家具曲面浮雕的逆向工程和數(shù)控加工應(yīng)用研究

李競杰 張榮強

摘 要：文章基于逆向工程技術(shù)對家具曲面浮雕進(jìn)行了應(yīng)用研究。通過對三維掃描數(shù)據(jù)的采集和處理建立了CAD實體模型，并在JDpaint軟件中對其進(jìn)行了雕刻路徑編輯，生成了可用于數(shù)控加工的nc格式的路徑文件，分析了雕刻機進(jìn)給速度、切削用量、刀具選擇與設(shè)置等加工參數(shù)對雕刻效果的影響規(guī)律，并開展了大量雕刻實驗，取得了較好的雕刻效果。文章對逆向工程關(guān)鍵技術(shù)、數(shù)控加工路徑制作和雕刻實踐等環(huán)節(jié)進(jìn)行了歸納，總結(jié)出了一套實用可行的逆向技術(shù)與數(shù)控加工的方法，為家具曲面浮雕加工提供了經(jīng)濟高效的解決方案，具有較好的實際意義和應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：逆向工程；曲面浮雕；數(shù)控加工

對家具制造業(yè)而言，當(dāng)前的最大價值在于用更少的成本、更快的效率、更好的質(zhì)量，開發(fā)出滿足用戶需求的家具。某些中大型企業(yè)花費大量資金購買先進(jìn)設(shè)備，配套設(shè)施齊全，但鑒于沒有先進(jìn)的制造工藝，從業(yè)人員的操作方法比較落后，大部分企業(yè)目前還是經(jīng)驗性設(shè)計階段。尤其是對有較多浮雕造型的曲面家具，企業(yè)還是由有經(jīng)驗的技工首先手工制作模板，再以打樣好的零件模型進(jìn)行比照加工，但這已不能適應(yīng)新的競爭形勢。

由于全球經(jīng)濟一體化進(jìn)程的推動，國內(nèi)家具企業(yè)既要面臨國外企業(yè)的競爭，同時又要走出國門走向世界，有必要采取更加合理和高效的生產(chǎn)工藝。在這個背景下，逆向工程技術(shù)應(yīng)運而生。

1 逆向工程技術(shù)

逆向工程技術(shù)是將實物轉(zhuǎn)化成CAD模型的數(shù)字化技術(shù)、幾何模型重構(gòu)技術(shù)和產(chǎn)品制造技術(shù)的總稱。逆向工程與人的逆向思維類似，是根據(jù)“實物模型——數(shù)據(jù)掃描——數(shù)據(jù)處理——實體建?！獢?shù)控加工”的逆向流程進(jìn)行的，有利于提高新產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)程和企業(yè)產(chǎn)能[1]。

家具曲面浮雕的模具開發(fā)能夠運用正向CAD軟件建模，然后在雕刻軟件中生成浮雕模型，最后設(shè)定刀具路徑及開展數(shù)控加工。但這種方法不僅工作效率不高，還難以保證精度和質(zhì)量，主要是因為：（1）雖然技工雕刻的浮雕非常逼真，但對CAD軟件的使用不嫻熟；（2）軟件工程師不是專業(yè)的藝術(shù)家，很難在計算機上做出逼真的浮雕模型；（3）正向CAD軟件建立復(fù)雜曲面浮雕的難度很大，而且費時費力[2]。

文章將對家具曲面浮雕的逆向工程技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用研究。基于逆向工程技術(shù)進(jìn)行家具曲面浮雕的開發(fā)，能夠有效地解決上述問題，該技術(shù)流程的關(guān)鍵步驟：（1）將技工雕刻的曲面浮雕模型進(jìn)行三維掃描；（2）掃描后的模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；（3）處理完成后導(dǎo)入CAD軟件進(jìn)行實體建模；（4）將模型導(dǎo)入雕刻軟件生成刀具路徑進(jìn)行數(shù)控加工。

下文將結(jié)合實例，以梳妝臺頂線浮雕模型（如圖1所示）為例進(jìn)行家具曲面浮雕的逆向設(shè)計和加工分析。

2 家具曲面浮雕的逆向工程技術(shù)研究

2.1 數(shù)據(jù)采集

使用三維掃描儀對梳妝臺頂線浮雕模型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，獲取點云數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以與CAD/CAM軟件無縫銜接，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理和曲面重構(gòu)，再輸入數(shù)控機床進(jìn)行加工，能夠很大程度地縮短開發(fā)周期。

文章完成浮雕三維掃描所使用的設(shè)備為手持式 MetraSCAN 3D光學(xué)三坐標(biāo)三維掃描儀。其基本構(gòu)架是由光學(xué)原理發(fā)展而來，通過光的反射、脈沖等將接收到的光學(xué)信號由計算機科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)化為物體反射面的三維空間坐標(biāo)信號，并在VXelements 中自動實時生成三維數(shù)據(jù)文件，并在一定的優(yōu)化操作后存儲為單元為三角面片的stl.格式的數(shù)據(jù)文件，為后續(xù)修復(fù)工作、雕刻工作提供源數(shù)據(jù)文件。

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 Geomagic Studio 軟件簡介

Geomagic Studio是由Geomagic公司開發(fā)的逆向工程軟件。通過手持式三維掃描儀掃描得到的點云數(shù)據(jù)來建立多邊形模型和網(wǎng)格，并自動生成曲面，提供了從實物到計算機建模的一套完整的解決方案，為產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計提供了必要的準(zhǔn)備工作。

2.2.2 基于Geomagic Studio曲面浮雕處理流程

（1）點云階段處理流程

點階段主要作用是對導(dǎo)入的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，排除在掃描時捕捉到錯誤或者多余的數(shù)據(jù)，使其成為有序、整齊以及可以提高處理效率的點云數(shù)據(jù)，得到高質(zhì)量的多邊形對象。點云數(shù)據(jù)的處理會對后期曲面浮雕重建的質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響。掃描得到的點云數(shù)據(jù)多而雜且不規(guī)律，因此首先需要對其進(jìn)行處理。流程包括刪除體外孤點、減少噪音、統(tǒng)一采樣、計算封裝等操作。

（2）多邊形階段處理流程

多邊形階段是在點云數(shù)據(jù)封裝后進(jìn)行處理，從而獲得一個理想的多邊形數(shù)據(jù)模型，為多邊形高級階段的處理和曲面的重建奠定基礎(chǔ)。其主要作用是對多邊形網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行表面光順與優(yōu)化，以獲得光順、完整的三角面片網(wǎng)格，并消除錯誤的三角面片，提高后續(xù)的曲面重建質(zhì)量[3]。流程包括填充孔、簡化多邊形、銳化向?qū)?、平面截面、修?fù)相交區(qū)域等操作。

（3）形狀階段處理流程

形狀階段是在多邊形階段處理后進(jìn)行處理，從而獲得一個理想的曲面模型。其主要作用是實現(xiàn)曲面重構(gòu)，通過構(gòu)造整齊的格柵，從而擬合出光順的曲面。文章采用NURBS曲面生成原理，對點和多邊形階段處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面擬合。流程包括探測曲率、構(gòu)造曲面片、移動面板、構(gòu)造格柵、NURBS擬合曲面等操作，將曲面重構(gòu)后的模型保存為igs格式文件。

3 家具曲面浮雕的數(shù)控加工研究

3.1 數(shù)控加工流程

數(shù)控加工確保產(chǎn)品滿足很高的加工精度和加工質(zhì)量，生產(chǎn)效率高，易于實現(xiàn)自動化的過程，能夠節(jié)省大量的工藝設(shè)備，以滿足產(chǎn)品快速更新?lián)Q代的需求。數(shù)控加工與CAD技術(shù)密切相關(guān)，CAD模型可直接用于生成數(shù)控加工指令，從而驅(qū)動數(shù)控機床進(jìn)行加工[4][5]。

CNC雕刻機先在計算機上進(jìn)行模擬加工，通過分析梳妝臺頂飾浮雕造型特點，模擬出刀具加工的路徑。在確定刀具路徑和加工工藝后，才能在雕刻機上進(jìn)行實體加工。精雕軟件以簡易、實用的準(zhǔn)則制定研發(fā)了生成刀具路徑的CAM模塊功能。對于家具曲面浮雕模型的復(fù)雜性及加工工藝的成熟度不同，JDpaint軟件提供了路徑向?qū)Ш吐窂侥０鍍煞N生成路徑的方法。路徑向?qū)нm用于復(fù)雜模型和新工藝的加工，路徑模板更適用于簡單模型和成熟工藝的加工[6]。

3.2 制作刀具路徑

在Solidworks、Pro/e等軟件中建立三維模型，導(dǎo)入JDpaint軟件進(jìn)行雕刻路徑設(shè)計與編輯，具體步驟如下：

（1）打開JDpaint軟件，進(jìn)入3D環(huán)境，輸入stl三維模型。

（2）調(diào)整模型的尺寸與坐標(biāo)，使用“圖形聚中”功能將加工原點平移到世界坐標(biāo)系的原點位置。

（3）設(shè)定加工范圍。啟動路徑向?qū)詈螅到y(tǒng)會彈出路徑向?qū)υ捒虻牡谝粋€頁面設(shè)定雕刻范圍。本實驗選用曲面精加工，并設(shè)定走刀方式為平行截線，表面高度為0，雕刻深度為30.05mm及加工余量為0；

