CAD/CAM技术在陶瓷浮雕设计与加工中的应用研究

罗 俊 ，韩 文

(景德镇陶瓷学院机电学院 江西 景德镇 333403)

CAD/CAM技术在陶瓷浮雕设计与加工中的应用研究

罗 俊 ，韩 文

(景德镇陶瓷学院机电学院 江西 景德镇 333403)

本文介绍了CAD/CAM技术在陶瓷浮雕模型建立以及仿真加工中的应用。通过两种建模技术即几何浮雕建模和位图浮雕建模实现陶瓷浮雕模型的建立，然后在ArtCAM软件平台上进行仿真加工，得到合理的加工工艺参数，最后实现陶瓷浮雕的数控雕刻加工。

CAD/CAM；陶瓷浮雕；仿真加工

0 引 言

陶瓷雕刻是非常重要的传统陶瓷艺术装饰手法之一，在中国有着悠久的历史，其发展历程凝聚了历代陶工的智慧和心血，展现了人们欣赏美、向往美、追求美、表现美、创造美的审美发展轨迹。近年来，人们生活水平不断提高，房地产产业随之飞速发展，进而带来了陶瓷艺术品需求量的增大，以陈设性的浮雕瓷板画为主的墙面和以高档的陶瓷薄胎皮灯、雕刻花瓶为主的室内装饰工艺品越来越受到广大人们的欢迎。目前，传统的陶瓷雕刻方式仍停留在手工加工阶段，且能够雕刻出的图案较为简单，远远不能满足市场的深度需求。基于市场的需求和生产的需要，将CAD/CAM技术引入到陶瓷雕刻加工中，运用数控雕刻加工技术，代替传统的手工雕刻加工方式，将大大提高生产效率以及产品的质量。

1 陶瓷浮雕CAD建模

传统的陶瓷雕刻过程，从构思设计到最后的施釉烧制一般由单个工人师傅独立完成。雕刻之前需要根据设计要求勾勒硬笔简画，因此图案只能相对简单一些。雕刻加工过程要求工人师傅具有较高的手工技艺，这样就会带来两方面的影响：一、加工过程受人为因素影响太大，产品质量难以统一；二、个人的雕刻技艺在传承方面存在一定的难度，更换工人师傅后会使得某些产品难以为继。整个生产过程中，刻样和雕刻两个环节就需要占用较长的周期，且陶瓷产品在雕刻过程中极易破损，因此导致了生产效率较低。

随着雕刻CAD/CAM软件的发展，一般会把浮雕CAD/CAM技术作为一个重要的功能模块进行集成，目前所涉及到的浮雕模型主要通过位图浮雕建模和几何浮雕建模这两种建模技术获得的。本文中研究的几何浮雕建模即基于平面几何图形的浮雕曲面建模技术；位图浮雕建模即基于几何信息和灰度信息的浮雕曲面建模技术，位图浮雕的造型一般先要用图像处理软件对图片做预处理，然后使用浮雕CAD软件进行编辑，才能得到完美的浮雕效果。

1.1 几何浮雕建模

几何浮雕建模是指由平面几何图形构建立体浮雕的过程。一个具有复杂细节的立体浮雕模型往往由若干个小曲面片融合而成，这些小曲面片称为浮雕曲面。浮雕曲面由一个二维区域和一个截面函数共同确定。

以等距环的偏置量 t为自变量，以等高线的高度值 h为函数值，存在无数种函数映射关系，每一种映射关系即对应一个截面函数。算法目前支持两种类型的截面函数：线性函数、圆形函数。如图1所示，图(a)中由过渡点的横坐标 以及直线段的倾斜角 共同定义了线性函数；图(b)中由过渡点的横坐标 以及圆弧段的圆心角 共同定义了圆形函数。

对于浮雕曲面的二维区域出现相交时，可以对重叠的区域进行曲面融合定义，目前有八种融合方式：负取代融合、相减融合、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。

通过定义截面函数以及改变曲面融合方式，可以通过平面轮廓构建三维浮雕模型。如图2所示。

1.2 位图浮雕建模

位图浮雕建模是指通过一系列的特殊处理，由位图图像重建三维浮雕模型。通过各种数字图像处理技术(比如灰度化、浮雕化、滤波去噪等)，把普通的RGB照片处理成灰度艺术图，这样RGB照片中的每个像素点的灰度信息就可以转换为浮雕的高度信息，最终得到浮雕模型。

