基于龍芯1C單片機的工藝葫蘆激光雕刻設備設計與研究

李新昌　郝傳柱

摘? 要：以龍芯1C300B為下位機控制器，Marlin開源固件，將激光雕刻技術、激光測距技術、圖像處理技術和嵌入式控制系統(tǒng)相結合，針對中國非遺傳承文化的烙畫葫蘆藝術，在雕刻葫蘆球體表面開展了球面激光雕刻裝置的設計和研究。設計出了便攜的工藝葫蘆球面激光雕刻機，具有操作簡單、效率高、失真率低的效果，可以實現(xiàn)在線調試控制，個性化定制需求。用現(xiàn)代科技傳承傳統(tǒng)烙畫工藝，用便捷新穎的方式和個性化的特點讓烙畫葫蘆走進大眾的視野。

關鍵詞：龍芯1C300B；球面激光雕刻機；結構設計；激光測距

中圖分類號：TN249? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）11-0160-04

Design and Research of Technological Gourd Laser Engraving Equipment Based on Loongson 1C Single-Chip Microcomputer

LI Xinchang， HAO Chuanzhu

（Shandong Huayu University of Technology， Dezhou? 253034， China）

Abstract： This paper takes Loongson 1C300B as the lower computer controller， Marlin as the open-source firmware， and combines laser engraving technology， laser ranging technology， image processing technology and embedded control system. the design and research of spherical laser engraving device has been carried out on the surface of the engraved gourd sphere for the pyrographic gourd art of Chinese intangible cultural heritage inheritance. A portable spherical laser engraving machine for technological gourd has been designed， which has the effect of simple operation， high efficiency and low distortion rate. It can realize online debugging control and personalized customization requirements. Inheriting traditional pyrography technology with modern science and technology and using convenient and novel ways and personalized characteristics could bring pyrography gourd into the public view.

Keywords： Loongson 1C300B; spherical laser engraving machine; structural design; laser ranging

0? 引? 言

葫蘆寓意健康長壽，象征富貴興旺，具有很高的觀賞意義和收藏價值。目前各地很多富有特色的烙畫葫蘆文化，被評上了各級非物質文化遺產名錄，以及現(xiàn)有的烙畫藝人也是獲得了非物質文化遺產烙畫葫蘆傳承人的稱號，經實踐調研發(fā)現(xiàn)烙畫工藝的傳承日益艱難且媒介傳播量不足，平面激光雕刻機對球面雕刻失真嚴重，而目前現(xiàn)有的葫蘆激光機雕刻原理采用固定兩軸同向差速旋轉使得自身不僅體積大而且價格昂貴，讓這些大型雕刻機停留在了工廠，無法走進大眾滿足大眾個性化雕刻的需求，其次手工烙畫不僅效率慢，雕刻的葫蘆工藝品價格讓普通大眾無法接受，使得烙畫葫蘆沒有得到推廣，應有的市場潛力沒有得到完全釋放。

我們歷經多地實踐調研、技術研發(fā)和生產實踐，最后實地調試，融合現(xiàn)代科技和傳統(tǒng)工藝，為了實現(xiàn)操作簡單、便于攜帶、效果逼真的精準激光雕刻，本文進行了工藝葫蘆激光雕刻機的設計與研究，做出樣機，且經過多次實驗證實，希望用現(xiàn)代科技帶動烙畫葫蘆浪潮。

1? 設計原理方案

激光具有能量集中、光譜特性窄的特性，本設計根據(jù)此特性針對葫蘆烙畫工藝，通過自動調節(jié)激光雕刻強度來實現(xiàn)對葫蘆表面的圖像烙畫。本設計系統(tǒng)主要由上位機控制軟件、球面激光雕刻機控制器和機械傳動結構組成，設計框圖如圖1所示。球面激光雕刻機利用我們研制的上位機軟件對輸入的圖像文字進行處理分析，并生成G代碼在線傳輸分析的數(shù)據(jù)，控制器使用了龍芯1C單片機作為主控板，通過串聯(lián)的降壓電路、步進電機驅動電路、激光驅動電路等集成電路，直接獲取上位機軟件的解析數(shù)據(jù)，并通過單片機運行控制算法實現(xiàn)了對雕刻機兩軸的步進電機旋轉速度和發(fā)射激光強度的控制，在控制激光頭模塊雕刻軌跡方面，還加入了基于圖像的掃描算法，不但提高了掃描速度，還防止出現(xiàn)遺漏情況。

