CN102138111A - 用于装饰品的基于表面的加工的方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于装饰品的基于表面的加工的方法。所述方法包括检索装饰品的第一图形表示，并从其推导表面表示。所述表面表示可具有一个或多个片段。所述方法还包括推导表面表示的每个片段的工具路径。通过根据工具路径加工工件，产生所述装饰品。

Description

用于装饰品的基于表面的加工的方法

对相关申请的交叉引用

关于联邦赞助研究/开发(FEDERALLY SPONSOREDRESEARCH/DEVELOPMENT)的声明

本申请涉及并且要求享有2007年4月3日提交的题为METHODFOR SURFACE-BASED MACHINING OF DECORATIVEARTICLES的美国临时申请No.60/921,548的优先权，该申请通过引用全部并入本文。

技术领域

本发明一般涉及一种装饰雕刻方法。更具体地讲，本发明涉及使用计算机数字控制(CNC)设备对装饰品进行基于表面的加工的方法。

背景技术

对于特色家居、办公室和其它建筑空间，当代建筑和内部设计实践经常要求例如雕刻和成型的精细装饰品。这样的装饰配件可以在拱门、钥匙、王冠、橱柜部分、柱头、柱子、枕梁、壁炉架、嵌线、裱贴、把手和各种其它面板及产品中找到。配件通常包括高雅和有美感的设计，例如花、藤蔓、叶子、灌木、团花图样等。使用各种类型的材料，例如包括枫木、红橡木、樱桃木、白橡木、桃花心木、黑胡桃木和桤木的木材。其它材料可包括纤维板、塑料和复合物，当最终产品不需要表现任何木材纹理或当最终产品将被涂漆而不是染色时，这些材料特别有用。

这些配件可以根据需要包含在门、橱柜、房子和其它结构中，以提供装饰设计和装饰外观，从而增强其中有着这样的装饰建筑元素的区域的美学吸引力。传统地，并且在过去的大部分时间，这些配件是使用凿子、圆凿、槌棒和其它公知的手工工具手工雕刻的。然而，近来，已发展了使雕刻过程自动化的技术。

自动雕刻技术通常使用计算机数字控制(CNC)机器。CNC机器包括引导机床的操作的计算机控制器，所述机床是执行雕刻的可操作部件。例如，机床可以是切割、钻孔、刨削(route)或从工件去除材料的刀具。接着，机床被连接至在计算机控制器控制下的例如电动机或气动机的起动力。计算机控制器具有对机床沿工件的移动以及切割/钻孔/刨削操作安排顺序的编程。

编程通常被提供为G代码，所述代码可通过各种计算机辅助制造(CAM)软件包产生。G代码包括表示机床的线性移动以及圆形或弓形移动的指令。与加工速度、工件方位和刀具的选择相关的其它指令也包括在G代码指令中。在不能由基本的线性和弓形片断表示轮廓的情况下，由近似这样的轮廓的一系列短线或曲线来代替。通常，由CAM软件产生的G代码由后处理器进行解析，所述后处理器为特定CNC机器对G代码进行优化。CNC机器显著地提高了成品的质量和一致性，从而特别适合批量生产这样的产品。

由于创建装饰品所需要的加工指令的复杂性，设计师通常不直接编程G代码指令，而是在计算机辅助设计(CAD)软件应用的图形环境中电子地设计。使用各种软件包来在三维空间下制作构思的产品的模型。一旦完成设计，可输出对应于该模型的G代码指令并在CNC机器上执行该指令。

在图形环境中的视觉表示和CNC G代码指令中间，可存储配件的模型并将其沿笛卡尔坐标空间表示为立体、一系列表面或点的集合。最常见地，以立体光刻镶嵌(Stereolithography Tessalation)语言(STL)文件存储该物品，这将三维结构表示为三角面或片的封闭体设置。每一片由三个点和方位向量来定义。在将立体或表面模型变换为三角面模型时，通过拟合算法应用预定的容差以确保最终的表示是完全封闭的。

