基于表面跟蹤技術(shù)的坭興陶數(shù)字化雕刻問題研究

劉星毅

關(guān)鍵詞： 坭興陶 數(shù)字化雕刻 最近鄰算法 歐式距離

廣西坭興陶與江蘇紫砂陶、重慶榮昌陶、云南建水陶被譽(yù)為“中國(guó)四大名陶”，它獨(dú)特的無(wú)釉窯變被譽(yù)為“中國(guó)一絕”[1-2]。坭興陶歷史悠久、馳名中外，是最具廣西民族特色的二件寶之一，曾多次作為國(guó)禮贈(zèng)送外賓[3]。近40 多年來(lái)，乘著改革開放的東風(fēng)，坭興陶產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展壯大，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，僅2021 年坭興陶行業(yè)總產(chǎn)值超30 億元，行業(yè)從業(yè)人數(shù)超過1.7 萬(wàn)人，相關(guān)企業(yè)超過1 000 家。然而，坭興陶產(chǎn)業(yè)仍有許多制約發(fā)展亟須破解的難題，如何擺脫原始手工制作，提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本是其中一個(gè)熱點(diǎn)問題，坭興陶的數(shù)字化雕刻對(duì)于破解這一熱點(diǎn)難題具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，坭興陶雕刻主要是通過手工雕刻完成[4]，一件坭興陶花一個(gè)熟練工人幾小時(shí)間甚至幾天時(shí)間完成是常態(tài)，一些大件坭興陶更是需要花費(fèi)幾個(gè)月的人工完成，這不僅人工成本高，效率低，還嚴(yán)重制約了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。21 世紀(jì)初，坭興陶的從業(yè)人員就對(duì)坭興陶的機(jī)器雕刻進(jìn)行了有益的探索，主要是采用激光雕刻和機(jī)器刻刀雕刻。激光雕刻是在燒成的坭興陶上進(jìn)行激光灼傷雕刻，機(jī)器刻刀雕刻是通過刻刀表面雕刻。由于激光雕刻對(duì)坭興陶僅起到淺淺的留痕作用，雕刻效果非常差，使用范圍非常局限；目前數(shù)字雕刻的主要研究方向是機(jī)器刻刀雕刻，數(shù)字雕刻泛指機(jī)器刻刀雕刻，數(shù)字雕刻雖然可以高效批量雕刻，但由于坭興陶坯體需自然干燥后才上機(jī)雕刻，拉坯的誤差及自然干燥過程整個(gè)坯體有約5% 的收縮率[5]，造成表面不平整不均勻，在表面接觸雕刻對(duì)誤差要求極高，表面的變形致使雕刻時(shí)局部刀路深局部刀路淺，甚至局部根本沒刀路，成品率太低造成數(shù)字雕刻難以推廣。解決刀路均勻問題是數(shù)字雕刻在坭興陶產(chǎn)業(yè)大規(guī)模使用的一個(gè)瓶頸問題。采用表面跟蹤技術(shù)對(duì)坭興陶表面進(jìn)行二次建模以修改雕刻代碼可以有效解決該難題。

1 表面跟蹤技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

1. 1 數(shù)字雕刻簡(jiǎn)介

數(shù)字雕刻屬于數(shù)控范疇，一般是通過專用的G 代碼來(lái)控制雕刻機(jī)主軸上的刻刀的運(yùn)動(dòng)軌跡，G 代碼是使用范圍非常廣的數(shù)控編程語(yǔ)言，常用的三維CAD/CAM 都支持G 代碼的導(dǎo)出，市場(chǎng)常見的數(shù)控設(shè)備一般都支持G 代碼[6]。在數(shù)字雕刻中，雕刻機(jī)主軸上的刻刀主要是通過G 代碼的指令及X、Y、Z 坐標(biāo)控制運(yùn)動(dòng)線路，其中X 和Y 坐標(biāo)是控制刻刀的平面位置，Z 坐標(biāo)是控制刻刀高度，安裝在雕刻機(jī)主軸上的高速旋轉(zhuǎn)刻刀在G 代碼的控制下按指定的軌跡行進(jìn)完成設(shè)計(jì)方案中的雕刻。

