1、2009年第1期 工艺与装备 文章编号：10012265(2009)010091一O4 基于Mastercam X AIt的浮雕模型CADCAM 恽志东 (桂林电子科技大学机电工程学院，广西桂林 541004) 摘要：结合Mastercam X Art软件，介绍了复杂浮雕模型的造型设计与数控加7-过程。首先将绘制或导入 的二维几何图形，通过控制其横截面参数进行膨化处理，快速生成复杂三维浮雕模型；然后对浮雕模型 进行数控加工的设置，合理确定其加工工艺参数，动态仿真整个加工过程；最后通过后置处理程序自动 生成浮雕模型的NC代码，实现了复杂浮雕造型的高效率设计与加工。 关键词：二维几何图形；浮雕曲面
2、；Mastercam X Art；数控加工 中图分类号：TG659；TP391 文献标识码：A Relief Model CADCAM Based on Mastercam X Art YUN Zhidong (Mechanical&Electrical Engineering School，Guilin University of electronic technology，Guilin Guangxi 541004，China) Abstract：Based on M astercam X Art software，the process of design and NC machinin
3、g of complicated relief modeling was introducedFirstly，the element of 2D geometry was puffed up by controlling the cross。section of its p arametersand it was converted into the comp lex relief surface of 3 D quickly by using the M astercam X ArtSecondly，the NC machining techniques parameters of 3D m
4、odel were reasonably set and the whole protess was simulatedFinally，NC code was automatically created by post processing，and realized complicat- ed relief modeling hi曲-effect design and machining Key words：2D geometry；relief surface；M astercam X Art；NC machining O 引言 随着计算机技术的发展和人类审美能力的不断提 高，浮雕模型的样式呈
5、现出纷繁多样的面貌，浮雕在诸 多行业也得到了更为广泛的应用。借助CADCAM软 件实现复杂浮雕模型设计与CNC加工正是顺应时代 发展潮流，有效缩短产品的开发和生产周期，使产品在 同行业中更具竞争力。 Mastercam x Art是美国CNC softwareInc公司开 发的基于Mastercam X软件的一个扩展功能模块，为复 杂浮雕的造型设计和制造提供了强有力的支撑平台。 本文以图1所示浮雕样图为例，介绍二维几何图形经 艺术化浮雕技术处理，快速生成复杂雕刻曲面并实现 浮雕模型数控加工的应用过程。 霹 图1 浮雕样图与生成的浮雕曲面 1 基于Art模块的浮雕设计 11 Art模块功能简介
6、Mastercam X Art基于Mastercam绘图环境下，根据 设计者绘制或导人的二维平面图形、位图图像、扫描的 相片图素和CAD文件，对图样中图素进行拾取，通过 收稿日期：20080908 作者简介：恽志东(1973一)，男，江苏武进人，桂林电子科技大学机电工程学院讲师，主要从事CADCAM技术教学和研究，(Email)yzdguet educn。 9l 工艺与装备 组合机床与自动化加工技术 控制其横截面参数进行膨胀(puff up)处理，快速生成 三维浮雕曲面。对生成的浮雕曲面进行布尔运算、光 顺平滑、表面纹理等处理操作，从而获得最佳的三维浮 雕模型。 111 浮雕曲面 浮雕曲面是二
7、维图形经过膨胀处理后生成的曲 面，是浮雕模型的外层蒙面，与标准Mastercam曲面不 同，它是由点构成的点阵栅格。浮雕曲面通常包括浮 雕底面、基本曲面、扫描曲面、图纹曲面及边界等要素。 其中，浮雕底面(Art base surface)是各浮雕曲面驻留的 基础面，是一个特定类型的二维网格点或三维点云表 面，在进行浮雕曲面构建之前要首先生成一个包含所 有做浮雕化处理的浮雕底面，相关浮雕曲面的所有操 作都是基于浮雕底面进行的 基本曲面(Organic surface)和扫描曲面(Swept sur face)是Mastercam X Art对二维图形进行浮雕化处理 的最基本、最常用图素之一，是由