2? 系統(tǒng)設計方案

2.1? 傳動裝置的結構設計

考慮到葫蘆的表面大體呈球面，該設計必須滿足葫蘆球面連續(xù)全方位雕刻，并且需要保證在雕刻工作中固定葫蘆，不能對葫蘆表面造成損傷和摩擦，本設計采用了地理上球體坐標系，利用經緯度坐標的原理確定球體某一點處，如圖2所示。搖臂旋轉保持位于葫蘆法線上進行300°以內的旋轉作為“經軸”，置物臺實現(xiàn)360°的自轉作為“緯軸”，具有體積小、精準傳動、傳動平穩(wěn)、慣性小等優(yōu)點。

2.2? 經軸傳動結構的設計

將微型攝像頭掛靠在激光頭一側固定在雕刻機搖臂上由緯軸步進電機通過同步帶傳動，搖臂旋轉中心對齊葫蘆表面進行300°以內的旋轉。激光頭置于經軸運動模塊頂端，底端固定在64齒被動輪上，被動輪通過放在側壁的驅動電機經過同步帶帶動搖臂動作。底座有驅動電機使能開關，放好被雕刻物后經過手動調整合適位置，撥動使能開關，經軸運動模塊固定在空中，激光頭對準雕刻物法線位置準備雕刻。

2.3? 緯軸傳動結構的設計

緯軸運動模塊放置于雕刻機底座上的64齒被動輪，通過16齒同步輪帶動64齒被動輪，實現(xiàn)置物臺自轉。為了減少機械應力給葫蘆帶來的損傷，將葫蘆放在由經軸步進電機帶傳動的內凹式的置物臺上，置物臺的高低可通過內扣旋珠來調節(jié)高低，另外要對葫蘆表面都進行雕刻所以置物臺要進行360°的自轉，要想防止葫蘆在雕刻中發(fā)生滑動，只需在置物臺中放入具有弱黏性的硅膠來起到防滑動的效果。

2.4? 整體結構效果

由控制器進行對電機的軌跡控制并實時接收測距變化調整激光強度，不同面兩軸互相配合實現(xiàn)球面的全方面雕刻，兩軸相互配合實現(xiàn)對雕刻點的精準捕捉，大幅度降低球面雕刻圖案失真。雕刻機三維建模如圖3所示。

2.5? 控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)使用MIPS架構的龍芯1號做主控，并可進行基于RT-Thread操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)研究。同時，在核心設計技術層面，和國內常見ARM體系結構芯片相比，其開發(fā)過程是有一定關聯(lián)性的。主板上集成部件豐富，并提供排針接口，可通過擴展板，完全適用于本設計的開發(fā)要求。

2.6? 激光測距自動聚焦

該系統(tǒng)通過相位式激光測距方式達到自動聚焦功能，對激光束進行幅度調制并測定調制光往返測線一次所產生的相位延遲，再根據(jù)調制光的波長，換算此相位延遲所代表的距離。即用間接方法測定出光經往返測線所需的時間，來計算目標到測試儀器的距離。根據(jù)反饋回來的距離變化完成激光對焦屬于主動對焦型的對焦方式，可以有效地降低雕刻失真度。激光測距流程如圖4所示。

