電腦輔助立體雕刻技術與實作研究
周 明
國立聯合技術學院機械工程系
摘 要
浮雕加工技術廣泛應用於工業生產，特別是模具產業，傳統浮雕加工法為 利用一般加工機械進行粗加工然後再以人工方式進行精加工或修飾，此種方式 不但無法將設計者之設計概念完整、具體呈現，而且加工精密度較難控制，加 工耗費時日。
因應消費者對於產品求新求變的時代，產業界在產品設計上已經逐漸從粗 糙、簡單之造型趨向精密且藝術化之造型設計，所以，製造業必須建立加工複 雜曲面的能力，而且能夠將設計者之設計概念完整、具體、快速的製造完成；
目前國內在 CAD/CAM 之研究工作較著重於理論探討以及電腦模擬分析，在這 些研究基礎上，本研究則以實作研究為主，對於業界常用之材料進行切削振動 實驗，研究各種材料在高速雕刻加工時之振動訊號與共振頻率，整合電腦輔助 設計系統以及電腦輔助製造系統對於 CAD/CAM 較困難之加工技術進行實作 研究，特別針對三種不同方式所產生的設計圖檔進行浮雕加工研究，包括：電 腦輔助設計軟體直接設計浮雕物件、以逆向工程方式取得浮雕物件的設計圖 檔、以掃描器掃描照片產生設計圖檔（2D 影像轉換立體浮雕）。
關鍵詞：高精密立體雕刻機、電腦輔助設計、電腦輔助製造、逆向工程、共振 頻率。
A STUDY ON COMPUTER-AIDED 3D ENGRAVING TECHNOLOGY
Min Jou
Department of Mechanical Engineering Lienho Institute of Technology
Miaoli, Taiwan 360, R.O.C.
Key Words: engraving machine, CAD, CAM, reverse engineering, reso- nant frequency.
ABSTRACT
Engraving has a wide range of applications in industry, particularly in model design and production, such as electrodes for models, brand labels, etc. Traditional engraving involves rough machining followed by manual finish and decoration. Such a process cannot represent complete design concepts, also there are difficulty in controlling product precision and requirements for excessive time.
Driven by customers’ desires for ever-new and various products, the
industry has changed its product design from rougher, simpler geometry to
precise and artistic prototype design. Therefore, the manufacturing process
should also be capable of machining complicated surfaces that represent the design concepts completely, precisely, and rapidly. At present, domestic researchers in CAD/CAM have emphasized theoretical analysis and computer simulation. This study, based on these analyses, emphasizes application research by integrating CAD and CAM for difficult machining situations. Specifically, a study has been conducted on engraving according to graphic files designed using the following three methods: direct design of engraving bodies using CAD, graphic files produced from surface engraved objects through reverse engineering, and graphic files produced through scanning of photographs (3D engraving through transformation of 2D images).
