基于龙芯1C单片机的工艺葫芦激光雕刻设备设计与研究_李新昌.pdf

2023 年 6 月 10 日第 7 卷 第 11 期现代信息科技Modern Information TechnologyJun.2023 Vol.7 No.111601602023.062023.06收稿日期：2023-01-06基金项目：2022 年山东省大学生创新创业训练计划平台申报项目（S202213857008X）基于龙芯 1C 单片机的工艺葫芦激光雕刻设备设计与研究李新昌，郝传柱（山东华宇工学院，山东 德州 253034）摘 要：以龙芯 1C300B 为下位机控制器，Marlin 开源固件，将激光雕刻技术、激光测距技术、图像处理技术和嵌入式控制系统相结合，针对中国非遗传承文化的烙画葫芦艺术，在雕刻葫芦球体表面开展了球面激光雕刻装置的设计和研究。设计出了便携的工艺葫芦球面激光雕刻机，具有操作简单、效率高、失真率低的效果，可以实现在线调试控制，个性化定制需求。用现代科技传承传统烙画工艺，用便捷新颖的方式和个性化的特点让烙画葫芦走进大众的视野。关键词：龙芯 1C300B；球面激光雕刻机；结构设计；激光测距中图分类号：TN249 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2023）11-0160-04Design and Research of Technological Gourd Laser Engraving Equipment Based on Loongson 1C Single-Chip MicrocomputerLI 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 ranging0 引 言葫芦寓意健康长寿，象征富贵兴旺，具有很高的观赏意义和收藏价值。目前各地很多富有特色的烙画葫芦文化，被评上了各级非物质文化遗产名录，以及现有的烙画艺人也是获得了非物质文化遗产烙画葫芦传承人的称号，经实践调研发现烙画工艺的传承日益艰难且媒介传播量不足，平面激光雕刻机对球面雕刻失真严重，而目前现有的葫芦激光机雕刻原理采用固定两轴同向差速旋转使得自身不仅体积大而且价格昂贵，让这些大型雕刻机停留在了工厂，无法走进大众满足大众个性化雕刻的需求，其次手工烙画不仅效率慢，雕刻的葫芦工艺品价格让普通大众无法接受，使得烙画葫芦没有得到推广，应有的市场潜力没有得到完全释放。我们历经多地实践调研、技术研发和生产实践，最后实地调试，融合现代科技和传统工艺，为了实现操作简单、便于携带、效果逼真的精准激光雕刻，本文进行了工艺葫芦激DOI:10.19850/ki.2096-4706.2023.11.036光雕刻机的设计与研究，做出样机，且经过多次实验证实，希望用现代科技带动烙画葫芦浪潮。1 设计原理方案激光具有能量集中、光谱特性窄的特性，本设计根据此特性针对葫芦烙画工艺，通过自动调节激光雕刻强度来实现对葫芦表面的图像烙画。本设计系统主要由上位机控制软件、球面激光雕刻机控制器和机械传动结构组成，设计框图如图1 所示。球面激光雕刻机利用我们研制的上位机软件对输入的图像文字进行处理分析，并生成 G 代码在线传输分析的数据，控制器使用了龙芯 1C 单片机作为主控板，通过串联的降压电路、步进电机驱动电路、激光驱动电路等集成电路，直接获取上位机软件的解析数据，并通过单片机运行控制算法实现了对雕刻机两轴的步进电机旋转速度和发射激光强度的控制，在控制激光头模块雕刻轨迹方面，还加入了基于图像的扫描算法，不但提高了扫描速度，还防止出现遗漏情况。