1. 2 基本思路

坭興陶產(chǎn)品具有地域性和民族特色[7]。其陶土是取得廣西欽州市的欽江東西兩岸特有的兩種陶土為原料按比例混合而成[8-9]。由于陶土中含鐵量較高及燒制前坯體有一定的含水量，所以燒制前的坭興陶坯體具有良好的導(dǎo)電性[10]，利用該特性配合雕刻機(jī)主板實(shí)現(xiàn)采樣并進(jìn)行算法修正。首先，利用坭興陶坯體的導(dǎo)電性在雕刻機(jī)中設(shè)計(jì)接觸式采樣電路并在雕刻軟件中開發(fā)用于坭興陶表面跟蹤的插件，實(shí)現(xiàn)對(duì)上機(jī)雕刻的坭興陶器件的表面坐標(biāo)（X、Y、Z）數(shù)據(jù)采樣形成數(shù)據(jù)集樣本。其次，坭興陶表面跟蹤插件把采集到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)集樣本對(duì)擬雕刻內(nèi)容的G 代碼坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)實(shí)現(xiàn)對(duì)Z 坐標(biāo)修正，最后用修正后的G 代碼完成上機(jī)雕刻，一件坭興陶坯體完成雕刻的具體步驟如圖1 所示。

由于采集的坐標(biāo)數(shù)據(jù)相比于所需雕刻用的G 代碼坐標(biāo)數(shù)據(jù)不一致且數(shù)量少，它們不是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)G 代碼文件中所有坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，需要通過使用算法的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)G 代碼Z 坐標(biāo)的修正，這是表面跟蹤的技術(shù)關(guān)鍵。

1. 3 電路設(shè)計(jì)

555 時(shí)基集成電路是一個(gè)把模擬電路和數(shù)字電路有機(jī)組合在一起而成的混合電路，它將模擬功能與邏輯功能有機(jī)整合在一片獨(dú)立的集成電路，憑借著模數(shù)結(jié)合的優(yōu)勢(shì)，555 時(shí)基電路廣泛應(yīng)用于各種數(shù)模電路?；?55 時(shí)基集成電路提高靈敏度利用坭興陶坯體導(dǎo)電特性，設(shè)計(jì)一探頭通過與坭興陶接觸，另一探頭與刻刀相連，觸發(fā)端子分別與雕刻機(jī)的對(duì)刀端子連接，當(dāng)刻刀刀尖觸碰坭興陶坯體表面瞬間，觸發(fā)雕刻機(jī)探測(cè)頭高電平，從而獲取觸碰點(diǎn)的X、Y、Z 坐標(biāo)，具體電路圖如圖2 所示。

1. 4 修正算法設(shè)計(jì)

每個(gè)坭興陶雕刻的G 代碼都包含有少則幾千，多則幾萬(wàn)甚至上百萬(wàn)個(gè)控制點(diǎn)組成，這些控制點(diǎn)是理論上的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)通過固定的X、Y、Z 值進(jìn)行定位，上機(jī)雕刻時(shí)，通過手動(dòng)對(duì)刀操作確定雕刻區(qū)域，也就是可以確定雕刻區(qū)域與G 代碼的X、Y 對(duì)應(yīng)，修正算法需解決的是如何通過采樣數(shù)據(jù)集修正G 代碼中的Z 坐標(biāo)值。

為了兼顧效率，通過表面跟蹤采樣的坐標(biāo)數(shù)據(jù)集一般是幾百個(gè)點(diǎn)，為了能通過幾百個(gè)好點(diǎn)的真實(shí)數(shù)據(jù)修正幾千、幾萬(wàn)甚至上百萬(wàn)個(gè)G 代碼控制點(diǎn)的Z 坐標(biāo)，通過最近鄰（k-Nearest Neighbor，KNN）算法實(shí)現(xiàn)。KNN 算法在1967 年首次提出[11]，目前已被嵌入SAS、WEKA 等常見的軟件。

KNN 算法屬于分類算法，這是數(shù)據(jù)挖掘分類技術(shù)中容易理解、操作簡(jiǎn)單和效果明顯的方法之一。所謂最近鄰，就是K 個(gè)最接近的鄰居的意思，也就是每個(gè)樣本都可以用跟它最接近的K 個(gè)鄰近值來(lái)代表。該算法的重點(diǎn)是如何確定樣本的距離，確定距離的算法比較多，比如灰色分析[12]、馬氏距離[13]、歐式距離[14]等，這里采用歐式距離公式，具體如下。

基于歐氏距離的最近鄰算法可以描述為：（1）對(duì)每一個(gè)含有G 代碼中的控制點(diǎn)，根據(jù)公式（1）計(jì)算它與采樣數(shù)據(jù)集中所有坐標(biāo)點(diǎn)的距離；（2）對(duì)得到的所有距離排序，選取K 個(gè)最小距離；（3）通過公式（2）取這K 個(gè)距離中的Z 坐標(biāo)值中位數(shù)為此事例的Z 值。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2. 1 軟件系統(tǒng)的運(yùn)行

