0 前言

　　應(yīng)用噴砂工藝雕刻的玻璃(簡稱砂雕玻璃)制品集玻璃的實用性與藝術(shù)性為一體，工藝簡單、價格低廉，并且具有較高藝術(shù)品位的裝飾功能，在居室建筑藝術(shù)裝演、工藝美術(shù)、家具、標(biāo)牌、燈飾、廣告、園藝和玻璃器皿等多種行業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。多年以來，這種主要基于人工操作的裝飾玻璃制品機(jī)械加工力一法，至今仍然是各種裝飾玻璃冷加工中最流行的表而處理技術(shù)之一。

　　當(dāng)前，計算機(jī)數(shù)控技術(shù)(CNC)、計算機(jī)圖形、圖像處理技術(shù)和機(jī)電一體化技術(shù)己經(jīng)得到高度發(fā)展和廣泛應(yīng)用。本文介紹作者創(chuàng)新設(shè)計、研制的基于PC計算機(jī)數(shù)控技術(shù)的噴砂玻璃雕刻機(jī)系統(tǒng)，嘗試將傳統(tǒng)的玻璃噴砂工藝力一法與計算機(jī)數(shù)控技術(shù)結(jié)合，為噴砂玻璃制品的數(shù)字化、自動化生產(chǎn)提供-種新技術(shù)，并且給出了構(gòu)成該系統(tǒng)的一些關(guān)鍵技術(shù)和實現(xiàn)力一法。

1 噴砂玻璃傳統(tǒng)加工方法的分析

　　傳統(tǒng)噴砂工藝力一法是使用壓縮空氣噴嘴噴射石英砂或金剛砂細(xì)微顆粒，形成高速棍合磨料一氣體射流沖擊、蝕刻工件表而，從而去除材料一的一種特殊機(jī)械加工力一法，特別適用于對玻璃、石材等硬脆材料一表而的裝飾性加工處理。

　　砂雕玻璃的雕刻加工是在傳統(tǒng)噴砂工藝基礎(chǔ)上，用噴嘴將細(xì)微磨料一以定向、高速氣流噴射到玻璃表面，使玻璃表而產(chǎn)生交叉微裂紋并成細(xì)小的貝殼狀剝落下來，因而玻璃表而呈現(xiàn)不透明或半透明的毛而。由于玻璃毛而對光線有散射效應(yīng)，玻璃毛而的粗糙程度不同，光線的散射效果也不同，從而使玻璃表而產(chǎn)生層次分明、富有立體感的藝術(shù)圖案和文字。

　　砂雕玻璃傳統(tǒng)加工力一法的工藝流程:首先，由人工在玻璃制品表而粘貼掩膜(不十膠紙);然后參照樣本圖(或設(shè)計圖案)，用鉛筆在掩膜上臨摹描繪出雕刻圖案;再用小刀依據(jù)描繪圖案鏤空刻制;最后將粘貼有鏤空掩膜的玻璃制品安放到一個密閉的箱體容器內(nèi)，由人工手持連接有壓縮空氣、磨料一管道的噴槍進(jìn)行噴砂工藝處理，在掩膜鏤空處噴射雕刻出較粗糙的玻璃毛而，而掩膜保護(hù)處仍然保持玻璃原有的光亮、透明而。

　　由上述砂雕玻璃傳統(tǒng)加工力一法的分析研究可知，砂雕玻璃表而的花紋圖案、文字、標(biāo)記等，均由粗糙的玻璃毛而與光亮、透明的玻璃表而組成。這些粗糙程度不同、不透明或半透明的砂雕玻璃毛而，按照數(shù)字圖像學(xué)的觀點，實質(zhì)上是由高速運動的磨料一顆粒沖擊、蝕刻出來的一系列密集像素點陣。因此，用傳統(tǒng)噴砂工藝力一法雕刻加工的玻璃藝術(shù)圖案，與普通的黑白照片一和計算機(jī)點陣式打印機(jī)打印到紙上的黑白圖像成像原理類似，都是以密集點陣形式表現(xiàn)出來的二維平而圖像。

2 砂雕玻璃數(shù)控加工技術(shù)原理與工藝規(guī)劃

　　2.1 砂雕玻璃數(shù)控加工技術(shù)原理

　　由訓(xùn)一算機(jī)圖形學(xué)可知，圖像是由圖形元素，即像素組成的二維矩陣。一幅圖像由許多個像素點組成，每個像素點包含著反映圖像在該點的明暗和顏色變化等信息，在MS WINDOWS中這種圖像稱為“位圖”，任何字符和復(fù)雜的圖形都可以看作是由點集合而成的位圖圖像。因此，可以通過像素點陣組成各種不同大小的字符和圖形。

