王 晶，黃身桂,2，黃 輝,2，黃吉祥，徐西鵬,2

（1.華僑大學(xué) 制造工程研究院，廈門 361021；2.華僑大學(xué) 機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院，廈門 361021）

0 引言

石材資源具有兩重性，除了使用價(jià)值外，更具有觀賞價(jià)值。當(dāng)石材制品被加工成藝術(shù)品時(shí)，其價(jià)值更難衡量。石材工藝制品是指通過手工或機(jī)械加工將石材加工成具有一定藝術(shù)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的一系列產(chǎn)品總稱，其加工工藝主要有料石、切割、裁板、拋光、齊頭和成品[1]。按照制品特點(diǎn)的不同，異型石材制品可分為平面異型制品、曲面異型制品、實(shí)體回轉(zhuǎn)體制品和雕刻制品等四大類[2]。其中雕刻制品的加工難度最大，但產(chǎn)品附加值最高。異型石材雕刻制品的加工方式經(jīng)歷了由全手工雕刻、半自動(dòng)化雕刻到全自動(dòng)化數(shù)控雕刻的轉(zhuǎn)變，其中全自動(dòng)化數(shù)控雕刻在加工效率和精度上都給石材雕刻行業(yè)帶來了很大提高，已經(jīng)開始慢慢替代傳統(tǒng)的手工雕刻，目前已有的全自動(dòng)化雕刻加工設(shè)備主要有專用雕刻機(jī)械、石材加工中心和機(jī)器人三類。CAM（Computer Aided Manufacturing）在整個(gè)全自動(dòng)化數(shù)控雕刻中占有著重要地位，無論是專用雕刻機(jī)械、石材加工中心還是石材雕刻機(jī)器人，其加工過程中都需要用到CAM，CAM在石材雕刻中具有無可替代的作用，對整個(gè)行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

1 石材雕刻背景

異型石材雕刻加工技術(shù)的發(fā)展記錄了世界文明的發(fā)展，從法國舊石器時(shí)代的野豬、圓雕裸女到新時(shí)期的石刻人像，無不反映著人類文明的發(fā)展史。石雕是天然石材制品中種類最多的一種，也是異型石材制品的一個(gè)大類，其數(shù)量龐大、種類繁多，應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大。

1.1 石材雕刻的意義及現(xiàn)狀

石雕作為一門藝術(shù)，是石材與雕刻藝術(shù)的完美結(jié)合，具有悠久的歷史。它展現(xiàn)了民間工藝精湛的技藝和奇特的創(chuàng)造力，是一種歷史文化的傳承，具有很高的藝術(shù)價(jià)值和文化價(jià)值。石雕不僅具有很高的藝術(shù)價(jià)值，而且具有很好的觀賞性，因而其經(jīng)濟(jì)價(jià)值也相當(dāng)高，加工完成的石雕藝術(shù)品與未加工的原石相比其價(jià)值可能會有百倍甚至千倍的提升。因此，石雕雖然起源于藝術(shù)品的加工，但其深厚的文化內(nèi)涵和超高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值也促使其走入了工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。

近年來隨著生活水平的提高，石材制品越來越多地被用于建筑裝飾行業(yè)，人們對石雕制品的需求，無論從加工技藝還是從生產(chǎn)規(guī)模上都出現(xiàn)前所未有的增長[3]。伴隨著石材制品向著高質(zhì)量、藝術(shù)化、多樣化方向的發(fā)展，市場對異型石材制品的種類、形狀和精度的要求也越來越高，不斷對石材加工企業(yè)提出新的挑戰(zhàn)。通過提高石材制品的加工能力，來實(shí)現(xiàn)石材加工產(chǎn)品的多樣化以獲取超額利潤成為目前石材行業(yè)的共識。在石材機(jī)械高度發(fā)達(dá)的國家里，石材加工企業(yè)特別重視提高效率和產(chǎn)品的質(zhì)量，減少加工過程中的損失，因而出現(xiàn)了很多自動(dòng)化程度特別高的石材加工設(shè)備。

就國內(nèi)而言，憑借豐富的石材資源和勞動(dòng)力資源，近年來我國石雕產(chǎn)業(yè)規(guī)模逐步擴(kuò)大，產(chǎn)品質(zhì)量日益提高，已成為石材加工和出口大國。而由于我國用于石材雕刻制品加工的技術(shù)和設(shè)備與意大利等石材工業(yè)強(qiáng)國相比仍存在著一定差距，目前我國出口的石材產(chǎn)品主要以荒料和普通板材為主，而對于附加值較高的石雕工藝品在國際市場的占有率卻很低，造成了石材資源的大量浪費(fèi)。只有不斷提高石材制品的加工能力，增加加工過程中孕育的無形與有形資源，我國石材行業(yè)才能取得更好更健康的發(fā)展。

1.2 石材雕刻加工方式

石材雕刻制品包括復(fù)雜的平面浮雕以及各種立體雕刻制品，如圖1所示，目前成批量加工的石雕就有百余種，即有需用起重設(shè)備安裝的整體或組合式巨型雕刻件，也有可置于掌心、浮于水面的不朽欣賞品和裝飾品[4]。石雕加工的技藝要求和難度遠(yuǎn)高于其他類型的石材制品，其加工工藝主要為石料、雕刻、打磨和成品，加工方式大致可以分為三種：全手工雕刻、半自動(dòng)化雕刻以及全自動(dòng)化雕刻[5]。

