CAD/CAM技術(shù)在陶瓷浮雕設(shè)計(jì)與加工中的應(yīng)用研究

羅 俊 ，韓 文

(景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院機(jī)電學(xué)院 江西 景德鎮(zhèn) 333403)

CAD/CAM技術(shù)在陶瓷浮雕設(shè)計(jì)與加工中的應(yīng)用研究

羅 俊 ，韓 文

(景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院機(jī)電學(xué)院 江西 景德鎮(zhèn) 333403)

本文介紹了CAD/CAM技術(shù)在陶瓷浮雕模型建立以及仿真加工中的應(yīng)用。通過(guò)兩種建模技術(shù)即幾何浮雕建模和位圖浮雕建模實(shí)現(xiàn)陶瓷浮雕模型的建立，然后在A(yíng)rtCAM軟件平臺(tái)上進(jìn)行仿真加工，得到合理的加工工藝參數(shù)，最后實(shí)現(xiàn)陶瓷浮雕的數(shù)控雕刻加工。

CAD/CAM；陶瓷浮雕；仿真加工

0 引 言

陶瓷雕刻是非常重要的傳統(tǒng)陶瓷藝術(shù)裝飾手法之一，在中國(guó)有著悠久的歷史，其發(fā)展歷程凝聚了歷代陶工的智慧和心血，展現(xiàn)了人們欣賞美、向往美、追求美、表現(xiàn)美、創(chuàng)造美的審美發(fā)展軌跡。近年來(lái)，人們生活水平不斷提高，房地產(chǎn)產(chǎn)業(yè)隨之飛速發(fā)展，進(jìn)而帶來(lái)了陶瓷藝術(shù)品需求量的增大，以陳設(shè)性的浮雕瓷板畫(huà)為主的墻面和以高檔的陶瓷薄胎皮燈、雕刻花瓶為主的室內(nèi)裝飾工藝品越來(lái)越受到廣大人們的歡迎。目前，傳統(tǒng)的陶瓷雕刻方式仍停留在手工加工階段，且能夠雕刻出的圖案較為簡(jiǎn)單，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足市場(chǎng)的深度需求?；谑袌?chǎng)的需求和生產(chǎn)的需要，將CAD/CAM技術(shù)引入到陶瓷雕刻加工中，運(yùn)用數(shù)控雕刻加工技術(shù)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工雕刻加工方式，將大大提高生產(chǎn)效率以及產(chǎn)品的質(zhì)量。

1 陶瓷浮雕CAD建模

傳統(tǒng)的陶瓷雕刻過(guò)程，從構(gòu)思設(shè)計(jì)到最后的施釉燒制一般由單個(gè)工人師傅獨(dú)立完成。雕刻之前需要根據(jù)設(shè)計(jì)要求勾勒硬筆簡(jiǎn)畫(huà)，因此圖案只能相對(duì)簡(jiǎn)單一些。雕刻加工過(guò)程要求工人師傅具有較高的手工技藝，這樣就會(huì)帶來(lái)兩方面的影響：一、加工過(guò)程受人為因素影響太大，產(chǎn)品質(zhì)量難以統(tǒng)一；二、個(gè)人的雕刻技藝在傳承方面存在一定的難度，更換工人師傅后會(huì)使得某些產(chǎn)品難以為繼。整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，刻樣和雕刻兩個(gè)環(huán)節(jié)就需要占用較長(zhǎng)的周期，且陶瓷產(chǎn)品在雕刻過(guò)程中極易破損，因此導(dǎo)致了生產(chǎn)效率較低。

隨著雕刻CAD/CAM軟件的發(fā)展，一般會(huì)把浮雕CAD/CAM技術(shù)作為一個(gè)重要的功能模塊進(jìn)行集成，目前所涉及到的浮雕模型主要通過(guò)位圖浮雕建模和幾何浮雕建模這兩種建模技術(shù)獲得的。本文中研究的幾何浮雕建模即基于平面幾何圖形的浮雕曲面建模技術(shù)；位圖浮雕建模即基于幾何信息和灰度信息的浮雕曲面建模技術(shù)，位圖浮雕的造型一般先要用圖像處理軟件對(duì)圖片做預(yù)處理，然后使用浮雕CAD軟件進(jìn)行編輯，才能得到完美的浮雕效果。

1.1 幾何浮雕建模

幾何浮雕建模是指由平面幾何圖形構(gòu)建立體浮雕的過(guò)程。一個(gè)具有復(fù)雜細(xì)節(jié)的立體浮雕模型往往由若干個(gè)小曲面片融合而成，這些小曲面片稱(chēng)為浮雕曲面。浮雕曲面由一個(gè)二維區(qū)域和一個(gè)截面函數(shù)共同確定。