尽管在加工处理期间用STL文件和三角面形式工作是有利的，但也存在一些显著的缺点。最明显的是面模型仅是原始表面几何的近似。这样，完成的物品的精度可能低于满意的精度，这在为上述装饰配件构思的复杂设计中尤其成问题。尽管可充分地缩小面容差，但完成的物品可能具有必须进行例如磨砂和/或刨工(planing)的后加工处理的锯齿状的边缘和表面。应理解表示复杂结构需要大量三角形(和对应的顶点坐标)，这导致了大的STL文件大小和增加的处理时间。此外，在创建之后编辑STL文件是困难的。对于配件的设计的任何改变必需通过CAD软件来进行，这在接近CNC机器时可能可用或不可用。因此，CAD软件产生一致的和恰当地封闭的模型是必需的。沿这些线，STL文件通常不能容易地按比例缩放，因为复合三角形的各个顶点随着整体模型的大小的增加将变得更可见。为了产生多个大小的相似配置的装饰配件，需要为每个大小产生多个STL文件，这将导致额外的文件管理复杂性。

因此，本领域中需要一种减少处理时间并提高加工的物品的质量和一致性的自动装饰雕刻方法。更具体地讲，需要一种最小化后加工处理的装饰雕刻方法。此外，本领域中需要一种用于基于单个三维模型生产多个大小等级和配置的装饰雕刻的方法。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种用于装饰品的基于表面的加工的方法。所述方法可包括检索装饰品的第一图形表示。此外，该方法可包括从第一图形表示推导装饰品的表面表示。表面表示可具有一个或多个片段。该方法还可包括为表面表示的每个片段推导工具路径，并产生对应于工具路径的给计算机数字控制机器的机器指令。可通过根据工具路径加工工件来获得装饰品。结合附图阅读，参考下述详细说明可以更好地理解本发明。

附图说明

将参照下述说明和附图更好地理解本文公开的各种实施例的这些和其它特征和优点。

图1是示出了根据本发明的一个实施例的用于装饰品的基于表面的加工的方法的步骤的流程图；

图2是作为表面片段的集合而被示出的示例性装饰品的透视图；

图3是示例性计算机系统的图；

图4是扫描根据本发明的一个实施例的装饰品的激光扫描装置的示意图；

图5是由激光扫描装置产生的点云的图形表示；以及

图6是点云和对应的表面表示的示例性示意图。

在整个附图和详细说明部分中，相同的附图标记被用于表示相同的元件。

具体实施方式

结合附图在下文中描述的详细说明是对本发明的当前优选实施例的描述，并不意在表示可被构造或使用的本发明的唯一形式。说明部分结合所示实施例描述了本发明的功能。然而，应当理解，相同或等同的功能可通过不同的实施例来完成，所述不同的实施例也意在包含在本发明的范围内。还应理解，例如第一和第二、上和下等关系术语的使用仅被用于区分一个实体和另一个实体，而非必须要求或暗示在这样的实体之间有任何实际的这样的关系或顺序。

参照图1的流程图和图2所示的示例性雕刻，根据本发明的一个方面的方法从检索装饰品2或枕梁的第一图形表示的步骤100开始。第一图形表示可以是装饰品2的三维模型或线条图，尽管可以在不偏离本发明的范围的情况下容易地替换成任何其它合适的形式。一般来说，检索第一图形表示的处理是指在如图3所示的计算机工作站20上产生如设计者构思的装饰品2的一个或多个绘图。

如上面的背景技术中简要指出的，可根据各种公知技术在计算机工作站20上创建如图3所示的装饰品2的三维模型34。仅通过示例而非限制，计算机工作站20可包括图形地显示由计算机24产生的数据的监视器或显示器22。计算机24被理解为响应经由鼠标26、键盘28和图形输入板30提供的输入。CAD操作者可使用显示器22和鼠标26或输入板30“画”线段、弧线和其它元素。

如图4所示，在可获得装饰品的预先存在的物理实施例3的情况下，与直接在计算机工作站20上准备模型34的更费时的任务相比，优选的方法是对其进行扫描。在扫描物理实施例3的装饰品2时，激光扫描仪32可扫过其表面。激光脉冲的飞行时间可用于确定从激光扫描仪32到反射激光的装饰品2上的每个点的距离Δ。在扫描时，由计算机工作站20产生表示装饰品2的物理边界的三维的点的点云36。在扫描之前，装饰品2、其大小和扫描仪32的位置的描述符可以被定义并输入计算机工作站20。在某些情况下，用消光材料来涂敷装饰品2的表面以提高激光扫描精度是有益的。

