基于龍芯1C單片機(jī)的工藝葫蘆激光雕刻設(shè)備設(shè)計(jì)與研究

李新昌　郝傳柱

摘? 要：以龍芯1C300B為下位機(jī)控制器，Marlin開(kāi)源固件，將激光雕刻技術(shù)、激光測(cè)距技術(shù)、圖像處理技術(shù)和嵌入式控制系統(tǒng)相結(jié)合，針對(duì)中國(guó)非遺傳承文化的烙畫葫蘆藝術(shù)，在雕刻葫蘆球體表面開(kāi)展了球面激光雕刻裝置的設(shè)計(jì)和研究。設(shè)計(jì)出了便攜的工藝葫蘆球面激光雕刻機(jī)，具有操作簡(jiǎn)單、效率高、失真率低的效果，可以實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試控制，個(gè)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(gè)性化的特點(diǎn)讓烙畫葫蘆走進(jìn)大眾的視野。

關(guān)鍵詞：龍芯1C300B；球面激光雕刻機(jī)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；激光測(cè)距

中圖分類號(hào)：TN249? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：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(zhǎng)壽，象征富貴興旺，具有很高的觀賞意義和收藏價(jià)值。目前各地很多富有特色的烙畫葫蘆文化，被評(píng)上了各級(jí)非物質(zhì)文化遺產(chǎn)名錄，以及現(xiàn)有的烙畫藝人也是獲得了非物質(zhì)文化遺產(chǎn)烙畫葫蘆傳承人的稱號(hào)，經(jīng)實(shí)踐調(diào)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(jī)對(duì)球面雕刻失真嚴(yán)重，而目前現(xiàn)有的葫蘆激光機(jī)雕刻原理采用固定兩軸同向差速旋轉(zhuǎn)使得自身不僅體積大而且價(jià)格昂貴，讓這些大型雕刻機(jī)停留在了工廠，無(wú)法走進(jìn)大眾滿足大眾個(gè)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(jià)格讓普通大眾無(wú)法接受，使得烙畫葫蘆沒(méi)有得到推廣，應(yīng)有的市場(chǎng)潛力沒(méi)有得到完全釋放。

我們歷經(jīng)多地實(shí)踐調(diào)研、技術(shù)研發(fā)和生產(chǎn)實(shí)踐，最后實(shí)地調(diào)試，融合現(xiàn)代科技和傳統(tǒng)工藝，為了實(shí)現(xiàn)操作簡(jiǎn)單、便于攜帶、效果逼真的精準(zhǔn)激光雕刻，本文進(jìn)行了工藝葫蘆激光雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)與研究，做出樣機(jī)，且經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)證實(shí)，希望用現(xiàn)代科技帶動(dòng)烙畫葫蘆浪潮。

1? 設(shè)計(jì)原理方案

激光具有能量集中、光譜特性窄的特性，本設(shè)計(jì)根據(jù)此特性針對(duì)葫蘆烙畫工藝，通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)激光雕刻強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)葫蘆表面的圖像烙畫。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要由上位機(jī)控制軟件、球面激光雕刻機(jī)控制器和機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)組成，設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。球面激光雕刻機(jī)利用我們研制的上位機(jī)軟件對(duì)輸入的圖像文字進(jìn)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(jī)作為主控板，通過(guò)串聯(lián)的降壓電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、激光驅(qū)動(dòng)電路等集成電路，直接獲取上位機(jī)軟件的解析數(shù)據(jù)，并通過(guò)單片機(jī)運(yùn)行控制算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)雕刻機(jī)兩軸的步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度和發(fā)射激光強(qiáng)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(shè)計(jì)方案

2.1? 傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到葫蘆的表面大體呈球面，該設(shè)計(jì)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(duì)葫蘆表面造成損傷和摩擦，本設(shè)計(jì)采用了地理上球體坐標(biāo)系，利用經(jīng)緯度坐標(biāo)的原理確定球體某一點(diǎn)處，如圖2所示。搖臂旋轉(zhuǎn)保持位于葫蘆法線上進(jìn)行300°以內(nèi)的旋轉(zhuǎn)作為“經(jīng)軸”，置物臺(tái)實(shí)現(xiàn)360°的自轉(zhuǎn)作為“緯軸”，具有體積小、精準(zhǔn)傳動(dòng)、傳動(dòng)平穩(wěn)、慣性小等優(yōu)點(diǎn)。

