基于数控雕刻的“时与光”创意设计

李 咏，赵 华

（沈阳航空航天大学 设计艺术学院，沈阳 110136）

0 引言

随着社会的进步和人们生活质量的提高，人们对文化内涵的需求也开始加大。家居生活中的艺术点缀也越来越受到重视，个性化的家居用品也随之大量涌出。其中创意的雕刻产品造型美观，具有艺术观赏性，深受人们的喜爱，应用比较广泛。

1 数控雕刻技术对产品设计制造的影响

数控雕刻技术CNC（Computer Numerical Control）的出现使刀具的走刀可以通过计算机进行控制和模拟，使模型的曲线、雕花、镂铣、刻槽等复杂工艺实现机械化和自动化[1,2]。将数控雕刻技术应用到模型的制作中，不仅可以提高其加工精度和工作效率，而且可以使一些复杂、难以加工的模型部件通过雕刻机完美地加工出来，使模型的制作更加精致。

1.1 缩短了创意雕刻产品的制造周期

传统雕刻过程主要是依靠人力通过用凿、铲、锤、锯、线等手工工具来塑造各种图案，是一种体力加脑力的劳动，其制造效率比较低，操作难度大，所以耗费时间较长，而且一些复杂的结构造型，需要雕刻者有较高的工艺水平和耐心，一个精湛的雕刻者需要5～6年的学习，而且需要很好的悟性。随着科学技术的发展，数控技术逐渐被引入到工艺品雕刻之中，并表现出了突出的优势。数控雕刻技术传承了传统的雕刻技术，可用于平面、曲面雕刻[3]，因为是机械自动化，所以缩短了产品的制造时间，且费用也比手工雕刻的价格便宜。

1.2 提高了模型制作的效率及加工精度

数控雕刻技术是通过计算机设置完成雕刻数据后，数控系统执行相应的加工程序代码配合多种刀具来控制雕刻机完成雕刻过程，除了二维平面雕刻外，还可完成浮雕及各种复杂曲面的雕刻加工，整个过程为自动完成，加工精度高，实现了自动化、高效率和高精度。

1.3 降低产品成本使雕刻制品更为普及

传统的手工雕刻制品价格高昂，定制时间长，相比之下，数控雕刻制品不仅质量有保证，造型还可以加工定制，款式灵活多样，而且生产制造速度快，适合于批量生产，费用比手工雕刻要低很多，数控雕刻产品更受到人们的喜欢和青睐。

2 数控雕刻技术在实践教学中的优势

目前在建筑、工业设计、园林景观、展示等专业教学中，模型设计与制作已经引起了教育者们的高度重视[4]。设计类专业本身要求动手能力强、与社会需求接轨，而模型制作是设计概念向三维实体初步转化的有效手段之一[5]。模型制造是产品设计的一个重要环节，通过亲自动手制作模型，能够培养学生认识材料、了解材料的特性，并在实际制作中进行综合的设计应用，来检测和提炼之前的设计构思，使学生逐步理解模型制作决不是简单的模仿制作，而是一种表达创意的工具，为产品的纸面设计和产品的立体设计造型搭建了一个桥梁，利用材料，工具，加工方法将产品的设计构思表现为三维立体形态的实体。作为设计表现手段之一的模型制作行业在市场上已进入一个全新的阶段，其材料日益丰富，技术制作和表现手法上都有很大的发展。

模型制作的方法有很多，随着数控技术的成熟及普及，模型制作教学中也开始使用数控雕刻机，不仅可以提高模型的加工速度，还可以提高其美观度，并在培养和提高学生实际操作能力和综合素养方面具有优势。数控创意雕刻教学，给学生提供了自主创意的空间，激发了学生主动学习的兴趣，增加了学生实践动手的机会，可使他们更好地与社会接轨，快速适应工作岗位。

3 时与光的创意设计意义

随着社会的发展，人们的生活得到了很大的改善与提高，思想理念也有所更新，人们开始再度注重起生活的品质和情趣，对文化内涵的需求也开始加大。家居装饰的讲究和摆设也进入多元化，许多融入文化情感元素的产品受到人们的青睐，让人们产生共鸣同时，也带给人们乐趣和温馨。由于家装的兴起，其室内的配套性时尚性深入人心，人们对家居生活中的艺术点缀也越来越受到重视，势必要出现一些符合新生代人们的审美观念和家居风格。钟表是我们家居必备品，不仅用来看时间，也成为了房间装饰的一部分，创意钟表更好的提升了家居品味。

