基于數控雕刻的“時與光”創意設計

李 詠，趙 華

（沈陽航空航天大學 設計藝術學院，沈陽 110136）

0 引言

隨著社會的進步和人們生活質量的提高，人們對文化內涵的需求也開始加大。家居生活中的藝術點綴也越來越受到重視，個性化的家居用品也隨之大量涌出。其中創意的雕刻產品造型美觀，具有藝術觀賞性，深受人們的喜愛，應用比較廣泛。

1 數控雕刻技術對產品設計制造的影響

數控雕刻技術CNC（Computer Numerical Control）的出現使刀具的走刀可以通過計算機進行控制和模擬，使模型的曲線、雕花、鏤銑、刻槽等復雜工藝實現機械化和自動化[1,2]。將數控雕刻技術應用到模型的制作中，不僅可以提高其加工精度和工作效率，而且可以使一些復雜、難以加工的模型部件通過雕刻機完美地加工出來，使模型的制作更加精致。

1.1 縮短了創意雕刻產品的制造周期

傳統雕刻過程主要是依靠人力通過用鑿、鏟、錘、鋸、線等手工工具來塑造各種圖案，是一種體力加腦力的勞動，其制造效率比較低，操作難度大，所以耗費時間較長，而且一些復雜的結構造型，需要雕刻者有較高的工藝水平和耐心，一個精湛的雕刻者需要5～6年的學習，而且需要很好的悟性。隨著科學技術的發展，數控技術逐漸被引入到工藝品雕刻之中，并表現出了突出的優勢。數控雕刻技術傳承了傳統的雕刻技術，可用于平面、曲面雕刻[3]，因為是機械自動化，所以縮短了產品的制造時間，且費用也比手工雕刻的價格便宜。

1.2 提高了模型制作的效率及加工精度

數控雕刻技術是通過計算機設置完成雕刻數據后，數控系統執行相應的加工程序代碼配合多種刀具來控制雕刻機完成雕刻過程，除了二維平面雕刻外，還可完成浮雕及各種復雜曲面的雕刻加工，整個過程為自動完成，加工精度高，實現了自動化、高效率和高精度。

1.3 降低產品成本使雕刻制品更為普及

傳統的手工雕刻制品價格高昂，定制時間長，相比之下，數控雕刻制品不僅質量有保證，造型還可以加工定制，款式靈活多樣，而且生產制造速度快，適合于批量生產，費用比手工雕刻要低很多，數控雕刻產品更受到人們的喜歡和青睞。

2 數控雕刻技術在實踐教學中的優勢

目前在建筑、工業設計、園林景觀、展示等專業教學中，模型設計與制作已經引起了教育者們的高度重視[4]。設計類專業本身要求動手能力強、與社會需求接軌，而模型制作是設計概念向三維實體初步轉化的有效手段之一[5]。模型制造是產品設計的一個重要環節，通過親自動手制作模型，能夠培養學生認識材料、了解材料的特性，并在實際制作中進行綜合的設計應用，來檢測和提煉之前的設計構思，使學生逐步理解模型制作決不是簡單的模仿制作，而是一種表達創意的工具，為產品的紙面設計和產品的立體設計造型搭建了一個橋梁，利用材料，工具，加工方法將產品的設計構思表現為三維立體形態的實體。作為設計表現手段之一的模型制作行業在市場上已進入一個全新的階段，其材料日益豐富，技術制作和表現手法上都有很大的發展。

模型制作的方法有很多，隨著數控技術的成熟及普及，模型制作教學中也開始使用數控雕刻機，不僅可以提高模型的加工速度，還可以提高其美觀度，并在培養和提高學生實際操作能力和綜合素養方面具有優勢。數控創意雕刻教學，給學生提供了自主創意的空間，激發了學生主動學習的興趣，增加了學生實踐動手的機會，可使他們更好地與社會接軌，快速適應工作崗位。