（4）設(shè)定加工刀具。在路徑向?qū)У牡毒哌x擇界面，選擇雕刻加工刀具并設(shè)定加工參數(shù)。本次使用的刀具是錐度平底刀JD-30-0.30，并設(shè)定加工精度為0，加工順序為區(qū)域優(yōu)先及平坦系數(shù)為0.5mm；

（5）設(shè)定加工材料和切削用量。加工材料是雕刻加工中很重要的因素，它直接影響雕刻加工的切削用量，如主軸轉(zhuǎn)速、走刀速度等。當(dāng)切削線速度超過最大線切削速度時，刀具磨損會顯著增大。但切削線速度不能太低，因為切削速度太低，材料不易被切斷。本實驗選擇材料為木材，路徑間距為0.15mm；

（6）生成刀具路徑。加工路徑參數(shù)設(shè)定完成后，構(gòu)成路徑點陣分析和刀具路徑誤差分析，生成ENG格式的刀具路徑。

3.3 模擬加工過程

加工模擬，也叫加工仿真，是指用計算機以真實感圖像動畫的方式模擬加工過程。通過加工仿真，用戶可以檢查刀具切削正確與否、生成浮雕模型正確與否等[7]。

選擇“刀具路徑”菜單中的加工過程模擬，即可啟動加工模擬命令。在啟動之前，先要把需要模擬加工的路徑設(shè)置為顯示狀態(tài)，JDpaint軟件會對當(dāng)前顯示的路徑根據(jù)加工順序依次進(jìn)行走刀加工模擬，自動生成刀具路徑。

3.4 輸出刀具路徑

刀具路徑不能直接控制雕刻機加工，必須輸出轉(zhuǎn)化為控制軟件能識別的文件格式后，才能由控制軟件轉(zhuǎn)化為控制信號，驅(qū)動數(shù)控機床進(jìn)行加工[8]。JDpaint軟件輸出刀具路徑為ENG文件，必須轉(zhuǎn)換為被雕刻機識別的NC文件，才能輸入雕刻機完成數(shù)控加工。具體步驟如下：

（1）選擇刀具路徑對象。

（2）選擇“刀具路徑”菜單中的“刀具路徑輸出”命令。

（3）選擇輸出加工文件，啟動命令后，系統(tǒng)彈出文件對話框，輸入加工文件名稱，點擊保存。

（4）保存文件后，系統(tǒng)彈出設(shè)置加工文件的格式對話框，點擊“確定”按鈕，系統(tǒng)將選擇的刀具路徑保存為ENG格式文件。

（5）將ENG格式文件通過NC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為NC路徑文件，之后導(dǎo)入數(shù)控機床進(jìn)行加工，開展雕刻實驗。

3.5 開展雕刻實驗

（1）打開雕刻機控制系統(tǒng)NcStudio，打開并裝載刀具路徑文件，編輯修改加工代碼，然后保存并裝載，進(jìn)行加工仿真。

（2）對刀并加工。通過手輪對刀，將刀具移至加工起點且z軸稍高位置，然后將xyz軸歸零，控制主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度，讓主軸旋轉(zhuǎn)至平穩(wěn)后啟動雕刻程序，觀察走刀路徑，然后停止。從原點開始，手輪對刀將刀具緊貼材料，然后讓主軸旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)后開始加工，觀察一段時間后可將主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度提升到較大位置。雕刻過程中用噴槍清理碎屑，以免干擾到整個雕刻過程。實驗過程如圖2所示，曲面浮雕最終實物如圖3所示。

4 結(jié)束語

文章基于逆向工程與數(shù)控加工技術(shù)對家具曲面浮雕進(jìn)行了應(yīng)用研究，以梳妝臺頂飾浮雕為例，闡述了家具曲面浮雕加工的總體工藝流程。通過對三維掃描數(shù)據(jù)的采集和處理建立了CAD實體模型，在JDpaint軟件中對其進(jìn)行了雕刻路徑編輯，生成了可用于數(shù)控加工的nc格式的路徑文件，并進(jìn)行了仿真模擬，開展了雕刻實驗，取得了較好的雕刻效果。文章對逆向工程關(guān)鍵技術(shù)、數(shù)控加工路徑制作和雕刻實踐等環(huán)節(jié)進(jìn)行了歸納，為家具曲面浮雕加工提供了經(jīng)濟高效的解決方案，具有較好的實際意義和應(yīng)用價值。

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