圖1 石雕異型制品

全手工雕刻指采用傳統(tǒng)的刀、鑿錘擊等最原始的工具對石材雕刻工藝制品進(jìn)行加工，所需勞動(dòng)強(qiáng)度大、加工效率低，但加工出來的雕刻制品具有其他加工方法所不具備的靈性。半自動(dòng)化雕刻指采用電氣動(dòng)刀、鑿等工具進(jìn)行加工，加工效率明顯提高，但加工過程中產(chǎn)生的石粉或金剛石粉對人身體健康有很大危害。

目前大多數(shù)石材雕刻企業(yè)采用全手工加工配合半自動(dòng)化加工，在保證加工質(zhì)量的基礎(chǔ)上大幅度節(jié)省了人力勞動(dòng)，提高了加工效率，但是還存在很多問題。在石雕工藝制品加工上半自動(dòng)化加工仍然需要人工進(jìn)行全程操作，每件工藝制品消耗的工時(shí)仍非常多，人工操作在加工時(shí)難免會有失誤，易造成加工質(zhì)量的不穩(wěn)定。除此之外，這種加工方法還會對人的身體健康會產(chǎn)生很大傷害，由于采用電氣動(dòng)的工具，工人的工作環(huán)境中飄浮著大量的粉塵，長期大量吸入含二氧化硅的粉塵容易引發(fā)矽肺病。長時(shí)間的切割振動(dòng)和過量刺激會導(dǎo)致從業(yè)人員出現(xiàn)頭痛、頭暈、耳聾、耳鳴等嚴(yán)重疾病，同時(shí)由于工作人員的不當(dāng)使用機(jī)器還會引發(fā)電擊傷、切割傷，甚至造成生命危險(xiǎn)。

近年來石材工藝制品隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民購買力的提高而得到很大發(fā)展，但石雕工藝制品傳統(tǒng)的全人工和半自動(dòng)加工方法面臨諸多困境，越來越不適應(yīng)行業(yè)未來發(fā)展需要。石材雕刻不僅枯燥而且人才培養(yǎng)周期相對較長，行業(yè)有“三年出徒，五年成師”的傳言，加之當(dāng)代年輕人普遍不愿從事艱苦枯燥工作的就業(yè)觀念，造成石雕行業(yè)雕刻人員緊張的現(xiàn)象。石材雕刻工藝制品加工過程中存在的問題迫切需要自動(dòng)化程度高的加工設(shè)備去解決，隨著制造技術(shù)不斷升級，越來越多的企業(yè)開始嘗試全自動(dòng)雕刻方法[6～10]。

全自動(dòng)化雕刻加工是利用數(shù)控雕刻機(jī)床、機(jī)器人等自動(dòng)化程度較高的設(shè)備，并配合CAM軟件生成加工路徑，自動(dòng)完成工件開粗、半精加工和精加工過程，基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的加工方法。該方法具有可重復(fù)性高、整體加工效率高及廢品率低等優(yōu)點(diǎn)。全自動(dòng)化雕刻加工是一個(gè)系統(tǒng)工程，即要有相應(yīng)的加工設(shè)備，也需要其他相關(guān)技術(shù)的支持[11,12]。

1.3 全自動(dòng)化石材雕刻數(shù)控加工設(shè)備

不同的加工方式需要有對應(yīng)的加工設(shè)備來支撐，用于石材雕刻的加工設(shè)備在整個(gè)行業(yè)的發(fā)展過程中也經(jīng)歷了很大的變革。傳統(tǒng)的自動(dòng)化和半自動(dòng)化雕刻工具有刀、鑿、錘和電氣動(dòng)刀、鑿，主要由人工雕刻，隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)今世界各國制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術(shù)來提高制造能力和水平，石材雕刻行業(yè)也出現(xiàn)了越來多采用數(shù)控技術(shù)控制的全自動(dòng)化加工設(shè)備，主要可分為石材雕刻機(jī)、石材加工中心和石材加工機(jī)器人三類。

石材雕刻機(jī)是指專門針對雕刻加工的機(jī)床，按結(jié)構(gòu)可分為立式雕刻機(jī)、臥式雕刻機(jī)和龍門雕刻機(jī)，無論國內(nèi)外，石材雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)都多以臥式為主，如圖2所示，且目前用于立體雕刻的多為三軸或四軸聯(lián)動(dòng)、并可配制多個(gè)主軸的雕刻機(jī)。其中，五軸雕刻機(jī)是多軸數(shù)控雕刻機(jī)的典型代表，相對于應(yīng)用廣泛的三軸雕刻機(jī)具有更高的曲面加工質(zhì)量、精度和效率，逐漸成為雕刻、切削領(lǐng)域的市場主流技術(shù)。雖然目前市場上的雕刻機(jī)品牌樣式繁多，即有高性能、高精度的知名雕刻機(jī)品牌，如美國的“雕霸”、法國的“嘉寶”和日本的“御牧”，也有一些體積小、成本低、操作簡單的新型雕刻機(jī)。但現(xiàn)有雕刻機(jī)在復(fù)雜三維圖形雕刻中的雕刻質(zhì)量和效率都有待提高，保證石材雕刻高效率和高質(zhì)量是石材雕刻機(jī)發(fā)展的必然要求[13～16]。

圖2 臥式石材雕刻機(jī)

