凹凸薄胎陶瓷雕刻系统激光二维回测技术实现

董 连 芬

(唐山工业职业技术学院 自动化工程系，河北 唐山 063200)

凹凸薄胎陶瓷雕刻系统激光二维回测技术实现

董 连 芬

(唐山工业职业技术学院 自动化工程系，河北 唐山 063200)

凹凸薄胎陶瓷雕刻系统由计算机系统、控制系统和机械系统构成，融合FPGA技术、伺服驱动技术和激光二维回测技术，实现了对凹凸不规则陶瓷外表的精准测量、定位及精细化雕刻.

薄胎雕刻；凹凸不平；激光回测；控制系统

随着生活水平的提高，高品质的陶瓷雕刻制品，尤其是陶瓷薄胎雕刻制品，越来越受到人们的欢迎.然而国内目前现有的陶瓷雕刻机，还不能很好地应对厚度不足2 mm、型面复杂、凹凸不规则的陶瓷坯体表面，原因如下：一是常规的数控技术难以精确探测出需要雕刻的方位和距离，无法保证陶瓷制品的品质；二是传统陶瓷雕刻使用高碳钢和金刚钻石制成的特制刀具在坚硬的瓷器表面进行刻、凿，往往雕刻精确度不高，表面粗糙，花费时间长，效率不高；三是最新的五轴联动加工方法的应用提高了效率，然而其过高的成本仍是全面推广的瓶颈；四是当前国内研究主要集中在将激光作为雕刻机的执行机构，即用激光直接进行雕刻操作上，这使得整个雕刻机的造价高昂，系统构造复杂，对使用环境与设备也有较高的要求，且不易于维修.为此，需要研制一种新型的雕刻机，使其能在降低劳动强度的同时，取代传统的陶瓷雕刻方式，提高加工的精确度以及速度，节省成本，实现陶瓷雕刻生产的进一步升级[1].本文基于此，对凹凸薄胎陶瓷雕刻系统的激光二维回测技术进行了研究.

1 雕刻系统的组成

雕刻系统包括3部分，见图1.一是计算控制部分.含陶瓷模型数据采集、FPGA(现场可编程门列阵)控制算法、程序文件转换、单片机系统接口通信等，用于完成陶瓷模型数据的采集、控制算法的精确定位和辅助系统加工.二是运动控制部分.含伺服控制器、伺服电机、脉冲发生电路.其中一路生成雕刻机工作时所需的脉冲，该脉冲按照预定程序驱动电机工作；另一路驱动主轴伺服电机按照设定的速度进行转动[2].三是机械组件部分.含激光器发射源、工作台滑板、三维移动雕刻钻头、陶瓷固定可变夹具、雕刻台底座、伺服驱动器、伺服电机、机械组件箱、可编程逻辑控制器、陶瓷雕刻工作台、人机交互装置、陶瓷雕刻控制台.X轴、Y轴、Z轴的伺服电机得到驱动电路信号后驱动丝杆工作.精密的丝杆按照上下、左右、前后的三维方位进行旋转定位，结合可调速的主轴旋转完成精美的雕刻.

2 激光测距原理

本系统测距需要用到光学测量模块(optical measure module)和数据采集模块.光学测量模块采用半导体激光器作为光源，凸透镜、针孔及透镜组成扩束准直系统[3]，其工作原理如图2所示，首先，光线从激光二极管LD发出，所形成的无衍射光束即入射光束从实物目标的表面反射；光线经实物透镜，进入图像控制器CCD(charge-coupled device),在CCD上呈现粗糙表面的光线散射图像；从CCD输出的信号经过信号处理电路放大之后，送入高速A/D转换器，完成数据的征集与采样.其次，将含有有效数字信号的二进制码，通过外设接口，送给上位机接收系统，上位机的辅助软件(如MATLAB)根据接收的信息进行数字滤波、智能处理及必要的显示，实现图像的获取和数据处理的自动化.再次，通过静态随机存储器完成即时数据的存储.

(a)实物示意图

(b)关系图

图2 表面粗糙度激光二维回测器工作原理图

3 伺服控制器设计

伺服驱动器是现代运动控制的重要组成部分，被广泛应用于工业机器人及数控加工中心等自动化设备中[4].为了完成陶瓷精细化、智能化雕刻，在设计过程中，对伺服驱动器设备的型号进行了严格的遴选，选择EA100伺服驱动器进行运动控制.它主要由伺服驱动器、脉冲发生器、上位机和伺服电机组成，如图3所示.220 V单相交流电源输入，在伺服驱动器内进行整流、滤波、逆变等，以U端、V端、W端、保护接地端PE输出的三相交流电作为伺服电机的电源，供给伺服电机使用，通过专用的电机线进行连接.从伺服驱动器的CN5端与伺服电机相连，作为编码反馈信号的连通通道，将伺服电机的相关数据反馈给伺服驱动器，形成闭环控制系统.伺服电机的运转准确性优于步进电机.

图3 伺服驱动器原理框图

4 FPGA激光测距原理

陶瓷凹凸不规则面的情况如图4所示.要实现准确雕刻，激光测距是控制的核心.