以等距環(huán)的偏置量 t為自變量，以等高線(xiàn)的高度值 h為函數(shù)值，存在無(wú)數(shù)種函數(shù)映射關(guān)系，每一種映射關(guān)系即對(duì)應(yīng)一個(gè)截面函數(shù)。算法目前支持兩種類(lèi)型的截面函數(shù)：線(xiàn)性函數(shù)、圓形函數(shù)。如圖1所示，圖(a)中由過(guò)渡點(diǎn)的橫坐標(biāo) 以及直線(xiàn)段的傾斜角 共同定義了線(xiàn)性函數(shù)；圖(b)中由過(guò)渡點(diǎn)的橫坐標(biāo) 以及圓弧段的圓心角 共同定義了圓形函數(shù)。

對(duì)于浮雕曲面的二維區(qū)域出現(xiàn)相交時(shí)，可以對(duì)重疊的區(qū)域進(jìn)行曲面融合定義，目前有八種融合方式：負(fù)取代融合、相減融合、相加融合、正取代融合、最高融合、最低融合、矢量外置零融合、置零融合。

通過(guò)定義截面函數(shù)以及改變曲面融合方式，可以通過(guò)平面輪廓構(gòu)建三維浮雕模型。如圖2所示。

1.2 位圖浮雕建模

位圖浮雕建模是指通過(guò)一系列的特殊處理，由位圖圖像重建三維浮雕模型。通過(guò)各種數(shù)字圖像處理技術(shù)(比如灰度化、浮雕化、濾波去噪等)，把普通的RGB照片處理成灰度藝術(shù)圖，這樣RGB照片中的每個(gè)像素點(diǎn)的灰度信息就可以轉(zhuǎn)換為浮雕的高度信息，最終得到浮雕模型。

經(jīng)驗(yàn)公式可以使得彩色位圖到灰度圖的轉(zhuǎn)換：

其中，Hij表示轉(zhuǎn)換后得到的灰度圖的灰度值；

Rij、Gij、Bij表示彩色位圖第 行、第 列像素的紅、綠、藍(lán)顏色分量；

位圖浮雕建模同樣支持八種融合函數(shù)。通過(guò)浮雕曲面的融合，可以方便地將位圖浮雕建模和幾何浮雕建模功能共同作用在同一個(gè)浮雕模型中，從而極大地豐富浮雕設(shè)計(jì)手段。如圖3。

圖1 截面函數(shù)示意圖Fig.1 Cross-section functions

圖2 幾何浮雕建模Fig.2 Geometrical modeling

圖3 幾何浮雕和位圖浮雕混合建模Fig.3 Geometrical modeling and bitmap embossment modeling combined

2 陶瓷浮雕CAM技術(shù)

2.1 刀具路徑選擇

雕刻加工中常用的走刀方式有兩種：一種行切方式即刀具沿直線(xiàn)方向加工，一種環(huán)切方式即刀具沿輪廓的順序加工。

在環(huán)切的過(guò)程中，由于雕刻刀具的加工方式是一直不變的，即一直保持的順銑切削態(tài)或一直保持逆銑切削態(tài)，因此坯體的雕刻加工精度高，但是這種算法相當(dāng)復(fù)雜，在刀具路徑文件生成時(shí)，會(huì)浪費(fèi)很多時(shí)間；而在來(lái)回行切的過(guò)程中，加工過(guò)程會(huì)交替出現(xiàn)順銑和逆銑，這種加工方式雖然加工質(zhì)量不如環(huán)切，但對(duì)于零件大部份材料的去除，行切的切削效率高，在一定程度上，這種算法是很簡(jiǎn)單的。

在陶瓷坯體的數(shù)控雕刻中，對(duì)于平面瓷板的浮雕雕刻中，一般采用環(huán)切法；在陶瓷回轉(zhuǎn)體工件的數(shù)控雕刻中一般選擇行切法，如果選用環(huán)切法加工時(shí)間長(zhǎng)、成品率低。

2.2 浮雕仿真加工

隨著浮雕設(shè)計(jì)的完成以及加工路徑選定，需要對(duì)刀具路徑進(jìn)行仿真。加工仿真的最終目的就是為了調(diào)試出一個(gè)滿(mǎn)意的，高效的刀具路徑文件，最后生成標(biāo)準(zhǔn)的加工指令代碼。本文采用了目前廣泛采用的英國(guó) Delcam 公司推出的ArtCAM作為浮雕的仿真軟件。

