基于ArtCAM軟件的藝術浮雕設計與加工

沈長生　徐　濤　張佳烽　仲子平

(蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術學院，江蘇 蘇州 215008)

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基于ArtCAM軟件的藝術浮雕設計與加工

沈長生徐濤張佳烽仲子平

(蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術學院，江蘇 蘇州 215008)

以“百鳥朝鳳”浮雕的設計與加工為例，分析數(shù)控雕銑加工工藝，總結(jié)ArtCAM軟件四種建模方式的應用特點。對舉例進行建模以及刀具路徑的設計與優(yōu)化，給出浮雕設計的流程及相關設計參數(shù)，并對加工過程的監(jiān)控進行研究，針對加工過程中可能出現(xiàn)的問題給出解決方案。

ArtCAM；CM5060；浮雕；設計；工藝

ArtCAM軟件可以把照片、灰度圖、CAD、手繪稿、掃描文件等平面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為豐富細致的三維浮雕模型，并能生成大多數(shù)主流數(shù)控機床認可的數(shù)控代碼。該軟件以其友善的界面和強大的功能正逐步占領著浮雕設計軟件行業(yè)的市場。國內(nèi)于2004年開始興起對該軟件的研究，主要研究其在數(shù)碼產(chǎn)品、木工、石材、標牌等行業(yè)的應用，截止目前，在中國知網(wǎng)等數(shù)據(jù)庫中，國內(nèi)的相關研究較少，且研究結(jié)果呈現(xiàn)出單一、不夠系統(tǒng)及未涉及后處理優(yōu)化設計等問題。本文以“百鳥朝鳳”浮雕的設計與加工為例，研究如何使用AtrCAM軟件通過二維位圖進行三維浮雕建模，編輯可行的刀具路徑并獲得在CM5060數(shù)控雕銑機床上使用的數(shù)控加工代碼，以及該浮雕的加工過程等內(nèi)容。圖1所示為“百鳥朝鳳”的灰度位圖，本文將根據(jù)此位圖，加工出長寬為115 mm×50 mm，形狀最高高度為1.5 mm的浮雕產(chǎn)品。

1　加工工藝分析

1.1毛坯選擇

對于類似采用尖刀進行較為精細的浮雕加工時，加工用的毛坯需要具有良好的雕刻性能，即切屑不易粘刀，并且需要切屑呈粉末狀脫離毛坯。比如，尼龍板材或棒料就不適合進行精細雕刻，因其材料較軟，雕刻刀具在進行小于0.2 mm步距的雕刻時，難以鋒利地將尼龍材料按照規(guī)定的步距值切除，從而達不到加工要求，甚至無法加工。本例中毛坯材料采用電木，電木的機械強度高、絕緣性好，同時電木耐熱、耐腐蝕，具有很好的雕刻加工性能，加工時不易粘刀。根據(jù)位圖的像素比例，選擇10 mm厚度的電木，并用數(shù)控銑床或普通立式銑床將毛坯的長、寬加工為115 mm×50 mm。制備毛坯時，注意毛坯長寬的垂直度要求。

1.2刀具及切削參數(shù)的選擇

該浮雕形狀比較復雜，細節(jié)非常豐富，由于毛坯材料尺寸較小，且浮雕的最高高度Zmax即浮雕的最大切深為1.5 mm，所以使用一般的平底或球頭銑刀很難一步加工到位，故可先采用球頭刀具半精加工，然后采用錐度平底雕刻刀完成精加工。根據(jù)刀具的切削參數(shù)理論公式并結(jié)合經(jīng)驗計算出切削參數(shù)[1]。球頭刀具及錐度平底刀具的尺寸及主要切削參數(shù)如表1所示。

表1刀具切削參數(shù)

加工工步刀具類型行距/mm下切步距/mm進給速度/(mm/min)主軸轉(zhuǎn)速/(r/min)半精加工?1mm球頭刀0.21100010000精加工0.2mm×20°錐度平底刀0.10.510012000

1.3工件的裝夾

采用數(shù)控雕銑機床裝夾工件，除通用裝夾方式外，如壓板螺栓裝夾、平口鉗裝夾、分度頭裝夾等。另外，還可采用雙面膠、熱熔膠等輔助材料進行裝夾，或使用強力磁鐵與502膠水進行裝夾[2]。本例中板材尺寸較小，適合用平口鉗進行裝夾，裝夾前需要用百分表進行平口鉗的找正。

