家具曲面浮雕的逆向工程和数控加工应用研究

李竞杰 张荣强

摘 要：文章基于逆向工程技术对家具曲面浮雕进行了应用研究。通过对三维扫描数据的采集和处理建立了CAD实体模型，并在JDpaint软件中对其进行了雕刻路径编辑，生成了可用于数控加工的nc格式的路径文件，分析了雕刻机进给速度、切削用量、刀具选择与设置等加工参数对雕刻效果的影响规律，并开展了大量雕刻实验，取得了较好的雕刻效果。文章对逆向工程关键技术、数控加工路径制作和雕刻实践等环节进行了归纳，总结出了一套实用可行的逆向技术与数控加工的方法，为家具曲面浮雕加工提供了经济高效的解决方案，具有较好的实际意义和应用价值。

关键词：逆向工程；曲面浮雕；数控加工

对家具制造业而言，当前的最大价值在于用更少的成本、更快的效率、更好的质量，开发出满足用户需求的家具。某些中大型企业花费大量资金购买先进设备，配套设施齐全，但鉴于没有先进的制造工艺，从业人员的操作方法比较落后，大部分企业目前還是经验性设计阶段。尤其是对有较多浮雕造型的曲面家具，企业还是由有经验的技工首先手工制作模板，再以打样好的零件模型进行比照加工，但这已不能适应新的竞争形势。

由于全球经济一体化进程的推动，国内家具企业既要面临国外企业的竞争，同时又要走出国门走向世界，有必要采取更加合理和高效的生产工艺。在这个背景下，逆向工程技术应运而生。

1 逆向工程技术

逆向工程技术是将实物转化成CAD模型的数字化技术、几何模型重构技术和产品制造技术的总称。逆向工程与人的逆向思维类似，是根据“实物模型——数据扫描——数据处理——实体建模——数控加工”的逆向流程进行的，有利于提高新产品开发进程和企业产能[1]。

家具曲面浮雕的模具开发能够运用正向CAD软件建模，然后在雕刻软件中生成浮雕模型，最后设定刀具路径及开展数控加工。但这种方法不仅工作效率不高，还难以保证精度和质量，主要是因为：（1）虽然技工雕刻的浮雕非常逼真，但对CAD软件的使用不娴熟；（2）软件工程师不是专业的艺术家，很难在计算机上做出逼真的浮雕模型；（3）正向CAD软件建立复杂曲面浮雕的难度很大，而且费时费力[2]。

文章将对家具曲面浮雕的逆向工程技术进行应用研究。基于逆向工程技术进行家具曲面浮雕的开发，能够有效地解决上述问题，该技术流程的关键步骤：（1）将技工雕刻的曲面浮雕模型进行三维扫描；（2）扫描后的模型进行数据处理；（3）处理完成后导入CAD软件进行实体建模；（4）将模型导入雕刻软件生成刀具路径进行数控加工。

下文将结合实例，以梳妆台顶线浮雕模型（如图1所示）为例进行家具曲面浮雕的逆向设计和加工分析。

2 家具曲面浮雕的逆向工程技术研究

2.1 数据采集

使用三维扫描仪对梳妆台顶线浮雕模型进行数据采集，获取点云数据，这些数据可以与CAD/CAM软件无缝衔接，进行数据预处理和曲面重构，再输入数控机床进行加工，能够很大程度地缩短开发周期。

文章完成浮雕三维扫描所使用的设备为手持式 MetraSCAN 3D光学三坐标三维扫描仪。其基本构架是由光学原理发展而来，通过光的反射、脉冲等将接收到的光学信号由计算机科学技术转化为物体反射面的三维空间坐标信号，并在VXelements 中自动实时生成三维数据文件，并在一定的优化操作后存储为单元为三角面片的stl.格式的数据文件，为后续修复工作、雕刻工作提供源数据文件。