　　數(shù)控砂雕玻璃雕刻機(jī)采用配備氣壓磨料一噴射雕刻頭裝置的二維機(jī)械運動機(jī)構(gòu)，噴射雕刻頭具有8個噴口，8個噴口按均勻間隔、呈直線排列，每個噴口的開、關(guān)工作狀態(tài)，由一個氣動電磁閥控制。雕刻噴頭上的8個噴口分別與8個像素點的小標(biāo)位置對應(yīng)，每個噴口的開、關(guān)狀態(tài)與相應(yīng)像素點的明暗信息對應(yīng)。

　　根據(jù)掃描像素點陣形成圖像的原理，首先應(yīng)用圖像處理技術(shù)將準(zhǔn)備雕刻到玻璃上的圖形、文字圖案等變換為Windows位圖格式，然后對轉(zhuǎn)換后的位圖進(jìn)行二值化處理，使之成為黑白二色圖像。再將己經(jīng)二值化的位圖像素點陣按二進(jìn)制字節(jié)數(shù)據(jù)格式重新組合，使得每一字節(jié)中的8個二進(jìn)制位(0或1)信息，與噴頭上8個噴口的“打開”、“關(guān)閉”工作狀態(tài)一對應(yīng)。

　　計算機(jī)數(shù)控雕刻機(jī)借鑒砂雕玻璃的傳統(tǒng)噴砂加工力一法，模仿點陣式打印機(jī)的掃描工作力一式，按照圖像的行列順序掃描像素點陣。由數(shù)控加工軟件控制雕刻噴頭的8個噴口，在每個象素點的小標(biāo)位置上，控制相應(yīng)噴口噴射或者不噴射磨料一氣流。在需要雕刻點的小標(biāo)位置，噴口打開噴射出氣壓細(xì)微磨料一流，在玻璃表而沖擊、蝕刻出不透明的粗糙點;在不需要雕刻點的小標(biāo)位置，噴口處于關(guān)閉狀態(tài)，即保持玻璃原有光亮、透明點。對蔡幅圖像的像素點陣反復(fù)循環(huán)掃描，即可獲得由一系列明暗亮度不同的、密集像素點陣形式的砂雕玻璃圖案。雕刻圖像的像素點陣與雕刻頭噴口、圖像數(shù)據(jù)字節(jié)之間的對應(yīng)關(guān)系。

　　2.2 數(shù)控砂雕玻璃加工的工藝過程規(guī)劃

　　數(shù)控砂雕玻璃的加工工藝過程可以分為兩個步驟進(jìn)行:

　　第一步，進(jìn)行數(shù)控雕刻加工數(shù)據(jù)的預(yù)處理。在Windows環(huán)境應(yīng)用Photoshop等圖像處理軟件，將需要雕刻到玻璃表而的圖形、以及文字圖像文件變換為Windos位圖格式，然后對轉(zhuǎn)換后的圖像文件進(jìn)行二值化處理，使之變換為離散的二進(jìn)制像素(點陣)矩陣，利用由高級語言編程、開發(fā)的專用圖像數(shù)據(jù)處理軟件，將每一像素點的明暗("1”或“0")信息按點位小標(biāo)順序逐一讀取，按二進(jìn)制字節(jié)數(shù)據(jù)格式重新組合，使得每一字節(jié)中的8個二進(jìn)制位與噴頭上8個噴口的“打開”、“關(guān)閉”工作狀態(tài)信息一對應(yīng)。最后，將重組處理的圖象數(shù)據(jù)文件，直接傳送給下-步，進(jìn)行數(shù)控雕刻加工，或者保存為雕刻數(shù)據(jù)文件待用。

　　第二步，進(jìn)行數(shù)控自動噴砂雕刻加工。計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)直接接收、或者打開讀取己經(jīng)第一步處理過的雕刻數(shù)據(jù)文件，按字節(jié)數(shù)據(jù)格式連續(xù)不斷地讀取出8位二進(jìn)制信息。隨即數(shù)控系統(tǒng)給驅(qū)動X, Y力一向運動機(jī)構(gòu)的步進(jìn)電機(jī)以及控制8個噴口開、關(guān)狀態(tài)的氣動控制閥發(fā)出雕刻加工指令，二維機(jī)械運動機(jī)構(gòu)開始按行列順序進(jìn)行等間距連續(xù)掃描。與此同時，氣壓磨料-雕刻噴頭根據(jù)像素點陣的行列小標(biāo)，以及每個像素點的明暗信息，在需要雕刻出像素點的位置上，與之相對應(yīng)的噴口立即打開，噴射出高速磨料一氣流，在該小標(biāo)點位置沖擊、蝕刻出圖像點跡，否則噴口關(guān)閉不作噴射。如此反復(fù)循環(huán)掃描，直至蔡幅圖像的全部像素點陣掃描完成，玻璃雕刻加工結(jié)束。

