激光雕刻系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究

史盼盼，李洋，胡俊

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130021）

激光雕刻系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究

史盼盼，李洋，胡俊

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130021）

近年來，激光雕刻技術(shù)受到越來越多的關(guān)注，F(xiàn)PGA數(shù)據(jù)處理是激光雕刻系統(tǒng)中的重要部分，數(shù)據(jù)檢測(cè)提取負(fù)責(zé)雕刻中重要參數(shù)的提取，灰度功率匹配將灰度級(jí)和激光器輸出功率建立線性關(guān)系，使得雕刻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多灰度級(jí)的平滑雕刻。雕刻結(jié)果表明可以實(shí)現(xiàn)256級(jí)灰度雕刻，雕刻圖像具有層次感。

FPGA；激光雕刻；數(shù)據(jù)處理

近年來，激光雕刻技術(shù)受到越來越多的關(guān)注，它利用高能量密度的激光束將特殊處理的電子圖像雕刻到被加工物體的表面，進(jìn)而應(yīng)用到印刷、制版等各種領(lǐng)域［1］。數(shù)據(jù)處理是激光雕刻系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，數(shù)據(jù)的處理直接制約激光器能量的輸出，進(jìn)而影響雕刻出來的效果。

論述了基于FPGA的激光雕刻系統(tǒng)構(gòu)成，圖像數(shù)據(jù)通過USB2.0傳輸?shù)紽PGA主控系統(tǒng)，F(xiàn)PGA對(duì)接收后的數(shù)據(jù)進(jìn)行算法處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)CO2激光器的調(diào)制輸出，在被加工物體表面雕刻出期望圖像。主要研究了激光雕刻系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理及控制技術(shù)，包括數(shù)據(jù)檢測(cè)提取、像素灰度變換處理、灰度-功率匹配，對(duì)于改進(jìn)激光雕刻工藝具有重要意義。

1 激光雕刻系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)功能構(gòu)成如圖1：包含主控系統(tǒng)FPGA、緩存池SRAM、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)直線電機(jī)和功率設(shè)備激光器。

圖1 激光雕刻系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)控制核心是高速數(shù)據(jù)采集中最為關(guān)鍵的部分，本系統(tǒng)需要獨(dú)立的邏輯控制模塊實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集、處理、同步等控制，相較于嵌入式系統(tǒng)中控制核心，F(xiàn)PGA具有強(qiáng)大的并行處理數(shù)據(jù)能力［2］，因此本系統(tǒng)選擇FPGA作為系統(tǒng)控制核心。SRAM負(fù)責(zé)對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行乒乓操作緩存以實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的不間斷傳輸，保證雕刻持續(xù)進(jìn)行。雕刻途中對(duì)系統(tǒng)的平穩(wěn)性和精確性要求很高，直線電機(jī)具有極平穩(wěn)的運(yùn)行和極高的定位精度，并且沒有往返運(yùn)動(dòng)的間隙問題［3］，結(jié)合高精度光柵尺作為反饋系統(tǒng)，對(duì)雕刻圖像的細(xì)節(jié)部分重現(xiàn)有重要意義，因此本系統(tǒng)采用直線電機(jī)作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。行程開關(guān)是用于保護(hù)和機(jī)械零點(diǎn)。

將需要被雕刻的原始電子圖像通過專用軟件進(jìn)行相關(guān)的圖像處理，調(diào)整灰度級(jí)數(shù)使之與CO2激光器的能量輸出相匹配，達(dá)到最佳的工藝要求，經(jīng)上位機(jī)軟件將處理后的圖像轉(zhuǎn)換為用于雕刻的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)（這其中包含相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)和數(shù)據(jù)打包），數(shù)據(jù)流經(jīng)USB2.0模塊傳輸?shù)紽PGA主控系統(tǒng)，經(jīng)SRAM緩沖后進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理，提取倍頻因子和滾筒周長(zhǎng)等參數(shù)用于雕刻的實(shí)時(shí)控制，匹配灰度級(jí)數(shù)和激光器的能量輸出，將輸入的編碼器脈沖經(jīng)由數(shù)字頻率合成后調(diào)控圖像數(shù)據(jù)的下發(fā)傳輸以及直線電機(jī)的前行，在被雕刻物體表面雕刻出所期望的圖像。

2 激光雕刻系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

激光雕刻系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理包括兩個(gè)方面，數(shù)據(jù)檢測(cè)提取和灰度功率匹配，數(shù)據(jù)檢測(cè)提取實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)校驗(yàn)以及圖像數(shù)據(jù)流中滾筒周長(zhǎng)、倍頻因子等參數(shù)的提取；灰度功率匹配實(shí)現(xiàn)像素灰度值和激光輸出功率的匹配，每一級(jí)灰度都有相應(yīng)的輸出功率與之對(duì)應(yīng)。

