基于ArtCAM技术的数控雕铣加工的应用

任忠先,宋海锋,徐祝鹏,任常愚,辛宗生

(1．黑龙江工程学院 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050;2.哈尔滨新中新电子有限公司，黑龙江 哈尔滨 150090;3.黑龙江科技大学 理学院，黑龙江 哈尔滨 150027)

基于ArtCAM技术的数控雕铣加工的应用

任忠先1,宋海锋2,徐祝鹏2,任常愚3,辛宗生1

(1．黑龙江工程学院 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050;2.哈尔滨新中新电子有限公司，黑龙江 哈尔滨 150090;3.黑龙江科技大学 理学院，黑龙江 哈尔滨 150027)

为了实现利用ArtCAM软件进行数控雕铣加工，结合ArtCAM 软件和数控雕铣机进行位图与矢量图之间的格式转换，分析并合理确定其加工工艺参数。结果表明,ArtCAM软件可以方便有效地实现三维模型的雕刻加工，能够充分地利用数控雕铣机的加工功能。

ArtCAM；矢量图；三维立体模型；数字模型；数控雕铣机

随着人们生活水平的不断提高，人们对浮雕产品的需求在逐年增大。浮雕是雕刻技术与绘画技术相结合的产物，传统的浮雕一般采用手工加工，加工周期长，难度大，成本高，已经很难满足市场的需求。随着CAD/CAM 技术的不断发展和完善，数控雕铣机已逐渐成为浮雕加工的首选设备[1]。

数控雕铣机是兼容传统雕刻机和数控铣床功能的数控机床。传统雕刻机是使用小刀具、大功率的高速主轴电机的数控机床。如果加工材料硬度比较大，加工余量很大的时候也会显得力不从心。数控雕铣机可以通过更换不同直径的刀具对复杂的三维模型进行粗加工和精雕加工。在加工余量较大的时候，可以换上大直径的刀具，进行粗铣加工，发挥了数控铣床的功能。精细雕刻时可换上小直径的平底尖刀进行加工，发挥了雕刻机的功能[2-3]。

为了充分发挥数控雕铣机的加工优势，本文结合ArtCAM软件编程技术，对零件进行雕铣加工。ArtCAM软件不仅能生成复杂的二维加工路径，也可以建立更加复杂的三维立体模型，并生成复杂的三维浮雕加工路径[4]。

1 模型的建立及加工路径生成

ArtCAM具有强大的设计功能，是复杂的立体三维浮雕设计和加工的首选软件。软件可对矢量进行快速设计、编辑，用户能根据个人的需要进行修改数据。对于二维表面加工，加工零件一般不需要建立三维模型。只要绘制出二维的矢量图形，在相应的软件中自动生成加工指令就可以加工。三维立体表面加工，则需要建立三维模型。 ArtCAM 不仅可以采用矢量图建立三维立体模型，还可以把原有的位图，通过参数设置，转化为复杂的三维数字模型。ArtCAM软件能使雕铣加工更快捷和方便[5-6]。

根据建模的需要，要先对位图进行处理，可以利用Photoshop或ArtCAM软件自带的位图编辑功能，把图形转变为灰度图。利用ArtCAM软件“通过图像产生模型”功能打开图形，如果原图很大，可以调整参数设置图形大小。具体步骤是双击“ArtCAM软件图标”，点击“通过图像产生模型”，弹出对话框后在文件夹里调取图像。然后根据ArtCAM软件的指令，对图像进行处理。全部处理结束，需要生成刀具路径，刀具路径是以G代码的形式生成。把生成G代码导入雕铣机的控制软件，就可以完成加工。

2 加工实例

2.1 打开文件

本文以黑龙江工程学院校标为实例，结合ArtCAM软件进行加工演示。加工机器采用自行设计和制造的小型数控雕铣机。双击ArtCAM快捷方式图标打开软件如图1所示。

点击通过图像产生模型，选取校徽分辨率300 dpi这个文件打开。原图很大，可以根据自己的需要调整尺寸，在示例中将尺寸调整为100 mm×100 mm，浮雕高度定位1.6 mm(见图2)。因为是圆形，把图像的圆心作为工件坐标系X，Y方向的原点。设置完成后点击“接受”进入下一个界面[7]。

图1 打开软件

图2 调整尺寸

2.2 模型参数设置及生成刀路文件

校标灰度图在窗口中以2D模式显示(见图3)，点击3D模式查看(见图4)，并可对图形进行编辑，利用光顺的功能对图形进行光顺，通过光顺功能可以使雕刻表面更光洁，但光顺次数不要太多，以免失去细节。点击“刀具路径”进入刀具路径设置页面，浮雕是三维的，要用到三维刀具路径设置。

图3 2D模式

图4 3D模式

在刀具路径设置里，对加工方式进行选择，因为示例是圆形，选择螺旋加工模式比较合适。然后要对材料和刀具进行设置，材料厚度设置为5 mm(见图5)，材料上表面定位工件坐标系Z轴方向零点[8-9]。刀具参数的设置非常重要，它决定产品最后的加工质量。本示例中选择直径为3.175 mm，半角为15°，平底半径为0.1 mm的平底刻刀。因为刀具平底直径为0.2 mm，为了提高表面加工质量，加工的行距设置为0.07 mm，主轴转速设置为24 000 r/min，进给速度设置为1 500 mm/min。全部设置完，生成刀具路径(见图6)。

