家具曲面浮雕的逆向工程和數控加工應用研究

李競杰 張榮強

摘 要：文章基于逆向工程技術對家具曲面浮雕進行了應用研究。通過對三維掃描數據的采集和處理建立了CAD實體模型，并在JDpaint軟件中對其進行了雕刻路徑編輯，生成了可用于數控加工的nc格式的路徑文件，分析了雕刻機進給速度、切削用量、刀具選擇與設置等加工參數對雕刻效果的影響規律，并開展了大量雕刻實驗，取得了較好的雕刻效果。文章對逆向工程關鍵技術、數控加工路徑制作和雕刻實踐等環節進行了歸納，總結出了一套實用可行的逆向技術與數控加工的方法，為家具曲面浮雕加工提供了經濟高效的解決方案，具有較好的實際意義和應用價值。

關鍵詞：逆向工程；曲面浮雕；數控加工

對家具制造業而言，當前的最大價值在于用更少的成本、更快的效率、更好的質量，開發出滿足用戶需求的家具。某些中大型企業花費大量資金購買先進設備，配套設施齊全，但鑒于沒有先進的制造工藝，從業人員的操作方法比較落后，大部分企業目前還是經驗性設計階段。尤其是對有較多浮雕造型的曲面家具，企業還是由有經驗的技工首先手工制作模板，再以打樣好的零件模型進行比照加工，但這已不能適應新的競爭形勢。

由于全球經濟一體化進程的推動，國內家具企業既要面臨國外企業的競爭，同時又要走出國門走向世界，有必要采取更加合理和高效的生產工藝。在這個背景下，逆向工程技術應運而生。

1 逆向工程技術

逆向工程技術是將實物轉化成CAD模型的數字化技術、幾何模型重構技術和產品制造技術的總稱。逆向工程與人的逆向思維類似，是根據“實物模型——數據掃描——數據處理——實體建模——數控加工”的逆向流程進行的，有利于提高新產品開發進程和企業產能[1]。

家具曲面浮雕的模具開發能夠運用正向CAD軟件建模，然后在雕刻軟件中生成浮雕模型，最后設定刀具路徑及開展數控加工。但這種方法不僅工作效率不高，還難以保證精度和質量，主要是因為：（1）雖然技工雕刻的浮雕非常逼真，但對CAD軟件的使用不嫻熟；（2）軟件工程師不是專業的藝術家，很難在計算機上做出逼真的浮雕模型；（3）正向CAD軟件建立復雜曲面浮雕的難度很大，而且費時費力[2]。

文章將對家具曲面浮雕的逆向工程技術進行應用研究。基于逆向工程技術進行家具曲面浮雕的開發，能夠有效地解決上述問題，該技術流程的關鍵步驟：（1）將技工雕刻的曲面浮雕模型進行三維掃描；（2）掃描后的模型進行數據處理；（3）處理完成后導入CAD軟件進行實體建模；（4）將模型導入雕刻軟件生成刀具路徑進行數控加工。

下文將結合實例，以梳妝臺頂線浮雕模型（如圖1所示）為例進行家具曲面浮雕的逆向設計和加工分析。

2 家具曲面浮雕的逆向工程技術研究

2.1 數據采集

使用三維掃描儀對梳妝臺頂線浮雕模型進行數據采集，獲取點云數據，這些數據可以與CAD/CAM軟件無縫銜接，進行數據預處理和曲面重構，再輸入數控機床進行加工，能夠很大程度地縮短開發周期。

文章完成浮雕三維掃描所使用的設備為手持式 MetraSCAN 3D光學三坐標三維掃描儀。其基本構架是由光學原理發展而來，通過光的反射、脈沖等將接收到的光學信號由計算機科學技術轉化為物體反射面的三維空間坐標信號，并在VXelements 中自動實時生成三維數據文件，并在一定的優化操作后存儲為單元為三角面片的stl.格式的數據文件，為后續修復工作、雕刻工作提供源數據文件。