经验公式可以使得彩色位图到灰度图的转换：

其中，Hij表示转换后得到的灰度图的灰度值；

Rij、Gij、Bij表示彩色位图第 行、第 列像素的红、绿、蓝颜色分量；

位图浮雕建模同样支持八种融合函数。通过浮雕曲面的融合，可以方便地将位图浮雕建模和几何浮雕建模功能共同作用在同一个浮雕模型中，从而极大地丰富浮雕设计手段。如图3。

图1 截面函数示意图Fig.1 Cross-section functions

图2 几何浮雕建模Fig.2 Geometrical modeling

图3 几何浮雕和位图浮雕混合建模Fig.3 Geometrical modeling and bitmap embossment modeling combined

2 陶瓷浮雕CAM技术

2.1 刀具路径选择

雕刻加工中常用的走刀方式有两种：一种行切方式即刀具沿直线方向加工，一种环切方式即刀具沿轮廓的顺序加工。

在环切的过程中，由于雕刻刀具的加工方式是一直不变的，即一直保持的顺铣切削态或一直保持逆铣切削态，因此坯体的雕刻加工精度高，但是这种算法相当复杂，在刀具路径文件生成时，会浪费很多时间；而在来回行切的过程中，加工过程会交替出现顺铣和逆铣，这种加工方式虽然加工质量不如环切，但对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，这种算法是很简单的。

在陶瓷坯体的数控雕刻中，对于平面瓷板的浮雕雕刻中，一般采用环切法；在陶瓷回转体工件的数控雕刻中一般选择行切法，如果选用环切法加工时间长、成品率低。

2.2 浮雕仿真加工

随着浮雕设计的完成以及加工路径选定，需要对刀具路径进行仿真。加工仿真的最终目的就是为了调试出一个满意的，高效的刀具路径文件，最后生成标准的加工指令代码。本文采用了目前广泛采用的英国 Delcam 公司推出的ArtCAM作为浮雕的仿真软件。

在进行仿真加工之前，首先需对待加工件进行材料设置，即设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，必须与所建立三维模型的尺寸相同，而Z值则根据模型参数 来设定。除此之外，还需设定材料的Z轴零点。材料Z轴零点也叫加工原点，可以设置在材料毛坯的底部或顶部。在本研究中选择的毛坯的厚度为5 mm，材料的Z轴零点在顶部。

设置加工参数，要加工区域为设置好的 已选矢量区域；加工策略选择平行加工；刀具选取为平底尖刀；主轴转速20000 r/min，进给率为2000 mm/min，下切速度600 mm/min。本实验根据不同刀具的不同行距观察不同的仿真切削效果。

图4 仿真实验浮雕模型Fig.4 Relief simulation model

由图5(a)-(d)可以看出，随着刀具平底半径的增加，为了避免过切，浮雕细节部分在刀位面上逐渐消失，并且随着加工步距的增加，浮雕表面的刀痕也明显增加。所以在加工过程中要尽量选择刀具半径比较小的，而且步距也要尽量小。

图(a)-(b)的仿真结果都不是很理想，不仅浮雕的细节部分未清晰表现，而且很多刀痕可以看出，观察图(c)和(d)，可以看出，加工仿真结果并无差别，但是两种加工方式的仿真时间相差14秒，在实际的雕刻加工中，实际加工时间会相差很大。

2.3 加工实例

根据仿真加工的结果，可以选择合理的加工参数，得到更加合理的刀具路径文件，选择合适的格式，导入到数控雕刻机中，进行陶瓷坯体数控雕刻加工(图6、图7）。

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

图6 陶瓷茶杯浮雕雕刻加工过程Fig.6 Relief producing on a ceramic cup

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

3 结 语

本文把浮雕CAD/CAM技术引进到陶瓷雕刻加工中，不但在一定程度上提高了雕刻加工效率以及质量，而且大大扩展了陶瓷浮雕图库，最后通过实例加工，证明了这种技术的可行性。本技术的应用从根本上摆脱陶瓷雕刻的手工雕刻作业的现状，把人们从繁重的体力劳动中解脱出来，同时陶瓷雕刻产品也得到了广泛的推广。

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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。

江西省教育厅科学技术研究项目(编号：GJJ12505)。

罗俊(1983-)，男，硕士，讲师。

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

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

E-mail:luolitian@qq.com