CAD/CAM技術在陶瓷浮雕設計與加工中的應用研究

羅 俊 ，韓 文

(景德鎮陶瓷學院機電學院 江西 景德鎮 333403)

CAD/CAM技術在陶瓷浮雕設計與加工中的應用研究

羅 俊 ，韓 文

(景德鎮陶瓷學院機電學院 江西 景德鎮 333403)

本文介紹了CAD/CAM技術在陶瓷浮雕模型建立以及仿真加工中的應用。通過兩種建模技術即幾何浮雕建模和位圖浮雕建模實現陶瓷浮雕模型的建立，然后在ArtCAM軟件平臺上進行仿真加工，得到合理的加工工藝參數，最后實現陶瓷浮雕的數控雕刻加工。

CAD/CAM；陶瓷浮雕；仿真加工

0 引 言

陶瓷雕刻是非常重要的傳統陶瓷藝術裝飾手法之一，在中國有著悠久的歷史，其發展歷程凝聚了歷代陶工的智慧和心血，展現了人們欣賞美、向往美、追求美、表現美、創造美的審美發展軌跡。近年來，人們生活水平不斷提高，房地產產業隨之飛速發展，進而帶來了陶瓷藝術品需求量的增大，以陳設性的浮雕瓷板畫為主的墻面和以高檔的陶瓷薄胎皮燈、雕刻花瓶為主的室內裝飾工藝品越來越受到廣大人們的歡迎。目前，傳統的陶瓷雕刻方式仍停留在手工加工階段，且能夠雕刻出的圖案較為簡單，遠遠不能滿足市場的深度需求。基于市場的需求和生產的需要，將CAD/CAM技術引入到陶瓷雕刻加工中，運用數控雕刻加工技術，代替傳統的手工雕刻加工方式，將大大提高生產效率以及產品的質量。

1 陶瓷浮雕CAD建模

傳統的陶瓷雕刻過程，從構思設計到最后的施釉燒制一般由單個工人師傅獨立完成。雕刻之前需要根據設計要求勾勒硬筆簡畫，因此圖案只能相對簡單一些。雕刻加工過程要求工人師傅具有較高的手工技藝，這樣就會帶來兩方面的影響：一、加工過程受人為因素影響太大，產品質量難以統一；二、個人的雕刻技藝在傳承方面存在一定的難度，更換工人師傅后會使得某些產品難以為繼。整個生產過程中，刻樣和雕刻兩個環節就需要占用較長的周期，且陶瓷產品在雕刻過程中極易破損，因此導致了生產效率較低。

隨著雕刻CAD/CAM軟件的發展，一般會把浮雕CAD/CAM技術作為一個重要的功能模塊進行集成，目前所涉及到的浮雕模型主要通過位圖浮雕建模和幾何浮雕建模這兩種建模技術獲得的。本文中研究的幾何浮雕建模即基于平面幾何圖形的浮雕曲面建模技術；位圖浮雕建模即基于幾何信息和灰度信息的浮雕曲面建模技術，位圖浮雕的造型一般先要用圖像處理軟件對圖片做預處理，然后使用浮雕CAD軟件進行編輯，才能得到完美的浮雕效果。

1.1 幾何浮雕建模

幾何浮雕建模是指由平面幾何圖形構建立體浮雕的過程。一個具有復雜細節的立體浮雕模型往往由若干個小曲面片融合而成，這些小曲面片稱為浮雕曲面。浮雕曲面由一個二維區域和一個截面函數共同確定。

以等距環的偏置量 t為自變量，以等高線的高度值 h為函數值，存在無數種函數映射關系，每一種映射關系即對應一個截面函數。算法目前支持兩種類型的截面函數：線性函數、圓形函數。如圖1所示，圖(a)中由過渡點的橫坐標 以及直線段的傾斜角 共同定義了線性函數；圖(b)中由過渡點的橫坐標 以及圓弧段的圓心角 共同定義了圓形函數。

對于浮雕曲面的二維區域出現相交時，可以對重疊的區域進行曲面融合定義，目前有八種融合方式：負取代融合、相減融合、相加融合、正取代融合、最高融合、最低融合、矢量外置零融合、置零融合。

通過定義截面函數以及改變曲面融合方式，可以通過平面輪廓構建三維浮雕模型。如圖2所示。

1.2 位圖浮雕建模

位圖浮雕建模是指通過一系列的特殊處理，由位圖圖像重建三維浮雕模型。通過各種數字圖像處理技術(比如灰度化、浮雕化、濾波去噪等)，把普通的RGB照片處理成灰度藝術圖，這樣RGB照片中的每個像素點的灰度信息就可以轉換為浮雕的高度信息，最終得到浮雕模型。

經驗公式可以使得彩色位圖到灰度圖的轉換：

其中，Hij表示轉換后得到的灰度圖的灰度值；

Rij、Gij、Bij表示彩色位圖第 行、第 列像素的紅、綠、藍顏色分量；

位圖浮雕建模同樣支持八種融合函數。通過浮雕曲面的融合，可以方便地將位圖浮雕建模和幾何浮雕建模功能共同作用在同一個浮雕模型中，從而極大地豐富浮雕設計手段。如圖3。

圖1 截面函數示意圖Fig.1 Cross-section functions

圖2 幾何浮雕建模Fig.2 Geometrical modeling

圖3 幾何浮雕和位圖浮雕混合建模Fig.3 Geometrical modeling and bitmap embossment modeling combined