2.3 样品加工

产品加工精度不仅和模型设计的质量有关，同时和机床参数设置也有很大关系。本文所使用雕铣机的控制软件采用的是Mach3控制软件，Mach3 控制软件是由美国ArtSoft公司开发的以Windows为平台的开放式数控系统。控制系统使用电脑的LPT或USB端口为CNC设备输入、输出脉冲与方向信号，控制步进电机或伺服电机驱动器。Mach3控制系统能实现5轴联动，完成复杂零件高精度加工，最高控制精度可达到0.000 1 mm[10]。

图5 设置材料厚度

图6 生成路径

打开控制软件，导入已经保存的刀路文件(见图7)。计算机自动生成的刀路也可能存在个别的问题，需要人工进行修改。在加工前，可以通过控制软件的“编辑G代码”的指令对文件进行编辑和修改[11-13]。经过检查确认没有问题后，机床回机床参考点并对刀。因为在刀具路径设置里采用的螺旋加工方式，工件尺寸采用104 mm×104 mm正方形硬木作为加工原材料，那么加工的工件原点一定要定在工件的中心。然后点击界面的“循环加工指令”，机床就开始自动加工。最终加工的效果如图8所示[14-15]。

3 结束语

目前三维加工路径生成的软件很多，例如UG、JDPaint等。本文结合了自己设计的小型雕铣机和ArtCAM软件的一些使用技巧，完成了校标的实际加工。数控加工是一门理论和实践结合性很强的课程，只懂得数控加工工艺而不掌握相应的数控加工软件的使用，无法加工出高质量的产品。只有二者结合，同时不断通过加工实践，才能完成好的作品。

图7 导入加工文件

图8 加工样品

[1] 汪全友,毛毛.ArtCAM相对于数控雕铣加工技术的实际应用[J].中国现代教育装备,2014(23):19-23.

[2] 钟福洪.浮雕与装饰艺术[J]. 景德镇陶瓷, 2011(6):10-12.

[3] 吴苗苗. 基于UG软件的雕铣机加工方向探讨[J].中国新技术新产品,2016(3):42-43.

[4] 陈祥林，郭秀华. Art CAM 在浮雕加工中的应用研究[J].机械设计与制造, 2012(9):93-95.

[5] 陈光明. 基于数控加工的工艺设计原则及方法研究[J]. 制造业自动化,2005,27(9):54-59.

[6] 燕红波,杨庆东,刘芳.五轴联动的数控加工技术的研究及应用[J].机械工程师,2007(5):120-121.

[7] 沈长生,郭旭红.基于ArtCAM 软件的浮雕设计[J].制造技术与机床,2012(2):32-34.

[8] 袁惊滔.基于MASTERCAM和ArtCAM的图片三维造型与加工[J].航空精密制造技术,2015,51(3):57-59.

[9] 恽志东.基于Mastercam Art的浮雕设计与数控加工[J].工具技术,2009(2):79-82.

[10] 杨兴民.基于Art CAM 的福娃造型设计及加工工艺[J].金属加工,2009(18):72-74.

[11] 李渊志.CNC 雕刻机操作技能[M].北京:中国劳动社会保障出版社,2008.

[12] 纪玉坤.基于UG的五轴数控加工NC代码仿真[D].大连:大连理工大学，2005.

[13] 何满才.MastcamX基础教程[M].北京:人民邮电出版社,2006.

[14] 魏国梁,李振加,张慧萍,等.椭球面数控车削方法的探讨[J].黑龙江工程学院学报(自然科学报),2008,22(1):8-11.

[15] 华茂发.数控机床加工工艺[M].北京:机械工业出版社,2000.

[责任编辑：刘文霞]

Application of CNC engraving and milling based on ArtCAM technology

REN Zhongxian1, SONG Haifeng2，XU Zhupeng2，REN Changyu3，XIN Zongsheng1

(1.College of Electromechanical Engineering, Heilongjiang Institute of Technology, Harbin 150050，China；2. Harbin Xinzhongxin Electronics Co., Ltd. Harbin 150090，China；3. College of Science, Heilongjiang University of Science and Technology, Harbin 150027，China)

In order to achieve the use of ArtCAM software for CNC engraving and milling processing, this paper proposes a format conversion between bitmap and vector diagram, and analyzes and determines its parameters and reasonability，through the combination of ArtCAM software and CNC engraving and milling machine. The results show that the ArtCAM software can be easily and effectively applied to the engraving process for 3D model, in which the processing function of CNC engraving and milling machine is fully utilized.

ArtCAM; vector graphics; three-dimensional model; digital model; CNC engraving and milling machine

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2016.06.006

2016-07-19

黑龙江省教育厅科学技术研究资助项目(12531560)

任忠先(1972-)，男，讲师，硕士，研究方向：机械加工；数控技术.

TP399

A

1671-4679(2016)06-0024-05