面雕刻刀具路径上。 国内也有一些雕刻c a d c a m 系统，如北航海尔的雕刻2 0 0 0 ，精雕公司的 j p a i n t ，北京文泰公司雕刻系列软件等，这些雕刻软件相比国外的同类产品功能 略有不足，很多并不能满足加工的实际需要。 1 2 4 目前雕刻c a d c a m 系统存在的问题 ( 1 ) 图像矢量化精确度不高 目前大多数c a d c a m 具备失量化功能，但矢量化精度不高，经常会产生交 叉点，有时甚至无法形成一个封闭轮廓线，以致无法用于后置的雕刻加工处理。 ( 如图1 3 所示) 所选的一幅经过矢量化处理的麒麟图像。 o ( b ) 局部放大图 图1 4 自交叉现象的问题 可以看出，在图像的细小花纹处或文字部分，矢量化功能出现异常出现了断 开线段以及多处交叉点。 ( 2 ) 刀具路径优化处理能力较弱 在二维轮廓加工或区域填充加工时，没有提供螺旋式下刀功能，加工过程的 抬刀次数多，空运行路程长，影响雕刻加工效率和加工出来产品的质量。三维曲 面的雕刻路径生成时没有考虑刀具干涉等问题，甚至有些雕刻系统生成的n c 代 码程序全部由直线段组成，无圆弧段生成的文件长，影响加工速度。 ( 3 ) 系统的实用性不强 系统所运用的经验数据与实际加工过程不相符，人工修复率较高。 6 门川u 硕l ：学位论文 i i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 皇昌_ _ _ _ _ _ 量_ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 1 3 课题的研究内容 1 3 1 课题的主要任务 本课题主要研究砖雕c a d c a m 系统的实现过程，针对砖雕材质的特殊性， 研究砖雕材质的性能并寻找适合砖雕的数控雕刻加工工艺。课题的最终目的是生 成适合砖雕数控加工的n c 代码程序，尽可能减少崩屑现象产生的不利影响，降 低人工修复率，实现砖雕大规模批量化生产的目的，使得我国这一传统的文化得 以传承。 砖雕三维模型的建立同其它雕刻建模型一样，都比较复杂，本文所用图案 有两种来源：一种是在c a d 模块下设计砖雕图案，并制作3 d 模型；另一种是 图片扫描得到图片，处理后制作3 d 模型。在三维建模建立的基础之上，确立生 成数控加工的条件，确定合适的加工工艺、加工参数以及后处理文件。对砖雕加 工的技术要求正确选择加工方法。 本课题的主要任务包括： ( 1 ) 从加工质量、加工精度、加工效率等几个方面综合考虑不同的砖雕材质在 数控雕刻工程中的差异性，通过大量实验、系统仿真等方法重点研究砖雕材质的 外观质量、物理、力学性能，建立一套比较完整的材质质量评价体系，为以后确 定加工参数、合适的加工工艺奠定基础。 ( 2 ) 砖雕艺术图案多样、形状复杂，本文从图案线条方面出发研究认为砖雕雕 刻面不外乎两种类型：一种为平面二维雕刻另一种为异性面三维雕刻。需要确定 合适的建模方式。 ( 3 ) 为了最大程度的控制崩屑，达到提高效率、保证加工质量的目的本文重点 研究适用于砖雕刀具的加工路径并提出具体的优化方法。 ( 4 ) 考虑在实际加工生产过程中影响加工精度的几个问题，如工序的优化、刀 具的选择、工件的装夹、平面的找正等，需要这些问题的具体处理方式。 ( 5 ) 运用相关的仿真平台，对砖雕模型进行仿真加工，优化参数设置，生成高 效、快速的刀具路径文件 1 3 2 拟解决的关键性问题 ( 1 ) 分析材质的某些性能，建立合适的质量评价体系，方便选材。 ( 2 ) 研究刀具的修磨方法，解决加工过程之中的经常出现的短刀、加工效率低 下的问题。 ( 3 ) 改进砖雕数控加工工艺，提高加工质量。 7 砖雕材质性能分析及数控加t 技术的研究 第二章砖雕材质的性能分析 2 1 砖雕材质的制作 制作砖雕的原料是水墨青砖，不同与普通的粘土砖。一般有一套独特的制 作工艺流程，具体流程如图2 1 所示。 l 选土卜- 一叫澄浆卜_ _ 叫练泥卜_ - 叫成坯卜叫阴干卜_ 1 烧制i i 、ji - j 、j i - jl - ji - j 图2 1 工艺流程 其中，选土要求黏而不散、粉而不沙否则即便成砖了，也不能用于雕制精细 的作品。澄浆这道工序不是每个地区都需要的，土质较砂的地区取出的土，需用 水调和。在注入大量的水调成稀糊状后，再沉淀，并排除多余的水，得到了质地 细稠的生泥。练泥是制砖工序中最关键的步骤，很多地区都借助人畜之力进行踩 踏将泥练熟。以苏州金砖为例，练泥时，使用人力用脚踩踏。将采来的上好粘土 一片一片的扦碎，再把扦碎后的泥和在一起用脚踩，直到把烂泥彻底练熟。成坯 是指把练熟后的烂泥制成一定规格的砖坯，如“金砖”是一块块的大方砖，有各 种尺寸的，由于体积不小，且全过程都需要用手工来完成，因此生产率不高。阴 干即将制好的砖坯放置在密闭的环境中阴干，不能在风口下风干，或在日头下晒 干，否则会在砖坯本体上造成水分挥发得不均匀，从而生成砖坯内的暗伤，烧制 后容易出现裂缝，或容易在一块砖上造成硬度不均匀的状况。最后一步为烧制， 需要注意的是砖入窑时的堆放有一定讲究，贴近窑炉四壁的放置普通建造房屋用 的砖瓦，而只在炉中间的部位放置质地要求高的砖雕用砖坯。烧成后起窑，便可 得到敲击能发出清脆声响的青砖i l 引。 2 2 砖雕材质外观选取方法 砖的标准还未成形几乎完全处于空白阶段，依据砖瓦、石料等材料相关规定， 大体可以从外观质量、物理性能、泛霜度、石灰爆裂和烧成火度等几个主要检验 项目，将青砖等级分为优等品、一等品与合格品。采用目测与工具测量的方法对 金砖外观质量进行检测，其中，尺寸要求需要工具测量，外观质量采用目测的方 法【19 1 。 因土质不同，江南青砖有着独特的优势，种类繁多。历来为砖雕材质选择的 上品，江南古建筑青砖的规格尺寸如表2 1 所示。 8 表2 1 江南古建筑用青砖参考尺寸及允许偏差局部( r a m ) 长度宽度 厚度 名称 允许偏差 允许偏差 允许偏差 尺寸尺寸尺寸 优等品合格品 优等品 合格品优等品合格品 城砖4 2 02 552 0 01 54 1 0 013 墙砖 4 0 0 2 55 2 0 0l 44 012 大金砖 7 2 0237 2 0231 0 013 方砖5 0 0355 0 0357 024 条砖 4 0 02 552 0 0l44 01 3 望砖2 1 0131 0 5l31 412 黄道砖 1 7 0138 0l33 5l2 双开砖 2 4 01 541 2 0132 512 青砖的外观质量是有严格要求的，主要通过目测法进行判定，具体做法为： 式样按坐标轴x 轴方向放五件，y 轴方向放五件，砖与砖之间紧靠组成5 5 正方 体格的形式，在自然光照下目测检验，检验者身体不应倾斜。特别指出的是目测 法对裂纹的检测是不全面的，目测法可以检验外裂纹对于内裂纹是无效的，有经 验的师傅通过听声音判断内裂纹的有无。如表2 2 所示。 表2 2 传统青砖外观质量要求及允许偏差( r a m ) 完整面的数量 合格品不少于一个露明面 优等品不少于一个露明面和一个与之形成夹角的面 色著 基本一致无要求基本一致无要求基本一致无筹别 从两表的各项对比可以看出优等品的金砖无论是在尺寸偏差在外观质量的 各个项目中都比同类产品要严格。 金砖出产于苏州郊外，古时专供宫殿等重要建筑使用的一种质量非常高的铺 地方砖。因其质地坚细，敲之若金属般铿然有声故而得名。这种大方砖 9 砖雕材质性能分析及数控加工技术的研究 7 0 4 x 7 0 4 x 5 0 、6 4 0 x 6 4 0 x 5 0 、5 4 4 x 5 4 4 x 5 0 、4 4 8 x 4 4 8 5 0 等几种规格，苏州郊外 的土质细腻含胶状体丰富、可塑性强，因而制成的金砖坚硬密实，特别适合用来 雕刻。 以其中的一种规格的金砖为例，用精度为l m m 的直尺测量两棱角及长度四 等分点处的厚度啊、鸭、丸、鬼，得到、。优等品要求k k 2 r a m 。 如图2 2 所示。 ( a ) 金砖实体 ( b ) 三维矢量 图2 2 砖雕毛坯样品 经过目测法与直尺测量后，得到达到优等品要求的金砖，为砖雕材质的选择 做出第一步。 2 3 砖雕材质结构性质、力学性质及其他性质分析 由于青砖材料属于硬脆材料，用这种材料作为数控雕刻的基材要保证加工质 量有较大的难度，最突出的特点就是脆性高，断裂韧性低，弹性极限与强度非常 接近，加工时断裂崩屑现象普遍存在。因此在材料选择时，不仅要求较高的表面 质量，材质的力学、物理性能等都要求从数值方面反映出合理的标准。 2 3 1 裂纹路径模型的提出 对于脆性材料的裂纹扩展早已有研究。一般认为裂纹沿自身平面扩展，在外 加载荷的作用下，这个平面倾向于所受载荷力的最大拉应力分力方向。这种假定 构成了一种直观的依据用来解释简单系统中的裂纹方向。然而一般说来对于青砖 这种脆性材料这种假定是不合适的：裂纹实际上可能偏离其原来的平面，有时突 然偏离并通过外加剪切载荷区域传播。在砖雕的加工过程中会经历如下的过程， 如图2 3 所示。 i o 硕l ：学位论文 ( a ) 初期加工面的状态 ( b ) 刀具开始深入时的状态( c ) 产生崩屑现象 图2 - 3 裂纹产生的过程 从裂纹的成型机理来看，裂纹路径的走向于崩屑现象的产生是密不可分的 【2 们。在加工过程中，我们希望裂纹路径沿着加工面的垂直方向而不是水平方向扩 展。图2 3 ( c ) 显示横向断裂裂纹的产生严重破坏了加工平面。可以看出，分析裂 纹路径是解决问题的关键。 。 假设任意取一个包含特征尺寸为c 的裂纹的静态系统，探讨一下扩展增量昆的相对 方向，这时提出假设：在使系统总能量减少最快的方向上扩展时最有利的。按式( 2 1 ) ， 这相当于g 一2 y 最大方向。 j u g 昆+ 2 r & ( 2 1 ) 其中，u 静态裂纹系统的能量 g 裂纹前缘单位宽度的裂纹扩展力 7 与表面能相关的单位宽度裂纹前缘的广义表面张力 于是，对于整个裂纹系统，问题成为寻找机械能释放率g 的极大值方向。事 实上此类问题是十分复杂的，这里从平面应变条件下的各向裂纹系