數(shù)控影雕加工技術(shù)研究及其仿真測試

諶 鵬

（南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京 210046）

影雕藝術(shù)起源于明清時(shí)期，至今已有數(shù)百年歷史。影雕采用“針黑白”的工藝，在黑色天然大理石上用“針狀”刀具敲擊出的點(diǎn)來描繪照片，且通過點(diǎn)的疏密反映黑白照片中顏色的明暗變化，最終形成形象逼真的畫面。由于影雕選材天然，具有獨(dú)特的藝術(shù)風(fēng)格且永不退色，因此其在工藝品、裝飾行業(yè)占據(jù)著重要的地位，擁有巨大的市場需求。

本文從現(xiàn)代數(shù)控加工技術(shù)著手研究了如何將這一傳統(tǒng)手工工藝轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)代自動(dòng)化制造工藝，討論了數(shù)控影雕的加工原理、編程軟件的設(shè)計(jì)及其仿真測試方法。

1 影雕加工方法及對比

1.1 傳統(tǒng)手工方法

傳統(tǒng)影雕以表面磨平的黑色大理石為原材料，先在石板上把要雕琢圖像的輪廓描繪出來，再采用頭部磨成似針一樣細(xì)小的合金鋼刀具通過人工打點(diǎn)的方式雕刻出最終的圖案。從事該工藝的藝人要求擁有一定的美術(shù)功底，且需要長期的鍛煉才能完成藝術(shù)創(chuàng)作。其作品特點(diǎn)是鑿點(diǎn)多變不規(guī)則，可根據(jù)雕刻的題材發(fā)揮鑿點(diǎn)的粗細(xì)深淺，畫面形象逼真。由于傳統(tǒng)影雕采用純手工完成，因此耗時(shí)多，不容易大批量加工，且價(jià)格昂貴。

1.2 激光加工方法

激光加工與傳統(tǒng)手工方法的主要不同在于其采用激光束照射加工材料表面達(dá)到熔化和氣化的溫度，從而使材料氣化蒸發(fā)或熔融濺出，形成類似手工雕琢的凹陷點(diǎn)［1］。由于該技術(shù)需要前期通過計(jì)算機(jī)對圖像進(jìn)行二值化處理，因此加工出的圖像與純手工方法比較較為呆板，尚不能克服雕刻深度不足，明暗對比不佳的缺點(diǎn)，但通過后期加以手工修整，可增加一點(diǎn)明暗對比度及有種鑿點(diǎn)雕刻的感覺。雖然激光影雕藝術(shù)價(jià)值相對手工影雕而言相差極遠(yuǎn)，但由于其采用了計(jì)算機(jī)技術(shù)，其整個(gè)加工過程可自動(dòng)完成，效率高，可實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。

1.3 數(shù)控雕刻方法

數(shù)控雕刻影雕與激光影雕相同的地方在于也需要前期對圖像進(jìn)行二值化處理，不同之處在于其加工過程采用數(shù)控雕刻機(jī)或數(shù)控銑床利用尖刀完成點(diǎn)的雕刻，因此該方法具有手工影雕的鑿點(diǎn)特點(diǎn)和激光影雕的高效率。對于從事雕刻加工的行業(yè)來說由于激光影雕加工需要專門購置激光雕刻設(shè)備，增加了設(shè)備的投入且激光雕刻機(jī)價(jià)格不菲，而相對數(shù)控雕刻其只需在原有雕刻機(jī)的基礎(chǔ)上投入專用影雕編程軟件即可，因此資金投入較少，且實(shí)現(xiàn)了“一機(jī)多用”。由于數(shù)控雕刻仍無法避免圖像呆板的缺點(diǎn)，因此其適合非藝術(shù)欣賞的普通工藝品或裝飾行業(yè)。

2 數(shù)控影雕加工原理

2.1 數(shù)控影雕的實(shí)施流程

采用數(shù)控雕刻方法加工影雕的基本原理與實(shí)施流程是:由數(shù)控影雕編程軟件對原始圖像文件進(jìn)行預(yù)處理，再利用半色調(diào)技術(shù)對圖像進(jìn)行二值化處理使其符合影雕的要求。軟件系統(tǒng)根據(jù)二值化圖像中各像素顏色為黑色或白色生成控制刀具向上或向下運(yùn)動(dòng)的G代碼程序，該程序?yàn)閿?shù)控雕刻機(jī)加工影雕所需的數(shù)控加工程序。當(dāng)數(shù)控加工程序存入雕刻機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)后，由數(shù)控系統(tǒng)控制雕刻機(jī)的尖刀在黑色大理石上進(jìn)行打點(diǎn)動(dòng)作，形成類似手工雕刻的凹陷點(diǎn)直至完成影雕作品。數(shù)控影雕的實(shí)施流程如圖1所示。

2.2 軟件部分的處理流程

數(shù)控影雕實(shí)施流程中的圖像處理和影雕處理階段是由軟件完成的，其功能最為重要，它是雕刻機(jī)能否雕刻出明暗變化圖形的保證，其主要處理流程如圖2所示。