2.2 数据处理

2.2.1 Geomagic Studio 软件简介

Geomagic Studio是由Geomagic公司开发的逆向工程软件。通过手持式三维扫描仪扫描得到的点云数据来建立多边形模型和网格，并自动生成曲面，提供了从实物到计算机建模的一套完整的解决方案，为产品创新设计提供了必要的准备工作。

2.2.2 基于Geomagic Studio曲面浮雕处理流程

（1）点云阶段处理流程

点阶段主要作用是对导入的点云数据进行处理，排除在扫描时捕捉到错误或者多余的数据，使其成为有序、整齐以及可以提高处理效率的点云数据，得到高质量的多边形对象。点云数据的处理会对后期曲面浮雕重建的质量产生很大的影响。扫描得到的点云数据多而杂且不规律，因此首先需要对其进行处理。流程包括删除体外孤点、减少噪音、统一采样、计算封装等操作。

（2）多边形阶段处理流程

多边形阶段是在点云数据封装后进行处理，从而获得一个理想的多边形数据模型，为多边形高级阶段的处理和曲面的重建奠定基础。其主要作用是对多边形网格数据进行表面光顺与优化，以获得光顺、完整的三角面片网格，并消除错误的三角面片，提高后续的曲面重建质量[3]。流程包括填充孔、简化多边形、锐化向导、平面截面、修复相交区域等操作。

（3）形状阶段处理流程

形状阶段是在多边形阶段处理后进行处理，从而获得一个理想的曲面模型。其主要作用是实现曲面重构，通过构造整齐的格栅，从而拟合出光顺的曲面。文章采用NURBS曲面生成原理，对点和多边形阶段处理后的数据进行曲面拟合。流程包括探测曲率、构造曲面片、移动面板、构造格栅、NURBS拟合曲面等操作，将曲面重构后的模型保存为igs格式文件。

3 家具曲面浮雕的数控加工研究

3.1 数控加工流程

数控加工确保产品满足很高的加工精度和加工质量，生产效率高，易于实现自动化的过程，能够节省大量的工艺设备，以满足产品快速更新换代的需求。数控加工与CAD技术密切相关，CAD模型可直接用于生成数控加工指令，从而驱动数控机床进行加工[4][5]。

CNC雕刻机先在计算机上进行模拟加工，通过分析梳妆台顶饰浮雕造型特点，模拟出刀具加工的路径。在确定刀具路径和加工工艺后，才能在雕刻机上进行实体加工。精雕软件以简易、实用的准则制定研发了生成刀具路径的CAM模块功能。对于家具曲面浮雕模型的复杂性及加工工艺的成熟度不同，JDpaint软件提供了路径向导和路径模板两种生成路径的方法。路径向导适用于复杂模型和新工艺的加工，路径模板更适用于简单模型和成熟工艺的加工[6]。

3.2 制作刀具路径

在Solidworks、Pro/e等软件中建立三维模型，导入JDpaint软件进行雕刻路径设计与编辑，具体步骤如下：

（1）打开JDpaint软件，进入3D环境，输入stl三维模型。

（2）调整模型的尺寸与坐标，使用“图形聚中”功能将加工原点平移到世界坐标系的原点位置。

（3）设定加工范围。启动路径向导命令后，系统会弹出路径向导对话框的第一个页面设定雕刻范围。本实验选用曲面精加工，并设定走刀方式为平行截线，表面高度为0，雕刻深度为30.05mm及加工余量为0；

（4）设定加工刀具。在路径向导的刀具选择界面，选择雕刻加工刀具并设定加工参数。本次使用的刀具是锥度平底刀JD-30-0.30，并设定加工精度为0，加工顺序为区域优先及平坦系数为0.5mm；

（5）设定加工材料和切削用量。加工材料是雕刻加工中很重要的因素，它直接影响雕刻加工的切削用量，如主轴转速、走刀速度等。当切削线速度超过最大线切削速度时，刀具磨损会显著增大。但切削线速度不能太低，因为切削速度太低，材料不易被切断。本实验选择材料为木材，路径间距为0.15mm；

