基于圖片的三維造型及雕刻加工研究

張 艷，張 琦

（1.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089；2.中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710089）

基于圖片的三維造型及雕刻加工研究

張 艷1，張 琦2

（1.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089；2.中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710089）

此次設(shè)計(jì)結(jié)合CorelDRAW X5軟件，介紹了位圖與矢量圖之間的格式轉(zhuǎn)換，并利用AUTO CAD修復(fù)矢量圖。文章以ArtCAM軟件為工具，進(jìn)行了蝴蝶圖片的三維造型，并準(zhǔn)確地生成了走刀路徑，實(shí)現(xiàn)實(shí)體的加工模擬，經(jīng)過(guò)后置處理生成NC程序。

ArtCAM；圖片；雕刻

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了數(shù)控雕刻加工技術(shù)，該技術(shù)基于圖形圖像數(shù)據(jù)，是一種新型的雕刻技術(shù)，以數(shù)控加工技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)為基礎(chǔ)，對(duì)各種材料進(jìn)行圖案雕刻、文字雕刻的一種特種加工方法[1]。

ArtCAM是復(fù)雜立體三維浮雕設(shè)計(jì)和加工的首選CAD/ CAM軟件，按照工藝?yán)闷渖蓴?shù)控加工代碼，并將計(jì)算機(jī)生成的數(shù)控代碼傳入數(shù)控機(jī)床并實(shí)現(xiàn)模型的數(shù)控加工。

1 設(shè)計(jì)總體方案的選擇

此次設(shè)計(jì)的平面造型圖案，由4部分構(gòu)成：軀體、觸角、翅膀、足，要構(gòu)造成藝術(shù)曲面并雕刻出來(lái)。

ArtCAM是立體的、復(fù)雜的三維浮雕設(shè)計(jì)和加工的首選CAD/CAM軟件解決方案，這里有兩種選擇：一種通過(guò)二維矢量圖轉(zhuǎn)換成浮雕，另一種是通過(guò)高分辨率的圖片直接轉(zhuǎn)換成三維浮雕。雖然采用這兩種方法都可以生成浮雕，但是形成的浮雕質(zhì)量卻不相同，第二種方法生成的三維浮雕邊界輪廓比較模糊，并且浮雕生成過(guò)程中人為控制的方法較少，因此，通常采用二維矢量圖轉(zhuǎn)換成浮雕的方法進(jìn)行[2]。流程包括4步，處理圖片、生成矢量圖、圖片的三維造型、制定加工方案、三維圖片的雕刻加工。

2 圖片處理

由位圖轉(zhuǎn)換為矢量格式有許多軟件，此次設(shè)計(jì)采用CorelDRAW附帶的CorelTRACE工具對(duì)圖片進(jìn)行矢量化處理。如圖1所示，打開(kāi)CorelDRAW X5，依次點(diǎn)擊“文件”“導(dǎo)入”，插入蝴蝶圖片，依次點(diǎn)擊“位圖”“Quick Trace”，點(diǎn)擊“保存”，格式為DWG。

通過(guò)以上操作，完成了由圖片到模型的二維矢量輪廓；但這些輪廓由大量的線段和圓弧組成，存在尖角、斷點(diǎn)、瑕疵等，且在矢量的生成中由于圖片的質(zhì)量原因有部分的輪廓在產(chǎn)生過(guò)程中丟失，不易用來(lái)生成三維模型。因此，需要對(duì)矢量圖進(jìn)行修補(bǔ)處理。在此將完成的矢量圖形導(dǎo)入“AutoCAD”進(jìn)行修補(bǔ)操作。

打開(kāi)“AutoCAD”工作界面，將需要修正的矢量圖導(dǎo)入。用直線、圓弧、橢圓、樣條曲線等命令，采用逼近方法對(duì)原來(lái)的矢量圖進(jìn)行修補(bǔ)，生成完整、連續(xù)的矢量圖形。修改完成后的圖形如圖1所示。