㆒、簡 介
近年來消費者對於產品的需求漸趨多樣化，產品品質 與精密度要求逐漸提高，因此，產品生命週期日漸縮短，
在產品製造過程中，模具是製程中極為重要之機構，一但 產品變化，模具亦隨著更換，在整體製程中，模具是變化 性最大之機構。
面對產品設計趨向精密且藝術化，模具產業對於立體 雕刻加工技術之需求極為殷切，例如：各類模具之電極、
產品之商標……等等，有鑑於此，本研究整合電腦輔助設 計、電腦輔助製造以及高轉速 CNC 雕刻機等三大系統，
對於 CAD/CAM 較困難之加工技術進行實作研究，特別針 對三種不同方式所產生的設計圖檔進行浮雕加工研究，包 括：電腦輔助設計軟體直接設計浮雕物件、以逆向工程方 式取得浮雕物件的設計圖檔、以掃描器掃描照片產生設計 圖檔（2D 影像轉換立體浮雕）。
㆓、相關研究
目前國內在 CAD/CAM 之主要研究項目為：量測點資 料處理、曲面的建構以及加工曲面形狀誤差分析，在曲面 量測方面，國內學者林清安教授等 [1-4] 應用 RENISAW 掃描式桿頭以及雷射掃描方式針對複雜曲面進行一連串量 測實驗，實驗結果發現，複雜曲面量測之點資料除了資料 龐大外，點資料呈現混亂情況，點資料結構的良窳，攸關 最後所建立的 CAD 模型的品質，混亂的點資料非常不利 於 CAD 模型建立以及 CAM 加工；因此，點資料重整、點 資料排序以及點資料平滑化處理成為研究之主要項目，經 過不斷努力研究後 [1,3-6]，目前已經發展出成熟之技術處 理龐大、混亂複雜之點資料；在曲面建構技術上，最常被 採用之原理為 Bezier 與 NURBS，NURBS 除了有 Bezier 曲線優點外，其節點向量與加權數的應用，使得曲線以及 區域之控制較為良好，因此，目前曲面之建構技術大部分 以 NURBS 原理為主。
國內學者范光照教授等 [1,7] 發展出一套電腦輔助系
統進行加工曲面形狀誤差分析，如圖 1 所示，此套系統利 用最小平方法進行曲面形狀的疊合以求取量測曲面的最佳 形狀誤差，林清安教授等多位學者 [1,3-4,7-11] 整合量測 機器、CAD/CAM 以及發展誤差分析技術，建立一套逆向 工程系統如圖 2 所示。從以上分析瞭解，目前國內在 CAD/CAM 之研究工作較著重於理論探討以及電腦模擬分 析，在這些研究基礎上，本研究工作則以實作研究為主。
㆔、實作系統與實作成果
整體電腦輔助立體浮雕系統之硬體部份為：高精密 CNC 立體雕刻機，最高轉速 30000RPM；軟體部份為電腦 輔助製造 Alpha-CAM、立體浮雕設計 Type-III，整體系統 可應用於各式模具設計/製造，例如：鞋底模、產品 LOGO、
沖壓模、射出模、鐘錶零組件、電極加工以及金飾加工……
等等。
為了取得較佳之製造成果，在實作之前，對於業界常 用之材料（銅、鋁、中碳鋼、模具鋼）進行切削振動實驗，
量測資料 曲面資料設計
曲面建構 轉換
目標函數
最佳化
結束
圖 1 設計曲面與量測曲面比對流程[5]
CAM加工
曲面建構
點資料 前處理
誤差分析 原始模型
原始模型 點資料
加工完成件
加工完成 件點資料
放大器 工件
感應器 刀具切削方向
夾具
圖 2 逆向工程[1] 圖 3 切削振動訊號測量之相關硬體示意圖
圖 4 高速雕刻銅材之切削振動訊號 圖 5 高速雕刻銅材之切削振動訊號
研究各種材料在高速雕刻加工時之振動訊號，切削振動實 驗系統如圖 3 所示，運用資料擷取卡 DS1102 取得振動訊 號，採用 Matlab 軟體分析振動訊號，將振動測試的量測數 據（圖 4），圖 5 為振動訊號以加速度方式分析其振幅，圖 6 為振動訊號以 G 值方式分析其振幅，利用快速傅立葉轉 換（Fast Fourier Transform），求取在切削過程中振動訊號 的頻譜分布（圖 7），此轉換過程可將雜亂無章的時域（time domain）振動訊號，轉化為各種不同頻率訊號的合成，如 此，即可瞭解各種材料在切削過程中振動訊號在何種頻率 下其信號強度最強，此頻率可以被視為在切削情況下的共 振頻率（resonant frequency），在切削過程中避開共振頻 率，本實驗除了瞭解各種材料在切削過程中的共振頻率 外，實驗所得到的時域振動訊號及頻域分析結果將可用來 做為開發高速雕刻加工閉迴路控制系統的重要參考依據，