如圖3所示的石材加工中心是由傳統(tǒng)金屬加工中心改裝過來的，主要用來加工板材、異型制品的一種石材加工設(shè)備，目前比較著名的廠家有INTERMAC、CMS、Briton、Thibaut等。其中，意大利INTERMAC公司的Master Stone 45 Plus異型石材加工中心代表了目前異型石材制品加工機(jī)械的最高水平，該加工中心可更換不同的擺頭，具有很高的靈活性，是理想的異形石材制品加工設(shè)備。意大利CMS公司的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心SPEED Y2000，適用于加工各種硬脆性材料，同樣在異型石材制品加工中應(yīng)用廣泛。在眾多的石材加工數(shù)控設(shè)備中，加工中心是一種比較有效的加工方式[17～21]。

圖3 石材加工中心

石材加工機(jī)器人是將一種工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于石材加工的數(shù)控加工設(shè)備，如圖4所示。工業(yè)機(jī)器人隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)械電子技術(shù)、傳感器技術(shù)等應(yīng)運(yùn)而生，應(yīng)用廣泛，是一種最典型的且最先進(jìn)的機(jī)電一體化裝備[22]。從工業(yè)機(jī)器人的誕生到如今，各國對機(jī)器人用于制造業(yè)的研究投入大量的人力物力，機(jī)器人用于加工也一直是機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題，大量學(xué)者不斷提出基于各種算法（遺傳算法、模糊算法、進(jìn)化算法）的新的規(guī)劃方法來從各方面提高機(jī)器人的性能[23～29]。機(jī)器人具有較高的自由度數(shù)，可以在三維空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)位置和姿態(tài)的任意轉(zhuǎn)換，大大拓寬了其加工范圍。近年來越來越多的工業(yè)機(jī)器人開始投入到石材加工領(lǐng)域中，用于石材制品加工的機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)對大理石、花崗巖進(jìn)行雕刻、鋸切、銑削和搬運(yùn)等操作。石材雕刻機(jī)器人的出現(xiàn)不僅提高了石材雕刻制品的產(chǎn)量與質(zhì)量，而且對提高勞動(dòng)生產(chǎn)率及保障人身安全具有重要意義[8,30]。目前，國外已經(jīng)出現(xiàn)一些石材雕刻機(jī)器人如瑞典的ABB、日本的FANUC、德國的KUKA、美國的Adept technology以及意大利的COMAU工業(yè)機(jī)器人，可以通過更換不同的機(jī)械手終端實(shí)現(xiàn)各種不同的切削、銑削或雕刻功能，但也僅處于初步階段[31]。我國工業(yè)機(jī)器人起步較晚，國內(nèi)生產(chǎn)的機(jī)器人大多用于搬運(yùn)、噴涂工作，機(jī)器人在石材雕刻領(lǐng)域的應(yīng)用目前仍處于研究和探索階段。

圖4 石材雕刻機(jī)器人

石材雕刻數(shù)控加工的基本流程如圖5所示。實(shí)際加工中，用于石雕工藝的模型一般來源于CAD軟件設(shè)計(jì)作品和三維掃描儀掃描實(shí)物模型[32～35]。CAM是石材數(shù)控雕刻加工不可或缺的一步，無論雕刻機(jī)、加工中心還是機(jī)器人在加工時(shí)都需要通過CAM系統(tǒng)設(shè)定加工軌跡與工藝，最后生成相應(yīng)設(shè)備的NC代碼完成加工。CAM軟件在整個(gè)石材加工數(shù)控系統(tǒng)中具有關(guān)鍵性作用。

2 CAM在數(shù)控加工中的應(yīng)用

CAD/CAM技術(shù)是近年來工程技術(shù)領(lǐng)域中發(fā)展最迅速、最引人注目的一項(xiàng)高級技術(shù)，它已成為工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化的代表。CAD/CAM即計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及制造（Computer Aided Design and Computer Aided Manufacturing）。CAD是指利用計(jì)算機(jī)硬件與軟件系統(tǒng)完成設(shè)計(jì)過程的信息檢索、分析、綜合、造型、修改及文件編制工作，輔助人們對產(chǎn)品或工程進(jìn)行設(shè)計(jì)、修改及顯示輸出的一種設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)活動(dòng)。CAM與CAD類似，也是一種輔助手段，甚至比CAD應(yīng)用更為廣泛，用來幫助工藝人員根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息進(jìn)行工廠實(shí)際加工，對產(chǎn)品加工進(jìn)行仿真，生成并管理加工工藝、加工設(shè)備和NC代碼[36,37]。

圖5 數(shù)控加工工藝流程

2.1 CAM的基本功能分析

在加工過程中CAM軟件主要負(fù)責(zé)數(shù)控加工程序以及刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的生成，并且對相關(guān)的工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，以保障數(shù)控設(shè)備實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的加工動(dòng)作[38]。CAM軟件的基本功能是前置處理和后置處理功能。

2.1.1 CAM的前置處理功能

前置處理包括系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入接口、刀具軌跡和其他工藝適應(yīng)性。在對零件數(shù)控編程前，必須首先獲得零件的模型信息。大多情況下造型設(shè)計(jì)工程師和加工設(shè)計(jì)工程師采用的是不同的CAD軟件，需要CAM軟件可以讀取其他CAD軟件的設(shè)計(jì)結(jié)果，這就要求CAM軟件的數(shù)據(jù)輸入接口能夠正確讀取多種CAD軟件的輸出數(shù)據(jù)。大多數(shù)軟件都可以提供IGES、DXF、STL、SAT等通用接口，有的還具有針對一些著名軟件如Pro/E、UG、CATIA的專門接口，不同的軟件專長的數(shù)據(jù)格式不同，支持的程度也有所差異[39]。

