一种数控超声波影雕系统的制作方法

本发明涉及机械自动化领域，尤其涉及一种数控超声波影雕系统。

背景技术：

影雕是一种起源于明清时期的刻画艺术，其工艺过程是先将墨玉、山西黑等纯色石材水磨抛光处理，在磨光面上把要雕琢的图像轮廓描绘出来，再根据黑白明暗成像原理，用特制的针一样细小合金钢头工具，通过运用腕力调节针点疏密粗细、深浅和虚线变化来表现图像，最终形成形象逼真的画面；影雕作品具有独特的艺术神韵，用来作为装饰工艺品永久保存，因此受到消费者青睐。

但调研发现：一方面目前市售的影雕工艺品的制作工艺无外乎手工、激光、数控三类；此三类方法在实践中均存在突出问题，如手工影雕耗时多、量产困难，而且重复性差；激光影雕加工成本高，产品效果对设备依赖性强，此外刻画深度不足导致图画明暗对比差；数控影雕设备复杂，前期投入大，另外雕刻表面质量欠佳；另一方面，影雕作品模仿传统样式，内容创新不足，消费者定制化服务需求得不到满足，而且创作周期长、加工效率低、加工成本高以及产品精细度差等原因直接导致影雕这项传统艺术发展乏力；另一方面超声振动加工技术，它是一种在传统加工方法的基础上，通过超声发生器将交流电转换为频率为20khz以上的电振荡信号，然后将电振荡信号传递给换能器，使其产生同频率的振动，最后该振动经过变幅杆放大，附加给工件或者刀具进行切削的加工方法；这种加工方法具有切削力小、切削热低、工件表面质量高、精度高的特点，它能够很好地解决硬脆材料、各种复杂形状的成型面难加工问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种数控超声波影雕系统，根据用户的个性化需求，将图像处理技术与数控系统相结合，将扫描得到的图形文件进行图像灰度处理；然后基于灰度图像利用数控雕刻软件生成数控加工g代码控制传动机构(电机)，带动工件及刀具运动；同时利用超声振动加工硬脆材料的优越性，在刀具处引入超声波辅助装置，结合超声波振动辅助来雕刻，加工效率高且质量较好。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种数控超声波影雕系统，包括：影雕机加工装置、超声波辅助装置、计算机和扫描仪；所述影雕机加工装置包括x方向运动装置、y方向运动装置和z方向运动装置；所述扫描仪与所述计算机相连接以将捕获的待雕刻图样转换为图形文件后发送给计算机；所述计算机与所述x方向运动装置、y方向运动装置和z方向运动装置分别相连接以对所述图形文件进行处理后控制影雕机加工装置x方向、y方向和z方向的电机完成预设运动；所述超声波辅助装置与刀具相连接以控制所述刀具产生超声振动；所述影雕机加工装置与所述超声波辅助装置相连接以控制刀具进行雕刻。

优选的，所述x方向运动装置包括步进电机a、联轴器a、滚珠丝杆a、导轨a、滑块a、连接板a和工作面板；所述y方向运动装置包括步进电机b、联轴器b、滚珠丝杆b、导轨b、滑块b和连接板b；所述z方向运动装置包括步进电机c、联轴器c、滚珠丝杆c、导轨c、滑块c和连接板c；所述步进电机a、滚珠丝杆a和导轨a均固定在底板上；所述导轨a平行于滚珠丝杆a；所述联轴器a连接在步进电机a和滚珠丝杆a之间；所述滑块a连接在导轨a和滚珠丝杆a上；所述连接板a固定在滑块a上；所述工作面板固定在连接板b上；所述步进电机b、滚珠丝杆b和导轨b固定在连接板a上；所述导轨b平行于滚珠丝杆b；所述联轴器b，连接在步进电机b和滚珠丝杆b之间；所述滑块b连接在导轨b和滚珠丝杆b上；所述连接板b固定在滑块b上；所述步进电机c、滚珠丝杆c和导轨c固定在支架；所述导轨c平行于滚珠丝杆c；所述联轴器c连接在步进电机c和滚珠丝杆c之间；所述滑块c连接在导轨c和滚珠丝杆c上；所述l型连接板c固定在滑块c上。

