基于ArtCAM的異型石材浮雕建模及加工研究

蘇姜姜，陸 峰，趙德宏，吳玉厚，張 珂

SU Jiang-jiang, LU Feng, ZHAO De-hong, WU Yu-hou, ZHANG Ke

（沈陽建筑大學 交通與機械學院，沈陽 110168）

0 引言

浮雕是在平面上雕刻出凹凸起伏形狀的一種雕塑，是雕塑與繪畫技術結合的產物，它是用型壓面壓縮的方法來處理圖像，靠透視等因素來表現三維空間，并只供一面或兩面觀看[1]。近幾年來，隨著科學技術的發展，以及人們對于大自然的崇尚，石材制品以其天然的華麗色彩和物理性能，贏得廣大消費者的親睞，被廣泛用于建筑安裝、家居裝飾、藝術雕刻、生活用具等方面，特別是在建筑裝飾的使用，像是門套窗套、羅馬柱、噴泉、拱門、雕刻、拼花等等，襯托出建筑物的高雅莊重大氣，更添加了整個建筑的高雅華貴的檔次和藝術氣息，已經成了高級身份的象征，奪得了廣大消費者和設計師所的芳心，使用量年年激增。科技的發展使計算機控制應用于異型石材加工機械中，使刀具能夠自動加工出復雜的凹、凸表面，工作效率大大超過了手工加工，并且實現了異型石材的工業化大批量生產。

1 ArtCAM軟件與數控石材加工中心聯合

來自英國的ArtCAM軟件以其獨特的CAD造型和CNC、CAM加工解決方案以及全中文界面在浮雕的加工和模具制造等領域得到了廣泛的應用。ArtCAM軟件可以從二維矢量或位圖直接生成三維浮雕，這些矢量和位圖可以在ArtCAM由軟件直接產生，或由其他軟件系統輸入。通過ArtCAM軟件建立的浮雕模型，具有編輯修改和儲存的功能。在ArtCAM中的模型，可以通過參數的選擇和加工工藝方案的定制，生成刀具的路徑，完成從粗加工、精加工和雕刻的多條刀具路徑，并進行相應的模擬加工。ArtCAM強大的后處理功能使得生成的數控加工程序能夠應用于不同的數控加工裝備中，與異型石材車銑加工中心能夠很好地結合在一起。

2 ArtCAM建模過程

ArtCAM建模一般有三種實現方法：

1) 軟件建模，這是一個由二維圖片到三維浮雕的過程，整個的建模過程如圖1所示。這個建模的過程比較繁瑣，所建模型的藝術效果，更多的取決于設計者的藝術手法，人為因素占很大比重，不同的人建模效果各異。

圖1 軟件建模流程圖

2)逆向工程建模，通過手工師傅的建模，逆向過程來實現，整個建模的過程如圖2所示。這種建模的過程比較復雜，建模的過程中用到了各種機器和軟件，所耗費的人力和財力也比較大，模型的效果也取決于手工師傅和圖形處理軟件的配合。

圖2 逆向工程建模流程圖

3) 灰度圖的轉化，直接在ArtCAM中打開位圖，設置所需的浮雕高度，即可生成相應的浮雕。灰度圖主要來源于圖像處理軟件（PS、CorelDRAW等）、軟件建模轉化為灰度圖（ArtCAM、JDPaint、Type3等）。這種建模的方法比較簡單，人為的因素較少，但是對灰度圖的分辨率要求比較高。灰度圖又叫灰階圖，它是把白色和黑色之間按對數關系分為若干等級，但它又不同于一般的黑白圖像，通過顏色的亮度來表達高度，顏色越亮，高度越大，顏色越暗，高度越低，遵循白高黑低的原則，一般為bmp的格式。如圖3所示.本例中打開的灰度圖片為大展宏圖，為了保持浮雕的整體效果不變形，在尺寸設置的過程中應保持原圖形尺寸的縱橫比例，設置后浮雕的尺寸為2000mm×920mm,高度為15mm，加工原點設置在模型的左下角。灰度圖像在ArtCAM中所對應的浮雕圖像如圖4所示。

圖3 灰度圖

圖4 浮雕圖像

3 浮雕的加工工藝

浮雕設計建模的最終目的是為了利用數控加工機床加工出該模型。ArtCAM提供了用于粗加工和高精加工的多種快速有效的三維加工策略，三維雕刻加工策略可以實現自動調角和中心線雕刻，用戶可編輯的刀具數據庫能夠自定義和擴充，換刀支持功能允許把不同的刀具產生的多個刀具路徑合并成單一文件，所有的加工工藝可在一個對話框中一次設置完畢，進行連續加工。開放的后置處理幾乎能夠支持所有的數控加工機床，輸出用戶所需的數控加工代碼[1]。結合本實驗所用的異型石材車銑加工中心HTM50200，ArtCAM軟件輸出加工程序的一般過程如圖5所示。