3 數(shù)控砂雕玻璃雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)

　　3.1 機(jī)械運動部件的結(jié)構(gòu)

　　數(shù)控玻璃雕刻機(jī)的機(jī)械運動結(jié)構(gòu)，由步進(jìn)電機(jī)、同步齒形帶、機(jī)座、工作臺、龍門架、圓柱型直線滾動導(dǎo)軌等機(jī)械部件組成。由X軸力一向運動部件和Y軸力一向運動部件構(gòu)成二維機(jī)械運動系統(tǒng)(Z軸力一向只作距離調(diào)蔡，沒有運動)，為氣壓磨料一噴射雕刻頭裝置提供X軸與Y軸力一向的運動，用以實現(xiàn)雕刻噴頭的掃描雕刻加工。機(jī)械運動結(jié)構(gòu)的布局如圖2所示。

　　X軸力一向的機(jī)械運動部件，主要由龍門架、X軸步進(jìn)電機(jī)、兩圓柱型直線滾動導(dǎo)軌、同步齒形帶及皮帶輪、X軸運動托架等零部件組成。步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動元件，通過同步齒形帶將運動傳遞給與之連接的X軸運動托架，從而使安裝在托架上的氣壓磨料一噴射雕刻頭裝置得到X軸力一向的運動。

　　Y軸力一向的機(jī)械運動部件，主要由Y軸步進(jìn)電機(jī)、兩圓柱型直線滾動導(dǎo)軌、同步齒形帶及皮帶輪、機(jī)床底座等零部件組成。由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，通過同步齒形帶將運動傳遞給與之連接的龍門架，從而使安裝在龍門架上的氣壓磨料一噴射雕刻頭裝置得到Y(jié)軸力向的運動。

　　3.2 開放式數(shù)控系統(tǒng)的方案選擇

　　隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，采用PC微機(jī)開發(fā)開放式數(shù)控系統(tǒng)，己經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的潮流，也是國內(nèi)外開放式數(shù)控系統(tǒng)研究的一個熱點。當(dāng)前，PC微機(jī)化的開放式數(shù)控系統(tǒng)有3種實現(xiàn)途徑。

　　(1) PC嵌入NC:是將PC板裝入CNC內(nèi)部，PC與CNC之間用專用的總線連接。這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能強(qiáng)大，但價格昂貴。

　　(2)  NC嵌入PC:以通用微機(jī)為平臺，以PC機(jī)標(biāo)準(zhǔn)插件形式的開放式可編程運動控制器為控制核心，PC機(jī)與運動控制器構(gòu)成主從式、上下位計算機(jī)控制模式。通用PC機(jī)負(fù)責(zé)如數(shù)控程序編輯、人機(jī)界而管理等功能，運動控制器負(fù)責(zé)機(jī)床的運動、邏輯等功能的實時控制任務(wù)。運動控制片具有專用CPU,無需占用PC機(jī)資源。

　　(3)純軟件NC:完全使用軟件來完成加工中的實時控制任務(wù)，用軟件取代NC硬件模塊，通過接口片對伺服驅(qū)動進(jìn)行控制。由于不依賴于NC硬件，這種模式具有高度的靈活性和通用性，但是由于PC操作系統(tǒng)的實時性不強(qiáng)，且NC模塊對軟件編制的要求很高，因此口前只有一些大型廠家在進(jìn)行研究川。

　　基于上述分析，在當(dāng)前技術(shù)條件下選擇NC嵌入PC的力一式，采用PC+運動控制器模式，進(jìn)行砂雕玻璃雕刻機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)。這種基于上、下位機(jī)的雙CPU開放式的數(shù)控系統(tǒng)，能充分發(fā)揮計算機(jī)處理速度快，人機(jī)接口友好的特點，具有較大的實用價值。

　　3.3 基十PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　基于PC+運動控制器模式開發(fā)的開放式數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。數(shù)控系統(tǒng)的主機(jī)為PC 機(jī),操作系統(tǒng)為Windoves  98/2000。運動控制器選用的是國產(chǎn)(深圳市雷賽機(jī)電技術(shù)開發(fā)有限公司)DMC1000運動控制片和(臺灣研華公司)PCI -1762數(shù)字輸入輸出控制片作實時控制的下位機(jī)。選用兩臺BYC系列永磁感應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，作二維機(jī)械運動機(jī)構(gòu)的伺服驅(qū)動電機(jī)。

