一種新的激光三維雕刻技術研究

1、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(shù)據(jù);正投影圖形文章編號 :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(shù)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 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(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(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、的凹點和凸點,這些凹凸點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關鍵在于利用雕刻表面的點 云數(shù)據(jù)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、丫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(shù)據(jù)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

4、必備條件。2.1 點云數(shù)據(jù)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(shù)據(jù) ,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(shù)據(jù),獲取的點云 數(shù)據(jù)文件如圖 2 所示, 這里只對后者進行闡述。獲取點云數(shù)據(jù)的步驟為 :首先,打開CATIA軟件,進入“機械設計”模塊,選擇“ Wireframe and SurfaceDesig n”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(shù)

5、不用改 變,只需設置“ Step”參數(shù),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 , 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(jù)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ASCI文件，將文件格式改為txt,用記事本 打開即可看到點云數(shù)據(jù)。由圖 2 可以看到 , 導出的點云數(shù)據(jù)文件包括各個點的三坐標值以及點的總數(shù) , 根 據(jù)不同需要，改變“ Step”參數(shù)，即可調整點間距和點

6、的總數(shù)。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,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

7、圖形保存為DXF格式,即 可用AUTOCAD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(fā)的激光切割機，X-Y兩軸直線電機工作臺和Z軸 伺服電機移動機構 , 組成一個三維聯(lián)動定位機構 , 加上兩維高速掃描振鏡 , 組成一 個“3 2 ”軸聯(lián)動激光精密加工系統(tǒng)，激光器為全固態(tài)三倍頻調 Q開關Nd:Y0V4 激光器,主要參數(shù)見表 1:表 1 激光器主要參數(shù) 激光參數(shù) 參數(shù)范圍 波長 / nm 355功率/W09重復頻率/ 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(yōu)點 , 而且不需要根據(jù)不同字體或圖形更換刀具 , 不會出現(xiàn)斷刀及過切 現(xiàn)象, 工藝簡單 , 雕刻文字圖形美觀。參考文獻1 韓現(xiàn)龍. 基于 Artcut 文字數(shù)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(shù)控雕刻機控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 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(tǒng)設計D.鎮(zhèn)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(shù)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(shù)控雕刻三維建模的研究 J. 中國 制造業(yè)信息化 ,2007,36(21).7 王秀麗. 激光雕刻切割機對焦系統(tǒng)的