《西游記》人物蛋雕工藝品的精雕五軸加工技術(shù)

江彌峰, 朱來發(fā), 劉斌, 金花雪

(華僑大學(xué) 機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院, 福建 廈門 361021)

蛋雕工藝品有多種,有的是用雕刀在表面顏色較深的蛋殼上雕刻出各種人物、山水、花鳥等的作品;有的是選用質(zhì)地較厚的蛋殼作為材料[1-2],以淺浮雕或鏤空的手法進(jìn)行雕刻的作品;有的是將上述兩種方法結(jié)合在一起完成的作品.雕刻種類有浮雕、陰雕、陽(yáng)雕、透雕、鏤空雕等.對(duì)生活中的雞蛋進(jìn)行機(jī)床加工,形成工藝品,從而使中華文化在海外更好地傳播.

中華文化蛋雕《西游記》就是利用精雕五軸加工技術(shù),以藝術(shù)形式在生雞蛋上蛋雕出《西游記》系列,雕刻加工出具有藝術(shù)氣息的工藝品.蛋雕圖案的創(chuàng)新有上古4大神獸、校方合作之禮、中外文化交融、新人結(jié)婚慶典、學(xué)生友誼之禮、喜蛋財(cái)神爺私人訂制等.本文在傳統(tǒng)手工雕刻打磨雞蛋的基礎(chǔ)上,由五軸機(jī)床加工程序編程控制[3-4],采用R0.2雕刻刀加工雞蛋,并充分運(yùn)用雞蛋曲面的截面,完成蛋雕《西游記》陰雕效果[5].

1 加工方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 人物線條繪制

采用JDSoft SurfMill 9.5軟件,在2D界面下繪制《西游記》人物圖片,如圖1所示.對(duì)JDSoft SurfMill 9.5軟件的人物描圖進(jìn)行編輯,采用曲線功能中的多義線對(duì)人物圖像進(jìn)行一小條一小段的拼接,最終形成閉環(huán)人物線條.《西游記》人物線條,如圖2所示.線型轉(zhuǎn)換完成后并入3D環(huán)境.

圖1 《西游記》人物圖片F(xiàn)ig.1 Diagrams of Journey to the West characters

圖2 《西游記》人物線條Fig.2 Lines of Journey to the West characters

1.2 真雞蛋模型繪制與工裝的設(shè)計(jì)

打開JDSoft SurfMill 9.5精雕軟件,進(jìn)入3D造型界面,按照實(shí)際真雞蛋模型比例測(cè)量雞蛋尺寸;然后,在軟件中進(jìn)行雞蛋等尺寸比例的模型設(shè)計(jì).在完成雞蛋模型后,雞蛋的工裝整體采用內(nèi)吸法,內(nèi)部結(jié)構(gòu)為喇叭口狀(喇叭口面積更大,壓強(qiáng)更強(qiáng)).通過內(nèi)吸法使雞蛋底部外蛋殼貼緊工裝裝夾處,更好地防止因氣壓過大、受力不均而導(dǎo)致的雞蛋破裂及變形.工裝底裝配一個(gè)KSH10-01S型高速轉(zhuǎn)換接頭.

1.3 3D曲面投影與蛋殼表面測(cè)針點(diǎn)分布

通過3D曲面投影,分別將《西游記》中唐僧、孫悟空、豬八戒和沙僧等人物圖像投影到雞蛋外殼表面;然后設(shè)定曲線、曲面和投影方向.在定位投影時(shí),人物圖像之間的距離必須相等.《西游記》人物圖像投影,如圖3所示.

圖3 《西游記》人物圖像投影Fig.3 Projection of character images of Journey to the West

在蛋殼表面設(shè)置曲面測(cè)針點(diǎn)分布,選擇曲面測(cè)量選項(xiàng),曲面需要覆蓋加工圖形所有的元素(半徑、U向和V向分布點(diǎn)數(shù)等參數(shù)),運(yùn)行軟件編程測(cè)點(diǎn).在機(jī)床上,采用探點(diǎn)檢測(cè)雞蛋表面UV向、U向的20個(gè)點(diǎn)探測(cè)點(diǎn),V向7個(gè)探測(cè)點(diǎn),共計(jì)140個(gè)探測(cè)點(diǎn),從而提高每個(gè)雞蛋與模型精度補(bǔ)償,雞蛋表殼曲面的重合度,實(shí)際蛋雕《西游記》人物圖像準(zhǔn)確性、高精度和高回轉(zhuǎn)度.曲面測(cè)針點(diǎn)分布,如圖4所示.

