基于ArtCAM的異型石材浮雕建模及加工研究

蘇姜姜，陸 峰，趙德宏，吳玉厚，張 珂

SU Jiang-jiang, LU Feng, ZHAO De-hong, WU Yu-hou, ZHANG Ke

（沈陽(yáng)建筑大學(xué) 交通與機(jī)械學(xué)院，沈陽(yáng) 110168）

0 引言

浮雕是在平面上雕刻出凹凸起伏形狀的一種雕塑，是雕塑與繪畫(huà)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，它是用型壓面壓縮的方法來(lái)處理圖像，靠透視等因素來(lái)表現(xiàn)三維空間，并只供一面或兩面觀看[1]。近幾年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以及人們對(duì)于大自然的崇尚，石材制品以其天然的華麗色彩和物理性能，贏得廣大消費(fèi)者的親睞，被廣泛用于建筑安裝、家居裝飾、藝術(shù)雕刻、生活用具等方面，特別是在建筑裝飾的使用，像是門(mén)套窗套、羅馬柱、噴泉、拱門(mén)、雕刻、拼花等等，襯托出建筑物的高雅莊重大氣，更添加了整個(gè)建筑的高雅華貴的檔次和藝術(shù)氣息，已經(jīng)成了高級(jí)身份的象征，奪得了廣大消費(fèi)者和設(shè)計(jì)師所的芳心，使用量年年激增?？萍嫉陌l(fā)展使計(jì)算機(jī)控制應(yīng)用于異型石材加工機(jī)械中，使刀具能夠自動(dòng)加工出復(fù)雜的凹、凸表面，工作效率大大超過(guò)了手工加工，并且實(shí)現(xiàn)了異型石材的工業(yè)化大批量生產(chǎn)。

1 ArtCAM軟件與數(shù)控石材加工中心聯(lián)合

來(lái)自英國(guó)的ArtCAM軟件以其獨(dú)特的CAD造型和CNC、CAM加工解決方案以及全中文界面在浮雕的加工和模具制造等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。ArtCAM軟件可以從二維矢量或位圖直接生成三維浮雕，這些矢量和位圖可以在ArtCAM由軟件直接產(chǎn)生，或由其他軟件系統(tǒng)輸入。通過(guò)ArtCAM軟件建立的浮雕模型，具有編輯修改和儲(chǔ)存的功能。在ArtCAM中的模型，可以通過(guò)參數(shù)的選擇和加工工藝方案的定制，生成刀具的路徑，完成從粗加工、精加工和雕刻的多條刀具路徑，并進(jìn)行相應(yīng)的模擬加工。ArtCAM強(qiáng)大的后處理功能使得生成的數(shù)控加工程序能夠應(yīng)用于不同的數(shù)控加工裝備中，與異型石材車(chē)銑加工中心能夠很好地結(jié)合在一起。

2 ArtCAM建模過(guò)程

ArtCAM建模一般有三種實(shí)現(xiàn)方法：

1) 軟件建模，這是一個(gè)由二維圖片到三維浮雕的過(guò)程，整個(gè)的建模過(guò)程如圖1所示。這個(gè)建模的過(guò)程比較繁瑣，所建模型的藝術(shù)效果，更多的取決于設(shè)計(jì)者的藝術(shù)手法，人為因素占很大比重，不同的人建模效果各異。

圖1 軟件建模流程圖

2)逆向工程建模，通過(guò)手工師傅的建模，逆向過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)，整個(gè)建模的過(guò)程如圖2所示。這種建模的過(guò)程比較復(fù)雜，建模的過(guò)程中用到了各種機(jī)器和軟件，所耗費(fèi)的人力和財(cái)力也比較大，模型的效果也取決于手工師傅和圖形處理軟件的配合。