2　浮雕建模與刀具路徑設計

2.1浮雕模型

常見的浮雕建模方法有4種，分別為矢量建模、位圖建模、混合建模及灰度圖建模，4種建模方法的特點如表2所示。

表2四種建模方式應用特點

建模方法特點矢量建模矢量線條獲取過程繁瑣,建模時間長,建模細節(jié)突出,形狀逼真位圖建模通過顏色進行造型,建模方便,形狀存在失真,需進一步優(yōu)化形狀混合建模矢量與位圖建模相結(jié)合,綜合兩者建模優(yōu)點灰度圖建模模型產(chǎn)生后,可單獨保存灰度圖,通過灰度圖可直接獲得模型

本例以灰度圖進行建模。打開ArtCAM軟件，點擊“文件”菜單，產(chǎn)生“新的”項目，選擇“通過圖像文件”加載計算機內(nèi)保存的灰度圖，軟件彈出“設置模型尺寸”界面。點擊“圖像尺寸”，設置寬度為115 mm，高度為50 mm，Z方向高度為1.5 mm，原點設置在中間點。點擊“確認”，軟件將根據(jù)灰度圖的灰度值及設定的Z方向最大高度，自動計算出浮雕高度，如圖2所示。

2.2刀具路徑設計

點擊“刀具路徑”選項卡，選擇“三維刀具路徑”中的“加工浮雕”命令，開始設置半精加工刀具路徑，因半精加工選用球頭刀具，故加工策略可選用“方框螺旋加工”，精加工余量預留“0.5 mm”，“加工安全Z高度”設置為“X0、Y0、Z5”。點擊刀具的“選取”按鈕，彈出“刀具數(shù)據(jù)庫”界面。數(shù)據(jù)庫中暫無φ1mm的球頭刀具，可以先復制一把參數(shù)近似的刀具，然后進行修改。選中“Metric Tools- Wood or Plastic - 3D Finishing”目錄下的“Ball Nose 1.5 mm”刀具，點擊右側(cè)的“復制”按鈕，刀具庫中新增一個1.5 mm球頭刀具文件，選中復制的該刀具，點擊界面右側(cè)的“編輯”按鈕，彈出“編輯刀具”界面，刀具直徑設為“1(mm)”，下切步距設為“1(mm)”，行距設置為刀具直徑的20%即“0.2(mm)”，主軸轉(zhuǎn)速設置為“10 000(r/min)”，進給率設置為“1 000(mm/min)”，下切速率設置為“800(mm/min)”。

刀具編輯完成后，點擊“確認”按鈕，并“選取”該刀具。因切削量只有1 mm，Z軸層不需要設置分層切削。

在刀具路徑名稱中，鍵入“半精加工”，點擊“現(xiàn)在”，軟件將根據(jù)上述設置立即計算半精加工的刀具路徑，如圖3所示。

同理，繼續(xù)編輯精加工刀具路徑，精加工策略選擇“X向平行加工”，設置刀具直徑為3.175 mm，半角為10°，平底半徑為0.1 mm，下切步距設置為0.5 mm，行距設置為刀尖半徑的50%，主軸轉(zhuǎn)速為12 000 r/min，進給率為100 mm/min，下切速率為80 mm/min。點擊“確認”，完成創(chuàng)建。軟件根據(jù)上述設置計算精加工的刀具路徑。

2.3仿真并保存刀具路徑

打開“項目”選項卡，先選中“粗加工”刀具路徑，“仿真矩形塊尺寸”采用默認值，“仿真浮雕分辨率”設置為“標準”，毛坯的一部分材料(1 mm)被1 mm直徑的球頭刀具快速切除。選中“精加工”刀具路徑，點擊“刀具路徑”中的“仿真刀具路徑”，仿真精加工的刀具路徑，如圖4所示。

查看精加工的仿真細節(jié)，0.2 mm的平底刀具已經(jīng)可以達到浮雕加工細節(jié)部分的要求。點擊“刀具路徑”菜單中的“保存刀具路徑”命令，彈出“保存刀具路徑”對話框，因為CM6060數(shù)控雕銑機床不支持程序自動換刀，所以保存刀具路徑時，需要分別選中“半精加工”及“精加工”刀具路徑，逐一進行保存。保存時，選擇根據(jù)Fagor數(shù)控系統(tǒng)編輯完成的后處理文件“my lathe”[3]，分別以“000001.pim”及“000002.pim”的文件名保存兩個刀具路徑。保存的刀具路徑文件即數(shù)控加工程序可以通過文本的方式打開或編輯。

