逆向工程技术玉石数控雕刻研究

摘要：一块普通的玉石经过雕刻工匠雕刻之后，就成了精美的工艺品，其产业对市场需求较大，但依靠手工雕刻无法满足市场需求，其批量生产的效率低、人工成本高。本项目使用逆向工程技术对手工雕刻的工艺品进行逆向，再通过数控加工进行批量生产加工，从而达到自动化生产加工的目的，解决其效率低、人工成本问题。

关键词：数控雕刻；玉石；逆向工程技术；应用研究

现以一个较为复杂的手工雕刻的工艺品为例子，通过逆向工程技术对其进行逆向建模，逆向出对应的3D数字模型，再通过CAM数控编程软件进行加工轨迹的编辑，生成对应的数控机床加工代码，导入数控五轴机床进行实践加工。

1手工玉石雕刻

先准备好玉石毛坯及手工雕刻用的工具，其雕刻流程大体分为四部分：1）设计：根据材料的大小及质地构思好需要雕刻模型的形状。2）粗雕：用笔画好大致轮廓，去除大部分材料，粗雕出其大致形状轮廓。3）细雕：对粗雕完成的坯料进一步的刻画，细雕其细节特征。4）抛光：将其表面进行打磨，使玉器表面光滑而细腻。经过雕刻后，一块粗糙的玉石毛坯变成了一件有价值的工艺品（如图1所示），其加工的时间大概需要一天左右。

2模型逆向建模

逆向工程通常指利用已存在的实物，通过三维数字化测量仪器，准确测量出其轮廓坐标，将其坐标点构造出其3D数字模型。2.1数据采集手工玉石雕刻的工艺品形状曲面较复杂，采用非接触式的扫描测量方法，利用WinDD单目扫描仪（如图2）对其进行数字化数据采集，对其扫描的系统软件获取点云数据保存导出。2.2数据处理保存的点云数据为asc文件，需要利用Geomag⁃icStudio软件进行处理，不然会以点的形式存在，造成无法清晰显示模型并进行后续的CAM编程。先将点云数据导入GeomagicStudio软件后，去除其多余存在的点云数据，使用软件的封装指令，其设置的参数为默认参数，将点云数据转换为曲面片体形式，将其另存为stl格式文件，得到的模型如图3所示。

3数控编程加工

3.1模型工艺分析。此次的材料选用青田石作为材料，材料大小为20mm×20mm×50mm。根据其材料特性，选用带打磨头的玉石雕刻刀，采用高速磨削的方式去除其多余的材料。加工方式分为开粗和精加工两种，先去除大余量后，再精加工直接到位。根据其模型形状大小，装夹的方式选用平口钳装夹固定（如图4），一次装夹加工完成。3.2加工设备选择。根据模型的加工需求，此次选用数控系统为华中818数控系统的五轴机床（如图5），其主轴转速为30000r/min，满足其加工转速的要求，其结构为BC摇篮式结构，并能进行五轴五联动铣削加工。3.3加工轨迹编辑。选用CAM数控编程软件AutodeskPowerMillUltimate2020对其加工模型进行编程，先将模型的stl格式文件导入软件內，设置其加工刀具，选用直径为6mm带打磨头的锥度雕刻刀进行开粗，直径为4mm带打磨头的锥度雕刻刀进行精加工，根据其开粗和精加工的磨削方式，设置其对应的主轴转速、切削进给率及加工余量（如表1所示）。1）开粗部分使用四轴策略进行加工，磨削其大部分余量，使模型剩余的余量分布均匀，让精加工不会产生振刀情况，如图6所示分别为加工路径和仿真加工效果。2）精加工部分使用五轴联动加工策略，刀具根据曲面的变化而进行刀轴的运动，使其每个部位都能加工到位。如图7为模型在实际机床加工的情况。3.4程序后处理。编辑好的刀路通过软件后处理，得到了数控机床对应的加工G代码，导入五轴数控机床进行实际加工，其整体实际加工时间需要2小时左右，实现自动化加工。如图8为对应的加工玉石工艺品。

4结束语

通过本项目的实践加工，通过数据对比我们可以知道逆向工程技术在手工玉石雕刻中，提高了效率，降低了成本，可以实现自动化生产。

参考文献：

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作者:黄火辉 单位:福建水利电力职业技术学院