董 連 芬

(唐山工業(yè)職業(yè)技術學院 自動化工程系，河北 唐山 063200)

凹凸薄胎陶瓷雕刻系統(tǒng)激光二維回測技術實現(xiàn)

董 連 芬

(唐山工業(yè)職業(yè)技術學院 自動化工程系，河北 唐山 063200)

凹凸薄胎陶瓷雕刻系統(tǒng)由計算機系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和機械系統(tǒng)構成，融合FPGA技術、伺服驅動技術和激光二維回測技術，實現(xiàn)了對凹凸不規(guī)則陶瓷外表的精準測量、定位及精細化雕刻.

薄胎雕刻；凹凸不平；激光回測；控制系統(tǒng)

隨著生活水平的提高，高品質的陶瓷雕刻制品，尤其是陶瓷薄胎雕刻制品，越來越受到人們的歡迎.然而國內目前現(xiàn)有的陶瓷雕刻機，還不能很好地應對厚度不足2 mm、型面復雜、凹凸不規(guī)則的陶瓷坯體表面，原因如下：一是常規(guī)的數(shù)控技術難以精確探測出需要雕刻的方位和距離，無法保證陶瓷制品的品質；二是傳統(tǒng)陶瓷雕刻使用高碳鋼和金剛鉆石制成的特制刀具在堅硬的瓷器表面進行刻、鑿，往往雕刻精確度不高，表面粗糙，花費時間長，效率不高；三是最新的五軸聯(lián)動加工方法的應用提高了效率，然而其過高的成本仍是全面推廣的瓶頸；四是當前國內研究主要集中在將激光作為雕刻機的執(zhí)行機構，即用激光直接進行雕刻操作上，這使得整個雕刻機的造價高昂，系統(tǒng)構造復雜，對使用環(huán)境與設備也有較高的要求，且不易于維修.為此，需要研制一種新型的雕刻機，使其能在降低勞動強度的同時，取代傳統(tǒng)的陶瓷雕刻方式，提高加工的精確度以及速度，節(jié)省成本，實現(xiàn)陶瓷雕刻生產的進一步升級[1].本文基于此，對凹凸薄胎陶瓷雕刻系統(tǒng)的激光二維回測技術進行了研究.

1 雕刻系統(tǒng)的組成

雕刻系統(tǒng)包括3部分，見圖1.一是計算控制部分.含陶瓷模型數(shù)據(jù)采集、FPGA(現(xiàn)場可編程門列陣)控制算法、程序文件轉換、單片機系統(tǒng)接口通信等，用于完成陶瓷模型數(shù)據(jù)的采集、控制算法的精確定位和輔助系統(tǒng)加工.二是運動控制部分.含伺服控制器、伺服電機、脈沖發(fā)生電路.其中一路生成雕刻機工作時所需的脈沖，該脈沖按照預定程序驅動電機工作；另一路驅動主軸伺服電機按照設定的速度進行轉動[2].三是機械組件部分.含激光器發(fā)射源、工作臺滑板、三維移動雕刻鉆頭、陶瓷固定可變夾具、雕刻臺底座、伺服驅動器、伺服電機、機械組件箱、可編程邏輯控制器、陶瓷雕刻工作臺、人機交互裝置、陶瓷雕刻控制臺.X軸、Y軸、Z軸的伺服電機得到驅動電路信號后驅動絲桿工作.精密的絲桿按照上下、左右、前后的三維方位進行旋轉定位，結合可調速的主軸旋轉完成精美的雕刻.