圖1 蝴蝶圖處理

3 圖片的三維造型

在對(duì)浮雕進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，一般需要先進(jìn)行準(zhǔn)備，選定給出的二維繪圖，然后對(duì)二維繪圖的加工進(jìn)行構(gòu)建，設(shè)定適宜的浮雕加工參數(shù)，選擇浮雕的表現(xiàn)形式和浮雕的分析思路，經(jīng)過(guò)構(gòu)思和分析之后，對(duì)浮雕模型進(jìn)行預(yù)創(chuàng)建，如果預(yù)浮雕模型存在問(wèn)題或者是不滿意，則可以修改相應(yīng)的參數(shù)。生成浮雕就是以選擇二維繪圖和設(shè)定的參數(shù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行二維輪廓和層次分析，并且對(duì)不同的浮雕部位進(jìn)行不同的顏色填充，并對(duì)不同的頂面類型進(jìn)行定義，構(gòu)建區(qū)域?qū)嶓w，直到最終實(shí)體模型設(shè)計(jì)完成。生成浮雕模型之后還可以進(jìn)行后期處理，后期處理的過(guò)程實(shí)際就是修改、完善的過(guò)程，通過(guò)光順處理之后使三維浮雕更加美觀和逼真，最終獲得比較完美的三維浮雕模型。

4 加工浮雕

ArtCAM Pro包含了對(duì)浮雕進(jìn)行編輯和存儲(chǔ)的功能，生成三維浮雕之后，可以生成刀具路徑。為了執(zhí)行加工一個(gè)ArtCAM模型的操作，需要生成合適的刀具路徑文件，并以正確的語(yǔ)言輸出到刀具控制器。這個(gè)文件包含了一系列CNC機(jī)床指令以控制刀具運(yùn)動(dòng)、已定義的加工原點(diǎn)相關(guān)的刀具轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速率。

所有的加工命令都位于刀具路徑頁(yè)，通過(guò)點(diǎn)擊刀具路徑標(biāo)簽可以進(jìn)入。

首先選擇一個(gè)比較大的粗加工工具如端銑刀和Z軸粗加工策略盡快將盡可能多的材料移除這樣才能展示出一個(gè)階梯狀的特大號(hào)組成表格。然后選擇加工浮雕策略中一個(gè)比較適合的球頭刀精加工刀具沿模型的加工路徑作為半加工操作。但是由于該刀具太大，導(dǎo)致在對(duì)一些精密的、內(nèi)部的角落進(jìn)行加工時(shí)，操作不易，容易出現(xiàn)死角，加工的零件精度也不夠高，但是該刀具也有優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)該刀具可以迅速地將大部分殘留毛坯向下移除0.5 mm。選擇小頭刀的加工浮雕策略可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)尺寸的加工，并選擇精致的細(xì)節(jié)。

粗加工一般都選用端銑刀，它可以以至少70%的刀具直徑步進(jìn)，使加工時(shí)間縮短。刀具每移動(dòng)兩步之間的距離為行距值，如果行距值較小，則越不容易進(jìn)行加工，需要的時(shí)間越多。精加工可以選擇球頭刀，行距值一般為刀具直徑的1/10左右。

通過(guò)對(duì)蝴蝶三維浮雕進(jìn)行粗加工、半精加工和精加工，并且對(duì)局部的加工參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，則可以最終形成刀具的路徑。生成的刀具路徑可以通過(guò)三維查看進(jìn)行仿真，點(diǎn)擊“仿真全部刀具路徑”。仿真后得到一個(gè)蝴蝶三維浮雕的造型，形成的三維浮雕和在實(shí)際加工中利用給定的刀具獲得浮雕曲面相同，如圖2所示。

圖2 仿真結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的浮雕設(shè)計(jì)及加工存在效率低、技術(shù)水平落后等特點(diǎn)。而借助ArtCAM軟件，可以很順利地將浮雕加工出來(lái)，說(shuō)明圖片雕刻加工的基本思路，可以為類似模型的數(shù)控編程提供參考。

[1]袁驚滔.基于ARTCAM的圖片造型與加工[J].價(jià)值工程，2011（28）：143-144.

[2]楊興民，尹鴻雁，張衛(wèi)東.基于ArtCAM的福娃造型設(shè)計(jì)及加工工藝[J].金屬加工（冷加工），2009（18）：72-74.

Research on image-based three-dimensional modeling and carving processing

Zhang Yan1，Zhang Qi2
（1.Xi’an Aeronautical Polytechnic Institute, Xi’an 710089, China；2.Chinese Flight Test Establishment, Xi’an 710089, China）

Combined with the CorelDraw X5 software, this design has introduced the format conversion between bitmap and vector graph and used the AutoCAD to repair the vector. With the ArtCAM software as the tool, the paper carries out the the butterfly picture in three-dimensional shape, accurately builds tool paths and realizes the processing verification for solid. After the post procession, the NC programs are produced.

ArtCAM; image; carving

張艷（1990— ），女，遼寧鐵嶺，碩士研究生，助教；研究方向：航空維修、制造和教學(xué)。