激光内雕实验指导书.pdf

激光内雕机实验指导书 中国科学技术大学 工程科学学院 精密机械与精密仪器系 2013 年 8 月 1 绪论 1.1 安全注意事项 1) 避免强激光对眼睛的伤害。 雕刻机产生的是极强的 532nm 的绿色激光。在没有保护的情况 下，其散射光长时间照射人的眼睛会对人眼造成损害。如果该激光直 射入人的眼睛，瞬间就可以造成人眼的永久性不可恢复性伤害。雕刻 机的门是用对 532nm 激光有较强衰减作用的材料做成，可以较为有效 保护眼睛。因此，在将雕刻机门关上之前，严禁雕刻机出激光。 2) 注意保护设备 细心操作，注意相机和内雕机设备安全。 1.2 实习目的 1) 通过实际操作实习，了解“激光内雕”和生产工艺和操作 流程，了解“激光内雕”系统基本组成、工作原理。 2) 学习 3DVision 和 3DCraft 两种软件的操作； 3) 鼓励学生进行模型创作，并将所创作的模型制作成激光内 雕作品 1.3 实习任务 1、 认识“激光内雕”系统组成，了解工作基本原理 2、 了解“激光内雕”工艺的主要应用 3、 实践学习立体照相 4、 学习 3DVISION 软件操作，完成以下 3 任务： 1） 、将 1 套照片合成、剪裁，并加入文字，转换为 dxf 文件； 2） 、将 1 张 360°模型进行编辑，转换为 dxf 文件； 3） 、将 1 张平面图形转换为 dxf 文件。 5、学习 3DCRAFT 软件，并从自己建立的 DXF 文件中选取一种， 雕刻成内雕作品 1.4 实验步骤和时间安排 “激光内雕”实习共 8 个课时，总计 360 分钟。 1 现场参观（40 分钟） 观察内雕作品，理解内雕概念及其工艺、用途。认识“激光内雕” 系统组成及其工作原理，认识安全注意事项。 1、 拍照（40 分钟） 每个同学拍一幅照片，并且在 3DVISION 软件平台上，将照片合 成并保存为*.3dv 文件，该文件名称以学生学号命名。用优盘拷贝该 文件，以便到计算机房进一步处理得到*.dxf 文件。 2、 在力三楼二楼机房，通过学习实验指导书，进一步了解“激 光内雕”工作原理、工艺及其应用（30 分钟） 3、 在机房，学习 3DVISION 软件（190 分钟） 3DVISION 软件是专门用来进行图形处理，最终生成 DXF 文件， 而 3DCRAFT 软件内雕机控制软件，可以控制内雕机，将 DXF 加工成激 光内雕产品。 文件中的图像分步完成立体相片、360°模型和平面图形的 DXF 文件制作，具体步骤参见 p？？ 4、 在机房，学习 3DCRAFT 基本操作（40 分钟） 5、 将需要雕刻 DXF 模型拷贝到优盘，到车间进行内雕制作。 （50 分钟） 2 2 激光内雕简介 2.1 应用简介 激光玻璃、水晶内雕技术是目前国际上较为先进、较为流行的玻 璃内雕刻加工方法，它是将脉冲 YAG 强激光倍频，输出波长 532nm 绿激光，在玻璃、水晶等内部聚焦，产生微米量级大小的汽化爆裂点， 通过计算机控制爆裂点在玻璃体内的空间位置，构成内部绚丽多姿的 立体图像。它适合于水晶玻璃、石英玻璃、光学玻璃、普通玻璃、钢 化玻璃内实现精细内雕。 激光水晶内雕技术主要用于在玻璃体内部雕刻立体图象,如花、 鸟、鱼、人、大自然美丽的风景及其它各种动植物。水晶良好光学性 能使雕刻画意玲珑，如在天空，如在水中。可广泛用于生产玻璃工艺 品、纪念品，以及装饰玻璃的内部和表面图案的精细雕刻。 水晶及玻璃内雕图案是用电脑控制的激光内雕机制作成的。其 实，通常见到的工艺品大多不是真正的水晶，而是人造水晶。“激光” 则是对人造水晶(也称“水晶玻璃”)进行“内雕”最有用的工具。采 用激光内雕技术，将平面或立体的图案“雕刻”在水晶玻璃的内部。 在水晶、玻璃等透明材料内雕刻平面或三维立体图案。可雕刻 2D/3D 人像、人名手脚印、奖杯等个性化礼品纪念品，也可批量生产 2D/3D 动物、植物、建筑、车、船、飞机等模型产品和 3D 场景展示。 2.2 加工原理 激光要能雕刻玻璃，它的能量密度必须大于使玻璃破坏的某一临 界值，或称阈值，而激光在某处的能量密度与它在该点光斑的大小有 关，同一束激光，光斑越小的地方产生的能量密度越大。这样，通过 适当聚焦，可以使激光的能量密度在进入玻璃及到达加工区之前低于 玻璃的破坏阈值，而在希望加工的区域则超过这一临界值，激光在极 短的时间内产生脉冲，其能量能够在瞬间使水晶受热破裂，从而产生 极小的白点，在玻璃内部雕出预定的形状，而玻璃或水晶的其余部分 则保持原样完好无损。 