伴随着电子产品的普及，人们看时间的方式发生了很多变化，但市面上的钟表大多仍以机械感、简约感为表现特点，而且外观雷同居多，不符合人们对钟表个性化的需求，也不能与不同的室内环境相协调，因此钟表的设计也应顺应潮流以符合人们生活方式和审美观念为出发点，融入人们的真实情感，满足人们精神需要和生活方式。

时与光的设计是从时间和灯光的角度来设计，充分发挥想象力，把对时间的珍惜，和对光的渴望情感融合在一起，使得时与光相互呼应，给人以时光虽流逝温暖依旧在的情怀。时与光的设计原料选用木材，木材在自然界分布较广，取材容易，种类繁多，质地坚而不软，易加工且保存时间较长[6]。时与光的设计是将照明功能和钟表形式统筹结合，既提供方便、准确地看时间的基本功能，又通过天然木材合理的搭配与设计，将绿色环保生态设计的理念贯穿在时与光的设计中，展示其装饰性能和环保特性，与室内环境中的家具及其他家居用品一起营造让人满意的绿色居家氛围。

时与光的设计采用数控加工的浮雕制作工艺，选取天然木材为雕刻材料，保持材料的原生态，天然的木质纹理丰富了设计作品的外观样式，也满足了人们对天然原生态材料的追求。随着新中式家居装修风格的引领，木质雕刻制品受到了人们的广大青睐，而且渐渐形成了一种时尚。时与光设计从自然出发，运用数控雕刻技术展现创新设计，体现了自然、环保、清新的风格。

4 时与光的设计制作

4.1 基于浮雕的表盘制作

随着社会对浮雕产品的需求日益增多，浮雕的设计加工在工业设计和日常生活中的应用也日益广泛[7]。从几何空间角度分析，浮雕模型是一种外形轮廓与相应的二维绘画相吻合，在材料平面上雕刻出凹凸起伏形状的一种雕塑三维模型。要使浮雕能够表达出鲜明的立体感，就应赋予其轮廓一定的高度，即在限定的空间内根据二维绘画所描述的内容凸起或凹下，以便表现出这种立体感。目前国外雕刻CAD/CAM软件主要有英国的Artcam、法国的Type3、美国的Mastercam Art等，国内的雕刻软件主要有精雕、文泰等[8]。

设计作品的二维效果图。作品主体采用矩形轮廓，表盘采用圆形轮廓，以十二片花瓣作为表盘背景，十二片花瓣所指向的圆形灯珠作为表盘刻度，采用CAXA软件进行绘图，如图1所示。

图1 二维图形

熟悉雕刻软件，以精雕为例，进行基本的建模。将所绘制的二维图另存为*.dxf文件，导入精雕软件中，直接进入虚拟雕塑环境，选取绘制好的矩形外框，打开模型菜单下的新建模型命令，默认精度为0.1，点击确定即可生成浮雕模型。

浮雕模型的填色及磨光。对表盘中每一片花瓣的轮廓线进行填色，按照花瓣从后到前的顺序进行有序的填色，进入地图显示模式按照填色先后堆料，在进行单个花瓣边缘堆料的时候尽量使用大直径的刷子，保证花瓣边缘的自然上翘。最后对细节进行调整，对轮廓边缘使用“磨光”中的“仅去高”可以把锋利的边缘处理掉。

浮雕模型的完成。表盘中间花朵部分设计成浮雕样式，效果如图2所示。

图2 浮雕模型

雕刻参数的设置并生成刀具路径。定义浮雕模型的深度之后，设置刀具路径，选择模型要加工的范围，加工所需要的刀具型号，刀具行走的路径间距，最终生成刀具路径，将其导出，生成所能使用的NC程序[9]。

输出G代码，用雕刻机进行雕刻。完成所有的刀具路径设定后，将刀具路径生成雕刻机识别的G代码，可以用软件仿真对模型进行加工模拟，如图3所示。确认无误后，将G代码输入到雕刻机中进行雕刻。