2 系统设计方案2.1 传动装置的结构设计考虑到葫芦的表面大体呈球面，该设计必须满足葫芦球1611612023.062023.06第 11期面连续全方位雕刻，并且需要保证在雕刻工作中固定葫芦，不能对葫芦表面造成损伤和摩擦，本设计采用了地理上球体坐标系，利用经纬度坐标的原理确定球体某一点处，如图 2所示。摇臂旋转保持位于葫芦法线上进行 300 以内的旋转作为“经轴”，置物台实现 360 的自转作为“纬轴”，具有体积小、精准传动、传动平稳、惯性小等优点。图形处理 G代码 在线控制 图像校正上位机无线数据传输下位机智龙开发板 V3.0Marlin开源固件控制主板已授权软著软件数控插补电机控制激光控制视觉测距控制图像测量反馈纬轴步进电机Wi-Fi模块USB转串口机械传动结构模块经轴步进电机大功率MOS管激光管激光反射系统激光模块葫芦使能开关图 1 设计系统框图图 2 经纬对照图2.2 经轴传动结构的设计将微型摄像头挂靠在激光头一侧固定在雕刻机摇臂上由纬轴步进电机通过同步带传动，摇臂旋转中心对齐葫芦表面进行 300 以内的旋转。激光头置于经轴运动模块顶端，底端固定在 64 齿被动轮上，被动轮通过放在侧壁的驱动电机经过同步带带动摇臂动作。底座有驱动电机使能开关，放好被雕刻物后经过手动调整合适位置，拨动使能开关，经轴运动模块固定在空中，激光头对准雕刻物法线位置准备雕刻。2.3 纬轴传动结构的设计纬轴运动模块放置于雕刻机底座上的 64 齿被动轮，通过 16 齿同步轮带动 64 齿被动轮，实现置物台自转。为了减少机械应力给葫芦带来的损伤，将葫芦放在由经轴步进电机带传动的内凹式的置物台上，置物台的高低可通过内扣旋珠来调节高低，另外要对葫芦表面都进行雕刻所以置物台要进行 360 的自转，要想防止葫芦在雕刻中发生滑动，只需在置物台中放入具有弱黏性的硅胶来起到防滑动的效果。2.4 整体结构效果由控制器进行对电机的轨迹控制并实时接收测距变化调整激光强度，不同面两轴互相配合实现球面的全方面雕刻，两轴相互配合实现对雕刻点的精准捕捉，大幅度降低球面雕刻图案失真。雕刻机三维建模如图 3 所示。图 3 雕刻机 3D 图2.5 控制系统该系统使用 MIPS 架构的龙芯 1 号做主控，并可进行基于 RT-Thread 操作系统的嵌入式系统研究。同时，在核心设计技术层面，和国内常见 ARM 体系结构芯片相比，其开发过程是有一定关联性的。主板上集成部件丰富，并提供排针接口，可通过扩展板，完全适用于本设计的开发要求。2.6 激光测距自动聚焦该系统通过相位式激光测距方式达到自动聚焦功能，对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离。即用间接方法测定出光经往返测线所需的时间，来计算目标到测试仪器的距离。根据反馈回来的距离变化完成激光对焦属于主动对焦型的对焦方式，可以有效地降低雕刻失真度。激光测距流程如图 4 所示。2.7 图像对比反馈由于不同葫芦品种，它的皮质厚度硬度是有所不同的，通过开环控制系统的方式，将导入图片打印到葫芦上，可能会因为皮质不同出现雕刻程度浅或者雕刻程度深的现象，如李新昌，等：基于龙芯 1C 单片机的工艺葫芦激光雕刻设备设计与研究1621622023.062023.06第 11期现代信息科技果根据不同材质的葫芦再临时对激光强度进行调整，比较麻烦，而且参数也不好把握。本设计加入图像反馈系统，利用OpenCV2 和 Python 实现图像对比，当雕刻上的图案实时与导入图像进行对比实现有反馈值的闭环控制系统，检测出图案清晰度不同的区域并分出大小，将小面积区域进行修补，美化图案。