（6）生成刀具路径。加工路径参数设定完成后，构成路径点阵分析和刀具路径误差分析，生成ENG格式的刀具路径。

3.3 模拟加工过程

加工模拟，也叫加工仿真，是指用计算机以真实感图像动画的方式模拟加工过程。通过加工仿真，用户可以检查刀具切削正确与否、生成浮雕模型正确与否等[7]。

选择“刀具路径”菜单中的加工过程模拟，即可启动加工模拟命令。在启动之前，先要把需要模拟加工的路径设置为显示状态，JDpaint软件会对当前显示的路径根据加工顺序依次进行走刀加工模拟，自动生成刀具路径。

3.4 输出刀具路径

刀具路径不能直接控制雕刻机加工，必须输出转化为控制软件能识别的文件格式后，才能由控制软件转化为控制信号，驱动数控机床进行加工[8]。JDpaint软件输出刀具路径为ENG文件，必须转换为被雕刻机识别的NC文件，才能输入雕刻机完成数控加工。具体步骤如下：

（1）选择刀具路径对象。

（2）选择“刀具路径”菜单中的“刀具路径输出”命令。

（3）选择输出加工文件，启动命令后，系统弹出文件对话框，输入加工文件名称，点击保存。

（4）保存文件后，系统弹出设置加工文件的格式对话框，点击“确定”按钮，系统将选择的刀具路径保存为ENG格式文件。

（5）将ENG格式文件通过NC转换器转换为NC路径文件，之后导入数控机床进行加工，开展雕刻实验。

3.5 开展雕刻实验

（1）打开雕刻机控制系统NcStudio，打开并装载刀具路径文件，编辑修改加工代码，然后保存并装载，进行加工仿真。

（2）对刀并加工。通过手轮对刀，将刀具移至加工起点且z轴稍高位置，然后将xyz轴归零，控制主轴转速和进给速度，让主轴旋转至平稳后启动雕刻程序，观察走刀路径，然后停止。从原点开始，手轮对刀将刀具紧贴材料，然后让主轴旋转平稳后开始加工，观察一段时间后可将主轴转速和进给速度提升到较大位置。雕刻过程中用喷枪清理碎屑，以免干扰到整个雕刻过程。实验过程如图2所示，曲面浮雕最终实物如图3所示。

4 结束语

文章基于逆向工程与数控加工技术对家具曲面浮雕进行了应用研究，以梳妆台顶饰浮雕为例，阐述了家具曲面浮雕加工的总体工艺流程。通过对三维扫描数据的采集和处理建立了CAD实体模型，在JDpaint软件中对其进行了雕刻路径编辑，生成了可用于数控加工的nc格式的路径文件，并进行了仿真模拟，开展了雕刻实验，取得了较好的雕刻效果。文章对逆向工程关键技术、数控加工路径制作和雕刻实践等环节进行了归纳，为家具曲面浮雕加工提供了经济高效的解决方案，具有较好的实际意义和应用价值。

参考文献

[1]汤红江.集成逆向工程关键技术研究[J].林业机械与木工设备，2008，36（8）：52-53.

[2]吴世雄，樊晶明.浮雕模具的逆向设计及加工[J].新技术新工艺，2008（6）：35-36.

[3]罗之军，何彪.基于Geomagic Studio的逆向工程技术[J].贵州工业大学学报，2008，37（5）：103-104.

[4]辛长德.数控技术在机械制造中应用与发展[J].科技创新与应用，2012（4）：48.

[5]段冶.数控机床技术发展现状及趋势初探[J].科技创新与应用，2014（1）：120.

[6]牛文铁，徐燕申.自由曲面数控加工走刀方向的优化研究[J].组合机床与自动化加工技术，2003（4）：54-55.

[7]陈珊.家具雕刻零件的结构特征分析与數控加工工艺研究[D].南京林业大学，2007.

[8]陈新义.CNC加工中心对异型实木家具零件的加工工艺与优化[J].林产工业，2013，40（2）：32-34.