8、二维图形中闭合曲线 构成的封闭区域内点阵栅格按设置的参数经膨胀处理 生成的三维表面。这些曲线通常是浮雕模型二维图样 的图案轮廓线，可以是直线、圆弧、样条曲线等任意的 基本图素。通过选择横截面的形状去控制浮雕的输出 表面，当浮雕模型二维图样的图案轮廓较为复杂时， Mastercam X Art自动识别所有的嵌套对象，并确定它 们的相互关系，依次膨胀各类边界，通过浮雕表面的堆 叠(布尔运算)操作来创建复杂浮雕曲面。 I12 浮雕管理 浮雕管理器(图2)是管理当前浮雕模型各类操作 的核心。浮雕管理器以树状结构分层次的描述构建浮 雕模型的所有操作过程，列 了浮雕模型的所有浮雕 底面与曲面操作状态。通过
9、使用浮雕管理器，方便查 询和修改浮雕模型各操作对象的几何参数，分析、编辑 和重构浮雕曲面，使整个浮雕模型的设计一目了然，为 构建浮雕模型提供了快捷方便的操作。 Tb舭；S龇Af； 嚣爨勰 8 54ace He 5 0000 图2浮雕管理器 113浮雕曲面编辑 Mastercam X Art提供了多种浮雕曲面的编辑方 式，方便用户快速修改和设置各类浮雕模型。 在进行膨胀处理时，用户只需从截面曲线数据库 中选取已存在的一种截面式样文件(acs)，在预设参 数表中输入合适的截面曲线参数即可精确确定截面曲 线的形状尺寸；同时用户可以选择多种曲面应用模式 (Add、Sub、Blend、Add cut等)
10、及曲面形状调整类型 rNormal、Arc High、Arc Low、Angel High、Angel Low、Pa rabola High、Parabola Low等)，对浮雕曲面参数进行修 改、编辑，重生后快速获得浮雕模型。 Mastercam X Art提供了丰富的浮雕曲面库文件( as1)，一个asl文件作为单一的实体存储浮雕曲面的所 有特征。利用简单的剪切和粘贴技术可随时快速的将 库文件中的浮雕曲面添加至任一浮雕模型中，方便用 户组合编辑出适合自己的浮雕设计式样。 为了使已构建的浮雕曲面呈现出不同的质地感， Mastercam X Art提供了浮雕曲面的纹理设置功能，包 括Brick
11、、Sand、Basket weave三种纹理类型。这种特定 类型的浮雕质感曲面操作，增强了浮雕模型的艺术立 体感。 此外，对构建完成的浮雕曲面Mastercam X Art提 供了多种几何变换操作，如旋转、比例缩放、镜像、弯曲 等，方便用户快速构建出各种精美的浮雕模型。 12浮雕设计应用实例 121构建图形文件 进入Mastercam X主界面，在绘图工作区通过CAD 绘图功能可创建mcx格式的二维图形，Masteream X Art同时支持其他二维格式的CAD文件(如DXF、 DWG)、位图文件和图像文件的导入转换，也可以直接 选择Art Library中的标准图形作为浮雕模型的图样图 案。
12、 本例中的二维图样直接由Autocad软件转换而成， 该二维图形由文字、主体图案龙、浮云曲线及图样边界 线4部分构成，包含直线、样条曲线等基本图素。 122创建浮雕底面 点击Art下拉菜单，选择“New Art base surface Rectangular”选项；在浮雕底面对话框中，直接输入矩 形浮雕底面的尺寸，或用光标选择矩形浮雕底面的边 界，确定后生成浮雕模型的浮雕底面。浮雕底面自动 添加至浮雕管理器操作树中，位于操作树顶层，单击右 键可实现浮雕底面的重命名、删除、导出、隐藏、参数修 2009年第1期 工艺与装备 改等多项操作。 123浮雕处理 浮雕处理包括采用“膨胀”技术处理生成浮雕
13、模型 的复杂浮雕曲面及对生成的浮雕曲面进行编辑操作。 本例中所需构建的浮雕曲面分三步完成： 首先，点击Art下拉菜单，选择“Create Organic Art Surface Opreation”选项；在通用选择对话框中，使用 Windows选项窗选二维图形中主体图案龙的所有轮廓 线，确定后弹出“Organic Surface Parameters”对话框(图 3)，选择截面曲线式样为“convex parabola”(凸抛物 线)并设置参数、选择曲面应用模式为“Add”及曲面形 状类型为“Arc Medium”，确定后经膨胀处理生成主体 造型龙的浮雕曲面。 图3浮雕曲面参数对话框 其次，点
14、击Art下拉菜单，选择“Create Swept Art Surface Opreation”选项；在通用选择对话框中，使用 chain选项串连二维图形中浮云的所有轮廓线，确定后 弹出“Swept Surface Parameters”对话框，选择截面曲线 式样为“convex arc”(凸圆弧)并设置参数、选择曲面边 界类型为“Round”及曲面应用模式为“Blend”，确定后 经膨胀处理生成造型浮云的浮雕曲面。 最后，点击Art下拉菜单，选择“Create Organic Art Surface Opreation”选项；在通用选择对话框中，使用 Windows选项窗选二维图形中文字的所有