激光发射激光接受脉冲信号回波信号L信号处理计时电路目标图 4 激光测距流程图2.8 PC 机软件设计我们开发了雕刻机专用控制上位机并已授权，实现无线数据传输。它是对一种激光雕刻机的上位机控制设备的数字化控制操作的综合管理软件。对精确的雕刻加工控制的不同参数进行设定，应用雕刻区域的参数进行精确的设定及信息管理，在此软件中可以对不同类目的加工控制进行管理和数据设定。操作者可以看到如下管理功能数据设定参数项：雕刻面积预定位（如图 5 所示）、优化路径设置、雕刻参数设置的属性参数项等。上位机进行图像处理生成雕刻刀路指令，自动调整点距大小和雕刻精度，操作人员可选择不同的雕刻风格和字体，同时针对不同材质或同种材质不同雕刻需求。上位机操作界面如图 6 所示。6543210-1-2-3-3 -2 -1 0 1 2 3-3 -2 -1 0 1 2 3图 5 预雕刻区域面积图 6 电脑上位机操作界面2.9 雕刻运算处理设计采用 Marlin 可以驱动主控板并且读出传输进来的中间雕刻指令、控制电机驱动板驱动步进电机、读取内存卡打印信息等，3D 打印固件有许多，Marlin 内容最为健全，使用也会复杂一些。使用 Gcode 控制 IO 指令，Gcode 是数控机床等工控控制使用范围较广的一种指令协议。本设计完成了Marlin固件在龙芯1C开发板上的移植以及相关固件的配置，由于调试的机械是一个两轴的，calculate_delta 也经过计算所得。Marlin 固件的功能结构主要有显示、通信、控制、自动调平。通信部分主要采用 Wi-Fi 通信获取 G 代码，进行字符串处理解析 G 代码，控制是核心部分，其中有运动规划，包括梯形加减速算法和 S 形加减速算法，另外步进控制采用Bresenham 画线算法，温度控制采用 PID 控制算法。最后是自动调平部分，针对球面雕刻，只需要选取捕捉到的圆心，首先通过激光发生器去探测多个位置点，找出最短距离并认定为球面圆心作为基点。2.10 电机与驱动机构设计本方案采用的是市面上常见的两相四线制的步进电机（高 23 mm 带 800 mmXH2.54 线 D 字轴）。一方面步进电机和伺服电机可以实现相同的功能作用，步进电机的价格要低于伺服电机，另一方面相比伺服电机来讲，步进电机的精准度可以通过自定义的步距角做出适当的调整，可以有多种不同的细分挡位，没有旋转角度的限制。另外步进电机一般没有过载能力，而伺服电机是恒力输出的。所以选择了 42步进电机作为本系统的驱动电机，最大电流支持 1.5 A，额定电压在 3.3 V，制动扭矩为 2.6 Ncm，转子的力矩为 68 gcm2，符合产品的各种需求。在电机驱动部分采用了 A4988 驱动步进电机，使用龙芯 1C 通过 A4988 控制步进电机的时候，为了保护电机驱动板又单独加上了一个点解电解电容。另外需要注意的是A4988 的 V 参考电压调节，需要将该值调整到合适的电压大小，否则会对使用的步进电机造成危害，调节的方法是旋转电机驱动板上的电位器旋钮，并用电压表读出变化数值。3 操作流程上位机初始化开始与雕刻机进行连接，将导入的图片或者文字进行灰度转换、二值化、边缘检测等图像计算，生成不同风格的雕刻图像，选择后生成 Gcode 代码。通过上位机分析图像大小可进行在线预雕刻面调试，直至预雕刻面合适，通过摄像头测量反馈检测到物体中心并锁定，比对雕刻效果图和原图，当部分面积不同于大面积雕刻深度，将小部分雕刻面积进行修补调整，使其雕刻效果更加精美。