李敏芳

(江苏省吴中中等专业学校，江苏苏州215104)

随着社会的发展，人们的审美意识逐渐提高，对美的追求也日益丰富，并且生活水平提高也推动人们消费的多样化。玉雕作为颇具深厚文化意蕴的工艺品越来越受到人们的青睐，人们对玉器的市场需求越来越大，各种各样的玉雕产品层出不穷，崇玉、爱玉、藏玉、制玉的传统习俗兴盛不衰。

1 研究背景

玉雕是以玉石为基材，雕刻出人物、山水、花卉和动物等图像和生活场景的雕刻艺术品。“黄金有价玉无价”，玉雕件自古以来就享有盛誉。玉以其深厚的文化内涵和精湛的工艺促使玉雕产品成为人们的收藏品和消费品。迄今玉雕生产仍旧处于借助简单辅助工具手工雕刻而成的作坊式阶段，存在过分依赖个人技术、产品设计和加工周期长、生产效率低、产品批量小、市场拓展能力弱等缺陷。且因劳动强度大、工况差等缺陷，致使近年来从事手工雕刻的人员特别是青年从业者急剧减少，导致关键技术无人继承。传统的手工雕刻无论从生产效率和精度上都难以适应工业生产的需要，一定程度上阻碍着玉雕在现代工业中的应用广度。

另一方面，随着工业的迅速发展，尤其是计算机在工业中的广泛应用，计算机辅助设计技术（CAD）、计算机辅助加工技术（CAM）、计算机数控技术（CNC）、高速铣削技术（HSM）广泛应用于各个制造业，使工业产品的形态丰富，产量增加，效益提高。

2 北京精雕JDPaint介绍

本文的软件处理工作主要在北京精雕JDPaint软件中完成，该软件由北京精雕科技有限公司开发。北京精雕科技有限公司，是一家研制和生产小刀具雕刻机的专业厂家。公司在1994年成立，一直专注于小刀具精加工领域，目前在世界各地拥有很多客户。经过十多年的不懈努力，北京精雕已具备了自主研发和制造CNC雕刻机、CAD/CAM软件、数控系统和高速电主轴的综合能力，是一家集研发、生产、销售的高新技术企业。目前，在同行业中，北京精雕处于领先地位。

JDPaint软件是北京精雕CNC雕刻系统的基本组成部分，它是一套面向雕刻行业的CAD、CAM软件，也是国内较早的专业雕刻软件。与国内的其他雕刻软件相比，JDPaint在曲面造型方面的功能有很大优势。在一些行业，特别是仿古木雕行业，该软件的使用已经比较广泛。

图1 JDPaint界面

3 数控技术在玉雕中应用的实践研究

本文以北京精雕的JDPaint雕刻软件为基础，结合现代数控机床技术，由数控设备对玉坯进行数控雕刻进行了实践研究。所使用的技术路线及主要工作流程如图2所示。

图2 玉雕数控雕刻流程图

首先根据玉雕样件的图像（已有手工玉雕件的实样照片），形成样件的二维矢量轮廓，然后由二维矢量轮廓，生成玉雕的三维模型（即浮雕模型），由三维模型再生成相应的刀具路径和NC代码，最后由雕刻机对实样进行数控雕刻加工。

图3 玉雕样件 图4样件图像手工描图图5样件浮雕模型视图 图6最终数控雕刻成品

3.1 玉雕样件选择

本文选择了典型的花草类型玉雕样件作为实践研究对象，见图3。值得注意的是，目前玉雕样件仅限于浮雕类玉雕件。限于雕刻机器的加工能力，一些三维形状复杂、镂空的玉雕样件在实践中还未作尝试。

3.2 样件图像矢量化处理

通过照片或者扫描的方式，把样件原稿图像输入JDPaint软件。由于这些图像是以像素信息存储的，所以首先需要将这些图形信息转化为真正的矢量图形信息，以利于三维模型的建立。

一般情况下，把照片或者扫描图片转化成矢量图有两种方式：手工描图或者图像矢量化重建。手工描图就是在软件中直接绘制图像轮廓，从而获得矢量图形。手工描图过程也成为“手动抄图录入”，只要熟悉应用CAD中的绘图命令就可以实现手工描图。而图像矢量化重建是指运用一些图形学原理，经过曲线拟合、边界光滑、消除噪声等一些手段，自动或半自动地把像素图转换为矢量图。

本文在实践中证明，目前矢量图还不可能做到完全自动化，所以手工描图这一方式在目前情况下是一种简单有效的方法。图4是样件在精雕软件中的轮廓曲线。

3.3 三维浮雕模型建模

玉雕浮雕建模，是指在浮雕的二维矢量轮廓图案基础上，建立浮雕的三维模型的过程。出现在实际生产中的玉雕都是具有复杂细节特征的立体模型，它们往往由若干个独立的曲面片融合而成。

