《西游記》人物蛋雕工藝品的精雕五軸加工技術

江彌峰, 朱來發, 劉斌, 金花雪

(華僑大學 機電及自動化學院, 福建 廈門 361021)

蛋雕工藝品有多種,有的是用雕刀在表面顏色較深的蛋殼上雕刻出各種人物、山水、花鳥等的作品;有的是選用質地較厚的蛋殼作為材料[1-2],以淺浮雕或鏤空的手法進行雕刻的作品;有的是將上述兩種方法結合在一起完成的作品.雕刻種類有浮雕、陰雕、陽雕、透雕、鏤空雕等.對生活中的雞蛋進行機床加工,形成工藝品,從而使中華文化在海外更好地傳播.

中華文化蛋雕《西游記》就是利用精雕五軸加工技術,以藝術形式在生雞蛋上蛋雕出《西游記》系列,雕刻加工出具有藝術氣息的工藝品.蛋雕圖案的創新有上古4大神獸、校方合作之禮、中外文化交融、新人結婚慶典、學生友誼之禮、喜蛋財神爺私人訂制等.本文在傳統手工雕刻打磨雞蛋的基礎上,由五軸機床加工程序編程控制[3-4],采用R0.2雕刻刀加工雞蛋,并充分運用雞蛋曲面的截面,完成蛋雕《西游記》陰雕效果[5].

1 加工方案的設計與實現

1.1 人物線條繪制

采用JDSoft SurfMill 9.5軟件,在2D界面下繪制《西游記》人物圖片,如圖1所示.對JDSoft SurfMill 9.5軟件的人物描圖進行編輯,采用曲線功能中的多義線對人物圖像進行一小條一小段的拼接,最終形成閉環人物線條.《西游記》人物線條,如圖2所示.線型轉換完成后并入3D環境.

圖1 《西游記》人物圖片Fig.1 Diagrams of Journey to the West characters

圖2 《西游記》人物線條Fig.2 Lines of Journey to the West characters

1.2 真雞蛋模型繪制與工裝的設計

打開JDSoft SurfMill 9.5精雕軟件,進入3D造型界面,按照實際真雞蛋模型比例測量雞蛋尺寸;然后,在軟件中進行雞蛋等尺寸比例的模型設計.在完成雞蛋模型后,雞蛋的工裝整體采用內吸法,內部結構為喇叭口狀(喇叭口面積更大,壓強更強).通過內吸法使雞蛋底部外蛋殼貼緊工裝裝夾處,更好地防止因氣壓過大、受力不均而導致的雞蛋破裂及變形.工裝底裝配一個KSH10-01S型高速轉換接頭.

1.3 3D曲面投影與蛋殼表面測針點分布

通過3D曲面投影,分別將《西游記》中唐僧、孫悟空、豬八戒和沙僧等人物圖像投影到雞蛋外殼表面;然后設定曲線、曲面和投影方向.在定位投影時,人物圖像之間的距離必須相等.《西游記》人物圖像投影,如圖3所示.

圖3 《西游記》人物圖像投影Fig.3 Projection of character images of Journey to the West

在蛋殼表面設置曲面測針點分布,選擇曲面測量選項,曲面需要覆蓋加工圖形所有的元素(半徑、U向和V向分布點數等參數),運行軟件編程測點.在機床上,采用探點檢測雞蛋表面UV向、U向的20個點探測點,V向7個探測點,共計140個探測點,從而提高每個雞蛋與模型精度補償,雞蛋表殼曲面的重合度,實際蛋雕《西游記》人物圖像準確性、高精度和高回轉度.曲面測針點分布,如圖4所示.

圖4 曲面測針點分布Fig.4 Distribution of measuring needle points on curved surface

1.4 曲面測量編程與五軸曲線加工編程

進入加工界面后,在左上角的機床上選擇對應的五軸加工技術6-8,設置參數.選擇R0.2雕刻刀進行雞蛋的人物加工,R0.2雕刻刀的底端一般選擇R0.1～R0.3之間的刀具.在測量向導中,選擇曲面聯動測量;加工圖形中,探測點選擇3D造型曲面測針點;加工面選取軟件雞蛋模型的曲面;加工刀具選取Φ5 mm的紅寶石測頭.在測量計算里選擇曲面測量參數,其他選項參數為默認參數.在加工向導選項中,圖形加工的表面高度為0 mm,加工深度為-0.08 mm.在編輯加工域中,輪廓線選擇《西游記》人物圖像,導動面選擇雞蛋模型曲面.在測量補償里選擇曲面測量參數,使用數據組號為1,其他選項參數為默認參數.

1.5 在加工界面完成后置處理NC代碼

在JDSoft SurfMill 9.5軟件中,打開輸出路徑,選中五軸加工曲線編程,輸出格式為數字控制(NC)代碼.導出數據代碼時,機床型號的選配與實際機床必須保持一致,并將其保存至U盤里.

1.6 精雕機床JDGR200T上安裝工裝與對刀分中

在機床處于正常開機狀態下,安裝工裝到機床工作臺.用四爪卡盤夾緊工裝臺階,將真空發生器的進口端接上Φ10 mm氣管9,并連接到氣壓轉接口,氣管檢測插緊到位.工裝的安裝,如圖5所示.

(a) 工裝 (b) 四爪卡盤 (c) 氣管圖5 工裝的安裝Fig.5 Installation of tooling

真雞蛋均勻放置于雞蛋工裝模型內型腔中,根據機床內部的分中輔助界面,測頭對真雞蛋進行X軸和Y軸的分中,對Z軸進行對刀.當側頭觸碰到雞蛋最上面紅色蛋殼時,通過調整倍率檔位精雕控制[10],自動補償至機床系統內部Z軸對應的參數值[11].

