一種新的激光三維雕刻技術(shù)研究

1、種新的激光三維雕刻技術(shù)研究關(guān)鍵詞:激光技術(shù);激光三維雕刻 ;點(diǎn)云數(shù)據(jù);正投影圖形文章編號(hào) :1009-2374 #8197;(2010)27-0013-02 0 引言,能雕刻是指在雙色板、金屬、木材、石頭、玻璃以及塑料等材料上刻出文字及圖 形裝飾等 , 用以滿足相關(guān)特定的要求。從方法上 , 雕刻可以分為手工雕刻、機(jī)械 雕刻和激光雕刻。手工雕刻勞動(dòng)強(qiáng)度大 ,生產(chǎn)效率低,精度差,成本高,生產(chǎn)周期 長(zhǎng), 無(wú)法進(jìn)行批量生產(chǎn) , 但全自由度空間雕刻目前只能依靠手工雕刻 ; 機(jī)械雕刻中 的數(shù)控雕刻主要以金屬材料和有機(jī)玻璃等為主 ,雕刻精度受到銑刀尺寸限制 ;激 光雕刻嫩能夠雕刻任何材料 , 雕刻精度高 ,

2、 雕刻速度快 , 尤其是激光三維雕刻 夠在空間曲面或斜面上雕刻復(fù)雜圖案 , 這對(duì)于復(fù)雜零部件的表面紋理圖案雕刻是 相當(dāng)有益的 , 但激光雕刻目前國(guó)內(nèi)還主要是用于二維雕刻 , 對(duì)于三維雕刻報(bào)道甚 少。本文提出一種新的激光三維雕刻技術(shù) , 利用雕刻表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)和三維雕刻圖 形的正投影圖形 , 配合兩維高速掃描振鏡進(jìn)行掃描加工 , 從而在曲面或斜面上雕 刻出需要的文字或圖形。1 激光三維雕刻原理激光雕刻的基本原理是激光束經(jīng)過(guò)導(dǎo)光聚焦系統(tǒng)后射向被加工材料 , 利用激光和 材料的相互作用 , 將材料的指定范圍除去 , 而在未被激光照射到的地方材料保持 原樣,使材料表面留下有規(guī)律的具有一定深度、尺寸和形狀

3、的凹點(diǎn)和凸點(diǎn),這些凹凸點(diǎn)的組合就是所要雕刻的圖案。不同于三維切片雕刻 , 本文提出的激光三維雕刻技術(shù)關(guān)鍵在于利用雕刻表面的點(diǎn) 云數(shù)據(jù)和三維雕刻圖形的正投影圖形 , 使兩者進(jìn)行高度匹配 , 賦予投影圖形高度 值,再通過(guò)X、丫兩軸工作臺(tái)精確定位，結(jié)合Z軸移動(dòng)機(jī)構(gòu)和兩維高速掃描振鏡， 并且利用聚焦激光束的焦深特性 , 逐點(diǎn)掃描加工投影圖形 , 則在曲面或斜面上雕 刻出了所需圖形 , 激光三維雕刻原理圖如圖 1 所示:2 關(guān)鍵文件獲取方法 本文提出的激光三維雕刻技術(shù)中需要獲取的兩個(gè)關(guān)鍵文件就是雕刻曲面或斜面 的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和三維雕刻圖形的正投影圖形 , 這兩個(gè)文件是雕刻過(guò)程中保證高加工 精度和高加工效率的

4、必備條件。2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取 對(duì)于存在實(shí)物的曲面或斜面 , 可以通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù) ,而對(duì)于存在3D模型的曲面或斜面,只需通過(guò)CATIA軟件即可得到所需點(diǎn)云數(shù)據(jù),獲取的點(diǎn)云 數(shù)據(jù)文件如圖 2 所示, 這里只對(duì)后者進(jìn)行闡述。獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的步驟為 :首先,打開(kāi)CATIA軟件,進(jìn)入“機(jī)械設(shè)計(jì)”模塊,選擇“ Wireframe and SurfaceDesig n”命令,繪制曲面或斜面,或者是打開(kāi)已經(jīng)存在的模型文件；其次,進(jìn)入“加工”模塊,選擇“STL Rapid Protyping ”命令,再選擇工具欄里 的“Tesselation ”命令,把曲面離散化，在彈出的對(duì)話框里“ Sag參數(shù)

5、不用改 變,只需設(shè)置“ Step”參數(shù),即為離散點(diǎn)之間的間距值,再保存文件為stl格式;然后 , 進(jìn)入“形狀”模塊 , 選擇“ Digitized Shape Editor ”命令 , 再選擇工具欄 里的“Import”命令,導(dǎo)入剛保存的stl文件,比例因子設(shè)置為1,根據(jù)需要選擇 不同的單位 , 選擇剛才離散化的曲面或斜面 , 點(diǎn)擊“確定”按鈕 ;最后,再選擇“ Export ”命令,導(dǎo)出為ASCI文件，將文件格式改為txt,用記事本 打開(kāi)即可看到點(diǎn)云數(shù)據(jù)。由圖 2 可以看到 , 導(dǎo)出的點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件包括各個(gè)點(diǎn)的三坐標(biāo)值以及點(diǎn)的總數(shù) , 根 據(jù)不同需要，改變“ Step”參數(shù)，即可調(diào)整點(diǎn)間距和點(diǎn)

6、的總數(shù)。2.2 正投影圖形的獲取 對(duì)于曲面或斜面的三維雕刻圖形的正投影圖形 ，通過(guò)CATIA軟件獲取的步驟為：首先,打開(kāi)CATIA軟件,同樣進(jìn)入“機(jī)械設(shè)計(jì)”模塊,選擇“ Wireframe and Surface Design ”命令, 繪制曲面或斜面 , 或者是打開(kāi)已經(jīng)存在的模型文件 ;其次, 在曲面或斜面上繪制三維雕刻圖形 , 然后選擇工具欄上的“ Projection ” 命令,在彈出的對(duì)話框里選擇投影類型為“ normal” ,即為正投影 ,再選擇要投影 的圖形以及投影平面 , 點(diǎn)擊“確定”按鈕 , 則將三維雕刻圖形正投影到平面上 ;最后,通過(guò)輸出工程圖的方式或者通過(guò) UG軟件,將投影

7、圖形保存為DXF格式,即 可用AUTOCAD件打開(kāi)投影圖形。利用CATIA軟件得到的正投影圖形如圖3所示:3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與結(jié)果 實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備為實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的激光切割機(jī)，X-Y兩軸直線電機(jī)工作臺(tái)和Z軸 伺服電機(jī)移動(dòng)機(jī)構(gòu) , 組成一個(gè)三維聯(lián)動(dòng)定位機(jī)構(gòu) , 加上兩維高速掃描振鏡 , 組成一 個(gè)“3 2 ”軸聯(lián)動(dòng)激光精密加工系統(tǒng)，激光器為全固態(tài)三倍頻調(diào) Q開(kāi)關(guān)Nd:Y0V4 激光器,主要參數(shù)見(jiàn)表 1:表 1 激光器主要參數(shù) 激光參數(shù) 參數(shù)范圍 波長(zhǎng) / nm 355功率/W09重復(fù)頻率/ kHz 10 100脈沖寬度/ ns 10 60脈沖能量/ J 0 0.36能量密度/ (J/cm2) 0 208

8、實(shí)驗(yàn)中,利用自設(shè)簡(jiǎn)易夾具 ,調(diào)整斜面傾斜角度 ,在一塊 6061鋁合金平板斜面上 雕刻文字,結(jié)果如圖 4和圖 5所示：從圖 4和圖 5可以看到,利用本文提出的激光三維雕刻技術(shù)成功地在傾斜平面上 雕刻出了文字圖案 , 證明了這種新的激光三維雕刻技術(shù)是可行的。4 結(jié)論本文提出了一種新的激光三維雕刻技術(shù) ,相比機(jī)械雕刻 , 具有雕刻精度高和雕刻 速度快的優(yōu)點(diǎn) , 而且不需要根據(jù)不同字體或圖形更換刀具 , 不會(huì)出現(xiàn)斷刀及過(guò)切 現(xiàn)象, 工藝簡(jiǎn)單 , 雕刻文字圖形美觀。參考文獻(xiàn)1 韓現(xiàn)龍. 基于 Artcut 文字?jǐn)?shù)控雕刻加工技術(shù)的研究 J. 吉林化工學(xué)院學(xué) 報(bào),2009,26(1).2 陳勇. 基于嵌入式平臺(tái)的三維高速數(shù)控雕刻機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) D. 成都： 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 ,2009.3殷蘇民.基于ARM的三維雕刻機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)D.鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)碩士學(xué)位 論文,2007.4 王成.硬質(zhì)材料的激光三維雕刻技術(shù)研究 D. 武漢: 華中科技大學(xué)博士學(xué)位 論文,2007.5 王玉國(guó). 數(shù)控雕刻加工關(guān)鍵技術(shù)研究 D. 南京:南京航空航天大學(xué) ,2007.6 蔣國(guó)興, 朱登潔, 黃明吉.基于圖像信息的數(shù)控雕刻三維建模的研究 J. 中國(guó) 制造業(yè)信息化 ,2007,36(21).7 王秀麗. 激光雕刻切割機(jī)對(duì)焦系統(tǒng)的