2.2? 經(jīng)軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

將微型攝像頭掛靠在激光頭一側(cè)固定在雕刻機(jī)搖臂上由緯軸步進(jìn)電機(jī)通過(guò)同步帶傳動(dòng)，搖臂旋轉(zhuǎn)中心對(duì)齊葫蘆表面進(jìn)行300°以內(nèi)的旋轉(zhuǎn)。激光頭置于經(jīng)軸運(yùn)動(dòng)模塊頂端，底端固定在64齒被動(dòng)輪上，被動(dòng)輪通過(guò)放在側(cè)壁的驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)過(guò)同步帶帶動(dòng)搖臂動(dòng)作。底座有驅(qū)動(dòng)電機(jī)使能開(kāi)關(guān)，放好被雕刻物后經(jīng)過(guò)手動(dòng)調(diào)整合適位置，撥動(dòng)使能開(kāi)關(guān)，經(jīng)軸運(yùn)動(dòng)模塊固定在空中，激光頭對(duì)準(zhǔn)雕刻物法線位置準(zhǔn)備雕刻。

2.3? 緯軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

緯軸運(yùn)動(dòng)模塊放置于雕刻機(jī)底座上的64齒被動(dòng)輪，通過(guò)16齒同步輪帶動(dòng)64齒被動(dòng)輪，實(shí)現(xiàn)置物臺(tái)自轉(zhuǎn)。為了減少機(jī)械應(yīng)力給葫蘆帶來(lái)的損傷，將葫蘆放在由經(jīng)軸步進(jìn)電機(jī)帶傳動(dòng)的內(nèi)凹式的置物臺(tái)上，置物臺(tái)的高低可通過(guò)內(nèi)扣旋珠來(lái)調(diào)節(jié)高低，另外要對(duì)葫蘆表面都進(jìn)行雕刻所以置物臺(tái)要進(jìn)行360°的自轉(zhuǎn)，要想防止葫蘆在雕刻中發(fā)生滑動(dòng)，只需在置物臺(tái)中放入具有弱黏性的硅膠來(lái)起到防滑動(dòng)的效果。

2.4? 整體結(jié)構(gòu)效果

由控制器進(jìn)行對(duì)電機(jī)的軌跡控制并實(shí)時(shí)接收測(cè)距變化調(diào)整激光強(qiáng)度，不同面兩軸互相配合實(shí)現(xiàn)球面的全方面雕刻，兩軸相互配合實(shí)現(xiàn)對(duì)雕刻點(diǎn)的精準(zhǔn)捕捉，大幅度降低球面雕刻圖案失真。雕刻機(jī)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(gòu)的龍芯1號(hào)做主控，并可進(jìn)行基于RT-Thread操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)研究。同時(shí)，在核心設(shè)計(jì)技術(shù)層面，和國(guó)內(nèi)常見(jiàn)ARM體系結(jié)構(gòu)芯片相比，其開(kāi)發(fā)過(guò)程是有一定關(guān)聯(lián)性的。主板上集成部件豐富，并提供排針接口，可通過(guò)擴(kuò)展板，完全適用于本設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)要求。

2.6? 激光測(cè)距自動(dòng)聚焦

該系統(tǒng)通過(guò)相位式激光測(cè)距方式達(dá)到自動(dòng)聚焦功能，對(duì)激光束進(jìn)行幅度調(diào)制并測(cè)定調(diào)制光往返測(cè)線一次所產(chǎn)生的相位延遲，再根據(jù)調(diào)制光的波長(zhǎng)，換算此相位延遲所代表的距離。即用間接方法測(cè)定出光經(jīng)往返測(cè)線所需的時(shí)間，來(lái)計(jì)算目標(biāo)到測(cè)試儀器的距離。根據(jù)反饋回來(lái)的距離變化完成激光對(duì)焦屬于主動(dòng)對(duì)焦型的對(duì)焦方式，可以有效地降低雕刻失真度。激光測(cè)距流程如圖4所示。

2.7? 圖像對(duì)比反饋

由于不同葫蘆品種，它的皮質(zhì)厚度硬度是有所不同的，通過(guò)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的方式，將導(dǎo)入圖片打印到葫蘆上，可能會(huì)因?yàn)槠べ|(zhì)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(zhì)的葫蘆再臨時(shí)對(duì)激光強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整，比較麻煩，而且參數(shù)也不好把握。本設(shè)計(jì)加入圖像反饋系統(tǒng)，利用OpenCV2和Python實(shí)現(xiàn)圖像對(duì)比，當(dāng)?shù)窨躺系膱D案實(shí)時(shí)與導(dǎo)入圖像進(jìn)行對(duì)比實(shí)現(xiàn)有反饋值的閉環(huán)控制系統(tǒng)，檢測(cè)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(jìn)行修補(bǔ)，美化圖案。

2.8? PC機(jī)軟件設(shè)計(jì)