3 數(shù)控影雕加工編程軟件的設(shè)計(jì)

該數(shù)控影雕加工編程軟件采用Visual Studio 2008編寫，語言編程為VISUAL BASIC，考慮到該編程軟件應(yīng)簡單易用，因此使用了單一編程界面（SDI），所有的操作選項(xiàng)均按類別分類［2］。軟件的左邊為圖像顯示區(qū)域，右邊為數(shù)控加工程序顯示區(qū)域和數(shù)控編程操作區(qū)域;“圖像”區(qū)的功能為提供圖像的載入，并自動(dòng)檢查載入的圖像是否為二值圖，對非二值圖的圖像可提供二值化處理，處理后的二值圖可單獨(dú)保存;“加工參數(shù)”區(qū)的功能為提供影雕編程所需的參數(shù);“程序處理”區(qū)的功能為生成影雕加工所需的數(shù)控加工程序，同時(shí)也能將二值圖生成可被其它自動(dòng)編程軟件讀取的ASCII格式數(shù)據(jù)文件，并提供生成文件的保存功能;其他輔助功能為程序處理進(jìn)度的顯示和建議毛坯尺寸的提醒等。下面對該軟件主要功能的關(guān)鍵設(shè)計(jì)方法進(jìn)行介紹，軟件的運(yùn)行界面如圖3所示。

3.1 圖像的二值化處理

由于黑色大理石上顯示圖像的原理是通過石材表面打點(diǎn)顯示白色，不打點(diǎn)保留原有黑色來實(shí)現(xiàn)的，因此必須對圖像進(jìn)行二值化處理。圖像的二值化處理使用了半色調(diào)技術(shù)，它是一種將連續(xù)色調(diào)的灰度圖像進(jìn)行空間調(diào)制，并通過二值輸出，形成一個(gè)在視覺上近似于原圖像的技術(shù)。本質(zhì)上，半色調(diào)就是用點(diǎn)的疏密程度來再現(xiàn)不同的灰度，而這也正是影雕的本質(zhì)之處［3］。

此處半色調(diào)技術(shù)采用誤差擴(kuò)散算法完成圖像的二值化處理，其核心是在量化一個(gè)像素時(shí)考慮量化與其相鄰的像素時(shí)產(chǎn)生的量化誤差，并將量化產(chǎn)生的誤差擴(kuò)散到它相鄰的像素上，這樣可以保證轉(zhuǎn)換后圖像的整體灰度與原圖像相近。其數(shù)學(xué)描述如下:

式中:f（i，j）為原圖像（i，j）像素點(diǎn)的灰度值;f*（i，j）為誤差擴(kuò)散后的灰度值;t為閾值（一般取128）;b（i，j）為量化后的二值圖像（255表示白色，0表示黑色）;e（i，j）為量化誤差，h（k，l）為誤差擴(kuò)散分配系數(shù)，該系數(shù)由Floyd和Steinberg提出的誤差擴(kuò)散算法給出，如圖4所示。其中f代表當(dāng)前像素，其余的值分別為圖4所示濾波器的權(quán)值，由于濾波器各系數(shù)之和等于1，因此量化后圖像的局部灰度等于源圖像的局部灰度。

雖然半色調(diào)技術(shù)本身是對灰度圖像進(jìn)行二值化處理，但使用彩色圖像也可直接進(jìn)行二值化處理，方法是取當(dāng)前像素的某一RGB色彩分量進(jìn)行二值化計(jì)算，圖5為彩色圖像直接進(jìn)行二值化處理前后的對比。

3.2 屏幕坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換

在設(shè)計(jì)中需要將圖像中各像素的屏幕坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成相對于數(shù)控加工中編程原點(diǎn)的位置坐標(biāo)。由于圖像編程中屏幕的原點(diǎn)被定義為圖像左上角的端點(diǎn)（向右為X軸正向，向下為Y軸正向），而本次設(shè)計(jì)中編程原點(diǎn)為圖像左下角的端點(diǎn)（向右為X軸正向，向上為Y軸正向），同時(shí)屏幕坐標(biāo)的單位為像素，而機(jī)床坐標(biāo)的單位為毫米，因此在生成程序時(shí)必須對屏幕坐標(biāo)加以轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換公式為:

式中:x_new、y_new為機(jī)床坐標(biāo)值，x、y為屏幕坐標(biāo)值，b為圖像寬度的像素值;k為轉(zhuǎn)換系數(shù)。此處可根據(jù)一般計(jì)算機(jī)屏幕點(diǎn)距取值為0.26;scale為比例系數(shù)，可調(diào)整實(shí)際影雕加工尺寸。