优选的，所述超声波辅助装置包括：超声发生器、超声换能器和变幅杆，所述超声发生器与所述超声换能器相连接，所述超声换能器固定在连接板b上；所述变幅杆连接在超声换能器振动端；所述刀具固定在变幅杆上。

优选的，所述计算机对图形文件进行处理，包括图像灰度处理，具体为采用加权平均值法，即取r＝g＝b＝30％*r+59％*g+11％*b。

优选的，所述计算机对图形文件进行处理，还包括坐标变换，具体如下：提取图像中各像素点的屏幕坐标，并转换成相对于数字控制加工中编程原点的位置坐标；

其中涉及到屏幕坐标系及像素转换为加工坐标系及单位，转换公式为

x＝x·λ·scale

y＝y·λ·scale

其中，x和y为加工坐标值，x和y为屏幕坐标值，λ为计算机屏幕像素点距，单位毫米/像素，scale为比例系数，由实际加工尺寸大小与原图像大小的比值确定。

优选的，所述计算机对图形文件进行处理，还包括坐标再处理，具体如下：

基于坐标点像素值大小所在区间的判断，将颜色值分为黑色(f(x,y)＝0)、深灰色(0.01≤f(x,y)≤0.33)、中灰(0.34≤f(x,y)≤0.66)、浅灰(0.67≤f(x,y)≤0.99)和白色(f(x,y)＝1)五类，分别在像素点周围插值相应个数的点以实现影雕加工时打点。

优选的，还包括生成加工代码，以控制x方向、y方向和z方向的电机完成预设运动；具体采用delcamartcam软件，将二维图形文件转化为三维浮雕数字模型，并生成能够驱动电机运行的g代码。

优选的，所述扫描仪为便携式ccd扫描仪。

优选的，所述工作面板由复合亚克力人造石加工而成。

优选的，所述刀具为锥形刀具，材质为金刚石。

优选的，所述超声波换能器为压电陶瓷螺杆夹心换能器。

优选的，所述变幅杆为阶梯型变幅杆，材料选用合金钢cr12mov，阶梯型变幅杆的始末端直径比为1.8，大端直径为45mm，大端给定最大振幅为0.005mm。

本发明的有益效果如下：

本发明一种数控超声波影雕系统设计能满足用户个性化需求，具有装置结构简单，加工面广，自动化程度高，雕刻表面质量好的特点；最终能够高效率的雕刻出形式多样的图案，实现作品的自动化和批量化生产；这对影雕这项传统艺术的有效传承和创新发展具有重要意义。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的一种数控超声波影雕系统不局限于实施例。

附图说明

图1为本发明的数控超声波影雕系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的影雕机加工装置的主视图；

图3为本发明实施例的影雕机加工装置的左视图；

图4为本发明实施例的影雕机加工装置的俯视图；

图5为本发明实施例的局部放大图。

附图标识：1、底板；2、工作面板；3、刀具；4、l型连接板c；5、变幅杆；6、超声换能器；7、超声发生器；8、计算机；9、导线；10、步进电机c；11、导轨c；12、联轴器c；13、滑块c；14、支架；15、连接板a；16、滑块a；17、步进电机a；18、联轴器a；19、步进电机b；20、联轴器b；21、滚珠丝杆b；22、导轨b；23、滑块b；24、连接板c；25、连接板b；26、滚珠丝杆c；27、滚珠丝杆a；28、导轨a；29、扫描仪；30、电源模块。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

