數(shù)字控制技術(shù)在模型設計與制作中的應用研究

摘要：利用數(shù)字控制技術(shù)，進行模型設計與制作不僅需要設計人員、操作員，能利用合適的材料進行創(chuàng)意設計、更需要能熟練掌握專業(yè)的三維工業(yè)設計軟件進行繪圖并了解其工藝，正確繪制圖形，合理規(guī)劃工藝，制作出符合設計師設計理念的模型產(chǎn)品。

關鍵詞：數(shù)字控制；模型制作；雕刻

1 數(shù)字控制技術(shù)概述

數(shù)字控制技術(shù)也叫計算機數(shù)控技術(shù)，是采用計算機實現(xiàn)數(shù)字程序控制的技術(shù)。這種技術(shù)用計算機按事先存貯的控制程序來執(zhí)行對設備的控制功能。采用計算機替代原先用硬件邏輯電路組成的數(shù)控裝置，使輸入數(shù)據(jù)的存貯、處理、運算、邏輯判斷等各種控制機能的實現(xiàn)，均可通過計算機軟件來完成。它已發(fā)展成為對制造技術(shù)發(fā)展有著深遠影響的共性工程技術(shù)。隨著計算機技術(shù)、信息技術(shù)、自動化技術(shù)在模型設計與制作行業(yè)的應用，極大推動了模型設計與制作行業(yè)的發(fā)展。在模型設計與制作過程中，CNC技術(shù)主要承擔了雕刻工作，在雕刻過程中需要計算機輔助設計技術(shù)（CAD技術(shù)），計算機輔助制造技術(shù)（CAD技術(shù)），數(shù)控技術(shù)（NC技術(shù)）精密制造于一體。

2 模型制作方法

模型制作廣泛應用在產(chǎn)品展示、產(chǎn)品生產(chǎn)中。實物模型制作有多種方法，有油泥模型、快速成型模型、仿實物模型等。其中油泥模型精度不高，強度亦不高。快速成型技術(shù)制造的模型需要有專門的實驗室環(huán)境，設備成本高維護費用昂貴，模型強度低，易斷裂，可加工性差，具有局限性；并且不能制作出復雜的裝配關系。仿實物模型造價昂貴。而數(shù)控加工制作的實物模型避免了上述缺點，具有精度高、強度大、裝配精確等優(yōu)點。

3 模型材料的選擇

采用不同的材料制作模型，其加工工藝各不相同。建筑模型采用材料種類繁多，主要有粘土、石膏、木材、紙質(zhì)、ABS板材、PVC等復合材料等。選擇怎樣的材料主要取決于用模型的類型和表現(xiàn)的風格，不同的材料其加工工藝也各不相同，當然表現(xiàn)效果也各有千秋。選擇材料時要考慮材料的厚度、色彩、表面質(zhì)地、肌理和加工工序和方法等。應通過材料的特點來彰顯模型的藝術(shù)魅力。

粘土、石膏、鋸末、草粉等材料主要用于曲面造型。比如家具、地形、車輛、樹木等模型的制作。粘土和石膏也常用于概念性模型。

木材易于加工、便于造型、細節(jié)肌理細膩、適合深度加工、表現(xiàn)細節(jié)。可以作為建筑的骨架、基礎地形，也可作為園林小品、建筑裝飾配件等，還可以作為規(guī)劃模型中的整個建筑實體。

用數(shù)控技術(shù)加工產(chǎn)品模型時，可以根據(jù)模型的加工難易程度、結(jié)構(gòu)強度及外觀展示效果等進行材料的選擇，選用金屬或塑料等材料。對于只為了展示效果或檢驗安裝關系的模型一般選用工程塑料。

ABS工程塑料具有優(yōu)良的綜合性能，有極好的沖擊強度、尺寸穩(wěn)定性好、染色性，成型加工和機械加工較好，并且具有很好的粘結(jié)性能和塑催田。并且有多種厚度和寬度規(guī)格的成型板材。對于只以展示造型效果為目的的模型，無受力導致變形的問題，可采用常用ABS工程塑料。對于要達到透明效果的零件，需采用PMMA（亞克力）材料。

