計算機數控技術在砂雕玻璃雕刻機中的應用

在分析砂雕玻璃傳統加工工藝技術的基礎上, 結合計算機圖形成像原理, 利用計算機數控技術實現了噴砂( sand- blasting) 雕刻玻璃加工的自動化, 為砂雕玻璃制品的生產提供了一種新的技術方法。并詳細介紹了數控砂雕玻璃加工的技術原理, 初步設計了機器的總體結構和數控系統的軟硬件結構, 舉例說明了該技術的實際加工應用效果。

前言

應用噴砂工藝雕刻的玻璃(簡稱砂雕玻璃) 制品集玻璃的實用性與藝術性為一體, 工藝簡單、價格低廉, 并且具有較高藝術品位的裝飾功能, 在居室建筑藝術裝潢、工藝美術、家具、標牌、燈飾、廣告、園藝和玻璃器皿等多種行業領域得到了廣泛的應用。

多年以來, 這種主要基于人工操作的裝飾玻璃制品機械加工方法, 至今仍然是各種裝飾玻璃冷加工中最流行的表面處理技術之一。

當前, 計算機數控技術( CNC)、計算機圖形、圖像處理技術和機電一體化技術已經得到高度發展和廣泛應用。本文介紹作者創新設計、研制的基于PC計算機數控技術的噴砂玻璃雕刻機系統, 嘗試將傳統的玻璃噴砂工藝方法與計算機數控技術結合, 為噴砂玻璃制品的數字化、自動化生產提供一種新技術, 并且給出了構成該系統的一些關鍵技術和實現方法。

1 噴砂玻璃傳統加工方法的分析

傳統噴砂工藝方法是使用壓縮空氣噴嘴噴射石英砂或金剛砂細微顆粒, 形成高速混合磨料氣體射流沖擊、蝕刻工件表面, 從而去除材料的一種特殊機械加工方法, 特別適用于對玻璃、石材等硬脆材料表面的裝飾性加工處理。砂雕玻璃的雕刻加工是在傳統噴砂工藝基礎上,用噴嘴將細微磨料以定向、高速氣流噴射到玻璃表面, 使玻璃表面產生交叉微裂紋并成細小的貝殼狀剝落下來, 因而玻璃表面呈現不透明或半透明的毛面。

由于玻璃毛面對光線有散射效應, 玻璃毛面的粗糙程度不同, 光線的散射效果也不同, 從而使玻璃表面產生層次分明、富有立體感的藝術圖案和文字。

砂雕玻璃傳統加工方法的工藝流程: 首先, 由人工在玻璃制品表面粘貼掩膜(不干膠紙); 然后參照樣本圖(或設計圖案), 用鉛筆在掩膜上臨摹描繪出雕刻圖案; 再用小刀依據描繪圖案鏤空刻制; 最后將粘貼有鏤空掩膜的玻璃制品安放到一個密閉的箱體容器內, 由人工手持連接有壓縮空氣、磨料管道的噴槍進行噴砂工藝處理, 在掩膜鏤空處噴射雕刻出較粗糙

的玻璃毛面, 而掩膜保護處仍然保持玻璃原有的光亮、透明面[ 1]。

由上述砂雕玻璃傳統加工方法的分析研究可知,砂雕玻璃表面的花紋圖案、文字、標記等, 均由粗糙的玻璃毛面與光亮、透明的玻璃表面組成。這些粗糙程度不同、不透明或半透明的砂雕玻璃毛面, 按照數字圖像學的觀點, 實質上是由高速運動的磨料顆粒沖擊、蝕刻出來的一系列密集像素點陣。因此, 用傳統噴砂工藝方法雕刻加工的玻璃藝術圖案, 與普通的黑白照片和計算機點陣式打印機打印到紙上的黑白圖像成像原理類似, 都是以密集點陣形式表現出來的二維平面圖像。

2 砂雕玻璃數控加工技術原理與工藝規劃

2.1 砂雕玻璃數控加工技術原理

由計算機圖形學可知, 圖像是由圖形元素, 即像素組成的二維矩陣。一幅圖像由許多個像素點組成,每個像素點包含著反映圖像在該點的明暗和顏色變化等信息, 在MSWINDOWS中這種圖像稱為位圖,任何字符和復雜的圖形都可以看作是由點集合而成的位圖圖像。因此, 可以通過像素點陣組成各種不同大小的字符和圖形[ 2]。

數控砂雕玻璃雕刻機采用配備氣壓磨料噴射雕刻頭裝置的二維機械運動機構, 噴射雕刻頭具有8個噴口, 8個噴口按均勻間隔、呈直線排列, 每個噴口的開、關工作狀態, 由一個氣動電磁閥控制。雕刻噴頭上的8個噴口分別與8個像素點的坐標位置對應, 每個噴口的開、關狀態與相應像素點的明暗信息對應。