3 時與光的創意設計意義

隨著社會的發展，人們的生活得到了很大的改善與提高，思想理念也有所更新，人們開始再度注重起生活的品質和情趣，對文化內涵的需求也開始加大。家居裝飾的講究和擺設也進入多元化，許多融入文化情感元素的產品受到人們的青睞，讓人們產生共鳴同時，也帶給人們樂趣和溫馨。由于家裝的興起，其室內的配套性時尚性深入人心，人們對家居生活中的藝術點綴也越來越受到重視，勢必要出現一些符合新生代人們的審美觀念和家居風格。鐘表是我們家居必備品，不僅用來看時間，也成為了房間裝飾的一部分，創意鐘表更好的提升了家居品味。

伴隨著電子產品的普及，人們看時間的方式發生了很多變化，但市面上的鐘表大多仍以機械感、簡約感為表現特點，而且外觀雷同居多，不符合人們對鐘表個性化的需求，也不能與不同的室內環境相協調，因此鐘表的設計也應順應潮流以符合人們生活方式和審美觀念為出發點，融入人們的真實情感，滿足人們精神需要和生活方式。

時與光的設計是從時間和燈光的角度來設計，充分發揮想象力，把對時間的珍惜，和對光的渴望情感融合在一起，使得時與光相互呼應，給人以時光雖流逝溫暖依舊在的情懷。時與光的設計原料選用木材，木材在自然界分布較廣，取材容易，種類繁多，質地堅而不軟，易加工且保存時間較長[6]。時與光的設計是將照明功能和鐘表形式統籌結合，既提供方便、準確地看時間的基本功能，又通過天然木材合理的搭配與設計，將綠色環保生態設計的理念貫穿在時與光的設計中，展示其裝飾性能和環保特性，與室內環境中的家具及其他家居用品一起營造讓人滿意的綠色居家氛圍。

時與光的設計采用數控加工的浮雕制作工藝，選取天然木材為雕刻材料，保持材料的原生態，天然的木質紋理豐富了設計作品的外觀樣式，也滿足了人們對天然原生態材料的追求。隨著新中式家居裝修風格的引領，木質雕刻制品受到了人們的廣大青睞，而且漸漸形成了一種時尚。時與光設計從自然出發，運用數控雕刻技術展現創新設計，體現了自然、環保、清新的風格。

4 時與光的設計制作

4.1 基于浮雕的表盤制作

隨著社會對浮雕產品的需求日益增多，浮雕的設計加工在工業設計和日常生活中的應用也日益廣泛[7]。從幾何空間角度分析，浮雕模型是一種外形輪廓與相應的二維繪畫相吻合，在材料平面上雕刻出凹凸起伏形狀的一種雕塑三維模型。要使浮雕能夠表達出鮮明的立體感，就應賦予其輪廓一定的高度，即在限定的空間內根據二維繪畫所描述的內容凸起或凹下，以便表現出這種立體感。目前國外雕刻CAD/CAM軟件主要有英國的Artcam、法國的Type3、美國的Mastercam Art等，國內的雕刻軟件主要有精雕、文泰等[8]。

設計作品的二維效果圖。作品主體采用矩形輪廓，表盤采用圓形輪廓，以十二片花瓣作為表盤背景，十二片花瓣所指向的圓形燈珠作為表盤刻度，采用CAXA軟件進行繪圖，如圖1所示。

圖1 二維圖形

熟悉雕刻軟件，以精雕為例，進行基本的建模。將所繪制的二維圖另存為*.dxf文件，導入精雕軟件中，直接進入虛擬雕塑環境，選取繪制好的矩形外框，打開模型菜單下的新建模型命令，默認精度為0.1，點擊確定即可生成浮雕模型。

浮雕模型的填色及磨光。對表盤中每一片花瓣的輪廓線進行填色，按照花瓣從后到前的順序進行有序的填色，進入地圖顯示模式按照填色先后堆料，在進行單個花瓣邊緣堆料的時候盡量使用大直徑的刷子，保證花瓣邊緣的自然上翹。最后對細節進行調整，對輪廓邊緣使用“磨光”中的“僅去高”可以把鋒利的邊緣處理掉。