(a)陶瓷凹块 (b)陶瓷凸起

图4 凹凸不规则陶瓷表面情况

为了完成激光测距，如图5所示，每一路激光测距单元均由FPGA数字处理模块和激光二维回测器收发电路以及信号调理电路组成.工作时，独立的测距单元依次发出激励信号，传送至激光测距模块，启动测距程序，完成后将对应电信号传回至FPGA进行数据处理.此系统共有6路激光测距模块，将其所得数据进行叠加，能更有效地降低自然反射光对测距系统的影响，从而提高测距的精准性.

具体过程如下：信号接收电路接收到反射的光信号时，立即进行电容滤波、信号放大处理、幅度增益处理，用高精度的A/D转换器将信息送至FPGA的逻辑控制模块中，而后基于参考信号进行有效运算、识别、控制及算出光波的差值，从而获得机械雕刻手臂到目标位置的距离.

图5 FPGA激光测距框图

FPGA数据接口将每个单元的测距信号通过串口送给PC上位机，而人机界面能将有效的目标信息呈现出来，同时将该数据在FPGA数字处理模块进行数据处理，将信号传输给控制系统中的嵌入式系统，通过控制伺服驱动器来控制伺服电机，调整雕刻手臂的位置与转速，从而调整机械雕刻手臂雕刻作业的精密度.

5 激光二维回测的光波识别算法

激光二维回测器接收反射光波信号后，通过自相关判别，梳理出本地信息与光波反射信息的直接关联度，有效判读反射信号的自回波特性，从而降低自然反射光波的影响，通过信号调理电路的处理得到数字信号.本文利用参考文献[5]中提及的反射光波识别算法来获取信息，其中FPGA算法的工作流程见图6.首先，将放射光波有效存储至FPGA设定的寄存器中.其次，将预存ROM的原始数据与反射光波信号进行比对及运算处理.再次，设置某一阈值进行算术比较处理，如果数据高于设置值可以判断该信号为自身回波激光反射波；否则，不是自身反射光波，是自然反射光波或者其他反射光波.其中，阈值需要后期通过大量的测试获得.第四，根据峰值比较策略，算出时间的大小，获得凹凸的不平整度.处理过程中，所有感兴趣的数值都将通过串口上传至PC机窗口或人机界面中，使用者可同步获取该信息[5].

图6 FPGA算法工作流程图

本文设计的系统不仅设置了常规的循环运行模式，也设置了一系列的外部干扰模式，如可以在状态A或状态C之间切换，使得系统工作状态更佳、更稳定.连续数据保存在FPGA中，然后传输至控制系统中的嵌入式处理系统，控制伺服驱动器、伺服电机、机械雕刻手臂，进而调整雕刻手臂的位置和转速，实现对陶瓷雕刻手臂的精细化控制.

6 结语

本设计基于激光二维回测器，对机械雕刻手臂进行精准定位，开展对于激光二维回测器的光路测试、FPGA编程操作[6]、伺服驱动器和伺服电机的控制等.在研究过程中，开展对激光二维回测器的开发和研究，通过相关的测距技术的借鉴，搭建技术平台，用于激光测距的实证研究，并根据效果不断改进方案[7].针对激光控制，进行FPGA程序编写，通过Altera公司的Quartus II软件平台，根据预定方案和FPGA工作流程，进行程序编写、编译以及仿真测试；再进行伺服驱动器和伺服电机配合FPGA的程序调试，从而进一步确认FPGA程序的准确性、可靠性和实用性；将FPGA程序、激光二维回测器、伺服驱动器和伺服电机等联立调试；完善程序之后，进行陶瓷雕刻系统组件的设计，根据UG(Unigraphics Solution公司推出的CAD/CAE/CAM/PDM集成系统)建模[8]，对于具体组件进行尺寸方面的设计与确认，完成图纸后交付合作单位进行生产制造.

[1] 王玉涛.陶瓷坯体数控雕刻加工技术研究[D].景德镇：景德镇陶瓷学院,2014.

[2] 孙宏强,杨梅,崔京华,等.基于单片机的PCB雕刻机系统设计[J].石家庄学院学报,2012(3):29-31.

[3] 张秋佳,赵玉华，韩冬，等.基于激光二维散射原理在线测量表面粗糙度[J].光电工程,2011(6):110-114.

[4] 林瑶瑶,仲崇权.伺服驱动器转速控制技术[J].电气传动,2014(3):21-26.

[5] 孟庆浩,边旭东,扈佳林,等.基于FPGA的多路无串扰超声测距系统的设计与实现[J].传感技术学报,2013(4):582-589.

[6] 杨海钢,孙嘉斌,王慰.FPGA器件设计技术发展综述[J].电子与信息学报,2010(3):714-727.

[7] 郭锦润，陈恒才.“四换”工程助推传统产业转型升级[N].中山日报,2014-10-24(A05).

[8] 严婷.基于UG的三维参数化标准件库的研究与开发[D].武汉：华中科技大学,2007.

责任编辑：金 欣

Two-dimension laser measurement in concave and convex irregular ceramic engraving

DONG Lian-fen

(Department of Automation Engineering, Tangshan Polytechnic College, Tangshan, Hebei 063200, China)

As the eggshell carving is made up of computer, auto control and machinery systems, FPGA, servo drive, and laser measuring technologies are applied to realize two-dimensional back, outside bump irregular ceramic precision and positioning.

eggshell carving; ruggedness; laser test; control system

2016-10-27

董连芬(1965-), 女，河北唐山人，唐山工业职业技术学院讲师，研究方向：电气自动化系统集成.

1009-4873(2016)06-0029-05

TP273

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