3.3 后置處理的流程

程序的后置處理主要是收集用戶設(shè)置的加工參數(shù)，并根據(jù)二值圖像中各像素的值生成刀具運(yùn)動(dòng)指令，同時(shí)還應(yīng)考慮添加程序頭和程序尾，其處理流程如圖6所示。其中工藝參數(shù)初始化階段為收集用戶設(shè)置的加工參數(shù)并分配給各個(gè)變量，計(jì)算字符數(shù)組大小階段則是根據(jù)圖像像素的個(gè)數(shù)以及程序頭和程序尾的數(shù)量計(jì)算臨時(shí)存儲(chǔ)數(shù)控加工程序的數(shù)組空間，以上兩個(gè)過程為程序生成的必要準(zhǔn)備。由于程序頭和程序尾具有典型的固定結(jié)構(gòu)，可根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的編程要求向數(shù)組中的元素依次添加相關(guān)語句。生成刀具運(yùn)動(dòng)指令階段則分為生成刀具初始定位指令和生成刀具切削指令兩個(gè)過程，刀具初始定位指令可由圖像的首個(gè)像素生成快速定位指令（G00指令），刀具切削指令則根據(jù)圖像各像素為黑色或白色生成控制刀具向上或向下運(yùn)動(dòng)的切削指令（G01指令），其刀具軌跡為空間中的折線。

以FANUC數(shù)控系統(tǒng)為例，圖5影雕所生成的數(shù)控加工程序結(jié)構(gòu)如下:

3.4 往復(fù)切削加工的實(shí)現(xiàn)

影雕切削過程是對圖像每行像素對應(yīng)的機(jī)床坐標(biāo)位置進(jìn)行行切實(shí)現(xiàn)的，而數(shù)控加工中行切法可分為單向式和往復(fù)式，由于往復(fù)式?jīng)]有抬刀動(dòng)作可連續(xù)切削，故其切削效率較高。本設(shè)計(jì)中采用往復(fù)式生成數(shù)控加工程序，其實(shí)現(xiàn)的方法是對圖像像素奇數(shù)行采用從左往右掃描生成加工程序，偶數(shù)行采用從右往左掃描生成加工程序。

3.5 數(shù)據(jù)接口的支持

該編程軟件還可以將處理后的二值圖像轉(zhuǎn)換為CAD文件供其他自動(dòng)編程軟件使用。本次設(shè)計(jì)的數(shù)控影雕加工編程軟件可支持ASCII格式文件的生成。該格式是將二值圖像中的白點(diǎn)用一系列點(diǎn)的坐標(biāo)來表示，其中點(diǎn)的Z坐標(biāo)值為零（由其他編程軟件設(shè)置加工深度），所有點(diǎn)的坐標(biāo)構(gòu)成了一份數(shù)據(jù)文件，又稱“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)。該文件為文本文件，其文件擴(kuò)展名可任意，但在使用時(shí)應(yīng)注意特定自動(dòng)編程軟件對文件擴(kuò)展名的要求，例如使用MasterCAM軟件讀取ASCII格式文件時(shí)必須要求文件擴(kuò)展名為DOC［4］。由于有了數(shù)據(jù)接口的支持，用戶可以將處理后的二值圖像轉(zhuǎn)換為二維點(diǎn)陣并由其它CAD/CAM軟件進(jìn)行編輯，通過該方法使得用戶擁有了更多的加工選擇方案。

4 數(shù)控影雕加工的仿真測試

當(dāng)二值圖像被處理為數(shù)控加工程序后還應(yīng)對加工效果進(jìn)行測試。此處選擇了Northwood Designs公司的專業(yè)數(shù)控加工仿真軟件“The MetaCut Utilities”進(jìn)行測試。生成數(shù)控加工程序時(shí)采用的加工參數(shù)分別是:加工速度為1 000 mm/min，加工深度為 －0.13 mm，冷卻液為OFF，主軸轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，比例系數(shù)為 5，仿真軟件選擇的毛坯尺寸為314 mm×420 mm ×5 mm，刀具選擇刀尖角為30°的尖刀，其最終的仿真效果如圖7所示（毛坯顏色設(shè)置為黑色，毛坯被切削部位設(shè)置為白色），總的加工時(shí)間經(jīng)模擬計(jì)算為1 h41 min。

5 結(jié)語

本文介紹了影雕的加工方法，討論了數(shù)控影雕的加工原理和編程軟件的關(guān)鍵設(shè)計(jì)方法。所生成的數(shù)控加工程序經(jīng)仿真測試，能夠達(dá)到影雕的工藝要求。同時(shí)該軟件提供了數(shù)據(jù)接口功能，可將處理后的二值圖像生成為CAD文件供其他自動(dòng)編程軟件使用，這大大提高了該軟件的通用性。

［1］謝明紅.基于圖像的影雕激光加工技術(shù)研究［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2007（2）:8－10.

［2］湯涌濤.Visual Basic 2008從入門到精通［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2008.

［3］葉建華，謝明紅，賈敏忠.數(shù)控激光影雕系統(tǒng)的研究［J］.機(jī)械與電子，2005（7）:49－51.

［4］吳長德.Master CAM9.0系統(tǒng)學(xué)習(xí)與實(shí)訓(xùn)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.