2.7? 圖像對比反饋

由于不同葫蘆品種，它的皮質厚度硬度是有所不同的，通過開環(huán)控制系統(tǒng)的方式，將導入圖片打印到葫蘆上，可能會因為皮質不同出現(xiàn)雕刻程度淺或者雕刻程度深的現(xiàn)象，如果根據(jù)不同材質的葫蘆再臨時對激光強度進行調整，比較麻煩，而且參數(shù)也不好把握。本設計加入圖像反饋系統(tǒng)，利用OpenCV2和Python實現(xiàn)圖像對比，當?shù)窨躺系膱D案實時與導入圖像進行對比實現(xiàn)有反饋值的閉環(huán)控制系統(tǒng)，檢測出圖案清晰度不同的區(qū)域并分出大小，將小面積區(qū)域進行修補，美化圖案。

2.8? PC機軟件設計

我們開發(fā)了雕刻機專用控制上位機并已授權，實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。它是對一種激光雕刻機的上位機控制設備的數(shù)字化控制操作的綜合管理軟件。對精確的雕刻加工控制的不同參數(shù)進行設定，應用雕刻區(qū)域的參數(shù)進行精確的設定及信息管理，在此軟件中可以對不同類目的加工控制進行管理和數(shù)據(jù)設定。操作者可以看到如下管理功能數(shù)據(jù)設定參數(shù)項：雕刻面積預定位（如圖5所示）、優(yōu)化路徑設置、雕刻參數(shù)設置的屬性參數(shù)項等。上位機進行圖像處理生成雕刻刀路指令，自動調整點距大小和雕刻精度，操作人員可選擇不同的雕刻風格和字體，同時針對不同材質或同種材質不同雕刻需求。上位機操作界面如圖6所示。

2.9? 雕刻運算處理設計

采用Marlin可以驅動主控板并且讀出傳輸進來的中間雕刻指令、控制電機驅動板驅動步進電機、讀取內存卡打印信息等，3D打印固件有許多，Marlin內容最為健全，使用也會復雜一些。使用Gcode控制IO指令，Gcode是數(shù)控機床等工控控制使用范圍較廣的一種指令協(xié)議。本設計完成了Marlin固件在龍芯1C開發(fā)板上的移植以及相關固件的配置，由于調試的機械是一個兩軸的，calculate_delta也經過計算所得。Marlin固件的功能結構主要有顯示、通信、控制、自動調平。通信部分主要采用Wi-Fi通信獲取G代碼，進行字符串處理解析G代碼，控制是核心部分，其中有運動規(guī)劃，包括梯形加減速算法和S形加減速算法，另外步進控制采用Bresenham畫線算法，溫度控制采用PID控制算法。最后是自動調平部分，針對球面雕刻，只需要選取捕捉到的圓心，首先通過激光發(fā)生器去探測多個位置點，找出最短距離并認定為球面圓心作為基點。

2.10? 電機與驅動機構設計

本方案采用的是市面上常見的兩相四線制的步進電機（高23 mm帶800 mmXH2.54線D字軸）。一方面步進電機和伺服電機可以實現(xiàn)相同的功能作用，步進電機的價格要低于伺服電機，另一方面相比伺服電機來講，步進電機的精準度可以通過自定義的步距角做出適當?shù)恼{整，可以有多種不同的細分擋位，沒有旋轉角度的限制。另外步進電機一般沒有過載能力，而伺服電機是恒力輸出的。所以選擇了42步進電機作為本系統(tǒng)的驅動電機，最大電流支持1.5 A，額定電壓在3.3 V，制動扭矩為2.6 N·cm，轉子的力矩為68 g·cm2，符合產品的各種需求。

在電機驅動部分采用了A4988驅動步進電機，使用龍芯1C通過A4988控制步進電機的時候，為了保護電機驅動板又單獨加上了一個點解電解電容。另外需要注意的是A4988的V參考電壓調節(jié)，需要將該值調整到合適的電壓大小，否則會對使用的步進電機造成危害，調節(jié)的方法是旋轉電機驅動板上的電位器旋鈕，并用電壓表讀出變化數(shù)值。