在JDPaint中，玉雕浮雕模型的建立主要是通过雕塑工具下的堆料/去料以及磨光效果处理来完成。而模型截面形状又是通过“刷子”的概念来实现。所谓刷子，是指限定操作影响范围的一个区域。

在矢量轮廓线的基础上，在JDPaint中建立了样件的三维浮雕模型。模型在软件中的建立，实际上也就是不断地变化模型的参数（改变刷子形状），然后通过不断地移动鼠标来堆砌或者切除刷子所定义的形状这样一个过程。本文中样件的最终三维效果见图5。

3.4 加工刀具路径生成

玉雕模型曲面多为不规则曲面，因此，玉雕加工的刀具路径不能简单地选用沿X轴平行或沿Y轴平行方式，需考虑加工件的工程实际来规划不同的刀具路径。

玉雕的素材多为山水、花卉、树木等风景图案，二维轮廓线形式多样复杂，致使玉雕加工中存在时而为大面积空白区域，时而狭窄甚至尖窄的区域。实际加工中一般多采用多次加工的方式。首先使用直径较大的刀具，快速、大范围地去除大部分材料，称为粗加工；其次再使用直径小的刀具，对粗加工中遗留下的区域，以及一些尖窄区域部分进行再一次加工，也称为精加工。有的时候，在粗加工和精加工之间，还会增加一道残料补加工方式，或者进行二次精加工处理，以达到精度和质量要求。一般情况下，粗加工使用的刀具直径大，精加工则使用直径小的刀具。

行切法和环切法是目前雕刻加工中使用较广的方式：环切法的刀具轨迹是沿边界轮廓线，行切法的刀具轨迹是一条直线。通常，行切法会存在往返走刀现象，铣刀的旋转方向与工件的进给方向会交替出现一致与不一致（顺铣和逆铣）；而环切法则能保持切削状态。切削状态会在一定程度上影响最终的加工质量，但一般情况下，粗加工多采用行切法，而精加工和半精加工则多采用环切或者行切方法。

在JDPaint的刀具环境下，通过设定和选择相应的参数，系统可以自动生成粗加工和精加工所需的加工路径。以荷花样件为例，下面是一些刀具路径粗加工和精加工的参数设置（图6、图7）。本文实践中粗加工选择环切走刀，精加工则使用45°平行截线走刀方式。

图6 粗加工刀具路径设置图7精加工刀具路径

根据刀具路径设置，系统能够自动计算出刀具轨迹并保存。图显示了荷花样件的刀具轨迹，包含了一次粗加工，一次残料补加工，和两次精加工。精加工时使用的是45°平行截线走刀方式。图8中四张图从左至右分别为粗加工、残料补加工和两次精加工的轨迹路径。

图8 荷花样件刀具轨迹路径

3.5 刀具路径文件的产生和输出

刀具路径生成后可以进行保存。通过菜单刀具路径->输出刀具路径，即可输入路径文件以供雕刻机直接使用。

图9 加工路径导出

下面是部分荷花样件的NC代码（由ENG转换而来）。

图10 部分NC加工程序

4 加工设备

实践中，本文使用了两台雕刻设备，对玉雕样件进行加工，分别是北京精雕公司的精雕PMS_V08_A和常州金奇雕公司的JQD_40H。

图11 加工设备

5 结语

把现代数控雕刻技术应用于传统玉雕工艺上，具有很好的行业前景和商业前景。以数控雕刻软件JDPaint为平台，通过在雕刻软件中建立玉雕浮雕的三维模型，进而生成可以用于数控雕刻机的加工文件，最后，由高精度数控雕刻机加工成成品。加工成品在精细度方面不亚于一个熟练玉雕工艺师的手工作品，并且在加工效率上有明显的优势。

[1]何松.中国清代玉器的主要成就艺术特征文化内涵[J].超硬材料工程，2006，02.

[2]徐铭，琚海.经济型数控雕刻机的控制系统研究[J].制造技术与机床，2012，09.

[3]袁园.数控雕刻软件及加工技术概述[J].科技创新导报，2009，11.

[4]黄有群，赵淑岩.基于Ja v a3D的虚拟雕刻技术[J].沈阳工业大学学报，2008，06.

[5]王玉国.数控雕刻加工关键技术研究[J].南京航空航天大学博士学位论文，2007，07.

[6]陈祥林，郭秀华.ArtCAM在浮雕加工中的应用研究[J].机械设计及制造，2012，09.