2 激光測距原理

本系統(tǒng)測距需要用到光學測量模塊(optical measure module)和數(shù)據(jù)采集模塊.光學測量模塊采用半導體激光器作為光源，凸透鏡、針孔及透鏡組成擴束準直系統(tǒng)[3]，其工作原理如圖2所示，首先，光線從激光二極管LD發(fā)出，所形成的無衍射光束即入射光束從實物目標的表面反射；光線經實物透鏡，進入圖像控制器CCD(charge-coupled device),在CCD上呈現(xiàn)粗糙表面的光線散射圖像；從CCD輸出的信號經過信號處理電路放大之后，送入高速A/D轉換器，完成數(shù)據(jù)的征集與采樣.其次，將含有有效數(shù)字信號的二進制碼，通過外設接口，送給上位機接收系統(tǒng)，上位機的輔助軟件(如MATLAB)根據(jù)接收的信息進行數(shù)字濾波、智能處理及必要的顯示，實現(xiàn)圖像的獲取和數(shù)據(jù)處理的自動化.再次，通過靜態(tài)隨機存儲器完成即時數(shù)據(jù)的存儲.

(a)實物示意圖

(b)關系圖

圖2 表面粗糙度激光二維回測器工作原理圖

3 伺服控制器設計

伺服驅動器是現(xiàn)代運動控制的重要組成部分，被廣泛應用于工業(yè)機器人及數(shù)控加工中心等自動化設備中[4].為了完成陶瓷精細化、智能化雕刻，在設計過程中，對伺服驅動器設備的型號進行了嚴格的遴選，選擇EA100伺服驅動器進行運動控制.它主要由伺服驅動器、脈沖發(fā)生器、上位機和伺服電機組成，如圖3所示.220 V單相交流電源輸入，在伺服驅動器內進行整流、濾波、逆變等，以U端、V端、W端、保護接地端PE輸出的三相交流電作為伺服電機的電源，供給伺服電機使用，通過專用的電機線進行連接.從伺服驅動器的CN5端與伺服電機相連，作為編碼反饋信號的連通通道，將伺服電機的相關數(shù)據(jù)反饋給伺服驅動器，形成閉環(huán)控制系統(tǒng).伺服電機的運轉準確性優(yōu)于步進電機.

圖3 伺服驅動器原理框圖

4 FPGA激光測距原理

陶瓷凹凸不規(guī)則面的情況如圖4所示.要實現(xiàn)準確雕刻，激光測距是控制的核心.

(a)陶瓷凹塊 (b)陶瓷凸起

圖4 凹凸不規(guī)則陶瓷表面情況

為了完成激光測距，如圖5所示，每一路激光測距單元均由FPGA數(shù)字處理模塊和激光二維回測器收發(fā)電路以及信號調理電路組成.工作時，獨立的測距單元依次發(fā)出激勵信號，傳送至激光測距模塊，啟動測距程序，完成后將對應電信號傳回至FPGA進行數(shù)據(jù)處理.此系統(tǒng)共有6路激光測距模塊，將其所得數(shù)據(jù)進行疊加，能更有效地降低自然反射光對測距系統(tǒng)的影響，從而提高測距的精準性.

具體過程如下：信號接收電路接收到反射的光信號時，立即進行電容濾波、信號放大處理、幅度增益處理，用高精度的A/D轉換器將信息送至FPGA的邏輯控制模塊中，而后基于參考信號進行有效運算、識別、控制及算出光波的差值，從而獲得機械雕刻手臂到目標位置的距離.

圖5 FPGA激光測距框圖

FPGA數(shù)據(jù)接口將每個單元的測距信號通過串口送給PC上位機，而人機界面能將有效的目標信息呈現(xiàn)出來，同時將該數(shù)據(jù)在FPGA數(shù)字處理模塊進行數(shù)據(jù)處理，將信號傳輸給控制系統(tǒng)中的嵌入式系統(tǒng)，通過控制伺服驅動器來控制伺服電機，調整雕刻手臂的位置與轉速，從而調整機械雕刻手臂雕刻作業(yè)的精密度.