在進(jìn)行仿真加工之前，首先需對(duì)待加工件進(jìn)行材料設(shè)置，即設(shè)置待加工工件毛坯的X、Y、Z值。需要注意的是:毛坯的X、Y值，必須與所建立三維模型的尺寸相同，而Z值則根據(jù)模型參數(shù) 來(lái)設(shè)定。除此之外，還需設(shè)定材料的Z軸零點(diǎn)。材料Z軸零點(diǎn)也叫加工原點(diǎn)，可以設(shè)置在材料毛坯的底部或頂部。在本研究中選擇的毛坯的厚度為5 mm，材料的Z軸零點(diǎn)在頂部。

設(shè)置加工參數(shù)，要加工區(qū)域?yàn)樵O(shè)置好的 已選矢量區(qū)域；加工策略選擇平行加工；刀具選取為平底尖刀；主軸轉(zhuǎn)速20000 r/min，進(jìn)給率為2000 mm/min，下切速度600 mm/min。本實(shí)驗(yàn)根據(jù)不同刀具的不同行距觀(guān)察不同的仿真切削效果。

圖4 仿真實(shí)驗(yàn)浮雕模型Fig.4 Relief simulation model

由圖5(a)-(d)可以看出，隨著刀具平底半徑的增加，為了避免過(guò)切，浮雕細(xì)節(jié)部分在刀位面上逐漸消失，并且隨著加工步距的增加，浮雕表面的刀痕也明顯增加。所以在加工過(guò)程中要盡量選擇刀具半徑比較小的，而且步距也要盡量小。

圖(a)-(b)的仿真結(jié)果都不是很理想，不僅浮雕的細(xì)節(jié)部分未清晰表現(xiàn)，而且很多刀痕可以看出，觀(guān)察圖(c)和(d)，可以看出，加工仿真結(jié)果并無(wú)差別，但是兩種加工方式的仿真時(shí)間相差14秒，在實(shí)際的雕刻加工中，實(shí)際加工時(shí)間會(huì)相差很大。

2.3 加工實(shí)例

根據(jù)仿真加工的結(jié)果，可以選擇合理的加工參數(shù)，得到更加合理的刀具路徑文件，選擇合適的格式，導(dǎo)入到數(shù)控雕刻機(jī)中，進(jìn)行陶瓷坯體數(shù)控雕刻加工(圖6、圖7）。

圖5 采用不同半徑不同步距的刀具仿真Fig.5 Simulated carving results for tools with different cut lengths and radii

圖6 陶瓷茶杯浮雕雕刻加工過(guò)程Fig.6 Relief producing on a ceramic cup

圖7 陶瓷茶杯系列（未施）Fig.7 Ceramic cup (unglazed)

3 結(jié) 語(yǔ)

本文把浮雕CAD/CAM技術(shù)引進(jìn)到陶瓷雕刻加工中，不但在一定程度上提高了雕刻加工效率以及質(zhì)量，而且大大擴(kuò)展了陶瓷浮雕圖庫(kù)，最后通過(guò)實(shí)例加工，證明了這種技術(shù)的可行性。本技術(shù)的應(yīng)用從根本上擺脫陶瓷雕刻的手工雕刻作業(yè)的現(xiàn)狀，把人們從繁重的體力勞動(dòng)中解脫出來(lái)，同時(shí)陶瓷雕刻產(chǎn)品也得到了廣泛的推廣。

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Application of CAD/CAM Technology in Design and Processing of Ceramic Relief

LUO Jun1., HAN Wen2
(School of Mechanical and Electronic Engineering, Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333403, Jiangxi, China)

This paper introduces the application of CAD/CAM technology in ceramic relief modeling and simulation process. First, Ceramic relief modeling is realized through geometrical modeling and bitmap embossment modeling; then simulation is carried out using ArtCAM software as a platform. With extracted processing parameters, ceramic relief can be completed through the CNC engraving.

CAD/CAM; ceramic relief; simulation and processing

TQ174.5

A

1000-2278(2014)06-0649-05

10.13957/j.cnki.tcxb.2014.06.017

2014-06-22。

2014-07-10。

江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(編號(hào)：GJJ12505)。

羅俊(1983-)，男，碩士，講師。

Received date: 2014-06-22. Revised date: 2014-07-10.

Correspondent author:LUO Jun(1983-), male, Master, Lecturer.

E-mail:luolitian@qq.com