胡彥萍

(蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730060)

0 引 言

激光內(nèi)雕機是集精密機械、激光技術(shù)、電子技術(shù)、計算機等學(xué)科于一體的高科技設(shè)備[1]。激光雕刻是激光加工的一種先進(jìn)模式，它是利用激光對水晶等玻璃制品表面及內(nèi)部進(jìn)行文字和圖形雕刻的加工方法。激光要在水晶上雕刻，激光器所發(fā)激光的焦點能量密度必須大于使水晶破壞的閥值，才能使水晶瞬間破裂，在內(nèi)部產(chǎn)生極小的白點。因此，通過控制激光束在水晶中的焦點位置，就可以實現(xiàn)在不損傷水晶表面的情況下，在水晶內(nèi)部特定位置進(jìn)行打點，從而雕刻出預(yù)定的形狀，實現(xiàn)水晶的白色內(nèi)雕[2]。

1 激光內(nèi)雕加工原理

三維激光雕刻機是一個由計算機控制的可在水晶玻璃內(nèi)部雕刻出二維或三維圖形的系統(tǒng)，通過專用點云轉(zhuǎn)換軟件將二維或三維圖形轉(zhuǎn)換成點云數(shù)據(jù)，振鏡掃描器在計算機控制下高速擺動，同時工作臺進(jìn)行聯(lián)動運行，輸出激光在玻璃中掃描點的位置，從而完成點云圖像的激光內(nèi)雕加工[3]。圖1所示為五軸聯(lián)動激光內(nèi)雕機工作原理圖。

激光三維內(nèi)雕屬于選擇性激光雕刻技術(shù)，采用分層制作和層層疊加的技術(shù)途徑，如果按平面圖形在水晶內(nèi)部逐點雕刻出微小點，就可以形成二維圖像；如果計算機從圖像的三維幾何信息出發(fā)，通過對信息的離散化處理(切片分層)，將三維雕刻轉(zhuǎn)為二維雕刻，再在高度方向上堆集，就可以形成三維圖像，即激光內(nèi)雕機在工作過程中，沿著Z軸方向采用分層加工的方式完成三維點云的內(nèi)雕。

圖1 激光內(nèi)雕機工作原理圖

2 設(shè)備簡介

所述的教學(xué)設(shè)備是北京正天激光的ZT-532激光內(nèi)雕機。該設(shè)備采用半導(dǎo)體端泵激光器，最大雕刻范圍為320 mm×270 mm×100 mm，激光頻率為2 500 Hz，波長為 532 nm。該設(shè)備需要用到算點和打點兩種軟件：先將要雕刻的圖形文件(obj格式)導(dǎo)入到算點軟件(Calculate point)中進(jìn)行點云轉(zhuǎn)換，計算好點數(shù)后將文件保存成dxf格式，再將此點云文件導(dǎo)入打點軟件(Crystal Laser)中實現(xiàn)打點操作，激光內(nèi)雕機可以實現(xiàn)對玻璃、人造水晶等進(jìn)行內(nèi)部雕刻，雕刻速度快，圖像精美清晰。

3 激光內(nèi)雕加工過程

激光內(nèi)雕加工過程主要包括模型設(shè)計、生成點云圖和雕刻加工3個步驟。

(1) 模形設(shè)計

可以使用多種三維設(shè)計軟件進(jìn)行設(shè)計，如3dsMax、SolidWorks、UG等，采用3dsMax2020軟件進(jìn)行模型設(shè)計，設(shè)計完成后(見圖2)導(dǎo)出為激光內(nèi)雕機的算點軟件所能讀取的文件格式進(jìn)行保存，文件名為：狗.obj。

圖2 圖形設(shè)計完成

(2) 生成點云圖

首先打開算點軟件Calculate point，在基本設(shè)置中設(shè)置好水晶的尺寸，本例采用50mm×80mm×50mm的水晶進(jìn)行雕刻，即尺寸設(shè)置成X50，Y80，Z50，然后打開設(shè)計好的狗.obj文件，將其居中顯示，并切換各個視角觀察模型大小和水晶邊界，最后通過旋轉(zhuǎn)、縮放設(shè)置好模型的大小，要求模型在各個視角下都不能超出水晶邊界，如圖3所示。也可以在算點軟件中加入需要的文字，只要將文字調(diào)整到合適的大小和位置即可。

圖3 文件調(diào)整至合適大小和位置

接下來在窗口右側(cè)進(jìn)行如圖4所示的參數(shù)設(shè)置，然后點擊工具欄“鼠標(biāo)清零”進(jìn)行點云計算后，在下方狀態(tài)欄中會顯示此模型文件的圖形點數(shù)(見圖5)。最后將計算好的點云文件保存為:狗.dxf。

圖4 點云參數(shù)設(shè)置 圖5 算點完成

(3) 雕刻加工

首先將干凈的水晶放置在工作臺右上角(圖6，注意放置方向)，然后打開打點軟件Crystal Laser，復(fù)位后，導(dǎo)入狗.dxf文件，接著在右側(cè)設(shè)置好尺寸參數(shù)(X50，Y80，Z50)，將電壓調(diào)到10V左右，點擊“雕刻”，此時內(nèi)雕機將通過軟件控制和平臺移動進(jìn)行作品加工，加工好的工藝品如圖7所示。觀察加工后的水晶模型，視覺效果較好，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

圖6 放置水晶圖7 雕刻完成后 的工藝品

4 總 結(jié)

采用正向設(shè)計完成模型的設(shè)計，在實踐教學(xué)中也可以采用逆向設(shè)計的方法來獲得產(chǎn)品模型。通過采用不同的方法進(jìn)行激光內(nèi)雕作品的設(shè)計制作，可以使得學(xué)生深入了解激光的基本原理，掌握激光加工的完整工藝過程，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，拓寬學(xué)生的知識面和動手能力，培養(yǎng)學(xué)生的自主設(shè)計能力和工程實踐能力，對于學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的培養(yǎng)和職業(yè)素質(zhì)的提高都具有重要作用[4]。