15、轮廓线，确 定后弹出“Organic Surface Parameters”对话框，选择截 面曲线式样为“line”(直线)并设置参数、选择曲面应 用模式为“Add”及曲面形状类型为“normal”，确定后经 膨胀处理生成文字的浮雕曲面。 上述所有浮雕曲面的编辑处理过程自动添加至浮 雕管理器的操作树中。选择某一浮雕曲面参数项单击 右键，可修正截面曲线设置参数，并快速重生整个浮雕 模型。本例中各浮雕曲面的生成过程见图4。 图4浮雕曲面的生成过程 2浮雕模型的数控加工 浮雕模型建立完成后，可运用Mastercam铣削模 组、雕刻模组或浮雕模组提供的曲面加工方式对浮雕 模型进行刀具路径定义。针对浮雕
16、曲面的加工，Mas tercam X Art提供了一组高速有效的特殊走刀方式，与 Mastercam X Mill模块的曲面加工路径相比，浮雕曲面 刀具路径的走刀方式在快速切除毛坯、保证浮雕形状 等方面大大提升了三维模型的加工效率，并且浮雕刀 具路径支持平底刀、圆鼻刀、球刀和锥刀等多种刀具类 型。 完成浮雕模型的刀路定义后，通过模拟仿真加工 实现浮雕的加工演示，调用后置处理程序完成刀位文 件的转换，自动生成浮雕模型的NC代码，然后输出NC 程序至数控雕刻机床进行浮雕实物加工，实现复杂三 维模型的高效制作。 21浮雕曲面加工工艺 为保证浮雕曲面的加工精度和效率，采用粗、精两 道加工工序。其中粗加
17、工使用5mm的圆鼻铣刀，用于 快速切除浮雕毛坯；而精加工使用2mm的球头铣刀， 保证浮雕曲面形状。数控加工机床选用具备3轴联动 功能的立式数控雕刻机床。 22浮雕曲面刀具路径定义 221粗加工刀具路径 在浮雕管理器中右键激活位于操作树顶部的浮雕 底面，选择“Toolpath Art Base Surface”选项，弹出浮雕曲 q3 工艺与装备 组合机床与自动化加工技术 面刀具路径设置对话框(图5)；该对话框包括加工刀具 类型参数设置、刀具路径参数设置等选项。设置曲面粗 加工参数如下： 5mm圆鼻铣刀；主轴转速2500rmin； 进给速度400mmmin；下刀速度200mmmin；快速抬刀； 进
18、给步距25mm；走刀方式采用“Optimized Parallel Horizongal”(优化平行式水平走刀)。点击“确认”后，自 动产生浮雕曲面的粗加工刀具路径(图6)。 图5浮雕曲面刀具路径对话框 图6浮雕粗加工刀路轨迹 222精加工刀具路径 在浮雕管理器中右键激活位于操作树顶部的浮雕 底面，选择“Toolpath Art Base Surface”选项，弹出浮雕 曲面刀具路径设置对话框。设置曲面精加工参数如 下：2ram球头铣刀；主轴转速5000rmin；进给速度 800mmmin；下刀速度400mmmin；快速抬刀；进给步 距1mm；走刀方式采用“Optimized Parallel
19、 Horizongal” (优化平行式水平走刀)。点击“确认”后，自动产生浮 雕曲面的精加工刀具路径(图7)。 23模拟刀具轨迹 完成浮雕曲面粗、精刀具路径定义后，在Master cam X刀具路径管理框中选择粗、精加工工序，对生成 的刀具轨迹进行模拟仿真加工(图8)，检查加工轨迹 是否合理、加工表面是否过切，如果有类似情况，重新 O4 图7浮雕精加工刀路轨迹 编辑刀具路径直至满意为止。 图8仿真加工 24 生成NC程序 利用Mastercam X的后置处理模块，选择对应的数 控系统的后置处理程序，将生成的二进制刀位文件 (NCI文件)转换成标准G代码的数控加工程序(NC 文件)，直接传输至数
20、控雕刻机床进行浮雕实物加工。 3 结束语 利用Mastercam X Art模块，在Mastercam X环境 中，用户根据设计完成或转换导入的二维浮雕平面草 图快速构建、编辑出理想效果的三维浮雕模型，并借助 Mastercam X Art提供的浮雕加工工艺设计，定义浮雕 曲面的刀具路径，生成高效率的浮雕曲面数控加工程 序，实现了复杂三维浮雕模型的CADCAM。 参考文献 1美国CNC softwareInc公司Mastercam X Art HELP 2美围CNC software1nc公司Mastercam X Art Training Tu toria1 3康亚鹏MasterCam X数控加丁自动编程M北京：机械 工业出版社，2006 4何满才MasterCam X基础教程M北京：人民邮电出版 社2006 5邝卫华基于MasterCAM的平面图形雕刻加工技术J 1T具技术，2006(8)：5961 6党新安，劳庆海MasterCam Art的雕刻加工功能J机械 设计与制造，2006(12)：155156 (编辑李秀敏)