5 激光二維回測的光波識別算法

激光二維回測器接收反射光波信號后，通過自相關判別，梳理出本地信息與光波反射信息的直接關聯(lián)度，有效判讀反射信號的自回波特性，從而降低自然反射光波的影響，通過信號調理電路的處理得到數(shù)字信號.本文利用參考文獻[5]中提及的反射光波識別算法來獲取信息，其中FPGA算法的工作流程見圖6.首先，將放射光波有效存儲至FPGA設定的寄存器中.其次，將預存ROM的原始數(shù)據(jù)與反射光波信號進行比對及運算處理.再次，設置某一閾值進行算術比較處理，如果數(shù)據(jù)高于設置值可以判斷該信號為自身回波激光反射波；否則，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，閾值需要后期通過大量的測試獲得.第四，根據(jù)峰值比較策略，算出時間的大小，獲得凹凸的不平整度.處理過程中，所有感興趣的數(shù)值都將通過串口上傳至PC機窗口或人機界面中，使用者可同步獲取該信息[5].

圖6 FPGA算法工作流程圖

本文設計的系統(tǒng)不僅設置了常規(guī)的循環(huán)運行模式，也設置了一系列的外部干擾模式，如可以在狀態(tài)A或狀態(tài)C之間切換，使得系統(tǒng)工作狀態(tài)更佳、更穩(wěn)定.連續(xù)數(shù)據(jù)保存在FPGA中，然后傳輸至控制系統(tǒng)中的嵌入式處理系統(tǒng)，控制伺服驅動器、伺服電機、機械雕刻手臂，進而調整雕刻手臂的位置和轉速，實現(xiàn)對陶瓷雕刻手臂的精細化控制.

6 結語

本設計基于激光二維回測器，對機械雕刻手臂進行精準定位，開展對于激光二維回測器的光路測試、FPGA編程操作[6]、伺服驅動器和伺服電機的控制等.在研究過程中，開展對激光二維回測器的開發(fā)和研究，通過相關的測距技術的借鑒，搭建技術平臺，用于激光測距的實證研究，并根據(jù)效果不斷改進方案[7].針對激光控制，進行FPGA程序編寫，通過Altera公司的Quartus II軟件平臺，根據(jù)預定方案和FPGA工作流程，進行程序編寫、編譯以及仿真測試；再進行伺服驅動器和伺服電機配合FPGA的程序調試，從而進一步確認FPGA程序的準確性、可靠性和實用性；將FPGA程序、激光二維回測器、伺服驅動器和伺服電機等聯(lián)立調試；完善程序之后，進行陶瓷雕刻系統(tǒng)組件的設計，根據(jù)UG(Unigraphics Solution公司推出的CAD/CAE/CAM/PDM集成系統(tǒng))建模[8]，對于具體組件進行尺寸方面的設計與確認，完成圖紙后交付合作單位進行生產制造.

[1] 王玉濤.陶瓷坯體數(shù)控雕刻加工技術研究[D].景德鎮(zhèn)：景德鎮(zhèn)陶瓷學院,2014.

[2] 孫宏強,楊梅,崔京華,等.基于單片機的PCB雕刻機系統(tǒng)設計[J].石家莊學院學報,2012(3):29-31.

[3] 張秋佳,趙玉華，韓冬，等.基于激光二維散射原理在線測量表面粗糙度[J].光電工程,2011(6):110-114.

[4] 林瑤瑤,仲崇權.伺服驅動器轉速控制技術[J].電氣傳動,2014(3):21-26.

[5] 孟慶浩,邊旭東,扈佳林,等.基于FPGA的多路無串擾超聲測距系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].傳感技術學報,2013(4):582-589.

[6] 楊海鋼,孫嘉斌,王慰.FPGA器件設計技術發(fā)展綜述[J].電子與信息學報,2010(3):714-727.

[7] 郭錦潤，陳恒才.“四換”工程助推傳統(tǒng)產業(yè)轉型升級[N].中山日報,2014-10-24(A05).

[8] 嚴婷.基于UG的三維參數(shù)化標準件庫的研究與開發(fā)[D].武漢：華中科技大學,2007.

責任編輯：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

董連芬(1965-), 女，河北唐山人，唐山工業(yè)職業(yè)技術學院講師，研究方向：電氣自動化系統(tǒng)集成.

1009-4873(2016)06-0029-05

TP273

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