1、一種新的激光三維雕刻技術研究    關鍵詞:激光技術;激光三維雕刻;點云數據;正投影圖形文章編號:1009-2374 #8197;(2010)27-0013-02 0引言 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,用以滿足相關特定的要求。從方法上,雕刻可以分為手工雕刻、機械雕刻和激光雕刻。手工雕刻勞動強度大,生產效率低,精度差,成本高,生產周期長,無法進行批量生產,但全自由度空間雕刻目前只能依靠手工雕刻;機械雕刻中的數控雕刻主要以金屬材料和有機玻璃等為主,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,能夠在空間曲面或斜面上雕刻復雜圖案,這對于復雜零部件的表面紋理圖案雕刻是相當有益的,但激光雕刻目前國內還主要是用于二維雕刻,對于三維雕刻報道甚少。本文提出一種新的激光三維雕刻技術,利用雕刻表面點云數據和三維雕刻圖形的正投影圖形,配合兩維高速掃描振鏡進行掃描加工,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過導光聚焦系統后射向被加工材料,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律的具有一定深度、尺寸和形狀的凹點和凸點,這些凹凸點的組合就是所要雕刻的圖案

3、。 不同于三維切片雕刻,本文提出的激光三維雕刻技術關鍵在于利用雕刻表面的點云數據和三維雕刻圖形的正投影圖形,使兩者進行高度匹配,賦予投影圖形高度值,再通過X、Y兩軸工作臺精確定位,結合Z軸移動機構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關鍵文件獲取方法 本文提出的激光三維雕刻技術中需要獲取的兩個關鍵文件就是雕刻曲面或斜面的點云數據和三維雕刻圖形的正投影圖形,這兩個文件是雕刻過程中保證高加工精度和高加工效率的必備條件。 2.1點云數據的獲取 對于存在實物的曲面或斜面,可以通過三坐標測量機獲得點云數

4、據,而對于存在3D模型的曲面或斜面,只需通過CATIA軟件即可得到所需點云數據,獲取的點云數據文件如圖2所示,這里只對后者進行闡述。獲取點云數據的步驟為: 首先,打開CATIA軟件,進入“機械設計”模塊,選擇“Wireframe and Surface Design”命令,繪制曲面或斜面,或者是打開已經存在的模型文件; 其次,進入“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,在彈出的對話框里“Sag”參數不用改變,只需設置“Step”參數,即為離散點之間的間距值,再保存文件為stl格式; 然后,進入“形狀”模塊,

5、選擇“Digitized Shape Editor”命令,再選擇工具欄里的“Import”命令,導入剛保存的stl文件,比例因子設置為1,根據需要選擇不同的單位,選擇剛才離散化的曲面或斜面,點擊“確定”按鈕; 最后,再選擇“Export”命令,導出為ASC文件,將文件格式改為txt,用記事本打開即可看到點云數據。 由圖2可以看到,導出的點云數據文件包括各個點的三坐標值以及點的總數,根據不同需要,改變“Step”參數,即可調整點間距和點的總數。 2.2正投影圖形的獲取 對于曲面或斜面的三維雕刻圖形的正投影圖形,通過CATIA軟件獲取的步驟為: 首先,打開CATIA軟件,同樣進入“機械設計”模塊,

6、選擇“Wireframe and Surface Design”命令,繪制曲面或斜面,或者是打開已經存在的模型文件; 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,點擊“確定”按鈕,則將三維雕刻圖形正投影到平面上; 最后,通過輸出工程圖的方式或者通過UG軟件,將投影圖形保存為DXF格式,即可用AUTOCAD軟件打開投影圖形。 利用CATIA軟件得到的正投影圖形如圖3所示: 3實驗設備與結果 實驗所用設備為實驗室自主研發的激光切割機,X-Y兩軸直線電機工作臺和Z軸伺

7、服電機移動機構,組成一個三維聯動定位機構,加上兩維高速掃描振鏡,組成一個“3 2”軸聯動激光精密加工系統,激光器為全固態三倍頻調Q開關Nd:YOV4激光器,主要參數見表1: 表1激光器主要參數 激光參數 參數范圍 波長 / nm 355 功率 / W 09 重復頻率 / kHz 10100 脈沖寬度 / ns 1060 脈沖能量 / J 00.36 能量密度 / (J/cm2) 0208 實驗中,利用自設簡易夾具,調整斜面傾斜角度,在一塊6061鋁合金平板斜面上雕刻文字,結果如圖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成功地在傾斜平面上雕刻出了文字圖案,證明了這種新

8、的激光三維雕刻技術是可行的。 4結論        本文提出了一種新的激光三維雕刻技術,相比機械雕刻,具有雕刻精度高和雕刻速度快的優點,而且不需要根據不同字體或圖形更換刀具,不會出現斷刀及過切現象,工藝簡單,雕刻文字圖形美觀。 參考文獻 1 韓現龍.基于Artcut文字數控雕刻加工技術的研究J.吉林化工學院學報,2009,26(1). 2 陳勇.基于嵌入式平臺的三維高速數控雕刻機控制系統設計與實現D.成都:電子科技大學碩士學位論文,2009. 3 殷蘇民.基于ARM的三維雕刻機控制系統設計D.鎮江:江蘇大學碩士學位論文,2007. 4 王成.硬質材料的激光三維雕刻技術研究D.武漢:華中科技大學博士學位論文,2007. 5 王玉國.數控雕刻加工關鍵技術研究D.南京:南京航空航天大學,2007. 6 蔣國興,朱登潔,黃明吉.基于圖像信息的數控雕刻三維建模的研究J.中國制造業信息化,2007,36(21). 7 王秀麗.激光雕刻切割機對焦系統的研究D.大連:大連理工大學碩士學位論文,2