圖5 浮雕加工流程圖

3.1 材料設置

進入ArtCAM的刀具路徑界面，首先設置加工的材料，設置毛坯的形狀和尺寸，如圖6所示。材料的厚度要高于浮雕的厚度15mm，此處設置為30mm；材料Z軸的零點指工件坐標系的Z向原點，選擇毛坯的上表面；這里設置模型在材料中的位置為頂部偏置0.2mm，主要考慮毛坯表面的不平整、裝夾時表面放水平和對刀誤差因素而設置的，避免加工出的浮雕深淺不一，達不到預期的效果[3]。

圖6 材料設置

3.2 加工區域、策略的選擇

點擊ArtCAM中加工浮雕按鈕，首先設置的是加工區域以及加工的策略，ArtCAM提供了復合浮雕、已選矢量區域、自動邊界三種加工區域方案，每種加工區域所對應的可供選擇的加工策略也不同。復合浮雕一般用于整體浮雕的加工；已選矢量區域，一般對某個矢量路徑定義的區域進行局部的加工。本浮雕加工區域采用復合浮雕進行加工。在加工策略的方案中，ArtCAM提供了X方向平行加工、Y和Y方向平行加工、螺旋加工和方框螺旋加工等策略。X方向平行加工策略是指沿指定角度往復移動刀具來進行加工。當角度為零時，則沿X軸方向加工。Y和Y方向平行加工策略是指沿著兩個垂直的方向進行平行加工。從兩個方向進行加工顯然增加了加工的時間，但是卻能改善浮雕表面的加工質量。螺旋加工策略以螺旋的方式進行加工，但當刀具到浮雕的第一個邊緣時就停止，這種加工策略不適于加工矩形浮雕，因為它只能加工出浮雕的一部分，適于加工圓形浮雕。螺旋加工和方框螺旋加工策略與螺旋加工策略相似，但當刀具達到浮雕的邊緣后即可提刀，然后沿浮雕邊緣移動，到可加工的地方下刀繼續加工。應用此策略可加工整個浮雕，但進刀和退刀，使工作的時間大大增加。綜合浮雕本身的特點以及加工的效率等因素，本浮雕選用X方向平行加工的策略。根據粗加工和精加工設置合適的余量0.2，公差為0.01。加工安全Z高度默認為X：0Y：0Z：15，也就是說在Z15以上的高度，刀具以快進的方式進行移動，而在Z15以下則改為制定的進給速度運動，避免發生碰撞[3]。此高度應高于浮雕，也需高于壓板、夾具等，但必須等于或低于Z軸起始加工位置。設置加工安全Z高度為X：0Y：0Z：20。

3.3 刀具的選擇

該浮雕加工選用毛坯的材料為大理石金碧輝煌，金碧輝煌是埃及進口天然大理石，色調柔和雅致，華貴大方，極具古典美和皇室風范，適合高品質的建筑裝潢的使用，由于放射性低，在室內裝修也廣受歡迎。它的比重為2.56g/cm3，抗壓強度為100MPa，抗彎強度為8.0MPa，顏色為黃色。根據加工浮雕所選用的材料硬度大，耐磨性高，難加工，以及加工選用的異型石材車銑加工中心的特點，選用金剛石涂層刀具。金剛石涂層刀具具有硬度高、摩擦系數小、耐磨性、導熱性和化學穩定性好等優良特性，在較高的切削速度下能夠獲得良好的加工表面質量，廣泛應用于超硬材料、有機復合材料等的高速切削加工[4]。浮雕的加工工藝一般為粗加工—半精加工—精加工—清根、拋光等后處理，刀具的選擇綜合浮雕的細節和加工的效率兩個因素來分析，大刀具能夠提高加工的效率，小刀具處理細節時更加清晰細致。該浮雕粗加工選用φ10的平底銑刀，能夠快速去除表面質量，提高了工作的效率。在使用的過程中，應避免下扎現象，表面有預留余量，并保證一定的主軸轉速，并盡量減小刀具的伸出長度。半精加工和精加工分別采用φ6和3φ的球頭銑刀殘留加工時采用1φ的球頭銑刀，是由于使用球頭刀加工時，切入角是連續變化的，幾乎沒有突變的現象，這樣切削力也是一個連續變化的過程，切削的狀態更加穩定，表面光潔度更高，使用球頭刀進行半精加工時表面的殘料少，這樣更利于下面的精加工。使用球頭刀加工減小了實際切削直徑，降低了切削的線速度，減小了切削加工時的切削功率和切削扭矩，更有利于主軸電機在更好的狀態下進行加工。