2.1 數(shù)據(jù)檢測(cè)提取

圖2 數(shù)據(jù)處理過程

如圖2為FPGA主控系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的處理過程，共有八個(gè)模塊，分別為USB數(shù)據(jù)讀取模塊、前級(jí)FIFO、SRAM緩沖池控制模塊、后級(jí)FIFO、數(shù)據(jù)檢測(cè)模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、灰度能量匹配模塊和數(shù)據(jù)控制模塊。USB數(shù)據(jù)讀取模塊主要是用來對(duì)USB傳輸模塊的控制和讀取USB2.0傳輸來的16位數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)檢測(cè)模塊作用是檢測(cè)出圖像數(shù)據(jù)、倍頻因子、滾筒周長(zhǎng)以及版邊偏移量并傳送到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，然后經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配，匹配后的各參數(shù)傳輸給執(zhí)行模塊執(zhí)行相應(yīng)操作，圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)较袼鼗叶茸儞Q模塊進(jìn)行灰度變換，再傳輸?shù)交叶饶芰科ヅ淠K對(duì)激光器輸出功率進(jìn)行調(diào)制，同時(shí)將圖像像素?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)控制模塊，控制激光器的開閉，完成整個(gè)雕刻過程。

如圖3為數(shù)據(jù)檢測(cè)提取處理的流程圖，首先判定FIFO是否為空，為空則讀取SRAM數(shù)據(jù)到FIFO中，不為空則進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)提取，將提取的參數(shù)傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)PLC和變頻器，PLC根據(jù)參數(shù)控制光學(xué)平臺(tái)運(yùn)行至設(shè)定位置開始雕刻，變頻器根據(jù)參數(shù)控制膠輥電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。首先檢測(cè)數(shù)據(jù)頭“5555”和“AAAA”，如果檢測(cè)不到數(shù)據(jù)頭，則視本次數(shù)據(jù)為無效數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；檢測(cè)到數(shù)據(jù)頭后，接下來提取滾筒周長(zhǎng)和倍頻因子等參數(shù)，倍頻因子是6字節(jié)參數(shù)，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配，完成后將倍頻因子傳輸給變頻器。Data_ready_buf是圖像數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好標(biāo)志位，當(dāng)提取圖像數(shù)據(jù)完成時(shí)置位Data_ready_buf，開始調(diào)制輸出圖像數(shù)據(jù)，clr_ready_buf是圖像數(shù)據(jù)輸出完成信號(hào)，當(dāng)前數(shù)據(jù)輸出完成時(shí)置位clr_ready_buf，然后開始下一輪的提取檢測(cè)。

圖4 數(shù)據(jù)檢測(cè)仿真波形圖

系統(tǒng)使用SignalTap II進(jìn)行調(diào)試，選取的采樣時(shí)鐘信號(hào)為FPGA的時(shí)鐘信號(hào)，如圖4所示，正確檢測(cè)出數(shù)據(jù)頭、倍頻因子、滾筒周長(zhǎng)和版邊偏移量。

2.2 灰度-功率匹配

圖像可以提取出圖像像素和像素灰度兩個(gè)重要信息，提取出的圖像像素作為激光器的控制信號(hào)，控制著激光器的開閉，在被雕刻物體表面就表現(xiàn)出雕刻效果。而像素灰度是一個(gè)重要的參數(shù)，控制著雕刻深度。如圖5為圖像調(diào)制輸出原理圖。

目前，大多數(shù)激光圖像雕刻系統(tǒng)只能雕刻二值圖像（即黑白圖像）。對(duì)于多等級(jí)灰度圖像，先通過數(shù)字半色調(diào)算法（如有序抖動(dòng)法、誤差擴(kuò)散法以及迭代法等）將其轉(zhuǎn)換為二值圖像后，再進(jìn)行雕刻加工。這種系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)起來較為簡(jiǎn)單，只需在經(jīng)過圖像雕刻區(qū)時(shí)保持加工速度恒定，并根據(jù)二值圖中像素的像素值為0或1，控制激光器在相應(yīng)位置出光或不出光。它只能雕刻出黑白圖像，圖像層次感不強(qiáng)。即使通過增加激光加工點(diǎn)的方式可在視覺上實(shí)現(xiàn)多等級(jí)灰度圖像雕刻，但大大增加了計(jì)算量，也減短了激光器的使用壽命。

為了使雕刻結(jié)果能反映原圖像的層次和細(xì)節(jié)，可以通過調(diào)節(jié)激光器輸出功率的方式，進(jìn)行多等級(jí)（最多256級(jí)）灰度圖像雕刻加工［4］。這種方法需要設(shè)定256種激光器輸出功率，分別代表一個(gè)灰度等級(jí)，然后根據(jù)像素灰度值對(duì)應(yīng)的灰度等級(jí)來調(diào)節(jié)激光器輸出功率，從而產(chǎn)生深淺不一的焦斑。實(shí)際應(yīng)用中，將激光器輸出功率與灰度等級(jí)近似看作線性的關(guān)系。由于當(dāng)激光功率較小時(shí)，在材料表面無法產(chǎn)生焦斑或形成的焦斑不明顯，所以加工過程中激光器輸出功率應(yīng)在某個(gè)值以上進(jìn)行線性調(diào)節(jié)。采用這種方法進(jìn)行雕刻加工，所得圖像層次感較強(qiáng)。