在復(fù)雜曲面的多坐標(biāo)數(shù)控加工中，通過對刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的計(jì)算生成的刀具軌跡文件是數(shù)控編程的核心內(nèi)容，刀具軌跡的優(yōu)劣直接影響加工精度和加工效率。常用的刀具路徑確定方式有：等參數(shù)線法、平行截面法、等距偏置法、導(dǎo)動(dòng)面法、特征提取法等。近年來有些學(xué)者將空間填充曲線法應(yīng)用于刀具軌跡規(guī)劃中，圖6Hilbert曲線是軌跡規(guī)劃中應(yīng)用最多的填充曲線，該方法具有很好的連續(xù)性，但是切削方向變化頻繁對加工表面質(zhì)量有很大影響，切削過程中的干涉問題也尚未解決[40,41]。以上幾種路徑生成方法都是根據(jù)殘余高度的最大值來確定相鄰刀具路徑的，因此沿刀具路徑存在重復(fù)切削，曲面加工效率低。雖然有學(xué)者提出自適應(yīng)等平行截面法和自適應(yīng)等參數(shù)線法，將曲面進(jìn)行劃分，不同區(qū)域采用不同的截面間距或參數(shù)間距，避免了局部區(qū)域的冗余刀具軌跡，但仍無法消除其固有缺點(diǎn)，加工效率提高有 限[42,43]。而等殘余高度法則是通過控制相鄰刀具間的殘余高度不變，在已知一條加工路徑、刀具半徑和允許殘余高度前提下可以計(jì)算下一條刀具路徑，加工效率高，但是計(jì)算復(fù)雜、計(jì)算效率低。

圖6 一階、二階和三階Hilbert曲線[40]

在目前的CAM系統(tǒng)中很少有基于等殘余高度的規(guī)劃算法。有關(guān)復(fù)雜曲面數(shù)控加工的路徑生成算法仍存在不足，大多數(shù)算法不具有普遍性，無法滿足通用性要求，仍需進(jìn)一步研究。加工路徑確定過程中還需要綜合考慮行距和步長的確定。行距計(jì)算過于保守，增加加工時(shí)間，導(dǎo)致效率下降；但行距值太大，曲面殘余高度增大，需要較多后續(xù)處理才能達(dá)到精度要求，整體加工效率較低。走刀步長小則刀位數(shù)據(jù)密度大，加工程序膨脹，程序執(zhí)行時(shí)還會導(dǎo)致進(jìn)給速度波動(dòng)和平均速度下降，從而影響加工效率和表面質(zhì)量。反之，步長過大，加工效率提高，但加工表面質(zhì)量差，后續(xù)處理工作量大，整體效率降低[44]。零件最終的加工質(zhì)量也與CAM軟件對加工工藝的支持度密切相關(guān)，對不同的零件或同一個(gè)零件的不同部位，不同輪廓形狀，需要不同的走刀方式，除此之外還要具有過切保護(hù)和導(dǎo)桿的干涉檢查等功能。如何在保證精度要求的前提下盡可能獲得高的加工效率是曲面加工技術(shù)中亟待解決的問題。

2.1.2 CAM的后置處理功能

不同的設(shè)備即使加工相同的文件，其代碼的格式也不盡相同，不同設(shè)備的控制器對程序格式和指令也都有不同要求。只有結(jié)合特定設(shè)備要求的格式，生成該機(jī)床能夠識別的NC代碼才能驅(qū)動(dòng)機(jī)床。因此后置處理是數(shù)控加工的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，主要任務(wù)是把CAM軟件前置處理生成的軌跡和工參信息文件，轉(zhuǎn)換成特定控制器可接收的特定格式控制代碼。好的CAM軟件，對于常見的機(jī)床控制器，都要求能提供專門的后置處理和用戶化后置處理過程[45]。工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)不同于加工中心等數(shù)控設(shè)備，雖然借助多軸聯(lián)動(dòng)的軟件獲得的刀位軌跡也可以用于工業(yè)機(jī)器人的雕刻加工，但是缺少相對應(yīng)的石材工藝制品雕刻機(jī)器人后置處理程序，不能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的控制。因此，在設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)時(shí)需要專門針對工業(yè)機(jī)器人的軌跡生成及相應(yīng)的后置處理進(jìn)行研究。我國已經(jīng)有大批學(xué)者進(jìn)行了這方面的探索，提出很多基于機(jī)器人加工異形曲面的新的路徑規(guī)劃方法與實(shí)現(xiàn)方案，很大程度上提升了機(jī)器人自動(dòng)編程能力，提高了加工效率與精度[46～48]。

2.2 數(shù)控加工CAM的現(xiàn)狀

CAD/CAM具有的強(qiáng)大功能使其廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造領(lǐng)域，發(fā)展勢頭有增無減，已經(jīng)成為衡量一個(gè)國家機(jī)械制造技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一。國內(nèi)外傳統(tǒng)制造行業(yè)已經(jīng)在數(shù)控編程技術(shù)上進(jìn)行了廣泛深入的研究，從計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)到計(jì)算機(jī)輔助制造，由于高額的人力、物力、財(cái)力的投入，已經(jīng)出現(xiàn)了很多商品化的CAD/CAM軟件，如目前在機(jī)械加工領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛的Pro/E[49,50]、UG[51～53]、MasterCAM[54,55]、Cimatron[56]等，都可以生成用于數(shù)控加工的文件。