根據掃描像素點陣形成圖像的原理, 首先應用圖像處理技術將準備雕刻到玻璃上的圖形、文字圖案等變換為W indow s位圖格式, 然后對轉換后的位圖進行二值化處理, 使之成為黑白二色圖像。再將已經二值化的位圖像素點陣按二進制字節數據格式重新組合,

使得每一字節中的8個二進制位( 0或1) 信息, 與噴頭上8個噴口的打開、關閉 工作狀態一一對應。

計算機數控雕刻機借鑒砂雕玻璃的傳統噴砂加工方法, 模仿點陣式打印機的掃描工作方式, 按照圖像的行列順序掃描像素點陣。由數控加工軟件控制雕刻噴頭的8個噴口, 在每個象素點的坐標位置上, 控制相應噴口噴射或者不噴射磨料氣流。在需要雕刻點的坐標位置, 噴口打開噴射出氣壓細微磨料流, 在玻璃表面沖擊、蝕刻出不透明的粗糙點;在不需要雕刻點的坐標位置, 噴口處于關閉狀態,即保持玻璃原有光亮、透明點。對整幅圖像的像素點陣反復循環掃描, 即可獲得由一系列明暗亮度不同的、密集像素點陣形式的砂雕玻璃圖案。雕刻圖像的像素點陣與雕刻頭噴口、圖像數據字節之間的對應關系如圖1所示。

圖1 像素點陣與雕刻噴頭、圖像數據字節對應關系

2.2 數控砂雕玻璃加工的工藝過程規劃

數控砂雕玻璃的加工工藝過程可以分為兩個步驟進行:

第一步, 進行數控雕刻加工數據的預處理。在W indows環境應用Photoshop等圖像處理軟件, 將需要雕刻到玻璃表面的圖形、以及文字圖像文件變換為W indows位圖格式, 然后對轉換后的圖像文件進行二值化處理, 使之變換為離散的二進制像素(點陣)矩陣, 利用由高級語言編程、開發的專用圖像數據處理軟件, 將每一像素點的明暗(  1 或 0 ) 信息

按點位坐標順序逐一讀取, 按二進制字節數據格式重新組合, 使得每一字節中的8個二進制位與噴頭上8個噴口的打開、關閉 工作狀態信息一一對應。

最后, 將重組處理的圖象數據文件, 直接傳送給下一步, 進行數控雕刻加工, 或者保存為雕刻數據文件待用。

第二步, 進行數控自動噴砂雕刻加工。計算機數控系統直接接收、或者打開讀取已經第一步處理過的雕刻數據文件, 按字節數據格式連續不斷地讀取出8位二進制信息。隨即數控系統給驅動X、Y 方向運動機構的步進電機以及控制8個噴口開、關狀態的氣動控制閥發出雕刻加工指令, 二維機械運動機構開始按行列順序進行等間距連續掃描。與此同時, 氣壓磨料雕刻噴頭根據像素點陣的行列坐標, 以及每個像素點的明暗信息, 在需要雕刻出像素點的位置上, 與之相對應的噴口立即打開, 噴射出高速磨料氣流, 在該坐標點位置沖擊、蝕刻出圖像點跡, 否則噴口關閉不作噴射。如此反復循環掃描, 直至整幅圖像的全部像素點陣掃描完成, 玻璃雕刻加工結束。

3 計算機數控砂雕玻璃雕刻機的結構

3.1 機械運動部件的結構

數控玻璃雕刻機的機械運動結構, 由步進電機、同步齒形帶、機座、工作臺、龍門架、圓柱型直線滾動導軌等機械部件組成。由X軸方向運動部件和Y軸方向運動部件構成二維機械運動系統( Z軸方向只作距離調整, 沒有運動), 為氣壓磨料噴射雕刻頭裝置提供X 軸與Y軸方向的運動, 用以實現雕刻噴頭的掃描雕刻加工。機械運動結構的布局

如圖2所示。

X軸方向的機械運動部件, 主要由龍門架、X軸步進電機、兩圓柱型直線滾動導軌、同步齒形帶及皮帶輪、X軸運動托架等零部件組成。步進電機作為驅動元件, 通過同步齒形帶將運動傳遞給與之連接的X軸運動托架, 從而使安裝在托架上的氣壓磨料噴射雕刻頭裝置得到X軸方向的運動。

Y軸方向的機械運動部件, 主要由Y 軸步進電機、兩圓柱型直線滾動導軌、同步齒形帶及皮帶輪、機床底座等零部件組成。由步進電機驅動, 通過同步齒形帶將運動傳遞給與之連接的龍門架, 從而使安裝在龍門架上的氣壓磨料噴射雕刻頭裝置得到Y 軸方向的運動。