圖4 曲面測(cè)針點(diǎn)分布Fig.4 Distribution of measuring needle points on curved surface

1.4 曲面測(cè)量編程與五軸曲線加工編程

進(jìn)入加工界面后,在左上角的機(jī)床上選擇對(duì)應(yīng)的五軸加工技術(shù)6-8,設(shè)置參數(shù).選擇R0.2雕刻刀進(jìn)行雞蛋的人物加工,R0.2雕刻刀的底端一般選擇R0.1～R0.3之間的刀具.在測(cè)量向?qū)е?選擇曲面聯(lián)動(dòng)測(cè)量;加工圖形中,探測(cè)點(diǎn)選擇3D造型曲面測(cè)針點(diǎn);加工面選取軟件雞蛋模型的曲面;加工刀具選取Φ5 mm的紅寶石測(cè)頭.在測(cè)量計(jì)算里選擇曲面測(cè)量參數(shù),其他選項(xiàng)參數(shù)為默認(rèn)參數(shù).在加工向?qū)нx項(xiàng)中,圖形加工的表面高度為0 mm,加工深度為-0.08 mm.在編輯加工域中,輪廓線選擇《西游記》人物圖像,導(dǎo)動(dòng)面選擇雞蛋模型曲面.在測(cè)量補(bǔ)償里選擇曲面測(cè)量參數(shù),使用數(shù)據(jù)組號(hào)為1,其他選項(xiàng)參數(shù)為默認(rèn)參數(shù).

1.5 在加工界面完成后置處理NC代碼

在JDSoft SurfMill 9.5軟件中,打開輸出路徑,選中五軸加工曲線編程,輸出格式為數(shù)字控制(NC)代碼.導(dǎo)出數(shù)據(jù)代碼時(shí),機(jī)床型號(hào)的選配與實(shí)際機(jī)床必須保持一致,并將其保存至U盤里.

1.6 精雕機(jī)床JDGR200T上安裝工裝與對(duì)刀分中

在機(jī)床處于正常開機(jī)狀態(tài)下,安裝工裝到機(jī)床工作臺(tái).用四爪卡盤夾緊工裝臺(tái)階,將真空發(fā)生器的進(jìn)口端接上Φ10 mm氣管9,并連接到氣壓轉(zhuǎn)接口,氣管檢測(cè)插緊到位.工裝的安裝,如圖5所示.

(a) 工裝 (b) 四爪卡盤 (c) 氣管圖5 工裝的安裝Fig.5 Installation of tooling

真雞蛋均勻放置于雞蛋工裝模型內(nèi)型腔中,根據(jù)機(jī)床內(nèi)部的分中輔助界面,測(cè)頭對(duì)真雞蛋進(jìn)行X軸和Y軸的分中,對(duì)Z軸進(jìn)行對(duì)刀.當(dāng)側(cè)頭觸碰到雞蛋最上面紅色蛋殼時(shí),通過調(diào)整倍率檔位精雕控制[10],自動(dòng)補(bǔ)償至機(jī)床系統(tǒng)內(nèi)部Z軸對(duì)應(yīng)的參數(shù)值[11].

1.7 精雕機(jī)床JDGR200T加工真雞蛋實(shí)際操作

機(jī)床進(jìn)入多文檔界面(MDI)后,把M06 T16測(cè)頭調(diào)入主軸頭上,再將U盤里面的NC程序調(diào)入機(jī)床里,按循環(huán)啟動(dòng)鍵,對(duì)真雞蛋進(jìn)行加工.先運(yùn)行第1段程序,對(duì)Φ5 mm的紅寶石測(cè)頭在雞蛋外殼進(jìn)行輪廓測(cè)量[12].測(cè)頭的測(cè)量,如圖6所示.通過機(jī)床內(nèi)部參數(shù)寫保護(hù)自動(dòng)進(jìn)行模型雞蛋與真雞蛋的實(shí)際外型補(bǔ)償,補(bǔ)償數(shù)據(jù)由系統(tǒng)自動(dòng)處理,從而形成以真雞蛋外殼外型為唯一基礎(chǔ)的形狀;然后,運(yùn)行第2段程序,換R0.2雕刻刀雕刻雞蛋表面,轉(zhuǎn)速為20 000 r·min-1,深度由編程軟件控制為0.08 mm[13].加工雕刻,如圖7所示.

圖6 測(cè)頭的測(cè)量Fig.6 Measurement of measuring head

圖7 加工雕刻Fig.7 Carving processing

1.8 雞蛋底部打孔與抽出雞蛋液

將雞蛋翻轉(zhuǎn)180°后,再次對(duì)稱平穩(wěn)地放入工裝內(nèi),調(diào)整氣壓,用M06 T02測(cè)頭對(duì)雞蛋進(jìn)行打孔加工[14].將醫(yī)療用具針筒(100 mL,Φ1.6 mm)針頭插入雞蛋,抽取雞蛋里的蛋清和蛋黃,排放清洗后,再次抽取雞蛋液,直至抽取完;然后,用針筒抽取清水,注入到雞蛋里,反復(fù)操作,直至雞蛋內(nèi)部干凈.

2 加工過程難點(diǎn)分析

采用JDSoft SurfMill 9.5軟件,在2D界面下繪制《西游記》人物圖片后,進(jìn)行略微的調(diào)整.主要是因?yàn)镽0.2雕刻刀刀具過小,而真雞蛋的蛋殼厚度只有0.44 mm左右,外殼厚薄不均,塑性小、脆性大、易裂,因此,雞蛋曲面的線條不宜過密.