Pro/E是美國參數(shù)技術(shù)公司（PTC）推出的新一代CAD/CAM/CAE軟件，其CAM系統(tǒng)可以提供最佳加工路徑，具有智能化加工路徑創(chuàng)建功能，允許NC編程人員對整體的加工路徑中最細(xì)節(jié)的部分進(jìn)行控制[49,50]；UG是美國UGS公司的主導(dǎo)產(chǎn)品，是全球應(yīng)用最普遍的 CAD/CAM/CAE一體化軟件系統(tǒng)之一，UG的CAM模塊功能十分強(qiáng)大，它提供了一種產(chǎn)生精確路徑的方法，該模塊允許用戶通過觀察刀具運(yùn)動(dòng)來圖形化地編輯刀具軌跡，其后置處理模塊支持各種數(shù)控系統(tǒng)[51～53]；MasterCAM是一種應(yīng)用廣泛的中低檔CAD/CAM軟件，由美國CNC Software公司開發(fā)具有可靠的路徑校驗(yàn)功能，新的加工選項(xiàng)如多曲面徑向切削和將刀具軌跡投影到數(shù)量不限的曲面上，使用戶具有更大靈活性[54,55]；Cimatron是由以色列Cimatron公司開發(fā)的軟件，該軟件功能齊全、操作簡便、學(xué)習(xí)簡單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用[56]。這幾款軟件都可以提供多種圖形文件接口，在數(shù)控加工中應(yīng)用廣泛。

CAM軟件廣泛應(yīng)用于機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)、模具制造等企業(yè)的數(shù)控編程及加工，正逐步替代傳統(tǒng)的手工編程方式。CAM應(yīng)用于數(shù)控加工中不但節(jié)約了成本、增高了加工的靈活性和加工的可重復(fù)性，而且數(shù)控機(jī)床按照所設(shè)計(jì)的程序進(jìn)行加工，使得生產(chǎn)時(shí)間也相對容易控制。這些系統(tǒng)都有自己完整的功能模塊，應(yīng)用環(huán)境也相對成熟。然而，雖然這些CAM軟件在數(shù)控加工領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，在石材雕刻加工上卻有很大局限性。

3 石材數(shù)控雕刻CAM的現(xiàn)狀及發(fā)展

CAM是石材數(shù)控雕刻加工系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，由于石材數(shù)控雕刻自身的特殊性及復(fù)雜性，其對CAM系統(tǒng)的功能要求也有很大不同，無法采用常規(guī)的數(shù)控加工CAM系統(tǒng)對其進(jìn)行編程，雖然目前市場上有一些可用于石材數(shù)控雕刻的CAM軟件，但其功能也不能很好地滿足石材數(shù)控雕刻的要求。

3.1 石材雕刻 CAM的現(xiàn)狀

目前石材領(lǐng)域應(yīng)用較多的是通用CAM軟件Delcam Powermill[57,58]、Hypermill[59]，以及具備藝術(shù)浮雕建模功能的Type3和ArtCAM[60]，雖然這些軟件一定程度上節(jié)約了加工成本、提高了加工效率，但對石材的針對性不強(qiáng)。國外許多知名石材立體加工設(shè)備制造商大都開發(fā)自己的設(shè)備專用的CAM軟件，這些軟件具有較強(qiáng)的針對性和操作簡便的優(yōu)點(diǎn)，非常適合石材雕刻，如Breton公司開發(fā)的Breton Lathe、BretonSmartCam Mill，Prussiani公司開發(fā)的STONECAM 3D，以及QD公司開發(fā)的用于CAM后置處理過程的Robo MOVE[61]等。

經(jīng)過多年的努力，我國CAD/CAM技術(shù)在硬件生產(chǎn)、軟件的開發(fā)與應(yīng)用方面都取得了很大進(jìn)展。但在用于石材加工的CAM軟件系統(tǒng)方面，雖然我國很早就有學(xué)者開始進(jìn)行路徑規(guī)劃方面的研究，我國的三維模型的CAM系統(tǒng)也有了一定的發(fā)展，如浙江玉環(huán)弘法公司開發(fā)了弘法數(shù)控編程系統(tǒng)，但也只是解決了3P+R以內(nèi)的機(jī)床加工的市場需求，仍不成熟，尤其在多刀具、多工藝的CAM系統(tǒng)研究方面仍未有合適的軟件投入市場使用[62]。

目前我國使用的CAD/CAM軟件主要仍是從國外購買，市場上主流CAD/CAM軟件的總體趨勢是朝著大而全的方向發(fā)展，存在可移植性差、功能復(fù)雜、學(xué)習(xí)困難、資源浪費(fèi)、價(jià)格昂貴等問題，而我國數(shù)控雕刻行業(yè)大都是中、小型企業(yè)和個(gè)體戶，購買大而全的CAD/CAM軟件不僅不能做到充分利用，且由于石材本身的特殊性，用于金屬加工的常規(guī)CAM在加工工藝和軌跡上也不能很好滿足石材加工的要求。因此，在石材加工方面，雖然我國設(shè)備數(shù)量繁多，但缺乏高效、專用、規(guī)格化的系列產(chǎn)品，目前市場上尚沒有完善的針對石材雕刻的CAM軟件，雕刻編程軟件的匱乏已經(jīng)成為制約國內(nèi)雕刻行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。