2.3 激光内雕机系统构成 激光内雕机是一种集激光技术、机械设计技术、计算机技术、电 子技术、三维控制技术、传动技术为一体的高科技设备。其系统组成 3 框图如下： 图 8 系统组成框图 目前常用有两种技术的激光内雕机： （1）采用半导体泵浦固体如 Nd-YAG(Nd: YAG 晶体称为掺钕钇铝 石榴石，其综合性能优异的激光晶体。激光波长 1064 nm，广泛用于 军事、工业和医疗等行业）的激光技术的内雕机。如用半导体激光二 极管( LD)或二极管阵列泵浦的固体激光器是目前激光发展的主要方 向之一，其泵浦效率高，具有较高雕刻速度，没有耗材，价格高。 （2）另一种是灯泵浦.灯泵浦激光内雕机采用氛灯泵浦 Nd-YAG 产生激光，其雕刻速度较慢，有耗材，需要两到二个月更换一只氛灯， 价格相对便宜。 激光内雕图 4 激光在焦点转化为热能后，形成的点云图案 扫描振镜 5 3 三维相机的使用 3.1 相机的组成 3.2 相机的工作流程图 在确认正确安装三脚架和三维相机后：首先打开相机电源，然后 使用拍摄键 A 打开内部相机，开始拍摄三维人像。将得到的的图片导 入 3Dvision 软件中进行数据处理，最后导出三维点云数据（DXF 数 6 据），进行三维人像数据雕刻。 3.3 相机的开机与关机 （1）开机：打开相机背面的电源开关，然后打开显示屏。注意： 就绪灯（OK）亮起后才可以拍摄照片。 （2）关机：首先按 A 键关闭内部相机（关闭后显示屏显示蓝屏） ， 然后关闭电源键来关闭三维相机。 3.4 相机拍照 1、按拍摄键 A 打开内部相机。 2、按拍摄键 B 拍照。 （1）拍摄前确认相机处于“就绪”状态，即就绪灯 (ok) 为绿 色； （2）观察显示屏：人处于两个半屏幕的中间位置； 7 （3）坐姿要求：1.摘掉眼镜 2.目视前方 3.后背贴紧背景 4.坐姿端正 （4）拍摄过程中两个闪光灯分别闪一次，获得两张相片（纹理 图和光栅图） 。 纹理图： 纹理闪光灯闪后相机获取到的图片，在软件建模时用 于建立表面纹理信息。 光栅图：光栅闪光灯闪后相机获取到的图片，在软件建模时用于 建立模型几何信息。 3、拍摄完成：显示屏显示光栅图后恢复视图； 就绪灯灭，约半分钟后等待灯闪烁，就绪灯亮，此时可进行下一 次取相。 4、获取拍摄照片： （1）使用 USB 连接电脑，提示消息出现后点取消。 （2）在“我的电脑”中找到相机标识并打开，找到到纹理图和 光栅图张图片，复制到电脑中。 8 4 3D Vision 软件的使用 4.1 3D Vision 软件应用及操作流程图： 注意： 1） 、水晶玻璃的尺寸：以上课老师发的水晶尺寸为准； 2） 、立体、平面模型图库文件夹地址：桌面 ； 3） 、水晶参数推荐设置： 立体肖像 文字 平面照片 360°立体模型 XY 平面点间距 0.08 0.08 0.08 0.15 Z 向点间距 0.1 0.08 0.08 0.15 层数 4 5 5 1 层间距 0.35 0.35 0.4 0 4）、操作过程中，边做边保存，以免软件发生意外“闪退”，数 据丢失； 5） 、注意体会模型缩放与视图缩放的区别； 9 6)、注意区分模型图与点云图的区别，点云图生成后点与点之间 距离已经确定，不可再对点云图进行缩放，否则会导致点云数据关系 紊乱，雕刻时易“打爆”。因此，在生成点云图之前用模型图整体布 局（位置、大小）后再生成点云图。 7） 、生成点云图前，先把当前命令选中在“移动”或“手形”状 态，不可选中“缩放”状态。否则生成点云图后易误动鼠标导致点云 图缩放，从而导致点云图生成失败或失效。 8） 、 “文件”—— “保存”（另存为）的文件格式是*.3dv,而“模 型”——“模型导出”的文件格式为*.dxf。 4.2 三维人像（180°）操作流程： 注意：以下（1）（2）步操作已在实践中心电脑上完成。 （1）三维人像建模 3D 建模——导入光栅、纹理图——模型增强——模型生成。 生成后首先点击“调整”。 10 （2）模型（合成图*.3dv）保存 11 注意：以上（1）（2）步操作在实践中心电脑上完成，完成后学 生将装有自己合成图的文件夹用 U 盘拷贝一份。 以下部分在力学三楼计算机机房电脑上完成。 （3）选择“点云”——“参数设置”，根据水晶尺寸及机器特 性设定参数。 。 12 这里的水晶尺寸 50×50×80 只是示例，实际以老师上课时给的 尺寸为准。 （4）模型（*.3dv）打开 13 （5）模型裁剪 选择“椭圆”工具，裁剪图片，椭圆——反向——删除——更新 ——调整——缩放——更新——曲线——右键——选择——多层— —删除——更新——调整——缩放——更新。 