3.2 開放式數控系統的方案選擇

隨著計算機技術的飛速發展, 采用PC微機開發開放式數控系統, 已經成為數控系統技術發展的潮流, 也是國內外開放式數控系統研究的一個熱點。當前, PC微機化的開放式數控系統有3種實現途徑。

( 1) PC 嵌入NC: 是將PC 板裝入CNC 內部,

PC與CNC之間用專用的總線連接。這類系統結構復雜、功能強大, 但價格昂貴。

( 2) NC 嵌入PC: 以通用微機為平臺, 以PC 機標準插件形式的開放式可編程運動控制器為控制核心, PC機與運動控制器構成主從式、上下位計算機控制模式。通用PC 機負責如數控程序編輯、人機界面管理等功能, 運動控制器負責機床的運動、邏輯等功能的實時控制任務。運動控制卡具有專用CPU, 無需占用PC機資源。

( 3) 純軟件NC: 完全使用軟件來完成加工中的實時控制任務, 用軟件取代NC硬件模塊, 通過接口卡對伺服驅動進行控制。由于不依賴于NC 硬件, 這種模式具有高度的靈活性和通用性, 但是由于PC 操作系統的實時性不強, 且NC模塊對軟件編制的要求很高, 因此目前只有一些大型廠家在進行研究[ 3] 。

基于上述分析, 在當前技術條件下選擇NC 嵌入PC的方式, 采用PC + 運動控制器模式, 進行砂雕玻璃雕刻機數控系統的開發。這種基于上、下位機的雙CPU 開放式的數控系統, 能充分發揮計算機處理速度快, 人機接口友好的特點, 具有較大的實用價值。

3.3 基于PC 的開放式數控系統硬件結構

基于PC + 運動控制器模式開發的開放式數控系統的硬件結構

原理如圖3 所示。

數控系統的主機為PC 機, 操作系統為W indow s 98/2000。運動控制器選用的是國產(深圳市雷賽機電技術開發有限公司) DMC1000 運動控制卡和( 臺灣研華公司) PCI- 1762數字輸入輸出控制卡作實時控制的下位機。

選用兩臺BYG 系列永磁感應式步進電機, 作二維機械運動機構的伺服驅動電機。

用作下位機的DMC1000與PCI- 1762卡均通過PC I總線方式與上位PC 機通訊, 卡上無需進行任何跳線設置, 所有資源自動配置; 對外接口均采用SISC型插頭、多芯高密度屏蔽電纜接線方式, 信號連接方便、緊湊, 提高了控制卡的可靠性和抗干擾能力; 在軟件方面都相應配備了W indow s98 /2000 /NT下的動態連接庫和功能豐富的函數庫, 支持用戶按照各自具體應用的特殊工藝要求, 自主編程和開發專門用途的開放式數控系統[ 4, 5] 。

DMC1000卡主要用于對X、Y軸兩個運動方向步進電機的控制, 它接受PC機主CPU 的指令, 處理所有運動控制的細節: 自動升降速計算、行程控制、脈沖和方向信號的輸出等, 完成雕刻機系統的運動控制。PC I- 1762卡主要用于氣動電磁閥、氣壓噴射雕刻頭裝置的開、關自控, 以及其它數字信息的輸入、輸出控制, 它一方面接受PC 機指令、完成自動雕刻加工任務, 同時兼顧對系統的輸出狀態、運動位置狀態、電氣開關狀態、壓縮空氣的壓力狀態和磨料盒的料位狀態、原點和限位開關等信號的檢測。并且, 將這些信息及時反饋給PC機, 完成雕刻機系統的各種實時控制任務。

3.4 砂雕玻璃雕刻機的數控系統軟件

在W indows 2000操作系統下用V isual Basic 60作為開發工具, 利用DMC1000和PC I- 1762卡提供的運動控制、數字輸入輸出控制函數庫和動態連接庫, 根據砂雕玻璃雕刻機系統的特定加工工藝要求,開發了一個基于PC機的開放式數控系統。

( 1) 數控系統軟件的人機界面

雕刻機數控系統軟件主要包括屏幕操作、參數設置和圖像顯示三大功能。

屏幕操作功能: 是用軟件把數控系統的硬件面板虛擬化, 實現急停、繼續、回原點、機床的手動運行、圖像數據文件的讀入、選取、保存等操作功能。

參數設置功能: 在玻璃雕刻加工時, 必須預先給控制系統輸入的相關工作參數和工作狀態選擇的確定。例如, 雕刻起始位置坐標、比例系數, 伺服電機的起始速度、驅動速度、加速時間, 以及控制機械運動機構進給量(步距) 的定量脈沖、間隔延時等參數的設置。

圖像顯示功能: 主要包括雕刻圖形預覽、屏幕仿真加工、雕刻軌跡實時動態跟蹤和故障報警等信息的顯示功能。數控系統的人機界面如圖4所示。

圖4 人機界面( 雕刻數據文件預覽狀態)