3　程序仿真及加工

因加工程序占用的空間較大，尤其是精加工文件，已經(jīng)遠大于Fagor數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)存，只能選擇WinDNC在線聯(lián)機加工。加工前的仿真也不宜通過機床進行，因為數(shù)據(jù)量較大，通過機床進行模擬的速度緩慢，且線條較多，通過機床的CRT顯示器也不易分辨各種走刀路徑。仿真可以通過“熊族刀具路徑查看器”進行。

程序經(jīng)過仿真驗證后，確保無干涉、撞刀等隱患的存在，便可通過RS232C數(shù)據(jù)線及WinDNC軟件，將計算中的數(shù)控加工程序與機床數(shù)控系統(tǒng)連接，進行聯(lián)線加工。加工完成后的浮雕成品如圖5所示。

4　加工過程監(jiān)控

加工中需要及時監(jiān)督加工過程，以解決出現(xiàn)的故障或突發(fā)事件。

(1)程序啟動按鈕按下之前，將進給移動倍率旋鈕調(diào)整為最小值，隨后慢慢加快倍率，同時觀察刀具移動的軌跡或位置與程序中定義的是否相符，尤其是定位到安全高度及第一步切削是否正常，若無異常狀況，可將倍率設為100%正常值。

(2)加工中若產(chǎn)生的噪聲很大，超出正常加工時的聲音，可能是定義的主軸轉(zhuǎn)速或進給速度過大，可以通過調(diào)節(jié)操作面板上的主軸轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)旋鈕和進給倍率調(diào)節(jié)旋鈕來適當減小倍率。

(3)加工中途若切削聲音突然中止，或者發(fā)現(xiàn)刀具在空走刀，說明刀具已經(jīng)折斷，這時需要記錄當前刀具的移動坐標，暫停機床及程序的運行，更換新的刀具，并且重新對刀，只需Z向重新對刀。再次加工前，在計算機端打開數(shù)控加工文件，查看暫停時的刀具移動坐標值，將刀具移動的第一步與該值之間的數(shù)據(jù)刪除，即再次加工時，以暫停時的刀具坐標為第一步進行加工。

(4)半精加工完成后，將機床復位，更換0.2 mm/20°的錐度平底刀具，并再次啟動機床進行該刀具的Z向?qū)Φ?，從而進行精加工走刀。

5　結(jié)語

本文以英國Delcam公司的ArtCAM 浮雕設計軟件及新火花機床有限公司生產(chǎn)的CM5060數(shù)控雕銑機床為載體，針對目前市場上無任何有關ArtCAM的參考書籍出售，且中國知網(wǎng)等數(shù)據(jù)庫中也僅有寥寥幾篇論文公開發(fā)表這一現(xiàn)狀，本文以解決上述問題為出發(fā)點，做了相關研究。因該軟件的特殊性，需要操作者具有一定的美術基礎及使用該軟件的水平。本文并沒有列舉更多的通過位圖或矢量產(chǎn)生浮雕的詳細實例，只是根據(jù)其模塊的特征，進行有針對性的舉例說明，因此后續(xù)若能發(fā)揮性列舉更多的實例，將會給讀者更大的啟發(fā)。

[1]蘇姜姜,陸峰,趙德宏,等. 基于ArtCAM的異型石材浮雕建模及加工研究[J]. 制造業(yè)自動化,2013(17):124-127.

[2]胡旭巖,張文健. 數(shù)控雕刻裝夾方法探討[J]. 天津職業(yè)院校聯(lián)合學報,2012(10):99-100.

[3]沈長生,郭旭紅. 基于ArtCAM軟件的浮雕設計[J]. 制造技術與機床,2012(2):32-35.

(編輯孫德茂)

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Design and processing of art relief based on ArtCAM software

SHEN Changsheng,XU Tao,ZHANG Jiafeng，ZHONG Ziping

(Suzhou Polytechnic Institute of Agriculture, Suzhou 215008,CHN)

This paper analysed CNC engraving and milling processing technology，summarized the application characteristics of four kinds of modeling methods of ArtCAM software taking the design and manufacture of relief “bainiaochaofeng”as an example. Modeling of the case,design and optimization of the tool path, gave the process of relief design and related design parameters,and studied the monitoring of the processing,a solution is given to solve the problems that may arise during the processing.

ArtCAM；CM5060；relief; design; technology

TH164

B

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.06.031

沈長生，男，1985年生，工程碩士，講師，研究方向：為先進制造技術，已發(fā)表論文5篇。

2016-02-02)

160647