3.2 石材雕刻對CAM提出的特殊要求

石材是具有一定強(qiáng)度、穩(wěn)定性、可加工性以及裝飾性能的天然巖石。與金屬材料不同，石材是一種天然材料，硬度高、脆性大、成分復(fù)雜，不具有良好的延展性、彈性和塑性。在加工工藝上金屬材料的加工過程是均勻的、連續(xù)的塑性去除，而石材是礦物顆粒的聚集體，含有大量的石英和長石等超硬成分，石材內(nèi)部還存在許多孔隙、裂紋和雜質(zhì)，且結(jié)構(gòu)具有非均勻性和各向異性，使得其加工過程是一個(gè)非線性、非連續(xù)的斷裂去除過程，造成加工時(shí)的受力不連續(xù)，容易產(chǎn)生振動(dòng)和崩碎。因此，石材加工的難易程度涉及到很多因素，其加工機(jī)理要比金屬等均質(zhì)材料復(fù)雜的多，用于金屬加工的CAM軟件系統(tǒng)在工藝上不能很好地滿足石材加工的 要求[63,64]。

在加工方式上，石材由原石到雕刻成品要通過鋸、切、磨和其他加工方法來完成，其中大塊材料的去除通常采用鋸切加工方式來提高加工效率[65]，而在金屬的加工過程中這種加工方式是不存在的。石材的銑削加工也是一種以磨削為主，兼有銑磨的復(fù)雜工藝過程，因此用于金屬加工的CAM在加工方式上也不能很好地適用于石材加工[66]。

在加工曲面形狀上，異型石材制品大都具有復(fù)雜的曲面特征，其表面凹凸不平、曲面曲率變化不連續(xù)，復(fù)雜雕刻曲面加工的效率和精度很大程度上依賴高效的路徑規(guī)劃和生成算法，不合理的加工軌跡會造成工件表面殘料不均，進(jìn)而影響加工精度。而金屬加工對象大都具有規(guī)則的幾何形狀，用于金屬加工的CAM軟件只能用于簡單的有規(guī)則特征的編程，不能很好滿足石材雕刻復(fù)雜曲面的要求。

此外，不同石材品種的物理組分及其結(jié)構(gòu)各不相同，因而加工不同的石材品種，其所適宜的加工設(shè)備、加工刀具、加工工藝參數(shù)及工作條件等都各不相同，對此很多國家都進(jìn)行了一定的研究，其研究熱點(diǎn)主要集中在石材物理或化學(xué)組分對石材制品高效加工的影響、匹配與石材品種的最佳工藝參數(shù)研究等幾個(gè)方面[67～70]。我國的研究也只是針對某種特定石材對其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析找出最優(yōu)工藝參數(shù)，還沒有人能夠提出系統(tǒng)地實(shí)現(xiàn)任意石材品種高效加工的具有指導(dǎo)性的加工工藝參數(shù)組合[71]。目前，對于石材制品高效加工的研究相對于金屬的高效加工來說差距還很大，仍有很多問題亟待解決。

3.3 石材雕刻的發(fā)展趨勢

在當(dāng)前的制造環(huán)境中，傳統(tǒng)的手工作業(yè)及半機(jī)械化作業(yè)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們對石材雕刻制品的需求。隨著制造業(yè)自動(dòng)化水平的提高，越來越多的數(shù)控自動(dòng)化設(shè)備開始投入到石材雕刻制品的加工中，石材數(shù)控加工機(jī)械裝備正在朝著高效率、高精度、高自動(dòng)化、低耗費(fèi)方向發(fā)展。CAM作為石材數(shù)控雕刻的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，開發(fā)針對石材數(shù)控雕刻加工的CAM不僅能大大減少雕刻加工時(shí)間，還可以在一定程度上提高加工的速度和精度[72]，目前其技術(shù)發(fā)展還不成熟，發(fā)展趨勢主要為自動(dòng)化、智能化、高效化、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的完善及易使用水平的提高。只有不斷加強(qiáng)CAM技術(shù)在石材雕刻中的研究和應(yīng)用工作，才能使CAM軟件的優(yōu)勢得到有效利用，充分發(fā)揮全自動(dòng)化石材雕刻設(shè)備的優(yōu)越性，提高行業(yè)整體生產(chǎn)水平，促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。因而，通過開發(fā)針對石材雕刻加工的CAM，來進(jìn)一步提高石材數(shù)控雕刻設(shè)備的加工水平，是石材雕刻行業(yè)發(fā)展的一個(gè)必然 趨勢。

4 結(jié)束語

石材雕刻具有悠久的發(fā)展歷史，是我國傳統(tǒng)文化的一部分。如今，石雕以其特有的藝術(shù)魅力得到了越來越多人們的青睞，石材雕刻工藝制品成為現(xiàn)代裝飾、建筑的重要組成成分[73]。目前石材雕刻主要采用的手工與半自動(dòng)化結(jié)合的加工方式已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們的需求，全自動(dòng)化數(shù)控雕刻具有更高自動(dòng)化與智能化，將其與傳統(tǒng)的加工方式相結(jié)合已成為石材加工行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。CAM作為全自動(dòng)化數(shù)控石材雕刻中的關(guān)鍵性一步，對加工的精度和效率有很大影響，目前市場上已經(jīng)有很多數(shù)控加工CAM軟件，然而由于石材雕刻加工的特殊性，用于常規(guī)數(shù)控加工的CAM軟件在石材雕刻上的應(yīng)用存在很大局限性，針對石材雕刻的CAM軟件的缺乏很大程度上阻礙了行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。提高石材雕刻加工設(shè)備的性能，自主研發(fā)石材專用數(shù)控石材雕刻的CAM軟件對實(shí)現(xiàn)高效、合理地加工石材制品，實(shí)現(xiàn)其社會效益和經(jīng)濟(jì)效益的最大化，有著非常重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳玉厚,趙德宏,陸峰,張珂.異型石材制品加工技術(shù)與設(shè)備發(fā)展概述[J].石材,2007,(8):29-33.