在获得点云36之后，由此表示的模型被处理，以提高将其变换为立体模型的效率。如在本文中所使用的，术语立体模型是指基于物理对象的体积特性的该对象的电子表示。在更常见的处理中，操作包括使数据点之间的过渡平滑和通过噪声减小来消除不相关数据点。本领域技术人员应理解：存在各种噪声减小技术，例如对点云数据应用高斯滤波器。在该技术中，包括高斯函数的掩码与点云34卷积。这导致了在值上与其相邻点更接近的各个点云数据点。然而，如进一步理解的，高斯滤波器噪声减小技术可模糊化点云34上的真实边缘。可替换地，可向点云34应用例如中值滤波器的非线性滤波器，由此将每个点与相邻点相比较来确定其强度。基于与这样的相邻点的比较来确定中值，并且将分析的特定点重新调整为中值。应理解该噪声减小技术对于从图像数据消除“椒盐噪声”是有用的，而不用模糊化来兼顾边缘的外观。

参照图6，然后可将点云34变换为多边形网格36。多边形网格36是一组多边形(例如三角形、四边形和/或定义三维对象的多个顶点)，并且是通过三角测量处理产生的。编辑该多边形网格模型，以在存在用于精确表示的数据不充足的情况下填充其中的任何孔。还验证并修补边界以产生连续的、不间断的表面，并且可调整控制点的数量以使多边形网格36的轮廓平滑。可以在立体光刻镶嵌(STL)文件中存储多边形网格36，如上所述，所述多边形网格36表示具有三角形片或面的立体对象。

如上所述，装饰品2的第一表示也可以是线条图38的形式。更具体地讲，线条图是指其中由直线和弧线来定义其边界的对象的图形表示。例如，如图3所示，可经由同样连接至计算机工作站20的扫描仪42对装饰品2的图片40或草图进行数字化，并将其作为两维图像存储在计算机工作站20上。从该图像，可产生两维数字化形式的对应于装饰品的边界的各种直线和弧线。

再参照图1，所述方法还包括从装饰品2的第一图形表示推导表面表示的步骤102。如在图2中最好地示出的，这样的表面表示将装饰品2定义为多个表面片段4。根据本发明的一个实施例，表面表示可以是非均匀有理B-样条(NURBS)表面。在获得了装饰品2的物理模型的扫描点的点云之后产生多边形网格的情况下，在表示装饰品的形状的布图中均匀地设置表面片。在保持所有片边界处的相切的连续性的同时，NURBS表面与每个片相配合。这涉及定义装饰品2的各个曲率，其中轮廓线是由曲率变化的数量确定的。模型被分为高曲率变化区和低曲率变化区，并且定义轮廓线。然后，NURBS表面被分割为四边形片或片段4。每一个片段4通过边界线或曲线6彼此相连接，并且如上所述被设置为覆盖装饰品2的整个表面。表示装饰品2的全部的NURBS表面可以是打开或关闭的，并且实质上包裹在装饰品2的功能部件周围。所得到的表面表示可以被输出为IGES(初始图形交换规范)文件、供应商中立数据格式。

可替换地，可从是线条图的装饰品2的第一表示推导表面表示。在这一点上，与上面提及的立体成型相反，可使用表面成型CAD应用。仅通过示例而非限制，可使用来自法国的Dassault Systems ofSuresnes的CATIA产品生命周期管理应用来产生表面表示。应当理解，CATIA应用根据NURBS定义各个表面。因此，在创建后，表面表示由一系列具有边缘线或曲线6的片断4组成。表面表示也被存储在IGES文件中。

再次参照图1的流程图，根据步骤103，该方法可继续对装饰品2的表面表示成比例或按比例进行缩放。如上所述，通常需要在保持一致的建筑主题的同时以各种大小构建相似形状的装饰品，以适应不同的使用。应理解，可在在完成的装饰品2上没有引入加工线或锯齿状加工标记的情况下，对表面表示进行按比例缩放，这导致较少的后加工处理。