我們開(kāi)發(fā)了雕刻機(jī)專用控制上位機(jī)并已授權(quán)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。它是對(duì)一種激光雕刻機(jī)的上位機(jī)控制設(shè)備的數(shù)字化控制操作的綜合管理軟件。對(duì)精確的雕刻加工控制的不同參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，應(yīng)用雕刻區(qū)域的參數(shù)進(jìn)行精確的設(shè)定及信息管理，在此軟件中可以對(duì)不同類目的加工控制進(jìn)行管理和數(shù)據(jù)設(shè)定。操作者可以看到如下管理功能數(shù)據(jù)設(shè)定參數(shù)項(xiàng)：雕刻面積預(yù)定位（如圖5所示）、優(yōu)化路徑設(shè)置、雕刻參數(shù)設(shè)置的屬性參數(shù)項(xiàng)等。上位機(jī)進(jìn)行圖像處理生成雕刻刀路指令，自動(dòng)調(diào)整點(diǎn)距大小和雕刻精度，操作人員可選擇不同的雕刻風(fēng)格和字體，同時(shí)針對(duì)不同材質(zhì)或同種材質(zhì)不同雕刻需求。上位機(jī)操作界面如圖6所示。

2.9? 雕刻運(yùn)算處理設(shè)計(jì)

采用Marlin可以驅(qū)動(dòng)主控板并且讀出傳輸進(jìn)來(lái)的中間雕刻指令、控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)板驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)、讀取內(nèi)存卡打印信息等，3D打印固件有許多，Marlin內(nèi)容最為健全，使用也會(huì)復(fù)雜一些。使用Gcode控制IO指令，Gcode是數(shù)控機(jī)床等工控控制使用范圍較廣的一種指令協(xié)議。本設(shè)計(jì)完成了Marlin固件在龍芯1C開(kāi)發(fā)板上的移植以及相關(guān)固件的配置，由于調(diào)試的機(jī)械是一個(gè)兩軸的，calculate_delta也經(jīng)過(guò)計(jì)算所得。Marlin固件的功能結(jié)構(gòu)主要有顯示、通信、控制、自動(dòng)調(diào)平。通信部分主要采用Wi-Fi通信獲取G代碼，進(jìn)行字符串處理解析G代碼，控制是核心部分，其中有運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，包括梯形加減速算法和S形加減速算法，另外步進(jìn)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(dòng)調(diào)平部分，針對(duì)球面雕刻，只需要選取捕捉到的圓心，首先通過(guò)激光發(fā)生器去探測(cè)多個(gè)位置點(diǎn)，找出最短距離并認(rèn)定為球面圓心作為基點(diǎn)。

2.10? 電機(jī)與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

本方案采用的是市面上常見(jiàn)的兩相四線制的步進(jìn)電機(jī)（高23 mm帶800 mmXH2.54線D字軸）。一方面步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)相同的功能作用，步進(jìn)電機(jī)的價(jià)格要低于伺服電機(jī)，另一方面相比伺服電機(jī)來(lái)講，步進(jìn)電機(jī)的精準(zhǔn)度可以通過(guò)自定義的步距角做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，可以有多種不同的細(xì)分擋位，沒(méi)有旋轉(zhuǎn)角度的限制。另外步進(jìn)電機(jī)一般沒(méi)有過(guò)載能力，而伺服電機(jī)是恒力輸出的。所以選擇了42步進(jìn)電機(jī)作為本系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，最大電流支持1.5 A，額定電壓在3.3 V，制動(dòng)扭矩為2.6 N·cm，轉(zhuǎn)子的力矩為68 g·cm2，符合產(chǎn)品的各種需求。