2 陶瓷浮雕CAM技術

2.1 刀具路徑選擇

雕刻加工中常用的走刀方式有兩種：一種行切方式即刀具沿直線方向加工，一種環切方式即刀具沿輪廓的順序加工。

在環切的過程中，由于雕刻刀具的加工方式是一直不變的，即一直保持的順銑切削態或一直保持逆銑切削態，因此坯體的雕刻加工精度高，但是這種算法相當復雜，在刀具路徑文件生成時，會浪費很多時間；而在來回行切的過程中，加工過程會交替出現順銑和逆銑，這種加工方式雖然加工質量不如環切，但對于零件大部份材料的去除，行切的切削效率高，在一定程度上，這種算法是很簡單的。

在陶瓷坯體的數控雕刻中，對于平面瓷板的浮雕雕刻中，一般采用環切法；在陶瓷回轉體工件的數控雕刻中一般選擇行切法，如果選用環切法加工時間長、成品率低。

2.2 浮雕仿真加工

隨著浮雕設計的完成以及加工路徑選定，需要對刀具路徑進行仿真。加工仿真的最終目的就是為了調試出一個滿意的，高效的刀具路徑文件，最后生成標準的加工指令代碼。本文采用了目前廣泛采用的英國 Delcam 公司推出的ArtCAM作為浮雕的仿真軟件。

在進行仿真加工之前，首先需對待加工件進行材料設置，即設置待加工工件毛坯的X、Y、Z值。需要注意的是:毛坯的X、Y值，必須與所建立三維模型的尺寸相同，而Z值則根據模型參數 來設定。除此之外，還需設定材料的Z軸零點。材料Z軸零點也叫加工原點，可以設置在材料毛坯的底部或頂部。在本研究中選擇的毛坯的厚度為5 mm，材料的Z軸零點在頂部。

設置加工參數，要加工區域為設置好的 已選矢量區域；加工策略選擇平行加工；刀具選取為平底尖刀；主軸轉速20000 r/min，進給率為2000 mm/min，下切速度600 mm/min。本實驗根據不同刀具的不同行距觀察不同的仿真切削效果。

圖4 仿真實驗浮雕模型Fig.4 Relief simulation model

由圖5(a)-(d)可以看出，隨著刀具平底半徑的增加，為了避免過切，浮雕細節部分在刀位面上逐漸消失，并且隨著加工步距的增加，浮雕表面的刀痕也明顯增加。所以在加工過程中要盡量選擇刀具半徑比較小的，而且步距也要盡量小。

圖(a)-(b)的仿真結果都不是很理想，不僅浮雕的細節部分未清晰表現，而且很多刀痕可以看出，觀察圖(c)和(d)，可以看出，加工仿真結果并無差別，但是兩種加工方式的仿真時間相差14秒，在實際的雕刻加工中，實際加工時間會相差很大。

2.3 加工實例

根據仿真加工的結果，可以選擇合理的加工參數，得到更加合理的刀具路徑文件，選擇合適的格式，導入到數控雕刻機中，進行陶瓷坯體數控雕刻加工(圖6、圖7）。

圖5 采用不同半徑不同步距的刀具仿真Fig.5 Simulated carving results for tools with different cut lengths and radii

圖6 陶瓷茶杯浮雕雕刻加工過程Fig.6 Relief producing on a ceramic cup

圖7 陶瓷茶杯系列（未施）Fig.7 Ceramic cup (unglazed)

3 結 語

本文把浮雕CAD/CAM技術引進到陶瓷雕刻加工中，不但在一定程度上提高了雕刻加工效率以及質量，而且大大擴展了陶瓷浮雕圖庫，最后通過實例加工，證明了這種技術的可行性。本技術的應用從根本上擺脫陶瓷雕刻的手工雕刻作業的現狀，把人們從繁重的體力勞動中解脫出來，同時陶瓷雕刻產品也得到了廣泛的推廣。

[1] 馮紹桂. 雕刻技藝表現與發展[J]. 景德鎮陶瓷, 2011, (03): 138-139.

FENG Shaogui. Jingdezhen Ceramic, 2011, (03): 138-139.

[2] 王玉國. 數控雕刻加工關鍵技術研究[D]. 南京: 南京航空航天大學, 2007.

[3] 王啟超. 磚雕材質性能分析及數控雕刻加工技術的研究[D].蘭州: 蘭州理工大學, 2012.

[4] 李志新, 黃曼慧, 成思源. 逆向工程中的CAD建模技術及軟件系統[J]. 機床與液壓, 2007, (09): 46-47+78.

LI Zhixin, et al. Machine with Hydraulic, 2007, (09): 46-47+78.

[5] 王建莉. 磚雕的計算機圖像處理及數控雕刻技術研究[D]. 蘭州: 蘭州理工大學, 2010.

Application of CAD/CAM Technology in Design and Processing of Ceramic Relief

LUO Jun1., HAN Wen2
(School of Mechanical and Electronic Engineering, Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333403, Jiangxi, China)

This paper introduces the application of CAD/CAM technology in ceramic relief modeling and simulation process. First, Ceramic relief modeling is realized through geometrical modeling and bitmap embossment modeling; then simulation is carried out using ArtCAM software as a platform. With extracted processing parameters, ceramic relief can be completed through the CNC engraving.

CAD/CAM; ceramic relief; simulation and processing

TQ174.5

A

1000-2278(2014)06-0649-05

10.13957/j.cnki.tcxb.2014.06.017

2014-06-22。

2014-07-10。

江西省教育廳科學技術研究項目(編號：GJJ12505)。

羅俊(1983-)，男，碩士，講師。

Received date: 2014-06-22. Revised date: 2014-07-10.

Correspondent author:LUO Jun(1983-), male, Master, Lecturer.

E-mail:luolitian@qq.com