圖2 逆向工程建模流程圖

3) 灰度圖的轉(zhuǎn)化，直接在ArtCAM中打開(kāi)位圖，設(shè)置所需的浮雕高度，即可生成相應(yīng)的浮雕?；叶葓D主要來(lái)源于圖像處理軟件（PS、CorelDRAW等）、軟件建模轉(zhuǎn)化為灰度圖（ArtCAM、JDPaint、Type3等）。這種建模的方法比較簡(jiǎn)單，人為的因素較少，但是對(duì)灰度圖的分辨率要求比較高?；叶葓D又叫灰階圖，它是把白色和黑色之間按對(duì)數(shù)關(guān)系分為若干等級(jí)，但它又不同于一般的黑白圖像，通過(guò)顏色的亮度來(lái)表達(dá)高度，顏色越亮，高度越大，顏色越暗，高度越低，遵循白高黑低的原則，一般為bmp的格式。如圖3所示.本例中打開(kāi)的灰度圖片為大展宏圖，為了保持浮雕的整體效果不變形，在尺寸設(shè)置的過(guò)程中應(yīng)保持原圖形尺寸的縱橫比例，設(shè)置后浮雕的尺寸為2000mm×920mm,高度為15mm，加工原點(diǎn)設(shè)置在模型的左下角?；叶葓D像在ArtCAM中所對(duì)應(yīng)的浮雕圖像如圖4所示。

圖3 灰度圖

圖4 浮雕圖像

3 浮雕的加工工藝

浮雕設(shè)計(jì)建模的最終目的是為了利用數(shù)控加工機(jī)床加工出該模型。ArtCAM提供了用于粗加工和高精加工的多種快速有效的三維加工策略，三維雕刻加工策略可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)角和中心線雕刻，用戶可編輯的刀具數(shù)據(jù)庫(kù)能夠自定義和擴(kuò)充，換刀支持功能允許把不同的刀具產(chǎn)生的多個(gè)刀具路徑合并成單一文件，所有的加工工藝可在一個(gè)對(duì)話框中一次設(shè)置完畢，進(jìn)行連續(xù)加工。開(kāi)放的后置處理幾乎能夠支持所有的數(shù)控加工機(jī)床，輸出用戶所需的數(shù)控加工代碼[1]。結(jié)合本實(shí)驗(yàn)所用的異型石材車(chē)銑加工中心HTM50200，ArtCAM軟件輸出加工程序的一般過(guò)程如圖5所示。

圖5 浮雕加工流程圖

3.1 材料設(shè)置

進(jìn)入ArtCAM的刀具路徑界面，首先設(shè)置加工的材料，設(shè)置毛坯的形狀和尺寸，如圖6所示。材料的厚度要高于浮雕的厚度15mm，此處設(shè)置為30mm；材料Z軸的零點(diǎn)指工件坐標(biāo)系的Z向原點(diǎn)，選擇毛坯的上表面；這里設(shè)置模型在材料中的位置為頂部偏置0.2mm，主要考慮毛坯表面的不平整、裝夾時(shí)表面放水平和對(duì)刀誤差因素而設(shè)置的，避免加工出的浮雕深淺不一，達(dá)不到預(yù)期的效果[3]。