控制板通过将接收到的 G 代码解析成运动指令，控制两轴的运动轨迹，启动激光模块默认弱光状态，等待开始雕刻指令调整到强光状态进行正式雕刻，同时通过激光测距根据距离变化调整激光头到雕刻面的距离，达到自动聚焦的效果，等待雕刻完成后，摄像头开始采集图片进行比对处理并修补调整，至此雕刻完毕，工作流程如图 7 所示。1631632023.062023.06第 11期导入雕刻信息上位机图像处理控制指令Wi-Fi连接下位机控制器使能开关图像采集驱动电机工作驱动激光头工作激光测距图 7 雕刻机工作流程图4 样机制作及实验结果我们从实地调研、设备组装、程序开发、产品调试、产品优化讨论、融合现代科技和传统工艺做出了针对烙画葫芦球面激光雕刻机，如图 8 所示，用现代科技带动烙画葫芦浪潮，并且我们带领团队多次到景区、商城、广场等公共场所进行公开的产品演示，短时间内可以满足路人的定制需求，普通的种植葫芦经过雕刻加工瞬间成为人们对美好未来的期盼和祝福的载体，验证了该产品正常工作对环境的要求不高。本设计实现四大创新：一是自主设计“经纬轴”雕刻技术，置物台带动雕刻物 360 自转，激光头针对雕刻物进行上下150 圆周运动；二是利用激光感应测距自动聚焦激光感应测距智能调整激光头到雕刻物体的距离，以降低雕刻失真率；三是采用激光波段切换技术，针对不同的材质或同种材质不同雕刻需求，选用不同的激光强度；四是开发雕刻机专用控制上位机，实现无线数据传输。与现有雕刻机相比大大降低了雕刻失真率，且烙画同样复杂的图案效率是人工的12倍，采用无线通信技术实现手机 APP 离线控制，可以根据客户的自定义图案来满足消费者对个性化定制的需求。效果图如图 9 所示。图 8 雕刻机实物图图 9 雕刻效果图5 结 论文章以葫芦雕刻为例，提出了一种针对球面雕刻的设计方案，通过经纬轴设计代替常用的 XY 轴平面雕刻可以实现无机械应力，并通过激光测距实时检测雕刻面距离变化，调整激光头到雕刻面的距离来降低失真率，并通过图像检测反馈处理使雕刻图案更完整精美，相对于其他雕刻机，不仅降低了成本和失真度，而且体积小巧，便于携带，操作简单，一键导入图片，使机器能够走到人群中，满足个性化定制要求，使原来普通的种植葫芦摇身一变成为具有纪念意义的文玩葫芦，不仅拓宽了葫芦的销售渠道，带动了葫芦的种植推广，还促进了烙画葫芦的传承发展。通过多次不同葫芦材质的雕刻实验，发现雕刻机运行稳定、纹路清晰、数据传输正常，且雕刻图案相比其他平面雕刻机失真度明显有所降低，证明了该设计方案的可行性和实用性，具有一定的研究意义。参考文献：1 张德翔，郝传柱，于智超.探析激光雕刻机曲面雕刻的技术方案 J.现代信息科技，2020，4（8）：154-155+158.2 刘子奇，赵俊鹏，柳祥，等.基于 Arduino 的激光雕刻机研究 J.山东化工，2021，50（13）：137-139.3 赵永胜，郭栋，吴佳琪，等.基于 STM32 的激光雕刻机控制系统设计 J.辽宁工业大学学报：自然科学版，2020，40（3）：141-145.4 王刚.脉冲发射的相位式激光测距技术研究 D.西安：西安电子科技大学，2010.5 杨林郁.计算机图像处理与识别技术应用研究 J.中国新通信，2020，22（13）：118.6 高宝滨.葫芦烙画艺术研究 D.成都：四川师范大学，2018.作者简介：李新昌（2000.09），男，汉族，山东菏泽人，本科在读，研究方向：机器人工程；郝传柱（1983.04），男，汉族，山东聊城人，副教授，工程师，本科，研究方向：自动化、控制工程。李新昌，等：基于龙芯 1C 单片机的工艺葫芦激光雕刻设备设计与研究