图3 维宏软件仿真过程

雕刻加工。将木材放在雕刻机平台上，用夹具固定后，安装合适的刀具，将刀具位置调整到加工原点，设定当前点为加工原点，加载G代码文件，进行雕刻。雕刻过程如图4所示。

图4 浮雕加工过程

4.2 加工过程注意事项

1）加工参数的选择与所选定的加工材料特性密切相关，不同的加工材料其加工参数设定也不尽相同。在不确定加工参数的情况下，可以先进行试样雕刻，以便更准确的去设定加工参数。

2）机器主轴的转速和刀具的进给速度也是雕刻的重要环节，关系到刀具的寿命和雕刻的效果。主轴的转速要根据加工材料、刀具直径和电机的输出功率来确定。

3）雕刻中刀具进给量要适当，防止断刀。对于厚度较厚的工件可以分多次切削以保证质量[10]。

4）工件的装夹要合理，避免刀具在加工过程中与夹具发生碰撞。另外，加工件夹紧后要在厚度方向上预留一定的加工余量。

5）加工前，加工原点的选定要合理[11]。

4.3 融入光元素到创意作品

将加工好的浮雕模型进行简单的处理，用毛刷清理浮雕表面，然后逐次用粗细不同目数的木工砂纸对模型边缘进行手工打磨，要求先用粗砂纸，后用细砂纸。要顺着木的纤维方向打磨，直至理想效果。然后对模型进行着色上光，着色的方法主要是掌握木质和花纹在颜料的覆盖下还依然可见，有些木纹通过着色更加清晰。着色不仅是为了弥补某些木质的不足或缺陷，而且还能起到丰富材料质感美和作品形式美的作用，因此在作品上色时要酌情而定，要求尽量体现出作品内容形式的需求，并符合天然木质的种种美感。

作品采用两种形式的照明方式，一种是点光源照明，按照表盘指示位置，设置十二个点光源，可以清晰的表示出时间位置，如图5所示；第二种是LED光带照明，将软线的LED灯带镶嵌在表盘边缘，起到墙壁灯的作用，散发的灯光柔和，即使在漆黑的夜晚也给人以温暖，如图6所示。两种方式可以通过遥控器进行切换操作，使得人们可以在夜晚也清晰的看清时钟，时间与灯光交相呼应。

图5 点光源照明

图6 LED光带照明

5 结束语

以“时与光”为主题对产品进行设计制造，充分发挥了学生的创意想象能力，把自己对于光阴、对于生活的爱，转化成为各种鲜活的元素，同时也融入了自己的文化情感，时与光的交相呼应，蕴含了丰富的创意，体现了都市时尚的生活理念，增强了美观趣味的视觉体验，为家居生活增添了几许艺术气息的点缀，同时也提供了惬意、放松的休闲生活环境。模型制作过程以数控雕刻技术为基础，选用天然木材为材料，充分保留了木材特有的纹理特色，采用浮雕形式制作模型主体，使得原本需要更多时间和人工的制造过程得以简单化，并结合其他制作工序完成模型制作，不仅缩短了学生制作模型的时间，而且极大地提高了模型的美观度。

[1]吴慧兰,曾卓骐,张韵仪.基于CNC雕刻技术的工艺品设计与制作实验[J].实验室研究与探索,2014(12):229-232.

[2]周景斌,胡波,姚鹏.CNC雕刻机及其在木门生产中的应用[J].林业机械与木工设备,2010,38(8):40-43.

[3]龙书宁.论数控雕刻技术在工艺品雕刻中的应用[J].教育现代化,2015,(18).

[4]谢大康.产品模型制作[M].北京:化学工业出版社,2005.

[5]殷丽清.CNC广告雕刻机在家具模型制作中的应用[J].林业机械与木工设备,2016,(3):43-45.

[6]尹永恒,康淼,王立端.还原自然——创意藤木系列钟表设计[J].生态经济,2016,(10):224-227.

[7]张武刚,杨武成.现代艺术浮雕模型设计及其数控加工[J].现代制造工程,2008,(8):38-40.

[8]袁园.数控雕刻软件及加工技术概述[J].科技创新导报,2009,(31):172.

[9]张文俊,李猛.基于CAXA软件的平面图像浮雕数控加工[J].机械工程师,2016,(3):65-66.

[10]陈胜,章海,李静敏.雕刻机在CAM实验教学中的应用[J].实验室研究与探索,2009,(4):65-67．

[11]郭勇,陈玉霞,等.电脑雕刻机在模型制作实践教学中的应用[J].中国教育技术装备,2012,(6):66-68.