圖6 材料設(shè)置

3.2 加工區(qū)域、策略的選擇

點(diǎn)擊ArtCAM中加工浮雕按鈕，首先設(shè)置的是加工區(qū)域以及加工的策略，ArtCAM提供了復(fù)合浮雕、已選矢量區(qū)域、自動(dòng)邊界三種加工區(qū)域方案，每種加工區(qū)域所對(duì)應(yīng)的可供選擇的加工策略也不同。復(fù)合浮雕一般用于整體浮雕的加工；已選矢量區(qū)域，一般對(duì)某個(gè)矢量路徑定義的區(qū)域進(jìn)行局部的加工。本浮雕加工區(qū)域采用復(fù)合浮雕進(jìn)行加工。在加工策略的方案中，ArtCAM提供了X方向平行加工、Y和Y方向平行加工、螺旋加工和方框螺旋加工等策略。X方向平行加工策略是指沿指定角度往復(fù)移動(dòng)刀具來(lái)進(jìn)行加工。當(dāng)角度為零時(shí)，則沿X軸方向加工。Y和Y方向平行加工策略是指沿著兩個(gè)垂直的方向進(jìn)行平行加工。從兩個(gè)方向進(jìn)行加工顯然增加了加工的時(shí)間，但是卻能改善浮雕表面的加工質(zhì)量。螺旋加工策略以螺旋的方式進(jìn)行加工，但當(dāng)?shù)毒叩礁〉竦牡谝粋€(gè)邊緣時(shí)就停止，這種加工策略不適于加工矩形浮雕，因?yàn)樗荒芗庸こ龈〉竦囊徊糠?，適于加工圓形浮雕。螺旋加工和方框螺旋加工策略與螺旋加工策略相似，但當(dāng)?shù)毒哌_(dá)到浮雕的邊緣后即可提刀，然后沿浮雕邊緣移動(dòng)，到可加工的地方下刀繼續(xù)加工。應(yīng)用此策略可加工整個(gè)浮雕，但進(jìn)刀和退刀，使工作的時(shí)間大大增加。綜合浮雕本身的特點(diǎn)以及加工的效率等因素，本浮雕選用X方向平行加工的策略。根據(jù)粗加工和精加工設(shè)置合適的余量0.2，公差為0.01。加工安全Z高度默認(rèn)為X：0Y：0Z：15，也就是說(shuō)在Z15以上的高度，刀具以快進(jìn)的方式進(jìn)行移動(dòng)，而在Z15以下則改為制定的進(jìn)給速度運(yùn)動(dòng)，避免發(fā)生碰撞[3]。此高度應(yīng)高于浮雕，也需高于壓板、夾具等，但必須等于或低于Z軸起始加工位置。設(shè)置加工安全Z高度為X：0Y：0Z：20。

3.3 刀具的選擇

該浮雕加工選用毛坯的材料為大理石金碧輝煌，金碧輝煌是埃及進(jìn)口天然大理石，色調(diào)柔和雅致，華貴大方，極具古典美和皇室風(fēng)范，適合高品質(zhì)的建筑裝潢的使用，由于放射性低，在室內(nèi)裝修也廣受歡迎。它的比重為2.56g/cm3，抗壓強(qiáng)度為100MPa，抗彎強(qiáng)度為8.0MPa，顏色為黃色。根據(jù)加工浮雕所選用的材料硬度大，耐磨性高，難加工，以及加工選用的異型石材車(chē)銑加工中心的特點(diǎn)，選用金剛石涂層刀具。金剛石涂層刀具具有硬度高、摩擦系數(shù)小、耐磨性、導(dǎo)熱性和化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)良特性，在較高的切削速度下能夠獲得良好的加工表面質(zhì)量，廣泛應(yīng)用于超硬材料、有機(jī)復(fù)合材料等的高速切削加工[4]。浮雕的加工工藝一般為粗加工—半精加工—精加工—清根、拋光等后處理，刀具的選擇綜合浮雕的細(xì)節(jié)和加工的效率兩個(gè)因素來(lái)分析，大刀具能夠提高加工的效率，小刀具處理細(xì)節(jié)時(shí)更加清晰細(xì)致。該浮雕粗加工選用φ10的平底銑刀，能夠快速去除表面質(zhì)量，提高了工作的效率。在使用的過(guò)程中，應(yīng)避免下扎現(xiàn)象，表面有預(yù)留余量，并保證一定的主軸轉(zhuǎn)速，并盡量減小刀具的伸出長(zhǎng)度。半精加工和精加工分別采用φ6和3φ的球頭銑刀殘留加工時(shí)采用1φ的球頭銑刀，是由于使用球頭刀加工時(shí)，切入角是連續(xù)變化的，幾乎沒(méi)有突變的現(xiàn)象，這樣切削力也是一個(gè)連續(xù)變化的過(guò)程，切削的狀態(tài)更加穩(wěn)定，表面光潔度更高，使用球頭刀進(jìn)行半精加工時(shí)表面的殘料少，這樣更利于下面的精加工。使用球頭刀加工減小了實(shí)際切削直徑，降低了切削的線速度，減小了切削加工時(shí)的切削功率和切削扭矩，更有利于主軸電機(jī)在更好的狀態(tài)下進(jìn)行加工。