　　用作下位機(jī)的DM C 1000與PCI一1762片均通過PCI總線力一式與上位PC機(jī)通訊，片上無需進(jìn)行任何跳線設(shè)置，所有資源自動配置;對外接口均采用SISC型插頭、多芯高密度屏蔽電纜接線力一式，信號連接力一便、緊湊，提高了控制片的可靠性和抗十?dāng)_能力;在軟件力一而都相應(yīng)配備了Windows98/2000/NT下的動態(tài)連接庫和功能豐富的函數(shù)庫，支持用戶按照各自具體應(yīng)用的特殊工藝要求，自主編程和開發(fā)專門用途的開放式數(shù)控系統(tǒng)。

　　DMC 1000片主要用于對X, Y軸兩個運動力一向步進(jìn)電機(jī)的控制，它接受PC機(jī)主CPU的指令，處理所有運動控制的細(xì)節(jié):自動升降速計算、行程控制、脈沖和力一向信號的輸出等，完成雕刻機(jī)系統(tǒng)的運動控制。PCI-1762片主要用于氣動電磁閥、氣壓噴射雕刻頭裝置的開、關(guān)自控，以及其它數(shù)字信息的輸入、輸出控制，它一力一面接受PC機(jī)指令、完成自動雕刻加工任務(wù)，同時兼顧對系統(tǒng)的輸出狀態(tài)、運動位置狀態(tài)、電氣開關(guān)狀態(tài)、壓縮空氣的壓力狀態(tài)和磨料盒的料位狀態(tài)、原點和限位開關(guān)等信號的檢測。并且，將這些信息及時反饋給PC機(jī)，完成雕刻機(jī)系統(tǒng)的各種實時控制任務(wù)。

　3. 4 砂雕玻璃雕刻機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)軟件

　　在Windows 2000操作系統(tǒng)下用Visual Basic 6. 0作為開發(fā)工具，利用DM C 1000和PCI一1762卡提供的運動控制、數(shù)字輸入輸出控制函數(shù)庫和動態(tài)連接庫，根據(jù)砂雕玻璃雕刻機(jī)系統(tǒng)的特定加工工藝要求，開發(fā)了一個基于PC機(jī)的開放式數(shù)控系統(tǒng)。

　　(1)數(shù)控系統(tǒng)軟件的人機(jī)界面

　雕刻機(jī)數(shù)控系統(tǒng)軟件主要包括屏幕操作、參數(shù)設(shè)置和圖像顯示三大功能。

　　屏幕操作功能:是用軟件把數(shù)控系統(tǒng)的硬件面板虛擬化，實現(xiàn)急停、繼續(xù)、回原點、機(jī)床的手動運行、圖像數(shù)據(jù)文件的讀入、選取、保存等操作功能。

　　參數(shù)設(shè)置功能:在玻璃雕刻加工時，必須預(yù)先給控制系統(tǒng)輸入的相關(guān)工作參數(shù)和工作狀態(tài)選擇的確定。例如，雕刻起始位置小標(biāo)、比例系數(shù)，伺服電機(jī)的起始速度、驅(qū)動速度、加速時間，以及控制機(jī)械運動機(jī)構(gòu)進(jìn)給量(步距)的定量脈沖、間隔延時等參數(shù)的設(shè)置。

　　圖像顯示功能:主要包括雕刻圖形預(yù)覽、屏幕仿真加工、雕刻軌跡實時動態(tài)跟蹤和故障報警等信息的顯示功能。數(shù)控系統(tǒng)的人機(jī)界面。的運動軌跡，運動軌跡的圖像與實際加工過程始終保持對應(yīng)關(guān)系，操作者可以通過對計算機(jī)屏幕的觀察，隨時了解雕刻機(jī)的實際加工進(jìn)程、實時監(jiān)控系統(tǒng)的工作狀態(tài)。這對于確保數(shù)控雕刻機(jī)的安全運行，提高砂雕玻璃產(chǎn)品的加工質(zhì)量，避免產(chǎn)生廢品是十分必要的。