1.7 精雕機床JDGR200T加工真雞蛋實際操作

機床進入多文檔界面(MDI)后,把M06 T16測頭調入主軸頭上,再將U盤里面的NC程序調入機床里,按循環啟動鍵,對真雞蛋進行加工.先運行第1段程序,對Φ5 mm的紅寶石測頭在雞蛋外殼進行輪廓測量[12].測頭的測量,如圖6所示.通過機床內部參數寫保護自動進行模型雞蛋與真雞蛋的實際外型補償,補償數據由系統自動處理,從而形成以真雞蛋外殼外型為唯一基礎的形狀;然后,運行第2段程序,換R0.2雕刻刀雕刻雞蛋表面,轉速為20 000 r·min-1,深度由編程軟件控制為0.08 mm[13].加工雕刻,如圖7所示.

圖6 測頭的測量Fig.6 Measurement of measuring head

圖7 加工雕刻Fig.7 Carving processing

1.8 雞蛋底部打孔與抽出雞蛋液

將雞蛋翻轉180°后,再次對稱平穩地放入工裝內,調整氣壓,用M06 T02測頭對雞蛋進行打孔加工[14].將醫療用具針筒(100 mL,Φ1.6 mm)針頭插入雞蛋,抽取雞蛋里的蛋清和蛋黃,排放清洗后,再次抽取雞蛋液,直至抽取完;然后,用針筒抽取清水,注入到雞蛋里,反復操作,直至雞蛋內部干凈.

2 加工過程難點分析

采用JDSoft SurfMill 9.5軟件,在2D界面下繪制《西游記》人物圖片后,進行略微的調整.主要是因為R0.2雕刻刀刀具過小,而真雞蛋的蛋殼厚度只有0.44 mm左右,外殼厚薄不均,塑性小、脆性大、易裂,因此,雞蛋曲面的線條不宜過密.

蛋殼表面測針點盡量在U向和V向均勻分布,測點數也盡量多一點,這樣實際曲面測量后,自動補償更正雞蛋模型,偏差會最小,加工效果自然也最佳.在實際選擇曲面時,容易形成的不封閉曲面會導致軟件報警.因此,一般采用順時針方式拾起曲面,以有人物加工圖案的底部為起始點,以有人物加工圖案的頂部為終止點,這樣可以避免軟件報警.

真空發生器(負壓發生器)[15-16]在有壓縮空氣的地方,或在一個氣動系統中同時需要正負壓的地方容易獲得負壓,因此,真空發生器廣泛應用在工業自動化中機械、電子、包裝、印刷、塑料及機器人等領域.需要注意的是最高真空度最好不小于-91 kPa,最大真空流量不小于100 L·min-1,氣消耗量不小于150 L·min-1;進去孔、出氣孔大小最好和機床氣壓氣管大小一致,這樣不用更換轉換接頭,也不會形成高低壓氣差,防止雞蛋因壓力差而導致的破裂.

工裝的安裝最大的問題就是密封性問題,所以在選擇工裝材料上可以選擇亞克力、尼龍等塑性高的材料,盡量避免金屬材料.工裝底面設計決定工裝底面內孔的內螺紋英制規格型號;工裝上面設計分為外型設計及內型設計.外型設計是為了避開加工雞蛋時R0.2雕刻刀的刀柄的碰撞[17],內型設計成內曲面雞蛋的模型,可以讓雞蛋放進1/5到1/4左右.在內型最上面設計一個2 mm的小臺階,在小臺階中間設計1 mm的Z-0.3凹槽,主要是防止密封.根據小臺階的周長,用剪刀剪出對應的2 mm密封條(圖8),在把密封條放進凹槽里面,在四周內壁外壁滴入液體均勻分布的膠水,達到密封的效果.

(a) 橡膠條 (b) 安裝 (c) 工裝圖8 密封條的安裝Fig.8 Installation of sealing strip

空壓機輸入到機床的氣壓是0.60 MPa,將氣壓調整到約0.12 MPa(數據根據加工經驗得來,具體的氣壓數據沒有經過嚴格檢測儀器檢驗).在整個《西游記》原型人物加工過程中[18],氣壓調整的占比約為95%,幾乎所有的雞蛋碎裂、雞蛋掉落、雞蛋底部破裂都跟氣壓調整密不可分,主要是因為購買的雞蛋的大小不一,雞蛋外殼的厚薄不均、裂紋不均等.

3 蛋雕人物效果與分析

蛋雕《西游記》共加工出兩套《西游記》人物圖像.一套為全景《西游記》人物圖像雕刻,雞蛋背面配有《西游記》文字;另一套為唐僧、孫悟空、豬八戒和沙僧《西游記》人物頭部圖像.購買的雞蛋是紅殼雞蛋,其具有美感、喜氣與吉祥特征.全景《西游記》人物圖像雕刻,如圖9所示.

(a) 文字 (b)全身像 (c) 人頭像圖9 全景《西游記》人物圖像雕刻Fig.9 Panoramic image carving of Journey to the West characters

4 結束語

手工雕刻能夠進行浮雕、陰雕、陽雕,手工雕刻更具觀賞性、獨立性,不可復制,有收藏價值.精雕五軸加工技術具有高精度、高定位、高分度、高穩定性、線條寬窄、深淺與模型一致、可批量復制加工等優點.手工大師培養周期長且普遍性不高,而精雕五軸加工技術上手較快,軟件編程掌握更容易.因此,精雕五軸加工技術相比手工雕刻具有起點低、學習周期短、普遍性強等優勢.