( 2) 屏幕仿真加工與動態軌跡實時跟蹤顯示應用計算機圖形學技術原理, 模擬數控雕刻機的

實際加工過程, 用VB語言編寫開發了計算機屏幕仿真加工和實時動態跟蹤顯示程序模塊。可以在玻璃雕刻加工之前, 預先在計算機屏幕上對玻璃雕刻圖案進行仿真加工, 以檢驗雕刻數據的正確性; 在數控玻璃雕刻機加工運行期間, 計算機屏幕跟蹤顯示雕刻噴頭的運動軌跡, 運動軌跡的圖像與實際加工過程始終保持對應關系, 操作者可以通過對計算機屏幕的觀察,

隨時了解雕刻機的實際加工進程、實時監控系統的工作狀態。這對于確保數控雕刻機的安全運行, 提高砂雕玻璃產品的加工質量, 避免產生廢品是十分必要的。

( 3) 數控雕刻加工軟件的基本流程

數控雕刻加工控制軟件的基本內容, 主要包括讀取雕刻數據文件、往復循環掃描象素點陣、噴口開、關 狀態控制、加工過程的仿真等。首先選擇、打開已經過象素點陣處理的專用圖像雕刻數據文件, 上位機( PC ) 分別給下位機( DMC1000、PC I1762控制卡) 發出驅動指令和各個雕刻噴口的開、關 控制指令, 開始按照像素點陣的行列次

序往復循環掃描, 直至全部象素點陣掃描結束, 自動返回雕刻機系統原點。

為了提高玻璃雕刻加工的效率, 數控玻璃雕刻機采用了8噴口雕刻頭裝置, 因此需要分別進行64行大循環和8行小循環的掃描運動, 并且沿X 方向的掃描, 采用雙向往復運動工作方式。數控玻璃雕刻加工軟件的基本流程如圖5所示。

4 數控砂雕玻璃加工實例

圖6所示是用上述數控砂雕玻璃雕刻機加工的一個實例。其中, ( a) 圖是一張用掃描儀獲取, 并且經過二值化、反色處理的普通圖片, ( b) 圖是根據( a) 圖所示原始圖片的位圖像素點陣數據, 用數控砂雕玻璃雕刻機雕刻加工的一件砂雕玻璃試驗樣品。

5 結語與展望

應用噴砂技術的砂雕玻璃傳統加工方法, 由于其生產設備簡單, 噴砂磨料產地廣、價格低廉, 因而在當前國內裝飾、裝潢玻璃加工市場上, 仍然十分流行。但是, 這種基于人工的生產工藝方法, 從掩膜的描繪、鏤刻到玻璃噴砂的整個過程, 主要依靠手工操作, 砂雕玻璃制品的圖案藝術效果與質量水平的高低, 完全取決于操作者個人的美學素養和技術水平,

玻璃的雕刻加工質量不易保證; 另外, 這種加工方法所采用的雕刻圖像素材, 主要來源于臨摹描繪樣本,而樣本圖案數量有限, 圖案內容單調、老化, 難以滿足用戶對玻璃雕刻圖案的多樣化、個性化、時尚化、精細化的要求。而且這種加工方法勞動強度大、生產周期長, 不適合大批量加工生產, 對環境的污染也比較嚴重。

計算機數控砂雕玻璃加工技術的優越性:

( 1) 圖像素材來源廣泛, 可通過掃描獲得、數字相機拍攝得到, 或者直接從大量的計算機圖像文件中選用, 而且可通過Photoshop 等流行數字圖像處理軟件進行任意的藝術處理。

( 2) 數控砂雕玻璃雕刻加工技術, 淘汰了在傳

統砂雕玻璃加工工藝中必不可少的掩膜制作工序, 簡化了噴砂玻璃的雕刻工藝過程, 實現了玻璃雕刻圖案的所見即所得。尤其, 由于噴砂玻璃的雕刻加工實現了數字化, 使得高雅絕倫的山水風景、人物字畫、圖案花邊、名人手跡、花草動物等藝術真跡的仿真雕刻, 變成相當方便和容易的事情。

( 3) 在數控砂雕玻璃的雕刻加工中, 耗氣量和耗砂量都很低, 不僅節能、節約磨料, 而且縮短了生產周期, 降低了工人的勞動強度, 有利于環境保護。

并且數控加工的速度優于手工方式, 數控加工的質量比較穩定, 能夠適應大批量加工生產的需要。

  隨著計算機數控砂雕玻璃加工技術的更加完善,今后可以進一步提高雕刻圖像的分辨率, 進而提高砂雕玻璃的圖像質量。由于玻璃制品的種類多、應用面廣, 因而計算機數控砂雕玻璃加工技術有很好的推廣應用價值和市場發展前景。