3.4 切削參數(shù)設(shè)置

3.5 刀具軌跡計(jì)算

在ArtCAM中分別對(duì)粗加工、半精及精加工和三維殘留加工的刀具參數(shù)以及加工參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，每次設(shè)置完畢，按下加工浮雕欄“現(xiàn)在”按鈕，軟件自動(dòng)對(duì)刀具軌跡進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算量的大小以及計(jì)算機(jī)的性能，在此需要等待一段時(shí)間。計(jì)算完畢后，即可看到紅色的刀具軌跡。

表1 加工參數(shù)

3.6 加工仿真以及程序輸出

整個(gè)加工的刀具軌跡計(jì)算完畢后，即可對(duì)刀具的軌跡進(jìn)行仿真。ArtCAM軟件可對(duì)工件進(jìn)行單步動(dòng)態(tài)仿真，也可動(dòng)態(tài)仿真工件的全部加工路徑。仿真的效果與實(shí)際的加工結(jié)果基本一致，在仿真的過(guò)程中，可以放大、旋轉(zhuǎn)或拖動(dòng)動(dòng)態(tài)仿真的細(xì)節(jié)，通過(guò)對(duì)工件的動(dòng)態(tài)仿真加工，可以很直觀的看到工件加工表面的刀痕以及一節(jié)細(xì)微的地方。如果對(duì)仿真的結(jié)果不滿意，還可以及時(shí)地對(duì)加工的參數(shù)進(jìn)行修改，直到仿真的效果達(dá)到要求。在工具欄刀具路徑操作下，選擇“保存刀具路徑”按鈕，出現(xiàn)如圖7所示對(duì)話框，保存加工路徑的時(shí)注意保存的類(lèi)型與加工的機(jī)床異型石材車(chē)銑加工中心HTM5200相匹配，并保存的指定的文件夾下，程序文件的后綴是tap，加工代碼可以用記事本打開(kāi)，如圖8所示，對(duì)其進(jìn)行編輯和修改。程序文件過(guò)大，則機(jī)床加工的時(shí)間越長(zhǎng)，效率越低下，需要綜合考慮浮雕加工的效率和精度。

圖7 保存刀具路徑

圖8 加工代碼

3.7 實(shí)際加工

加工毛坯選用尺寸為長(zhǎng)寬高分別為2000mm、1000mm、50mm的大理石金碧輝煌，加工的設(shè)備異型石材車(chē)銑加工中心HTM50200立體圖如圖9所示。該加工中心選用的是藍(lán)天數(shù)控系統(tǒng)，配備有USB接口，可以通過(guò)U盤(pán)將程序拷貝到機(jī)床系統(tǒng)直接加載。在加工的過(guò)程中，注意觀察浮雕的加工狀態(tài)，遇到斷刀等情況時(shí)緊急停機(jī)處理,加工后的浮雕模型如圖10所示。

圖9 HTM50200立體圖

圖10 浮雕模型

4 結(jié)論

通過(guò)浮雕大展宏圖的實(shí)例，研究了ArtCAM軟件在異型石材浮雕建模及加工應(yīng)用的操作步驟。建模過(guò)程中采用灰度圖像的方式，由ArtCAM軟件將二維圖片轉(zhuǎn)換成所需的三維模型。在加工的過(guò)程中，結(jié)合ArtCAM軟件自身特點(diǎn)、浮雕的模型特征、所選加工材料以及加工設(shè)備的性能等，合理的安排加工工序，刀具的選擇以及加工的參數(shù)的設(shè)置，加工出該浮雕的模型，證明該方法加工浮雕有效可行。與傳統(tǒng)的手工加工浮雕相比，提高浮雕加工的效率，降低加工的成本和對(duì)工人的技能要求，并可以進(jìn)行大批量的生產(chǎn)，促進(jìn)了異型石材浮雕行業(yè)的數(shù)字化發(fā)展進(jìn)程。

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