[2]劉增文,任秀華,王志,等.淺論異型石材及其加工設(shè)備發(fā)展趨勢[J].石材,2004(2):24-27.

[3]何開明,李璨.雙臂機(jī)器人用于工藝品雕刻的研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),1996,15(4):573-578.

[4]泉宣.我國石雕石刻分類及主要產(chǎn)地[J].石材,2010(6):44-47.

[5]袁杰.石材異型制品復(fù)合加工技術(shù)與設(shè)備研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2008.

[6]朱鴻巍.CAD/CAM/Robotic一體化石材雕刻系統(tǒng)研制與實(shí)驗(yàn)研究[D].廈門:廈門大學(xué),2014.

[7]張善永.石材立體工藝制品雕刻機(jī)器人加工技術(shù)研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2012.

[8]霍洪超.石材立體工藝制品高效加工技術(shù)研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2015.

[9]陳輝.石材加工行業(yè)存在的職業(yè)病危害因素分析及對策措施[J]. 科技視界,2015.

[10]張?bào)w學(xué),王文軍,趙方,等.石雕作業(yè)農(nóng)民工聽力損害狀況及影響因素研究[J].濟(jì)寧醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào),2011,34 (2):126-128.

[11]蔡銳龍,李曉棟.國內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2016,35(4):493-500.

[12]張得禮,周來水,神會存. 高速數(shù)控加工速度的自適應(yīng)控制[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2005,24(9):1071-1113.

[13]劉蒙,劉延林.機(jī)器人用于藝術(shù)雕刻的研究[J].機(jī)床與液壓,2003,(5):110-112.

[14]韓文凱.經(jīng)濟(jì)型三維雕刻機(jī)的研究與設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2015(01):100-102.

[15]韓立洋.經(jīng)濟(jì)型五軸數(shù)控雕刻機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].蘇州:蘇州大學(xué),2010.

[16]李曉東,段雪聰,楊昕,等.臺式可編程三坐標(biāo)雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)分析[J].機(jī)械工程師,2014(9):97-99.

[17]庹超,寇曉菲,易傳云.石材異形板材加工中心設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2014(6):5-7.

[18]吳玉厚,劉巖,肖楠,等.五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工在異型石材制品中的應(yīng)用研究——CAD/CAM在立體人像中的應(yīng)用[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2012,25(02):152-154.

[19]吳玉厚.異型石材車銑復(fù)合加工中心專用后置處理算法及程序研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2012,35(01):16-20.

[20]趙德宏.異型石材鋸銑復(fù)合加工中心的設(shè)計(jì)與分析[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2014(02):102-105.

[21]庹超.石材異形板材加工中心的研究與設(shè)計(jì)[D].武漢:華中科技大學(xué),2014.

[22]田濤,鄧雙城,楊朝嵐,等.工業(yè)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 新技術(shù)新工藝,2015(3):92-94.

[23]Norfadzlan Yusup, Azlan Mohd Zain, Siti Zation Mohd Hashim. Evolutionary techniques in optimizing machining parameters: Review and recent applications(2007-2011)[J]. Expert Systems with Applications ,2012(39):9909-9927.

[24]S. Turchetta. Cutting force and diamond tool wear in stone machining[J]. Int J Adv Manuf Technol ,2012(61);441-448.

[25]Araújo Fernández, Maria.Tests for the Optimization of Cut-Off Parameters for Seven Galician Granite Varieties[J].Key Engineering Materials ,2013(548):82-89.

[26]Nicolae Plitea, Dorin Lese, Doina Pisla, et al. Structural design and Kinematics of a new parallel reconfigurable robot[J].Robotics and Computer-Integrated Manufacturing,2013(29):219-235.

[27]Fares J. Abu-Dakka, Francisco Rubio, Francisco Valero, et al. Evolutionary indirect approach to solving trajectory planning problem for industrial robots operating in workspaces with obstacles[J].European Journal of Mechanics A/Solids, 2013(42):210-218.

[28]Engxi Pan, Joseph Polden, Nathan Larkin, et al. Recent progress on programming methods for industrial robots[J].Robotics and Computer-Integrated Manufacturing.2012(28):87-94.

[29]M. Pellicciari, G. Berselli, F. Leali, et al. A method for reducing the energy consumption of pick-and-place industrial robots[J]. Mechatronics ,2013(23):326-334.

[30]劉蒙,劉延林.機(jī)器人用于藝術(shù)雕刻的研究[J].機(jī)床與液壓,2003(05):110-112.

[31]單金鳳.石材立體工藝制品雕刻機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2011.

[32]H.A.M. Danen, F.B. Ter Har. 3D whole body scanners revisited[J]. Displays,2013(34):270-250.

[33]Arnulfo Leon Reyes et al. Low cost 3D scanner by means of a 1D optical distance sensor[J]. Procedia Technology,2013 (7):223-230.

[34]孫偉華.三維掃描儀在當(dāng)代雕塑領(lǐng)域的應(yīng)用[J].藝術(shù)科技,2014,(4):3-3.

[35]韓文,王玉濤,徐晗.三維掃描技術(shù)在宜興超薄陶瓷雕刻中的應(yīng)用研究[J].陶瓷學(xué)報(bào),2014,135(03):314-317.

[36]李昊,陳劍.基于CIMS的CAD/CAM集成系統(tǒng)總體方案研究[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù),1998,17(3):514-516.