2.2 數據處理

2.2.1 Geomagic Studio 軟件簡介

Geomagic Studio是由Geomagic公司開發的逆向工程軟件。通過手持式三維掃描儀掃描得到的點云數據來建立多邊形模型和網格，并自動生成曲面，提供了從實物到計算機建模的一套完整的解決方案，為產品創新設計提供了必要的準備工作。

2.2.2 基于Geomagic Studio曲面浮雕處理流程

（1）點云階段處理流程

點階段主要作用是對導入的點云數據進行處理，排除在掃描時捕捉到錯誤或者多余的數據，使其成為有序、整齊以及可以提高處理效率的點云數據，得到高質量的多邊形對象。點云數據的處理會對后期曲面浮雕重建的質量產生很大的影響。掃描得到的點云數據多而雜且不規律，因此首先需要對其進行處理。流程包括刪除體外孤點、減少噪音、統一采樣、計算封裝等操作。

（2）多邊形階段處理流程

多邊形階段是在點云數據封裝后進行處理，從而獲得一個理想的多邊形數據模型，為多邊形高級階段的處理和曲面的重建奠定基礎。其主要作用是對多邊形網格數據進行表面光順與優化，以獲得光順、完整的三角面片網格，并消除錯誤的三角面片，提高后續的曲面重建質量[3]。流程包括填充孔、簡化多邊形、銳化向導、平面截面、修復相交區域等操作。

（3）形狀階段處理流程

形狀階段是在多邊形階段處理后進行處理，從而獲得一個理想的曲面模型。其主要作用是實現曲面重構，通過構造整齊的格柵，從而擬合出光順的曲面。文章采用NURBS曲面生成原理，對點和多邊形階段處理后的數據進行曲面擬合。流程包括探測曲率、構造曲面片、移動面板、構造格柵、NURBS擬合曲面等操作，將曲面重構后的模型保存為igs格式文件。

3 家具曲面浮雕的數控加工研究

3.1 數控加工流程

數控加工確保產品滿足很高的加工精度和加工質量，生產效率高，易于實現自動化的過程，能夠節省大量的工藝設備，以滿足產品快速更新換代的需求。數控加工與CAD技術密切相關，CAD模型可直接用于生成數控加工指令，從而驅動數控機床進行加工[4][5]。

CNC雕刻機先在計算機上進行模擬加工，通過分析梳妝臺頂飾浮雕造型特點，模擬出刀具加工的路徑。在確定刀具路徑和加工工藝后，才能在雕刻機上進行實體加工。精雕軟件以簡易、實用的準則制定研發了生成刀具路徑的CAM模塊功能。對于家具曲面浮雕模型的復雜性及加工工藝的成熟度不同，JDpaint軟件提供了路徑向導和路徑模板兩種生成路徑的方法。路徑向導適用于復雜模型和新工藝的加工，路徑模板更適用于簡單模型和成熟工藝的加工[6]。

3.2 制作刀具路徑

在Solidworks、Pro/e等軟件中建立三維模型，導入JDpaint軟件進行雕刻路徑設計與編輯，具體步驟如下：

（1）打開JDpaint軟件，進入3D環境，輸入stl三維模型。

（2）調整模型的尺寸與坐標，使用“圖形聚中”功能將加工原點平移到世界坐標系的原點位置。

（3）設定加工范圍。啟動路徑向導命令后，系統會彈出路徑向導對話框的第一個頁面設定雕刻范圍。本實驗選用曲面精加工，并設定走刀方式為平行截線，表面高度為0，雕刻深度為30.05mm及加工余量為0；

（4）設定加工刀具。在路徑向導的刀具選擇界面，選擇雕刻加工刀具并設定加工參數。本次使用的刀具是錐度平底刀JD-30-0.30，并設定加工精度為0，加工順序為區域優先及平坦系數為0.5mm；

（5）設定加工材料和切削用量。加工材料是雕刻加工中很重要的因素，它直接影響雕刻加工的切削用量，如主軸轉速、走刀速度等。當切削線速度超過最大線切削速度時，刀具磨損會顯著增大。但切削線速度不能太低，因為切削速度太低，材料不易被切斷。本實驗選擇材料為木材，路徑間距為0.15mm；