浮雕模型的完成。表盤中間花朵部分設計成浮雕樣式，效果如圖2所示。

圖2 浮雕模型

雕刻參數的設置并生成刀具路徑。定義浮雕模型的深度之后，設置刀具路徑，選擇模型要加工的范圍，加工所需要的刀具型號，刀具行走的路徑間距，最終生成刀具路徑，將其導出，生成所能使用的NC程序[9]。

輸出G代碼，用雕刻機進行雕刻。完成所有的刀具路徑設定后，將刀具路徑生成雕刻機識別的G代碼，可以用軟件仿真對模型進行加工模擬，如圖3所示。確認無誤后，將G代碼輸入到雕刻機中進行雕刻。

圖3 維宏軟件仿真過程

雕刻加工。將木材放在雕刻機平臺上，用夾具固定后，安裝合適的刀具，將刀具位置調整到加工原點，設定當前點為加工原點，加載G代碼文件，進行雕刻。雕刻過程如圖4所示。

圖4 浮雕加工過程

4.2 加工過程注意事項

1）加工參數的選擇與所選定的加工材料特性密切相關，不同的加工材料其加工參數設定也不盡相同。在不確定加工參數的情況下，可以先進行試樣雕刻，以便更準確的去設定加工參數。

2）機器主軸的轉速和刀具的進給速度也是雕刻的重要環節，關系到刀具的壽命和雕刻的效果。主軸的轉速要根據加工材料、刀具直徑和電機的輸出功率來確定。

3）雕刻中刀具進給量要適當，防止斷刀。對于厚度較厚的工件可以分多次切削以保證質量[10]。

4）工件的裝夾要合理，避免刀具在加工過程中與夾具發生碰撞。另外，加工件夾緊后要在厚度方向上預留一定的加工余量。

5）加工前，加工原點的選定要合理[11]。

4.3 融入光元素到創意作品

將加工好的浮雕模型進行簡單的處理，用毛刷清理浮雕表面，然后逐次用粗細不同目數的木工砂紙對模型邊緣進行手工打磨，要求先用粗砂紙，后用細砂紙。要順著木的纖維方向打磨，直至理想效果。然后對模型進行著色上光，著色的方法主要是掌握木質和花紋在顏料的覆蓋下還依然可見，有些木紋通過著色更加清晰。著色不僅是為了彌補某些木質的不足或缺陷，而且還能起到豐富材料質感美和作品形式美的作用，因此在作品上色時要酌情而定，要求盡量體現出作品內容形式的需求，并符合天然木質的種種美感。

作品采用兩種形式的照明方式，一種是點光源照明，按照表盤指示位置，設置十二個點光源，可以清晰的表示出時間位置，如圖5所示；第二種是LED光帶照明，將軟線的LED燈帶鑲嵌在表盤邊緣，起到墻壁燈的作用，散發的燈光柔和，即使在漆黑的夜晚也給人以溫暖，如圖6所示。兩種方式可以通過遙控器進行切換操作，使得人們可以在夜晚也清晰的看清時鐘，時間與燈光交相呼應。

圖5 點光源照明

圖6 LED光帶照明

5 結束語

以“時與光”為主題對產品進行設計制造，充分發揮了學生的創意想象能力，把自己對于光陰、對于生活的愛，轉化成為各種鮮活的元素，同時也融入了自己的文化情感，時與光的交相呼應，蘊含了豐富的創意，體現了都市時尚的生活理念，增強了美觀趣味的視覺體驗，為家居生活增添了幾許藝術氣息的點綴，同時也提供了愜意、放松的休閑生活環境。模型制作過程以數控雕刻技術為基礎，選用天然木材為材料，充分保留了木材特有的紋理特色，采用浮雕形式制作模型主體，使得原本需要更多時間和人工的制造過程得以簡單化，并結合其他制作工序完成模型制作，不僅縮短了學生制作模型的時間，而且極大地提高了模型的美觀度。

[1]吳慧蘭,曾卓騏,張韻儀.基于CNC雕刻技術的工藝品設計與制作實驗[J].實驗室研究與探索,2014(12):229-232.

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[11]郭勇,陳玉霞,等.電腦雕刻機在模型制作實踐教學中的應用[J].中國教育技術裝備,2012,(6):66-68.