参见图1至图5所示，本发明一种数控超声波影雕系统，包括：影雕机加工装置、超声波辅助装置、计算机8和扫描仪29；所述影雕机加工装置包括x方向运动装置、y方向运动装置和z方向运动装置；所述扫描仪29与所述计算机8相连接以将捕获的待雕刻图样转换为图形文件后发送给计算机8；所述计算机8与所述x方向运动装置、y方向运动装置和z方向运动装置分别相连接以对所述图形文件进行处理后控制影雕机加工装置x方向、y方向和z方向的电机完成预设运动；所述超声波辅助装置与刀具3相连接以控制所述刀具3产生超声振动；所述影雕机加工装置与所述超声波辅助装置相连接以控制刀具3进行雕刻。所述计算机8与所述影雕机加工装置通过导线9相连接。

具体的，所述x方向运动装置包括步进电机a17、联轴器a18、滚珠丝杆a27、导轨a28、滑块a16、连接板a15和工作面板2；所述y方向运动装置包括步进电机b19、联轴器b20、滚珠丝杆b21、导轨b22、滑块b23和连接板b25；所述z方向运动装置包括步进电机c10、联轴器c12、滚珠丝杆c26、导轨c11、滑块c13和连接板c24；所述步进电机a17、滚珠丝杆a27和导轨a28均固定在底板1上；所述导轨a28平行于滚珠丝杆a27；所述联轴器a18连接在步进电机a17和滚珠丝杆a27之间；所述滑块a16连接在导轨a28和滚珠丝杆a27上；所述连接板a15固定在滑块a16上；所述工作面板2固定在连接板b25上；所述步进电机b19、滚珠丝杆b21和导轨b22固定在连接板a15上；所述导轨b22平行于滚珠丝杆b21；所述联轴器b20，连接在步进电机b19和滚珠丝杆b21之间；所述滑块b23连接在导轨b22和滚珠丝杆b21上；所述连接板b25固定在滑块b23上；所述步进电机c10、滚珠丝杆c26和导轨c11固定在支架14；所述导轨c11平行于滚珠丝杆c26；所述联轴器c12连接在步进电机c10和滚珠丝杆c26之间；所述滑块c13连接在导轨c11和滚珠丝杆c26上；所述l型连接板4固定在滑块c13上。

所述超声波辅助装置包括：超声发生器7、超声换能器6和变幅杆5，所述超声发生器7与所述超声换能器6相连接，所述超声换能器6固定在连接板b25上；所述变幅杆5连接在超声换能器6振动端；所述刀具3固定在变幅杆5上。

加工时，将工件在工作面板2上装夹好，再将所要雕刻的图样放置在扫描仪29上，得到图形文件，导入到计算机8内，生成预设的运动路径；开启影雕机加工装置和超声波辅助装置，计算机8根据预设运动路径控制三个步进电机，三个电机分别执行各自的命令，从而刀具3完成规定的动作，完成一个工作周期。随着时间的推移，要加工的图像就会呈现出来，一个完整的加工就完成了。

本发明加工方式下雕刻动力来源于超声波辅助装置，振幅经放大后传给工具，并驱动工具端面(刀具3)作超声振动，在工件表面打出均匀有致的点；雕刻过程所用锥形刀具3为金刚石刀具3，其型号可根据实际生产条件而定。

本实施例中，所述计算机8对图形文件进行处理，包括图像灰度处理，具体为采用加权平均值法，即取r＝g＝b＝30％*r+59％*g+11％*b。

所述的图像灰度处理的必要性在于：影雕加工后，黑色大理石的表面打出的点显示灰白色，不打点保留原有黑色，由于采集到的彩色图片像素颜色变化范围大，所以在数字图像处理前一般先将图像转变成灰度图像，以使后续的图像的计算量变得少一些。