3.4 切削參數設置

3.5 刀具軌跡計算

在ArtCAM中分別對粗加工、半精及精加工和三維殘留加工的刀具參數以及加工參數進行設置，每次設置完畢，按下加工浮雕欄“現在”按鈕，軟件自動對刀具軌跡進行計算，根據計算量的大小以及計算機的性能，在此需要等待一段時間。計算完畢后，即可看到紅色的刀具軌跡。

表1 加工參數

3.6 加工仿真以及程序輸出

整個加工的刀具軌跡計算完畢后，即可對刀具的軌跡進行仿真。ArtCAM軟件可對工件進行單步動態仿真，也可動態仿真工件的全部加工路徑。仿真的效果與實際的加工結果基本一致，在仿真的過程中，可以放大、旋轉或拖動動態仿真的細節，通過對工件的動態仿真加工，可以很直觀的看到工件加工表面的刀痕以及一節細微的地方。如果對仿真的結果不滿意，還可以及時地對加工的參數進行修改，直到仿真的效果達到要求。在工具欄刀具路徑操作下，選擇“保存刀具路徑”按鈕，出現如圖7所示對話框，保存加工路徑的時注意保存的類型與加工的機床異型石材車銑加工中心HTM5200相匹配，并保存的指定的文件夾下，程序文件的后綴是tap，加工代碼可以用記事本打開，如圖8所示，對其進行編輯和修改。程序文件過大，則機床加工的時間越長，效率越低下，需要綜合考慮浮雕加工的效率和精度。

圖7 保存刀具路徑

圖8 加工代碼

3.7 實際加工

加工毛坯選用尺寸為長寬高分別為2000mm、1000mm、50mm的大理石金碧輝煌，加工的設備異型石材車銑加工中心HTM50200立體圖如圖9所示。該加工中心選用的是藍天數控系統，配備有USB接口，可以通過U盤將程序拷貝到機床系統直接加載。在加工的過程中，注意觀察浮雕的加工狀態，遇到斷刀等情況時緊急停機處理,加工后的浮雕模型如圖10所示。

圖9 HTM50200立體圖

圖10 浮雕模型

4 結論

通過浮雕大展宏圖的實例，研究了ArtCAM軟件在異型石材浮雕建模及加工應用的操作步驟。建模過程中采用灰度圖像的方式，由ArtCAM軟件將二維圖片轉換成所需的三維模型。在加工的過程中，結合ArtCAM軟件自身特點、浮雕的模型特征、所選加工材料以及加工設備的性能等，合理的安排加工工序，刀具的選擇以及加工的參數的設置，加工出該浮雕的模型，證明該方法加工浮雕有效可行。與傳統的手工加工浮雕相比，提高浮雕加工的效率，降低加工的成本和對工人的技能要求，并可以進行大批量的生產，促進了異型石材浮雕行業的數字化發展進程。

[1]張武剛,楊武成.現代藝術浮雕模型設計及其數控加工[J].現代制造工程2008,(8)：38-40.

[2]楊興民,尹鴻雁,張衛東.基于ArtCAM的福娃設計及加工工藝[J].金屬加工,2009,(18)：72-74.

[3]陳祥林,郭秀華.ArtCAM在浮雕加工中的應用研究[J].機械設計與制造,2012,(9)：93-95.

[4]鐘啟茂.金剛石涂層刀具高速銑削石墨的磨損形態與破損機理[J].工具技術,2009,43(6)36-39.

[5]吳玉厚,高強,趙德宏.異型石材樣件的數控加工與仿真[J].機械,2011,(10)：41-45.

[6]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.

[7]王玉國,劉勝蘭,安魯陵,周來水.基于平面幾何圖形的立體浮雕建模技術[J].計算機工程與應用,2010,46(15)：13-15.

[8]王日君,張進生,葛培琪,王志.異型石材制品成形加工的分析研究[J].工具技術,2008,42(10)：103-106.

[9]Yu-hou Wu,Qiang Gao,De-hong Zhao.UG and VERICUT-based processing of Special-shaped stone samples [J].Advanced Materials Research,2011：924-928.