圖5 圖像調(diào)制輸出

通常情況下，第j灰度級(jí)對(duì)應(yīng)的灰度值為Cgray[j]=255-jj=0,1,…,255。但是雕刻橡膠時(shí)，第j灰度級(jí)對(duì)應(yīng)的灰度值應(yīng)變成Cgray[j]=j j=0,1,…,255。如果保持灰度級(jí)與灰度值的對(duì)應(yīng)關(guān)系不變，那么必須將圖像進(jìn)行反相。實(shí)際應(yīng)用中，灰度級(jí)j和激光器的輸出功率Pj的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下式所示：

其中，q和k與加工材料有關(guān)。假設(shè)第255灰度級(jí)對(duì)應(yīng)激光器的最大輸出功率Pmax那么：

該系統(tǒng)采用占空比可調(diào)的125M脈沖調(diào)制激光器的輸出功率，其中激光器限制最大的輸出功率對(duì)應(yīng)的占空比為40%，則第j灰度級(jí)對(duì)應(yīng)的調(diào)制脈沖的占空比Mj應(yīng)該為：

灰度功率匹配的FPGA設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖6 灰度-功率匹配處理流程

其中CO2_En是CO2激光器的使能信號(hào)，當(dāng)CO2_En為1時(shí)激光器開啟，當(dāng)CO2_En為1時(shí)激光器關(guān)閉；Duty_cycle是CO2激光器的功率輸出調(diào)制信號(hào)，由灰度值和固定系數(shù)相乘得到，激光器的輸出功率受調(diào)制信號(hào)的占空比變化控制，當(dāng)占空比為0%時(shí)激光器輸出能量為0，激光器最大輸出功率為占空比40%，由激光器內(nèi)部限定。

3 實(shí)際雕刻效果分析

如圖7為灰度梯度雕刻測(cè)試結(jié)果，電子圖設(shè)計(jì)有灰度梯度變化，從實(shí)際雕刻效果來看，灰度的變化表現(xiàn)為激光燒蝕深度的變化，均勻變化的灰度在雕刻實(shí)物上表現(xiàn)為均勻平滑的坡度。

圖7 灰度梯度雕刻測(cè)試

如圖8為實(shí)際灰度圖像的雕刻效果，通過灰度功率的匹配，每一級(jí)灰度都有精確的激光器輸出功率與之對(duì)應(yīng)，這樣，在雕刻灰度圖像時(shí)就避免了因灰度級(jí)變化而產(chǎn)生的鋸齒現(xiàn)象，雕刻圖像層次感強(qiáng)，具有立體效果。

圖8 灰度圖像雕刻效果

4 結(jié)論

通過對(duì)激光雕刻系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理技術(shù)的詳細(xì)闡述，提出了一種適用于CO2激光器的灰度功率匹配算法，用于雕刻灰度圖像，通過調(diào)整灰度級(jí)-功率輸出匹配，可以實(shí)現(xiàn)256級(jí)灰度雕刻，在不同的被雕刻物表面雕刻出具有層次感的圖像，使激光雕刻技術(shù)不但在印刷柔版領(lǐng)域具有重要應(yīng)用，而且在雕刻藝術(shù)品領(lǐng)域也有重大應(yīng)用，對(duì)于推動(dòng)激光雕刻的發(fā)展具有重要意義。

［1］ 鄭錦生，陳松青.激光雕刻技術(shù)的發(fā)展［J］.機(jī)床與液壓，2006（8）：228-231.

［2］ 蔡兵.基于DSP和FPGA的激光加工控制系統(tǒng)研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2006.

［3］ 葉云岳.直線電機(jī)原理與應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000：1-28.

［4］ 李俊.基于嵌入式數(shù)控的激光切雕控制系統(tǒng)研究與開發(fā)［D］.成都：電子科技大學(xué)，2010.

［5］ 史盼盼.基于數(shù)字雕刻制版的圖像數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究［D］.長(zhǎng)春：長(zhǎng)春理工大學(xué)，2017.

Research on Image Data Processing and Transmission Technology in Laser Engraving System

SHI Panpan，LI Yang，HU Jun
（School of Electronic and Information Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

In recent years，more and more attention has been paid to the laser engraving technology.FPGA data processing is an important part of the laser engraving system，Data detection extraction is responsible for the extraction of important parameters in engraving.Gray power matching establish a linear relationship between the gray level and the laser output power，making the carving system to achieve multi-grayscale smooth carving.The results of the carving show that 256 grayscale engravings can be achieved，and the engraving images have a sense of hierarchy.

FPGA；laser engraving；data processing

TN919

A

1672-9870（2017）03-0071-04

2016-12-14

史盼盼（1990-），男，碩士研究生，E-mail：825421205@qq.com

李洋（1978-），女，博士，副教授，E-mail：lyang@cust.edu.cn