例如：自動調整刀具轉速及切削進給等自動控制功能。
本研究針對 CAD/CAM 較困難之瓶頸技術進行實作研
究，研究針對三種不同方式所產生的設計圖檔進行浮雕加 工研究，包括：電腦輔助設計軟體直接設計浮雕物件、以 逆向工程方式取得浮雕物件的設計圖檔、以掃描器掃描照 片產生設計圖檔。首先以電腦輔助設計軟體設計的錶殼電 極與人相圖案（圖 8），然後以電腦輔助製造軟體進行浮雕 加工模擬（圖 9），待確認浮雕加工之可行性後透過 DNC 連線進行立體雕刻加工（圖 10），圖 11 與圖 12 所示為以 此種流程所製造之成品。緊接著以接觸式自動量測機 PICZA（圖 13）掃描已有的物件，然後以逆向工程方式建 立 CAD 圖檔以及進行浮雕加工，圖 14 為加工完成的浮雕 成品。本研究最後一項實作計劃主要在探討如何將平面圖 片以高速雕刻機雕刻成為立體物件，因此，本研究以光學 掃描器（VUEGO 300F）掃描彩色照片產生 BMP 格式圖檔
（圖 15），然後分析掃描圖檔之雕刻加工方法與設定參 數，經過電腦輔助浮雕加工模擬（圖 16）後進行立體雕刻 加工，圖 17 為雕刻加工完成之浮雕成品。
測試結果 振動現象
Magnitude(m/sec
2)
Magnitude(volt)
Time (sec) Time (sec)
G 值
Magnitude(m/sec
2)
Frequency 頻譜分析
Magnitude(g=9.81m/sec
2)
Time(sec)
圖 6 高速雕刻銅材之切削振動訊號 圖 7 高速雕刻銅材之切削振動訊號
圖 8 電腦輔助設計
圖 9 電腦輔助製造
立體浮雕加工情況 產品 LOGO 雕刻加工
圖 10 高轉速 CNC 雕刻機
人像 CAD 圖案 完成之立體浮雕人像 圖 11 電腦輔助圖案設計及其浮雕成品
圖 12 浮雕成品
圖 13 接觸式掃瞄系統 圖 14 以逆向工程原理完成之浮雕成品
圖 15 掃瞄㆟像圖案 圖 16 電腦輔助浮雕模擬 圖 17 雕刻完成之㆟像
㆕、結 論
本研究整合電腦輔助設計、電腦輔助製造以及高轉速 CNC 雕刻機等三大系統，對於業界常用之材料（銅、鋁、
中碳鋼、模具鋼）進行切削振動實驗，取得各種材料在高 速雕刻加工時之振動訊號，瞭解各種材料在切削過程中的 共振頻率，實驗所得到的時域振動訊號及頻域分析結果更 可被用來做為開發高速雕刻加工閉迴路控制系統（例如：
自動調整刀具轉速及切削進給等自動控制功能）的重要回 饋訊號。
本研究更進一步針對三種不同方式所產生的設計圖檔 進行浮雕加工研究，包括：電腦輔助設計軟體直接設計浮 雕物件、以逆向工程方式取得浮雕物件的設計圖檔、以掃 描器掃描照片產生設計圖檔；以電腦輔助設計軟體設計的 浮雕物件，即使複雜曲面仍可獲得良好的加工成品；以逆 向工程方式取得浮雕物件的設計圖檔，加工結果之良窳取 決於量測點資料之處理技術，而以掃描器掃描照片產生設 計圖檔（2D 影像轉換立體浮雕）部份，2D 影像處理仍然 養賴少許人工編修技術，修飾完美方能得到良好浮雕成 品，在既有的軟硬體設備以及研究基礎上，未來將繼續朝 自動化影像處理技術方向研究。
㈤、致 謝
本研究感謝教育部專案補助 CAD/CAM 軟硬體設備，
並且承蒙財團法人聯合工商教育基金會提供研究經費（計 劃編號 88-0-B1-E1-01），特表致謝。
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