本实施例中，所述计算机8对图形文件进行处理，还包括坐标变换，具体如下：提取图像中各像素点的屏幕坐标，并转换成相对于数字控制加工中编程原点的位置坐标；

其中涉及到屏幕坐标系及单位(像素)转换为加工坐标系及单位(毫米)，转换公式为

x＝x·λ·scale

y＝y·λ·scale

其中，x和y为加工坐标值，x和y为屏幕坐标值，λ为计算机屏幕像素点距，单位毫米/像素，scale为比例系数，由实际加工尺寸大小与原图像大小的比值确定。

本实施例中，所述计算机8对图形文件进行处理，还包括坐标再处理，具体如下：

基于坐标点像素值大小所在区间的判断，将颜色值分为黑色(f(x,y)＝0)、深灰色(0.01≤f(x,y)≤0.33)、中灰(0.34≤f(x,y)≤0.66)、浅灰(0.67≤f(x,y)≤0.99)和白色(f(x,y)＝1)五类，分别在像素点周围插值相应个数的点以实现影雕加工时打点疏密有致，即定义在1平方毫米内，黑色打点数为0、深灰色打点数为3、中灰色打点数为6、浅灰色8、白色打点数为11。

所述插值点个数应根据影雕选用的具体材料而设置不同，因为石材的品种很多，而且同种石材，产出地不同其力学性能参数也不同，因此为了实现设置参数与材料匹配，可提前通过加工实验标定好，确定打出不同颜色的效果其对应打点的疏密程度，并以此建立数据库供实际加工时调取。

本实施例中，所述计算机8对图形文件进行处理还包括生成加工代码，以控制x方向、y方向和z方向的电机完成预设运动；具体采用delcamartcam软件，将二维图形文件转化为三维浮雕数字模型，并生成能够驱动电机运行的g代码。其中要设计实现加工代码可使数控加工时对图像像素奇数行和偶数行，进行不同方向的扫描，最终能实现往复式加工，因为此种方式没有抬刀动作能连续切削，具有很高的加工效率。

具体的，在加工件上实际运行所述g代码之前，还可以进行影雕加工仿真，具体的，可选择专业的数控加工仿真软件进行测试，定义毛坯为黑色，打点加工后为白色，设置合适的加工参数，用仿真来测试编写程序的加工效果，以此判断能否实现预期目标，不断调试、反馈并完善加工源程序。

本实施例中，所述扫描仪29为便携式ccd扫描仪，其扫描速度快、易操作性强，同时其光学读取装置为ccd(电荷耦合器件)，扫描的图像质量较高，具有一定的景深，还能扫描凹凸不平的物体。

本实施例中，所述步进电机a17、步进电机b19和步进电机c10的电机功率的选择可视实际加工工况而定。

本实施例中，所述工作面板2由复合亚克力人造石加工而成。之所以选用该种材料是基于该种材料属实体面材，无孔隙，韧性佳，同时对水、油、污渍等有很强的抵抗力，容易清洗，而且耐冲击，坚固耐用，不变形，是用作面板的理想材料。

本实施例中，超声发生器7为了实现影雕的所需的打点频率以及使石材在加工过程中锥形刀具3的振幅可调的功能要求，选用了电源谐振频率为28khz的模拟电路超声发生器7

本实施例中，所述超声波换能器选择压电陶瓷螺杆夹心换能器，解决由于压电陶瓷材料本身的抗压强度低，在有的场合不能直接用于发射大功率的问题；主要部件螺杆采用高强度螺栓钢制成，加工成圆弧式螺纹，主要是为了防止在超声振动中由于尖端造成的应力集中而形成裂纹。

本实施例中，所述变幅杆5为阶梯型变幅杆，材料选用合金钢cr12mov，阶梯型变幅杆的始末端直径比为1.8，大端直径为45mm，大端给定最大振幅为0.005mm。

以上仅为本发明实例中一个较佳的实施方案。但是，本发明并不限于上述实施方案，凡按本发明所做的任何均等变化和修饰，所产生的功能作用未超出本方案的范围时，均属于本发明的保护范围。