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分采用了A4988驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，使用龍芯1C通過(guò)A4988控制步進(jìn)電機(jī)的時(shí)候，為了保護(hù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板又單獨(dú)加上了一個(gè)點(diǎn)解電解電容。另外需要注意的是A4988的V參考電壓調(diào)節(jié)，需要將該值調(diào)整到合適的電壓大小，否則會(huì)對(duì)使用的步進(jìn)電機(jī)造成危害，調(diào)節(jié)的方法是旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)初始化開(kāi)始與雕刻機(jī)進(jìn)行連接，將導(dǎo)入的圖片或者文字進(jìn)行灰度轉(zhuǎn)換、二值化、邊緣檢測(cè)等圖像計(jì)算，生成不同風(fēng)格的雕刻圖像，選擇后生成Gcode代碼。通過(guò)上位機(jī)分析圖像大小可進(jìn)行在線預(yù)雕刻面調(diào)試，直至預(yù)雕刻面合適，通過(guò)攝像頭測(cè)量反饋檢測(cè)到物體中心并鎖定，比對(duì)雕刻效果圖和原圖，當(dāng)部分面積不同于大面積雕刻深度，將小部分雕刻面積進(jìn)行修補(bǔ)調(diào)整，使其雕刻效果更加精美。控制板通過(guò)將接收到的G代碼解析成運(yùn)動(dòng)指令，控制兩軸的運(yùn)動(dòng)軌跡，啟動(dòng)激光模塊默認(rèn)弱光狀態(tài)，等待開(kāi)始雕刻指令調(diào)整到強(qiáng)光狀態(tài)進(jìn)行正式雕刻，同時(shí)通過(guò)激光測(cè)距根據(jù)距離變化調(diào)整激光頭到雕刻面的距離，達(dá)到自動(dòng)聚焦的效果，等待雕刻完成后，攝像頭開(kāi)始采集圖片進(jìn)行比對(duì)處理并修補(bǔ)調(diào)整，至此雕刻完畢，工作流程如圖7所示。

4? 樣機(jī)制作及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

我們從實(shí)地調(diào)研、設(shè)備組裝、程序開(kāi)發(fā)、產(chǎn)品調(diào)試、產(chǎn)品優(yōu)化討論、融合現(xiàn)代科技和傳統(tǒng)工藝做出了針對(duì)烙畫葫蘆球面激光雕刻機(jī)，如圖8所示，用現(xiàn)代科技帶動(dòng)烙畫葫蘆浪潮，并且我們帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)多次到景區(qū)、商城、廣場(chǎng)等公共場(chǎng)所進(jìn)行公開(kāi)的產(chǎn)品演示，短時(shí)間內(nèi)可以滿足路人的定制需求，普通的種植葫蘆經(jīng)過(guò)雕刻加工瞬間成為人們對(duì)美好未來(lái)的期盼和祝福的載體，驗(yàn)證了該產(chǎn)品正常工作對(duì)環(huán)境的要求不高。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)四大創(chuàng)新：一是自主設(shè)計(jì)“經(jīng)緯軸”雕刻技術(shù)，置物臺(tái)帶動(dòng)雕刻物360°自轉(zhuǎn)，激光頭針對(duì)雕刻物進(jìn)行上下150°圓周運(yùn)動(dòng)；二是利用激光感應(yīng)測(cè)距自動(dòng)聚焦激光感應(yīng)測(cè)距智能調(diào)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(shù)，針對(duì)不同的材質(zhì)或同種材質(zhì)不同雕刻需求，選用不同的激光強(qiáng)度；四是開(kāi)發(fā)雕刻機(jī)專用控制上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。與現(xiàn)有雕刻機(jī)相比大大降低了雕刻失真率，且烙畫同樣復(fù)雜的圖案效率是人工的12倍，采用無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP離線控制，可以根據(jù)客戶的自定義圖案來(lái)滿足消費(fèi)者對(duì)個(gè)性化定制的需求。效果圖如圖9所示。

5? 結(jié)? 論

文章以葫蘆雕刻為例，提出了一種針對(duì)球面雕刻的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)經(jīng)緯軸設(shè)計(jì)代替常用的XY軸平面雕刻可以實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)械應(yīng)力，并通過(guò)激光測(cè)距實(shí)時(shí)檢測(cè)雕刻面距離變化，調(diào)整激光頭到雕刻面的距離來(lái)降低失真率，并通過(guò)圖像檢測(cè)反饋處理使雕刻圖案更完整精美，相對(duì)于其他雕刻機(jī)，不僅降低了成本和失真度，而且體積小巧，便于攜帶，操作簡(jiǎn)單，一鍵導(dǎo)入圖片，使機(jī)器能夠走到人群中，滿足個(gè)性化定制要求，使原來(lái)普通的種植葫蘆搖身一變成為具有紀(jì)念意義的文玩葫蘆，不僅拓寬了葫蘆的銷售渠道，帶動(dòng)了葫蘆的種植推廣，還促進(jìn)了烙畫葫蘆的傳承發(fā)展。通過(guò)多次不同葫蘆材質(zhì)的雕刻實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)雕刻機(jī)運(yùn)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(jī)失真度明顯有所降低，證明了該設(shè)計(jì)方案的可行性和實(shí)用性，具有一定的研究意義。

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作者簡(jiǎn)介：李新昌（2000.09—），男，漢族，山東菏澤人，本科在讀，研究方向：機(jī)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(dòng)化、控制工程。

收稿日期：2023-01-06

基金項(xiàng)目：2022年山東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃平臺(tái)申報(bào)項(xiàng)目（S202213857008X）