注意：缩放时，注意旋转视图查看确保模型始终在水晶框之外， 以免生成点云时水晶之外的图像被切掉。 白色框代表水晶大小 橙色框代表模型大小 方向键：模型沿 X 或者 Y 轴移动 Page Up\Page Down：模型沿 Z 轴移动 Ctrl+左键：视图旋转 Ctrl+方向键：模型绕 X 或者 Y 轴旋转 Ctrl+ Page Up\Page Down：模型绕 Z 轴旋转 更新：保存当前的操作 调整：自适应水晶框（白色）大小并居中 14 15 （6）转换成点云 3D 动态点云——修改层属性参数——应用——调整亮度、对比 度、伽马值——保存。 16 生成点云图后可以再修剪，但不能再“缩放”。 （7）点云图修剪 （8）对生成的点云图进行位置布局,但不可再“缩放” 。 方向键：模型沿 X 或者 Y 轴移动 Page Up\Page Down：模型沿 Z 轴移动 Ctrl+左键：视图旋转 17 Ctrl+方向键：模型绕 X 或者 Y 轴旋转 Ctrl+ Page Up\Page Down：模型绕 Z 轴旋转 4.3 输入文字操作流程 （1）选择“点云”——“参数设置”，根据水晶尺寸及机器特 性设定参数。 （2）文字输入 “点云”——“文字点云”，或者“静态点云”——文字。 18 （3）点云操作 输入文字（编辑栏）——字体——完成——明快、预览——确定。 注意：文字点云生成时，可用“字体”选项调整字体大小，即字 号，生成完后对话框中有“大小”选项，此时不能再点击“大小”选 项调整文字点云大小。 （4）对生成的点云图进行位置布局,但不可再“缩放” 。 方向键：模型沿 X 或者 Y 轴移动 Page Up\Page Down：模型沿 Z 轴移动 Ctrl+左键：视图旋转 Ctrl+方向键：模型绕 X 或者 Y 轴旋转 Ctrl+ Page Up\Page Down：模型绕 Z 轴旋转 19 4.4 平面图片操作流程 （1）选择“点云”——“参数设置”，根据水晶尺寸及机器特 性设定参数。 （2）选择“静态点云”——“图像”，打开平面图片。 20 21 （3）转化成点云图： 选择“明快”，调节好图像“大小” 、“亮度” 、“对比度”等后， 点击“预览” 。完成后点击“确定”来生成数据。 （4）对生成的点云图进行位置布局,但不可再“缩放” 。 方向键：模型沿 X 或者 Y 轴移动 Page Up\Page Down：模型沿 Z 轴移动 Ctrl+左键：视图旋转 Ctrl+方向键：模型绕 X 或者 Y 轴旋转 Ctrl+ Page Up\Page Down：模型绕 Z 轴旋转 4.5 立体(360°)模型操作流程 （1）参数设置： 选择“点云”-“参数设置” 根据水晶尺寸及机器特性设定参数。 22 （2）导入模型 23 （3）转化成点云 选择“静态点云”——明快、360°、预览——大小（调整大小 值，使“点云预览窗口”的点云图均在橙色框内）——预览——确定。 24 （4）对生成的点云图进行位置布局,但不可再“缩放” 。 方向键：模型沿 X 或者 Y 轴移动 Page Up\Page Down：模型沿 Z 轴移动 Ctrl+左键：视图旋转 Ctrl+方向键：模型绕 X 或者 Y 轴旋转 Ctrl+ Page Up\Page Down：模型绕 Z 轴旋转 4.5 点云图合并 先分别“更新”将要合并的点云图，然后选中两幅图（ctrl+） ——合并。 当编辑时某些命令（例如：合并、模型导出等）不可选时，请点 击“更新”后，便可选。 25 4.6 合并完成模型导出（*.dxf） 26 5 3D Craft 软件的使用 5.1 单次雕刻 （1）单次雕刻工件可以分为以下四个步骤： （2）导入数据 （第一次打开软件时需要进行“复位”） 打开雕刻软件，进入“文件”-“打开”选项，可导入前期处理 好的 DXF 数据文件进行雕刻。或单击鼠标左键导入数据文件。选择 数据文件后，等待片刻（等待时间的长短与文件的点数有关） ，待点 云图像数据在显示窗口中显示之后，表示数据已经导入完毕。 （3） 放置工件 将工件擦拭干净，并将其放在工作台左后角位置。俯视工件在工 作台面上的放置方式与工件框在显示器中的显示方式一致。 27 （4） 参数设置 首次雕刻一个工件，需要设置工件尺寸，在控制栏中的“雕刻编 辑”-“材料大小”中输入工件的长、宽、高值。然后点击“应用” 保存参数设置。 （5） 开始雕刻 首次雕刻时，需要点击“复位” ，工作台会自动移动到焦平面 的位置。点击“开始”按钮，开始进行雕刻。雕刻完成后，工作台会 自动恢复到初始位。 28