　　(3)數(shù)控雕刻加工軟件的基本流程

　　數(shù)控雕刻加工控制軟件的基本內(nèi)容，主要包括讀取雕刻數(shù)據(jù)文件、往復(fù)循環(huán)掃描象素點陣、噴口“開”、“關(guān)”狀態(tài)控制、加工過程的仿真等。首先選擇、打開己經(jīng)過象素點陣處理的專用圖像雕刻數(shù)據(jù)文件，上位機(jī)(PC)分別給下位機(jī)(DMC 1000 ,PCI1762控制片)發(fā)出驅(qū)動指令和各個雕刻噴口的“開”、“關(guān)”控制指令，開始按照像素點陣的行列次序往復(fù)循環(huán)掃描，直至全部象素點陣掃描結(jié)束，自動返回雕刻機(jī)系統(tǒng)原點。

　　為了提高玻璃雕刻加工的效率，數(shù)控玻璃雕刻機(jī)采用了8噴口雕刻頭裝置，因此需要分別進(jìn)行64行大循環(huán)和8行小循環(huán)的掃描運動，并且沿X力一向的掃描，采用雙向往復(fù)運動工作力一式。數(shù)控玻璃雕刻加工軟件的基本流程。

4 數(shù)控砂雕玻璃加工實例

　　用上述數(shù)控砂雕玻璃雕刻機(jī)加工的-個實例。其中，(a)圖是一張用掃描儀獲取，并且經(jīng)過二值化、反色處理的普通圖片，(b)圖是根據(jù)(a)圖所示原始圖片的位圖像素點陣數(shù)據(jù)，用數(shù)控砂雕玻璃雕刻機(jī)雕刻加工的一件砂雕玻璃試驗樣品。

5 結(jié)語與展望

　　應(yīng)用噴砂技術(shù)的砂雕玻璃傳統(tǒng)加工力一法，由于其生產(chǎn)設(shè)備簡單，噴砂磨料一產(chǎn)地廣、價格低廉，因而在當(dāng)前國內(nèi)裝飾、裝演玻璃加工市場上，仍然十分流行。但是，這種基于人工的生產(chǎn)工藝力一法，從掩膜的描繪、鏤刻到玻璃噴砂的蔡個過程，主要依靠手工操作，砂雕玻璃制品的圖案藝術(shù)效果與質(zhì)量水平的高低，完全取決于操作者個人的美學(xué)素養(yǎng)和技術(shù)水平，玻璃的雕刻加工質(zhì)量不易保證;另外，這種加工力一法所采用的雕刻圖像素材，主要來源于臨摹描繪樣本，而樣本圖案數(shù)量有限，圖案內(nèi)容單調(diào)、老化，難以滿足用戶對玻璃雕刻圖案的多樣化、個性化、時尚化、精細(xì)化的要求。而且這種加工力一法勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)周期長，不適合大批量加工生產(chǎn)，對環(huán)境的污染也比較嚴(yán)重。

　　計算機(jī)數(shù)控砂雕玻璃加工技術(shù)的優(yōu)越性:

　　(1)圖像素材來源廣泛，可通過掃描獲得、數(shù)字相機(jī)拍攝得到，或者直接從大量的計算機(jī)圖像文件中選用，而且可通過Photoshop等流行數(shù)字圖像處理軟件進(jìn)行任意的藝術(shù)處理。

　　(2)數(shù)控砂雕玻璃雕刻加工技術(shù)，淘汰了在傳統(tǒng)砂雕玻璃加工工藝中必不可少的掩膜制作工序，簡化了噴砂玻璃的雕刻工藝過程，實現(xiàn)了玻璃雕刻圖案的所見即所得。尤其，由于噴砂玻璃的雕刻加工實現(xiàn)了數(shù)字化，使得高雅絕倫的山水風(fēng)景、人物字畫、圖案花邊、名人手跡、花草動物等藝術(shù)真跡的仿真雕刻，變成相當(dāng)力一便和容易的事情。

　　(3)在數(shù)控砂雕玻璃的雕刻加工中，耗氣量和耗砂量都很低，不僅節(jié)能、節(jié)約磨料一，而且縮短了生產(chǎn)周期，降低了工人的勞動強(qiáng)度，有利于環(huán)境保護(hù)。并且數(shù)控加工的速度優(yōu)于手工力一式，數(shù)控加工的質(zhì)量比較穩(wěn)定，能夠適應(yīng)大批量加工生產(chǎn)的需要。

　　隨著計算機(jī)數(shù)控砂雕玻璃加工技術(shù)的更加完善，今后可以進(jìn)一步提高雕刻圖像的分辨率，進(jìn)而提高砂雕玻璃的圖像質(zhì)量。由于玻璃制品的種類多、應(yīng)用而廣，因而計算機(jī)數(shù)控砂雕玻璃加工技術(shù)有很好的推廣應(yīng)用價值和市場發(fā)展前景。