4 模型制作中的拆分與安裝

在模型制作中，由于模型尺寸較大，結(jié)構(gòu)復雜等原因難以加工時，需要對模型的進行拆分處理，在拆分與拼接的過程中，基本按以下原則進行：1）保證拆分與拼裝后的強度符合要求；2）拆分后方便加工與拼接的原則；3）節(jié)省材料，減少切削時間原則；4）便于拼接時定位準確，操作方便的原則。

5 模型設計與制作流程

由于現(xiàn)代模型制作工作量大，要求高，現(xiàn)在CNC技術(shù)將計算機自動雕刻取代了手工雕刻。CNC技術(shù)是集計算機輔助設計技術(shù)（CAD技術(shù)）、計算機輔助制造技術(shù)（CAM技術(shù)）、數(shù)控技術(shù)（NC技術(shù)）、精密制造技術(shù)于一體。其制作流程如下：

（1）根據(jù)模型的外形，復雜程度，對模型進行分析，制定加工方案，根據(jù)圖紙和具體加工要求，確定加工尺寸、加工深度、加工圖形形狀。形成設計草稿。

（2）從設計到加工的環(huán)節(jié)，必須用準確的三維數(shù)字模型進行傳遞，只有設計師自己提供或認可的計算機三維造型模型，才能準確使設計草圖真正得以實現(xiàn)。繪制、編輯加工數(shù)據(jù)圖形及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理。CNC雕刻機是由計算機控制實現(xiàn)的，如何將設計思路，按加工要求，繪制出準確的尺寸、形狀、位置關系的數(shù)據(jù)圖形，從而生成雕刻機的工作控制指令比如精雕機就需要操作人員能熟練掌握JDPaint中的各種命令，根據(jù)設計思路，繪制出加工圖形數(shù)據(jù)，并由雕刻機生成刀具路徑，刀具路徑的計算是由雕刻軟件完成的，刀具路徑的計算依據(jù)是加工圖形數(shù)據(jù)和操作員的工藝規(guī)劃共同決定的，雕刻軟件按操作員規(guī)劃的工藝和雕刻設計圖進行刀具路徑計算的。因此，要準確完成加工，需要操作員不僅要熟練掌握繪圖命令還要能理解CNC加工工藝方法。

（3）數(shù)控加工：采用CNC技術(shù)加工是自動化的，只需要開始前，正確選擇好刀具、裝卸刀具、對加工材料進行合適的裝卡，設定切削參數(shù)，可由雕刻機自動完成雕刻工作。

（4）表面處理與粘帖：為了使表面光滑平整，需要進行打磨處理，先用較粗砂紙打磨，而后用較細砂紙打磨。對有較高要求的可進行噴灰處理，用來檢查打磨后表面光潔程度。最后用膠水進行粘帖、拼接，膠水分為快干、慢干兩種。快干可以在3內(nèi)進行快速粘帖，慢干可以使工件有充分的時間進行調(diào)整。牙粉和膠水混合可以填補拼接的縫隙，使表面平整，為了使慢干膠水迅速固化可采用丙酮。

6 結(jié)語

利用CNC技術(shù)進行雕刻拼接制作模型是目前先進的模型設計與制作技術(shù)，它不僅需要設計人員、操作員，能利用合適的材料進行創(chuàng)意設計、更需要能熟練掌握專業(yè)的三維工業(yè)設計軟件進行繪圖并了解其工藝，正確繪制圖形，合理規(guī)劃工藝，制作出符合設計師設計理念的模型產(chǎn)品。

參考文獻：

[1] 郎世奇.建筑模型設計與制作[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.

[2] 陳勝，章海，李靜敏.雕刻機在CAM實驗教學中的應用[J].實驗室研究與探索，2009，28（04）：6567.

作者簡介：管學理，教授，現(xiàn)供職與湖北交通職業(yè)技術(shù)學院，曾主持湖北省教育廳教育科學規(guī)劃課題《行動導向教學法在模型設計與制作課程中應用研究》，公開發(fā)表論文二十余篇。