首先，正常打開軟件雕刻系統(tǒng)，在軟件雕刻系統(tǒng)（如圖3 所示）中加載需雕刻的坭興陶G 代碼文件，導(dǎo)入完成后，手動(dòng)完成對(duì)刀。然后，通過點(diǎn)擊“表面跟蹤”

在坭興陶表面跟蹤設(shè)置界面輸入具體參數(shù)后，點(diǎn)擊“坭興陶表面跟蹤”按鈕，系統(tǒng)對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行合法性查驗(yàn)，確認(rèn)無(wú)誤后自動(dòng)開始表面跟蹤采樣，形成設(shè)定區(qū)域的坐標(biāo)數(shù)據(jù)集。

坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集完成后，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行算法修正G代碼文件的Z 坐標(biāo)，結(jié)果存入G 代碼臨時(shí)文件，然后系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉已打開的原G 代碼文件，加載臨時(shí)G 代碼文件，使用G 代碼臨時(shí)文件中的G 代碼進(jìn)行雕刻。

2. 2 雕刻效果的比對(duì)

圖5 為使用普通雕刻機(jī)雕刻坭興陶的效果，沒有采用表面跟蹤進(jìn)行算法修正的坭興陶明顯左邊雕刻較深，右邊淺，甚至有些地方根本沒有雕刻到，雕刻質(zhì)量非常一般。圖6 是采用了表面跟蹤技術(shù)先進(jìn)行了Z坐標(biāo)修正后的雕刻效果，雕刻線條均勻，深淺平均，雕刻質(zhì)量比較高。

2. 3 結(jié)果分析

兩件坭興陶的坯體由于拉坯后放置自然干燥收縮后都造成了收縮不均勻，通過手動(dòng)對(duì)刀確實(shí)中心表面坐標(biāo)為原點(diǎn)（0，0，0）后，沒有進(jìn)過表面跟蹤技術(shù)修正的G 代碼文件按理論刀路進(jìn)行雕刻，造成坯體比理論點(diǎn)高的部分（主要是左側(cè)）雕刻線路偏深，而比理論點(diǎn)低的部分（主要是右側(cè)）由于刻刀接觸淺甚至接觸不到而雕刻線路淺甚至根本沒雕刻到；通過表面跟蹤技術(shù)修正后的G 代碼，由于對(duì)比理論點(diǎn)高或低的部分進(jìn)行了Z坐標(biāo)補(bǔ)償修正，比如：某點(diǎn)理論點(diǎn)Z 坐標(biāo)值是1，而通過表面跟蹤技術(shù)求得其坐標(biāo)值是0.5，那么修正后的G 代碼中該點(diǎn)坐標(biāo)的Z 坐標(biāo)值就被修正為0.5，雕刻時(shí)該點(diǎn)雕刻深度與理論深度一致，清除了誤差，所以整體雕刻質(zhì)量控制比較好。

3 結(jié)語(yǔ)

坭興陶的數(shù)字化雕刻問題的解決對(duì)于提高坭興陶生產(chǎn)效率，推動(dòng)坭興陶產(chǎn)業(yè)化和標(biāo)準(zhǔn)化都有比較積極的意義，采用了表面跟蹤技術(shù)的坭興陶數(shù)字化雕刻克服了普通雕刻機(jī)雕刻質(zhì)量不高的難題，為坭興陶數(shù)字化雕刻進(jìn)行了積極探索，助推坭興陶產(chǎn)業(yè)做大做強(qiáng)。

4 下一步工作

該文采用表面跟蹤技術(shù)對(duì)坭興陶數(shù)字化雕刻進(jìn)行了改進(jìn)，對(duì)提高線性誤差坭興陶的數(shù)字化雕刻質(zhì)量效果明顯，但對(duì)于一些不太常見的非線性（離散）誤差，由于采用歐式距離公式作為最近鄰算法確定K 近鄰對(duì)于線性誤差修正準(zhǔn)確率高非線性誤差修正準(zhǔn)確率較差，致使雕刻質(zhì)量改進(jìn)不明顯。下一步將重點(diǎn)探索通過采集的坐標(biāo)數(shù)據(jù)樣本集自動(dòng)判斷是線性誤差還是非線性誤差，根據(jù)不同類型的誤差自動(dòng)采用不同的算法進(jìn)行修正，以擴(kuò)大表面跟蹤技術(shù)在坭興陶數(shù)字化雕刻的適用范圍。