基于图片的三维造型及雕刻加工研究

张 艳，张 琦

（1.西安航空职业技术学院，陕西 西安 710089；2.中国飞行试验研究院，陕西 西安 710089）

基于图片的三维造型及雕刻加工研究

张 艳1，张 琦2

（1.西安航空职业技术学院，陕西 西安 710089；2.中国飞行试验研究院，陕西 西安 710089）

此次设计结合CorelDRAW X5软件，介绍了位图与矢量图之间的格式转换，并利用AUTO CAD修复矢量图。文章以ArtCAM软件为工具，进行了蝴蝶图片的三维造型，并准确地生成了走刀路径，实现实体的加工模拟，经过后置处理生成NC程序。

ArtCAM；图片；雕刻

随着计算机技术的发展出现了数控雕刻加工技术，该技术基于图形图像数据，是一种新型的雕刻技术，以数控加工技术、数字图像处理技术、计算机图形学为基础，对各种材料进行图案雕刻、文字雕刻的一种特种加工方法[1]。

ArtCAM是复杂立体三维浮雕设计和加工的首选CAD/ CAM软件，按照工艺利用其生成数控加工代码，并将计算机生成的数控代码传入数控机床并实现模型的数控加工。

1 设计总体方案的选择

此次设计的平面造型图案，由4部分构成：躯体、触角、翅膀、足，要构造成艺术曲面并雕刻出来。

ArtCAM是立体的、复杂的三维浮雕设计和加工的首选CAD/CAM软件解决方案，这里有两种选择：一种通过二维矢量图转换成浮雕，另一种是通过高分辨率的图片直接转换成三维浮雕。虽然采用这两种方法都可以生成浮雕，但是形成的浮雕质量却不相同，第二种方法生成的三维浮雕边界轮廓比较模糊，并且浮雕生成过程中人为控制的方法较少，因此，通常采用二维矢量图转换成浮雕的方法进行[2]。流程包括4步，处理图片、生成矢量图、图片的三维造型、制定加工方案、三维图片的雕刻加工。

2 图片处理

由位图转换为矢量格式有许多软件，此次设计采用CorelDRAW附带的CorelTRACE工具对图片进行矢量化处理。如图1所示，打开CorelDRAW X5，依次点击“文件”“导入”，插入蝴蝶图片，依次点击“位图”“Quick Trace”，点击“保存”，格式为DWG。

通过以上操作，完成了由图片到模型的二维矢量轮廓；但这些轮廓由大量的线段和圆弧组成，存在尖角、断点、瑕疵等，且在矢量的生成中由于图片的质量原因有部分的轮廓在产生过程中丢失，不易用来生成三维模型。因此，需要对矢量图进行修补处理。在此将完成的矢量图形导入“AutoCAD”进行修补操作。

打开“AutoCAD”工作界面，将需要修正的矢量图导入。用直线、圆弧、椭圆、样条曲线等命令，采用逼近方法对原来的矢量图进行修补，生成完整、连续的矢量图形。修改完成后的图形如图1所示。

图1 蝴蝶图处理

3 图片的三维造型

在对浮雕进行设计时，一般需要先进行准备，选定给出的二维绘图，然后对二维绘图的加工进行构建，设定适宜的浮雕加工参数，选择浮雕的表现形式和浮雕的分析思路，经过构思和分析之后，对浮雕模型进行预创建，如果预浮雕模型存在问题或者是不满意，则可以修改相应的参数。生成浮雕就是以选择二维绘图和设定的参数为基础，进行二维轮廓和层次分析，并且对不同的浮雕部位进行不同的颜色填充，并对不同的顶面类型进行定义，构建区域实体，直到最终实体模型设计完成。生成浮雕模型之后还可以进行后期处理，后期处理的过程实际就是修改、完善的过程，通过光顺处理之后使三维浮雕更加美观和逼真，最终获得比较完美的三维浮雕模型。

4 加工浮雕

ArtCAM Pro包含了对浮雕进行编辑和存储的功能，生成三维浮雕之后，可以生成刀具路径。为了执行加工一个ArtCAM模型的操作，需要生成合适的刀具路径文件，并以正确的语言输出到刀具控制器。这个文件包含了一系列CNC机床指令以控制刀具运动、已定义的加工原点相关的刀具转速和进给速率。

所有的加工命令都位于刀具路径页，通过点击刀具路径标签可以进入。

首先选择一个比较大的粗加工工具如端铣刀和Z轴粗加工策略尽快将尽可能多的材料移除这样才能展示出一个阶梯状的特大号组成表格。然后选择加工浮雕策略中一个比较适合的球头刀精加工刀具沿模型的加工路径作为半加工操作。但是由于该刀具太大，导致在对一些精密的、内部的角落进行加工时，操作不易，容易出现死角，加工的零件精度也不够高，但是该刀具也有优点，通过该刀具可以迅速地将大部分残留毛坯向下移除0.5 mm。选择小头刀的加工浮雕策略可以实现精细尺寸的加工，并选择精致的细节。

粗加工一般都选用端铣刀，它可以以至少70%的刀具直径步进，使加工时间缩短。刀具每移动两步之间的距离为行距值，如果行距值较小，则越不容易进行加工，需要的时间越多。精加工可以选择球头刀，行距值一般为刀具直径的1/10左右。

通过对蝴蝶三维浮雕进行粗加工、半精加工和精加工，并且对局部的加工参数进行设定，则可以最终形成刀具的路径。生成的刀具路径可以通过三维查看进行仿真，点击“仿真全部刀具路径”。仿真后得到一个蝴蝶三维浮雕的造型，形成的三维浮雕和在实际加工中利用给定的刀具获得浮雕曲面相同，如图2所示。

图2 仿真结果

5 结语

传统的浮雕设计及加工存在效率低、技术水平落后等特点。而借助ArtCAM软件，可以很顺利地将浮雕加工出来，说明图片雕刻加工的基本思路，可以为类似模型的数控编程提供参考。

[1]袁惊滔.基于ARTCAM的图片造型与加工[J].价值工程，2011（28）：143-144.

[2]杨兴民，尹鸿雁，张卫东.基于ArtCAM的福娃造型设计及加工工艺[J].金属加工（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

张艳（1990— ），女，辽宁铁岭，硕士研究生，助教；研究方向：航空维修、制造和教学。