蛋殼表面測(cè)針點(diǎn)盡量在U向和V向均勻分布,測(cè)點(diǎn)數(shù)也盡量多一點(diǎn),這樣實(shí)際曲面測(cè)量后,自動(dòng)補(bǔ)償更正雞蛋模型,偏差會(huì)最小,加工效果自然也最佳.在實(shí)際選擇曲面時(shí),容易形成的不封閉曲面會(huì)導(dǎo)致軟件報(bào)警.因此,一般采用順時(shí)針方式拾起曲面,以有人物加工圖案的底部為起始點(diǎn),以有人物加工圖案的頂部為終止點(diǎn),這樣可以避免軟件報(bào)警.

真空發(fā)生器(負(fù)壓發(fā)生器)[15-16]在有壓縮空氣的地方,或在一個(gè)氣動(dòng)系統(tǒng)中同時(shí)需要正負(fù)壓的地方容易獲得負(fù)壓,因此,真空發(fā)生器廣泛應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化中機(jī)械、電子、包裝、印刷、塑料及機(jī)器人等領(lǐng)域.需要注意的是最高真空度最好不小于-91 kPa,最大真空流量不小于100 L·min-1,氣消耗量不小于150 L·min-1;進(jìn)去孔、出氣孔大小最好和機(jī)床氣壓氣管大小一致,這樣不用更換轉(zhuǎn)換接頭,也不會(huì)形成高低壓氣差,防止雞蛋因壓力差而導(dǎo)致的破裂.

工裝的安裝最大的問題就是密封性問題,所以在選擇工裝材料上可以選擇亞克力、尼龍等塑性高的材料,盡量避免金屬材料.工裝底面設(shè)計(jì)決定工裝底面內(nèi)孔的內(nèi)螺紋英制規(guī)格型號(hào);工裝上面設(shè)計(jì)分為外型設(shè)計(jì)及內(nèi)型設(shè)計(jì).外型設(shè)計(jì)是為了避開加工雞蛋時(shí)R0.2雕刻刀的刀柄的碰撞[17],內(nèi)型設(shè)計(jì)成內(nèi)曲面雞蛋的模型,可以讓雞蛋放進(jìn)1/5到1/4左右.在內(nèi)型最上面設(shè)計(jì)一個(gè)2 mm的小臺(tái)階,在小臺(tái)階中間設(shè)計(jì)1 mm的Z-0.3凹槽,主要是防止密封.根據(jù)小臺(tái)階的周長(zhǎng),用剪刀剪出對(duì)應(yīng)的2 mm密封條(圖8),在把密封條放進(jìn)凹槽里面,在四周內(nèi)壁外壁滴入液體均勻分布的膠水,達(dá)到密封的效果.

(a) 橡膠條 (b) 安裝 (c) 工裝圖8 密封條的安裝Fig.8 Installation of sealing strip

空壓機(jī)輸入到機(jī)床的氣壓是0.60 MPa,將氣壓調(diào)整到約0.12 MPa(數(shù)據(jù)根據(jù)加工經(jīng)驗(yàn)得來,具體的氣壓數(shù)據(jù)沒有經(jīng)過嚴(yán)格檢測(cè)儀器檢驗(yàn)).在整個(gè)《西游記》原型人物加工過程中[18],氣壓調(diào)整的占比約為95%,幾乎所有的雞蛋碎裂、雞蛋掉落、雞蛋底部破裂都跟氣壓調(diào)整密不可分,主要是因?yàn)橘?gòu)買的雞蛋的大小不一,雞蛋外殼的厚薄不均、裂紋不均等.

3 蛋雕人物效果與分析

蛋雕《西游記》共加工出兩套《西游記》人物圖像.一套為全景《西游記》人物圖像雕刻,雞蛋背面配有《西游記》文字;另一套為唐僧、孫悟空、豬八戒和沙僧《西游記》人物頭部圖像.購(gòu)買的雞蛋是紅殼雞蛋,其具有美感、喜氣與吉祥特征.全景《西游記》人物圖像雕刻,如圖9所示.

(a) 文字 (b)全身像 (c) 人頭像圖9 全景《西游記》人物圖像雕刻Fig.9 Panoramic image carving of Journey to the West characters

4 結(jié)束語(yǔ)

手工雕刻能夠進(jìn)行浮雕、陰雕、陽(yáng)雕,手工雕刻更具觀賞性、獨(dú)立性,不可復(fù)制,有收藏價(jià)值.精雕五軸加工技術(shù)具有高精度、高定位、高分度、高穩(wěn)定性、線條寬窄、深淺與模型一致、可批量復(fù)制加工等優(yōu)點(diǎn).手工大師培養(yǎng)周期長(zhǎng)且普遍性不高,而精雕五軸加工技術(shù)上手較快,軟件編程掌握更容易.因此,精雕五軸加工技術(shù)相比手工雕刻具有起點(diǎn)低、學(xué)習(xí)周期短、普遍性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì).