國(guó)內(nèi)外對(duì)各種切割技術(shù)的研究已經(jīng)進(jìn)行了很多年，但研究得更多的是各種切割技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中遇到的問(wèn)題，而對(duì)切割CAD/CAM的研究還很少.針對(duì)激光加工特點(diǎn)，數(shù)控激光加工機(jī)有切割和影雕兩種加工方式.影雕是以早年的"針黑白"工藝為基礎(chǔ)而發(fā)展并創(chuàng)新的新工藝，它具有濃厚的文化內(nèi)涵、精美的成品效果，是一種新興的產(chǎn)業(yè).然而，由于傳統(tǒng)加工水平和加工方式的限制，使它很難進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；陌l(fā)展，隨著激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的發(fā)展，以及計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)的廣泛應(yīng)用，為影雕走上產(chǎn)業(yè)化鋪平了道路.本文將激光技術(shù)、圖像處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)應(yīng)用到影雕加工中，并把圖像的影雕處理集成到激光加工 CAD/CAM軟件中.

　　1系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

　　激光加工CAD/CAM系統(tǒng)采用3層體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行管理，如圖1所示.圖1中，上層為系統(tǒng)應(yīng)用層，是本系統(tǒng)和用戶的接口，通過(guò)它可完成從設(shè)計(jì)、分析、仿真到加工的所有任務(wù)，并實(shí)時(shí)地反饋各種結(jié)果信息.由系統(tǒng)應(yīng)用層獲取的設(shè)計(jì)、工藝等數(shù)據(jù)信息直接存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)層中，根據(jù)通過(guò)操作信息的要求驅(qū)動(dòng)功能層的相應(yīng)功能函數(shù)進(jìn)行功能的實(shí)現(xiàn).中間層為基本功能層，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能，是系統(tǒng)的核心，包括特征造型、圖形圖像的編輯處理、圖形的前置、后置處理、影雕處理等.基本功能層的各種操作通過(guò)應(yīng)用層進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，而它的數(shù)據(jù)信息由數(shù)據(jù)管理層獲得，處理后又存回?cái)?shù)據(jù)庫(kù).底層為產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理層，實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)和管理.通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)管理體系對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行有效的管理;通過(guò)工作模式管理模塊對(duì)系統(tǒng)的工作模式進(jìn)行有效的管理，使得系統(tǒng)能在多種模式下工作;通過(guò)數(shù)據(jù)接口模塊實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，如通過(guò)DXF, BMP等進(jìn)行圖形圖像的數(shù)據(jù)交換等.

　　采用這種體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于，底層采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理方法，當(dāng)產(chǎn)品模型改變時(shí)，數(shù)據(jù)的管理方式不變，對(duì)系統(tǒng)程序影響不大;系統(tǒng)為分層結(jié)構(gòu)，并且每一層又是相對(duì)獨(dú)立的，這樣每一層進(jìn)行功能擴(kuò)充時(shí)，對(duì)其他層的影響很小。

　　圖1 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)框圖

　　2系統(tǒng)的信息流

　　圖2為激光加工CAD/CAM系統(tǒng)的信息總流程圖.通過(guò)它展示了產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、規(guī)劃到加工的所有可能的數(shù)據(jù)流程.其中數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是數(shù)據(jù)流程的樞紐和核心所在，所有的數(shù)據(jù)信息都由它存儲(chǔ)、管理.數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)又由圖形數(shù)據(jù)管理體系和圖像數(shù)據(jù)管理體系兩大模塊組成.對(duì)圖形元素的管理，采用面向?qū)ο蟮墓芾頇C(jī)制，為每個(gè)圖形元素創(chuàng)建的一個(gè)圖形元素類(lèi)對(duì)象，在創(chuàng)建這個(gè)對(duì)象時(shí)得到指向這個(gè)對(duì)圖2系統(tǒng)的信息總流程圖像的指針，并通過(guò)建立一個(gè)動(dòng)態(tài)對(duì)象指針數(shù)組來(lái)管理這些指針。來(lái)達(dá)到管理所有圖形元素對(duì)象的目的.在后置處理等有順序要求的，則采用鏈表結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)的管理.CAD設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的來(lái)源包括基于鼠標(biāo)、鍵盤(pán)的輸人互動(dòng)設(shè)計(jì)、字體字符的提取設(shè)計(jì)和基于圖像的描圖設(shè)計(jì).其中，基于圖像的描圖設(shè)計(jì)跨越了圖形和圖像兩個(gè)數(shù)據(jù)管理區(qū).各種編輯處理是對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行直接的操作.在后置處理的時(shí)候要進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變改為用鏈表結(jié)構(gòu)進(jìn)行順序的記錄存儲(chǔ)，并且最后生成刀具軌跡鏈表.加工模擬仿真的數(shù)據(jù)可以是后置處理后的數(shù)據(jù)，其目的是對(duì)工藝規(guī)劃的合理性和正確性進(jìn)行驗(yàn)證，它也可以從數(shù)控加工代碼中獲取，這時(shí)的功能是對(duì)代碼進(jìn)行校核.影雕有兩種控制方式，一種為二值點(diǎn)圖的直接控制，另一種則是二值點(diǎn)圖通過(guò)連續(xù)化處理轉(zhuǎn)換成數(shù)控(NC?代碼的格式進(jìn)行加工控制，通過(guò)激光加工 CAD/CAM系統(tǒng)處理得到的控制文件，并通過(guò)傳輸模塊傳送給機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng).

　　3系統(tǒng)組成

　　激光加工CAD/CAM系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮木幊谭椒ê吞卣鹘＜夹g(shù)，通過(guò)對(duì)象并以類(lèi)模塊的方式進(jìn)行信息的表達(dá)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集成.根據(jù)用戶的使用習(xí)慣和切割影雕的加工技術(shù)特點(diǎn)，系統(tǒng)分成如下5大功能模塊.

　　3. 1系統(tǒng)接口模塊

　　系統(tǒng)接口包括數(shù)據(jù)接口和網(wǎng)絡(luò)接口.數(shù)據(jù)接口是為了使本系統(tǒng)能與其他通用系統(tǒng)可以很好地兼容，因此系統(tǒng)應(yīng)該具有盡可能多的數(shù)據(jù)文件接口.本系統(tǒng)支持的數(shù)據(jù)文件接口有圖形接口的DXF文件格式，圖像接口的BMP,JEPJ,GIF,TIFF,TGA等圖像格式文件，以及矢量文字輪廓自動(dòng)提取.網(wǎng)絡(luò)接口是為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)控技術(shù)，改著資源的配置，實(shí)現(xiàn)與機(jī)床進(jìn)行直接的通訊.

　　3.2 CAD繪圖模塊

　　CAD繪圖包括描圖、設(shè)計(jì)、編輯3個(gè)部分.描圖部分通過(guò)提供的各種圖形、圖案底板進(jìn)行輪廓的描繪，克服了直接由圖像驅(qū)動(dòng)矢量化的各種缺點(diǎn)，可以方便地插人、刪除底圖，對(duì)底圖進(jìn)行各種操作，如實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)縮放、位置的調(diào)整、對(duì)比度的調(diào)整，等等.設(shè)計(jì)部分提供友好的人機(jī)互動(dòng)界面、互動(dòng)地進(jìn)行CAD零件的繪制，在CAD系統(tǒng)中起著重要的作用.通過(guò)它可以設(shè)計(jì)出各種工程零件圖該類(lèi)可以方便地提供各種圖元的繪制，通過(guò)菜單或者圖標(biāo)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，可以通過(guò)鼠標(biāo)進(jìn)行操作，也可以通過(guò)鍵盤(pán)進(jìn)行各種數(shù)據(jù)信息的愉人，有各種特征點(diǎn)的捕捉功能等.

　　編輯部分首先可以很方便地進(jìn)行點(diǎn)選、框選各種圖形元素，鼠標(biāo)拖動(dòng)被選中圖形元素的特征點(diǎn)，改變圖形元素的幾何參數(shù)、位置等，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)修改可以對(duì)選取的圖形元素進(jìn)行復(fù)制、剪切、粘貼、平移、刪除、鏡像、旋轉(zhuǎn)、縮放等操作。

　　圖2 系統(tǒng)的信息總流程圖

　　3. 3圖像處理模塊

　　圖像處理功能是為了對(duì)圖像按要求進(jìn)行調(diào)整、處理，以滿足描圖或者影雕半色調(diào)處理.其中灰度轉(zhuǎn)換有平均值法、最大值法和權(quán)值法3種方式.灰度調(diào)整是在灰度轉(zhuǎn)換后，對(duì)屏幕的灰度進(jìn)行調(diào)整，彈出的調(diào)整對(duì)話框，可以數(shù)據(jù)輸人調(diào)整灰度調(diào)整曲線，也可以鼠標(biāo)拖動(dòng)調(diào)整，通過(guò)對(duì)直方圖的顯示可以知道灰度的分布，是后面的亮度對(duì)比度調(diào)整的依據(jù).旋轉(zhuǎn)和縮放是通過(guò)對(duì)話框的形式指定旋轉(zhuǎn)的角度和縮放比例.圖像位數(shù)轉(zhuǎn)換提供1,2,4,8位之間的轉(zhuǎn)換.刪除圖像應(yīng)用在描圖操作中，描圖操作完成后應(yīng)該刪去背景圖像;銳化增強(qiáng)是為了增強(qiáng)邊緣.在描圖操作時(shí)，使得描繪的圖形更準(zhǔn)確;而在影雕處理時(shí)，可以補(bǔ)償在半色調(diào)處理時(shí)被模糊的邊緣細(xì)節(jié)。

　　3. 4 CAM處理模塊

　　根據(jù)建模后生成的產(chǎn)品信息及制造要求，人機(jī)交互或自動(dòng)決策出加工零件所要的輔助加工線、嵌套關(guān)系、加工順序、偏移方向、偏移量等.軌跡偏移中的刀具軌跡的偏移計(jì)算生成所需的刀具加工軌跡，并能直接輸出軌跡參數(shù)信息，被NC自動(dòng)編程系統(tǒng)接收、識(shí)別.NC自動(dòng)編程系統(tǒng)通過(guò)接受、識(shí)別系統(tǒng)所提供的刀位信息，并把它轉(zhuǎn)換成零件的數(shù)控加工程序.

　　3. 3影雕處理模塊

　　激光影雕加工的基本原理與過(guò)程是:在圖像處理系統(tǒng)中，對(duì)原始圖像文件進(jìn)行編輯、預(yù)處理，再應(yīng)用半色調(diào)技術(shù)生成激光影雕模式下的黑白二值圖像文件. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)讀取二值圖像文件、控制X-Y軸帶動(dòng)激光頭作掃描移動(dòng)并由黑白二值圖的0,l值控制激光的開(kāi)或關(guān)，激光束經(jīng)光學(xué)機(jī)構(gòu)傳輸和聚焦在材料表面上，使作用點(diǎn)的材料迅速熔化、氣化而噴射出，形成類(lèi)似手工雕刻凹陷點(diǎn).因此，該模塊主要對(duì)圖像進(jìn)行各種半色調(diào)方法處理，有誤差擴(kuò)散法、抖動(dòng)法、抖動(dòng)擴(kuò)散法和閥值法.誤差擴(kuò)散法根據(jù)濾波器的不同又分為Stucki,Burkes,Sierrk,larvis,Stevenson和Steinberg法.抖動(dòng)擴(kuò)散法依據(jù)要求進(jìn)行模版大小的設(shè)置，最終得到影雕加工所需的影雕二值點(diǎn)圖或者是圖形設(shè)計(jì)中的圖像底板.

　　4 系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)例

　　圖3為開(kāi)發(fā)出的激光CAD/CAM系統(tǒng)軟件調(diào)人DXF文件后所生成的刀具軌跡實(shí)例.首先，對(duì)調(diào)人的DXF圖形進(jìn)行排序，然后對(duì)軌跡生成的對(duì)話框進(jìn)行設(shè)置，輔助線是圖形中已經(jīng)包含或者是偏移后添加的，用以確定輔助線的添加方式;由加工軌跡的加工走向和偏移方向，指定它們是人工交互完成或者是系統(tǒng)自動(dòng)判別，系統(tǒng)自動(dòng)判別時(shí)的走向由對(duì)話框選項(xiàng)指定所有單元走向都是順時(shí)針的或是逆時(shí)針，而偏移方向則遵循外輪廓向外偏移，內(nèi)輪廓向內(nèi)偏移;輸人要偏移補(bǔ)償?shù)牧康?如果加工走向和偏移方向是人工交互方式進(jìn)行時(shí)，首先選取輪廓線上的一條圖元，選中這一輪廓單元，按箭頭提示選擇加工走向，接著再按箭頭提示選擇偏移方向，即可完成一個(gè)輪廓單元的偏移生成。如果加工輔助線是由偏移后添加的，則可通過(guò)繪圖工具和屏幕捕捉進(jìn)行輔助線的添加.該刀具軌跡路徑由3個(gè)加工單元組成.輔助線在偏移后添加，偏移的加工走向和偏移方向由系統(tǒng)自動(dòng)判別.內(nèi)層為工件輪廓，外層為刀具軌跡，封閉環(huán)之間的串接線為引刀線、退刀線、過(guò)渡線等加工輔助線。

　　圖3 刀具軌跡生成圖

　　圖4為經(jīng)過(guò)各種預(yù)處理和半色調(diào)處理生成的影雕圖像.讀取彩色圖像，對(duì)圖像進(jìn)行灰度處理、灰度的調(diào)整、亮度對(duì)比度的調(diào)整和銳化增強(qiáng)等預(yù)處理操作，然后選擇合適的半色調(diào)處理算法，生成可以進(jìn)行激光影雕加工的二值影雕圖像。

　　圖4 雕塑圖象生成效果圖

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　采用面向?qū)ο蟮木幊谭椒?，開(kāi)發(fā)了一套具有切割和影雕圖像生成兩大功能的激光加工CAD/CAM軟件系統(tǒng).該系統(tǒng)具有DXF文件導(dǎo)人接口、圖形佑人與編輯、刀具路徑生成等功能，生成的NC代碼和影雕圖像應(yīng)用子自主開(kāi)發(fā)的數(shù)控激光加工系統(tǒng)上，可加工出滿意的產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于激光加工機(jī)及其他數(shù)控切割機(jī)。