（6）生成刀具路徑。加工路徑參數設定完成后，構成路徑點陣分析和刀具路徑誤差分析，生成ENG格式的刀具路徑。

3.3 模擬加工過程

加工模擬，也叫加工仿真，是指用計算機以真實感圖像動畫的方式模擬加工過程。通過加工仿真，用戶可以檢查刀具切削正確與否、生成浮雕模型正確與否等[7]。

選擇“刀具路徑”菜單中的加工過程模擬，即可啟動加工模擬命令。在啟動之前，先要把需要模擬加工的路徑設置為顯示狀態，JDpaint軟件會對當前顯示的路徑根據加工順序依次進行走刀加工模擬，自動生成刀具路徑。

3.4 輸出刀具路徑

刀具路徑不能直接控制雕刻機加工，必須輸出轉化為控制軟件能識別的文件格式后，才能由控制軟件轉化為控制信號，驅動數控機床進行加工[8]。JDpaint軟件輸出刀具路徑為ENG文件，必須轉換為被雕刻機識別的NC文件，才能輸入雕刻機完成數控加工。具體步驟如下：

（1）選擇刀具路徑對象。

（2）選擇“刀具路徑”菜單中的“刀具路徑輸出”命令。

（3）選擇輸出加工文件，啟動命令后，系統彈出文件對話框，輸入加工文件名稱，點擊保存。

（4）保存文件后，系統彈出設置加工文件的格式對話框，點擊“確定”按鈕，系統將選擇的刀具路徑保存為ENG格式文件。

（5）將ENG格式文件通過NC轉換器轉換為NC路徑文件，之后導入數控機床進行加工，開展雕刻實驗。

3.5 開展雕刻實驗

（1）打開雕刻機控制系統NcStudio，打開并裝載刀具路徑文件，編輯修改加工代碼，然后保存并裝載，進行加工仿真。

（2）對刀并加工。通過手輪對刀，將刀具移至加工起點且z軸稍高位置，然后將xyz軸歸零，控制主軸轉速和進給速度，讓主軸旋轉至平穩后啟動雕刻程序，觀察走刀路徑，然后停止。從原點開始，手輪對刀將刀具緊貼材料，然后讓主軸旋轉平穩后開始加工，觀察一段時間后可將主軸轉速和進給速度提升到較大位置。雕刻過程中用噴槍清理碎屑，以免干擾到整個雕刻過程。實驗過程如圖2所示，曲面浮雕最終實物如圖3所示。

4 結束語

文章基于逆向工程與數控加工技術對家具曲面浮雕進行了應用研究，以梳妝臺頂飾浮雕為例，闡述了家具曲面浮雕加工的總體工藝流程。通過對三維掃描數據的采集和處理建立了CAD實體模型，在JDpaint軟件中對其進行了雕刻路徑編輯，生成了可用于數控加工的nc格式的路徑文件，并進行了仿真模擬，開展了雕刻實驗，取得了較好的雕刻效果。文章對逆向工程關鍵技術、數控加工路徑制作和雕刻實踐等環節進行了歸納，為家具曲面浮雕加工提供了經濟高效的解決方案，具有較好的實際意義和應用價值。

參考文獻

[1]湯紅江.集成逆向工程關鍵技術研究[J].林業機械與木工設備，2008，36（8）：52-53.

[2]吳世雄，樊晶明.浮雕模具的逆向設計及加工[J].新技術新工藝，2008（6）：35-36.

[3]羅之軍，何彪.基于Geomagic Studio的逆向工程技術[J].貴州工業大學學報，2008，37（5）：103-104.

[4]辛長德.數控技術在機械制造中應用與發展[J].科技創新與應用，2012（4）：48.

[5]段冶.數控機床技術發展現狀及趨勢初探[J].科技創新與應用，2014（1）：120.

[6]牛文鐵，徐燕申.自由曲面數控加工走刀方向的優化研究[J].組合機床與自動化加工技術，2003（4）：54-55.

[7]陳珊.家具雕刻零件的結構特征分析與數控加工工藝研究[D].南京林業大學，2007.

[8]陳新義.CNC加工中心對異型實木家具零件的加工工藝與優化[J].林產工業，2013，40（2）：32-34.