仍然参照图1的流程图，该方法继续步骤104，其中从在步骤102中产生的并在步骤103中恰当地按比例缩放的表面表示推导工具路径。更具体地讲，根据步骤106产生表示装饰品2的G代码。如上所述，G代码是表示机床的移动的指令，并且由CNC机器进行处理。应当理解，尽管存在G代码语言的标准，但用于控制具体CNC机器的特定代码可广泛地改变。因此，如本文所使用的，G代码通常指引导CNC机器的操作的任何一组编程指令。

NURBS被理解为沿各个轮廓定义点，使得CNC机器可沿NURBS表面创建和定义的路径插入弧线，这导致高的加工精度和改进的表面修整。因为其被表示为NURBS表面，所以可以进行工具路径的更好的管理，并且可以产生与现有雕刻技术相比在速度和加工质量上高达25％的提高。将表面文件变换为工具路径的各种软件应用在本领域中是已知的，所述软件应用包括来自英国伯明翰的Delcam公司的PowerMill和ArtCAM。

参照图2，装饰品2是加工之前具有如示出的外形8的立体矩形块或工件。此外，装饰品2可包括从其延伸的一个或多个支持构件10。应当理解，支持构件10没有被定义为装饰品的一部分，并且由CNC机器用来在加工期间将工件保持在位置上。这样，支持构件10保持未加工。

如图1的流程图所示，根据本发明的一个方面的方法可包括基于产生的机器指令使用CNC机器加工工件108，以产生装饰品2。在完成加工后，可对装饰品2进行磨砂和修光，并且可应用各种表面处理，例如染色、涂漆、密封和涂绘。这样的后加工处理和其它类似的频繁使用的处理通常被称为修整步骤110。然而，期望由于从表面表示产生工具路径而导致的高精度加工，将限制这样的后加工处理，尤其是，磨砂和修光。

本文所示的详细内容通过示例表示，并且仅为了本发明的实施例的示范性讨论，并为了提供被认为是本发明的原理和概念方面的最有用和容易理解的描述而被呈现。在这一点上，没有试图比基础地理解本发明所需要的更详细地示出本发明的结构细节，结合附图的说明使得本领域技术人员清楚地理解如何可以在实践中实现本发明的多种形式。

Claims (13)

1.一种用于装饰品的基于表面的加工的方法，所述方法包括：

检索装饰品的第一图形表示；

从第一图形表示推导装饰品的表面表示，所述表面表示具有一个或多个相邻片段；

推导用于表面表示的每个片段的工具路径；以及

产生用于计算机数字控制机器的机器指令，所述机器指令对应于导出的工具路径。

2.如权利要求1所述的方法，其中工件定义了从其延伸的至少一个支持构件。

3.如权利要求1所述的方法，其中检索第一图形表示包括：

扫描装饰品的物理实施例；

产生表示装饰品的边界点的点云；以及

将点云变换为第一图形表示。

4.如权利要求1所述的方法，其中检索第一图形表示包括：

接收装饰品的三维体积表示；以及

将体积表示变换为第一图形表示。

5.如权利要求1所述的方法，其中检索第一图形表示包括：

接收表示装饰品的二维线条图；以及

将线条图变换为第一图形表示。

6.如权利要求1所述的方法，其中装饰雕刻的第一图形表示包含在立体光刻镶嵌文件中，所述方法还包括：

将立体光刻镶嵌文件变换为表面表示。

7.如权利要求1所述的方法，其中表面表示是非均匀有理B-样条(NURBS)表面。

8.如权利要求7所述的方法，其中NUBRS表面数据以可互换数据格式存储。

9.如权利要求1所述的方法，其中，在推导工具路径之前，所述方法还包括：

根据预定比率调整装饰品的表面表示的比例。

10.如权利要求1所述的方法，其中在G代码文件中定义工具路径。

11.如权利要求1所述的方法，还包括：

基于由机器指令表示的工具路径来加工工件，以产生装饰品。

12.如权利要求11所述的方法，还包括：

修整装饰品。

13.一种具有用于执行下述方法的计算机可执行指令的计算机可读介质，所述方法包括：

检索装饰品的第一图形表示；

从第一图形表示推导装饰品的表面表示，所述表面表示具有一个或多个相邻片段；

推导用于表面表示的每个片段的工具路径；以及

产生用于计算机数字控制机器的机器指令，所述机器指令对应于导出的工具路径。

Images