[37]陳定方,李文鋒.CAD/CAM的起源與發(fā)展[J].機(jī)械工人(冷加工),2001,(4):11-12.

[38]李瓏.對數(shù)控加工中CAM軟件應(yīng)用的幾點(diǎn)探討[J].技術(shù)與市場,2016,23(6):241-241.

[39]周文玉,李菊麗,魏秀蘭.數(shù)控加工中CAM軟件的選擇[J].中國制造業(yè)信息化,2005,34(1):94-95.

[40]李萬軍.基于分形中Hilbert曲線的復(fù)雜曲面加工刀具軌跡規(guī)劃算法研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2011.

[41]Stanislav S M, Weerachai A. Advanced Numerical Methods to Optimize Cutting Operations[M].Berlin, Heidelberg, New York: LE-TEX Jelonek, Schmidt＆Vckler GbR, Leipzig,2007.

[42]S. Ding,A.N. Poo,D.C.H. Yang.Adaptive iso- planar tool path generation for machining of free- form surfaces[J]. Computer,2003,35(2):141-153.

[43]Wei He, Ming Lei, Hongzan Bin. Iso-parametric CNC tool path optimization based on adaptive grid generation[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2009, 41(4 /5): 538-548.

[44]沈斌,歐陽華兵.關(guān)于復(fù)雜曲面刀具軌跡規(guī)劃技術(shù)的研究[J].新技術(shù)新工藝,2010(9):24-28.

[45]胡寅亮,熊濤,黃翔.五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的后置處理方法[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2003,22(10):175-177.

[46]孔凡斌,姜培剛,高月輝.6R雕刻機(jī)器人NURBS曲面刀路規(guī)劃的研究[J].機(jī)床與液壓,2007,35(11):59-76.

[47]Niu XJ, Liu JT. Robot 3D Sculpturing Based on Extracted NURBS[A].2007 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetris[C], Sanya, China, 2007:1936-1914.

[48]吳濤.數(shù)控石材雕刻機(jī)CAD/CAM系統(tǒng)研制[D].武漢:中國地質(zhì)大學(xué),2004.

[49]李雪.PROE與數(shù)控加工編程[J].科學(xué)咨詢,2012(34):60.

[50]賈鵬.基于PROE/CAM交互式圖形編程中的工藝處理[J].機(jī)械工人(冷加工),2008,(1):71-72.

[51]張賀. 基于UG/POST的異型石材數(shù)控加工中心SYH4608專用后處理器研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2010,32(10): 20-23.

[52]張賀,郭樺,肖楠.基于UGNX的異型石材多功能復(fù)合加工中心數(shù)控加工與仿真技術(shù)研究[J].沈陽工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010,6(02):175-178.

[53]高強(qiáng),張陳,于哲.基于UG與VERICUT的裝飾類石材樣件加工[J].沈陽電力高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào),2013,9(4): 362-366.

[54]丁海濤,周怡,宋剛強(qiáng).CAM軟件在數(shù)控加工中的應(yīng)用研究[J].中國制造業(yè)信息化,2015(4):35-38.

[55]張琳,曾育賢.Mastercam在模型數(shù)控加工技術(shù)中的應(yīng)用[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2012(03):53.

[56]李愛紅.CAD/CAM軟件在數(shù)控加工中的應(yīng)用[J].宿州教育學(xué)院學(xué)報(bào),2007,10(2):133-134.

[57]Liu J. The process strategies of mould high-speed machining and their applications in the environment of PowerMILL[J].Advanced Materials Research, 2011(188):542-548.

[58]Lin, Xin Gui. The programming strategies of high milling on aluminum ally bowl-shaped and thin-walled part by using powermill software[J].Advanced Materials Research.2013 (706-708):357-360.

[59]Warrzyniak, Patrick. Refining CAM toolpath Production [J]. Manufacturing Engineering,2011(146):61-69

[60]沈長生.基于ArtCAM軟件的浮雕設(shè)計(jì)與加工研究[D].蘭州:蘭州大學(xué),2015.

[61]CAD-CAM off line programming for industrial robots[EB/OL].ROBOmove on line help v.2.0,2007.

[62]王玉國. 數(shù)控雕刻加工關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2007.

[63]趙德宏,孫晶,吳玉厚.異型石材鋸銑復(fù)合加工中心的設(shè)計(jì)與分析[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2014(02):102-109.

[64]張政梅.基于分形理論花崗石異型面高效磨削關(guān)鍵技術(shù)研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2012.

[65]王平江,齊江飛,李勇,等.全自動(dòng)鋸片磨床數(shù)控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2013,32(2):170-177.

[66]楊杰,嚴(yán)榮萌,等.中國石材[M].1994:129.

[67]J. Xiea, J. Tamakib. Parameterization of micro-hardness distribution in granite related to abrasive machining performance[J].Journal of Materials Processing Technology, 2007(186):253-258.

[69]P.M. Amaral, J. Cruz Fernandes,L.Guerra Rosa. Wear mechanisms in materials with granitic textures[J].Wear,2009(266):753-764.

[70]覃闖泉.材料表面微觀不平度對其光澤度影響的實(shí)驗(yàn)研究[D]. 廈門:華僑大學(xué),2004.

[71]高勝.石材高效加工工藝數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2011.

[72]吳玉厚,吳崗,等.國內(nèi)外異型石材機(jī)械的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].石材,2008,03(06):22-25.

[73]馬毅.三維浮雕CAD/CAM軟件系統(tǒng)開發(fā)研究[D].成都:電子科技大學(xué),2003.