3? 操作流程

上位機初始化開始與雕刻機進行連接，將導入的圖片或者文字進行灰度轉換、二值化、邊緣檢測等圖像計算，生成不同風格的雕刻圖像，選擇后生成Gcode代碼。通過上位機分析圖像大小可進行在線預雕刻面調試，直至預雕刻面合適，通過攝像頭測量反饋檢測到物體中心并鎖定，比對雕刻效果圖和原圖，當部分面積不同于大面積雕刻深度，將小部分雕刻面積進行修補調整，使其雕刻效果更加精美。控制板通過將接收到的G代碼解析成運動指令，控制兩軸的運動軌跡，啟動激光模塊默認弱光狀態(tài)，等待開始雕刻指令調整到強光狀態(tài)進行正式雕刻，同時通過激光測距根據(jù)距離變化調整激光頭到雕刻面的距離，達到自動聚焦的效果，等待雕刻完成后，攝像頭開始采集圖片進行比對處理并修補調整，至此雕刻完畢，工作流程如圖7所示。

4? 樣機制作及實驗結果

我們從實地調研、設備組裝、程序開發(fā)、產品調試、產品優(yōu)化討論、融合現(xiàn)代科技和傳統(tǒng)工藝做出了針對烙畫葫蘆球面激光雕刻機，如圖8所示，用現(xiàn)代科技帶動烙畫葫蘆浪潮，并且我們帶領團隊多次到景區(qū)、商城、廣場等公共場所進行公開的產品演示，短時間內可以滿足路人的定制需求，普通的種植葫蘆經過雕刻加工瞬間成為人們對美好未來的期盼和祝福的載體，驗證了該產品正常工作對環(huán)境的要求不高。本設計實現(xiàn)四大創(chuàng)新：一是自主設計“經緯軸”雕刻技術，置物臺帶動雕刻物360°自轉，激光頭針對雕刻物進行上下150°圓周運動；二是利用激光感應測距自動聚焦激光感應測距智能調整激光頭到雕刻物體的距離，以降低雕刻失真率；三是采用激光波段切換技術，針對不同的材質或同種材質不同雕刻需求，選用不同的激光強度；四是開發(fā)雕刻機專用控制上位機，實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。與現(xiàn)有雕刻機相比大大降低了雕刻失真率，且烙畫同樣復雜的圖案效率是人工的12倍，采用無線通信技術實現(xiàn)手機APP離線控制，可以根據(jù)客戶的自定義圖案來滿足消費者對個性化定制的需求。效果圖如圖9所示。

5? 結? 論

文章以葫蘆雕刻為例，提出了一種針對球面雕刻的設計方案，通過經緯軸設計代替常用的XY軸平面雕刻可以實現(xiàn)無機械應力，并通過激光測距實時檢測雕刻面距離變化，調整激光頭到雕刻面的距離來降低失真率，并通過圖像檢測反饋處理使雕刻圖案更完整精美，相對于其他雕刻機，不僅降低了成本和失真度，而且體積小巧，便于攜帶，操作簡單，一鍵導入圖片，使機器能夠走到人群中，滿足個性化定制要求，使原來普通的種植葫蘆搖身一變成為具有紀念意義的文玩葫蘆，不僅拓寬了葫蘆的銷售渠道，帶動了葫蘆的種植推廣，還促進了烙畫葫蘆的傳承發(fā)展。通過多次不同葫蘆材質的雕刻實驗，發(fā)現(xiàn)雕刻機運行穩(wěn)定、紋路清晰、數(shù)據(jù)傳輸正常，且雕刻圖案相比其他平面雕刻機失真度明顯有所降低，證明了該設計方案的可行性和實用性，具有一定的研究意義。

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作者簡介：李新昌（2000.09—），男，漢族，山東菏澤人，本科在讀，研究方向：機器人工程；郝傳柱（1983.04—），男，漢族，山東聊城人，副教授，工程師，本科，研究方向：自動化、控制工程。

收稿日期：2023-01-06

基金項目：2022年山東省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃平臺申報項目（S202213857008X）