朱春生*，刘国亮，胡 甜，张继科，黄玉航
南昌工程学院 机电学院，江西 南昌 330099
[摘 要] 本文介绍了雕刻产品的形貌设计方法及灰度图的生成过程，再对实现细节进行了相关的陈述，然后提出了优化方法并用于实际样品的雕刻，最后对研究的内容得出了相应的结论。
关键词 数控技术；立体雕刻； 艺术产品
1、数控立体雕刻概述
雕刻艺术在我国有着悠久的历史。技艺精湛的各种雕塑工艺，是中国工艺美术中一项珍贵的艺术遗产。按照表现形式的不同，可分为圆雕，透雕与浮雕。其中浮 雕是 180°内的雕刻。随着人们对于精神生活需求的日益提高，对浮雕装饰品的要求不再满足于单一的平面浮雕，对浮雕的质量也开始重视起来，相对于市场需求巨大的手工木雕、石雕、冰雕、泥雕等，近些年，数控机床技术不断发展，浮雕的生产日渐趋于自动化。金属材料雕刻制品日益步入雕刻制品市场，多轴数控雕刻机床生产的金属立体浮雕、玉器立体浮雕开始逐渐发展并扩大其市场。
ArtCAM 是由英国 Delcam 公司出品的一款独特的专业浮雕设计软件，快速将二维构思转换成三维艺术产品。可以处理复杂的立体三维浮雕设计、珠宝设计和加工。从 1993 年首次发布 windows 版本，1994 年正式发布应用在 windows3.1上的 ArtCAM V1.0 版本开始逐步打开市场。如今在 Delcam 公司对其不断地研发和完善之下，ArtCAM 还推出面向不同用户的专业化产品，比如专门面向中国市场的 Insignia 雕王版本，全中文用户界面使用户能更加方便、快捷、灵活地进行三维浮雕设计和加工，运用于平面切割[1]、标牌、3D 字、波浪板等。这里有一幅运用ArtCAM生成代码而雕刻的中式古典牌匾如图1所示。
.png)
图1 运用ArtCAM生成代码而雕刻的中式古典牌匾 [1]
从它精美的图案及精细的做工来看，该技术既丰富了现代人的生活，也创造了更多的就业机会，值得进行相关技术研究。
2、 实用性雕刻的形貌设计及灰度图的生成
2.1 实用性雕刻的形貌设计
花朵样式适合制造居家果盘等物件，且可用铝合金进行加工制造[2]，故本课题选用一个花朵模型作为案例，介绍样品如何进行设计和加工。花朵设想模型样式如图 2A所示。由于Artcam软件 有着强大的二维矢量编辑功能，故本作品可利用 Artcam软件 来完成整个花朵从零建模的过程。
本课题采用了Artcam 系列软件中的 2017 版本，其软件功能也有许多改良， 进入“2D 查看”，临摹出花朵的大致轮廓，分别使用“矢量工具”中的“产生圆 ”，“产生折线 ”绘制花蕊和一片花瓣，并通过节点编辑器调整花瓣。点击“填充工具栏”中的“块旋转复制 ”将旋转中心拖动到花蕊的中心，按住“ctrl”分别旋转复制四次，使用节点编辑器调整新产生的四片花瓣的轮廓（如图2B所示）。
单击“浮雕操作”中的“双线扫动 ”，按住“shift”键点选一片花瓣的两条轮廓线，然后点选“第一条驱动曲线”，这时两条驱动曲线都选定，然后依次点击绘制的折线，点选“增加横截面 ”，再次点击绘制的折线，点选“插入横截面 ”，在适当位置插入，点击“节点编辑器”进行实时调整，在另外四片花瓣上依次重复以上操作，单击“合并最高”，并利用“光顺 ”操作进行 7 次光顺，得到花瓣的整体模型（如图 2C所示）。
使用“双线扫动”，选择叶片轮廓线为驱动曲线，分别点击刚绘制的两条矢量，点击“增加横截面”，勾选“合并最高”，产生立体四片浮雕（如图 2D所示）。
在另外四个叶片上在重复以上操纵，利用“光顺 ”对叶片模型进行光顺，最后按住“ctrl”点击花瓣，花蕊和叶片三个浮雕层，选择合并最高，将三个浮雕层合并为一个新的浮雕层，得到最后的花朵模型（如图 2E所示）。
.png)
图2 花瓣的形貌设计及灰度图的生成
2.1雕刻的灰度图的生成
打开我们的模型。按住“Alt+M”或者点击“菜单栏”中的“ 模型”进入模型板块。按住“Alt+G”，或者点击“ 产生灰度图”产生我们模型的二维灰度图。此时灰度图已经产生，进入“2D 查看”界面可以查看模型生成的灰度图（如图 2F所示）。
将文件保存为”XXX.bmp”格式，其中bmp 格式图像在各大浮雕软件是通用的格式，也是浮雕灰度图统一格式。
通过雕刻的实践证明，由Artcam 系列软件将立体模型转化为灰度图，可生成点阵式高效加工G代码，加工出来的产品经抛光和着色，可以达到与图A非常接近的结果[3]。
3、雕刻过程及参数的优化
由于雕刻机的自由度大多采用3轴和4 轴的数控系统，加上加工刀具的刚性不足，在使用数控雕刻机的时候可能时不时会出现不理想的问题。但是往往操作人员都会一头雾水，不知道到底是数控雕刻过程的哪个环节出现了问题。
其中一个最常用见的现象就是尖点处的不确定。因此，在建模过程中就要尽量消除尖点，使之相对顺滑，灰度图深浅过渡可用修饰或模糊工具来实现，这样就可以实现数据的优化[4]。
但是，对于有的产品需要通过锐边来表达其硬质骨感，则往往需要采用四轴及以上自由度加式系统来完成，通过第四轴或第五轴的复合进给，实现目标形貌的加工。
4、结论
通过相关研究，本文得出以下结论。
1）Artcam 系列软件近期版本表现出较强的形貌生成功能，适用于雕刻产品的开发；
2）由Artcam 系列软件将立体模型转化为灰度图，可生成点阵式高效加工G代码；
3）通过对Artcam 系列软件将立体模型转化为灰度图中的尖锐点的修饰或模糊，可以达到雕刻光顺的效果，当需要形成锐边雕刻效果时，可采用四轴以上切削头可偏转雕刻机。
5、致谢
非常感谢南昌工程学院大学生创新创业计划和江西省教育厅项目（JXJG－18－18－2）对本研究的支持。