激光雕刻系统中数据处理技术研究

史盼盼，李洋，胡俊

（长春理工大学 电子信息工程学院，长春 130021）

激光雕刻系统中数据处理技术研究

史盼盼，李洋，胡俊

（长春理工大学 电子信息工程学院，长春 130021）

近年来，激光雕刻技术受到越来越多的关注，FPGA数据处理是激光雕刻系统中的重要部分，数据检测提取负责雕刻中重要参数的提取，灰度功率匹配将灰度级和激光器输出功率建立线性关系，使得雕刻系统实现多灰度级的平滑雕刻。雕刻结果表明可以实现256级灰度雕刻，雕刻图像具有层次感。

FPGA；激光雕刻；数据处理

近年来，激光雕刻技术受到越来越多的关注，它利用高能量密度的激光束将特殊处理的电子图像雕刻到被加工物体的表面，进而应用到印刷、制版等各种领域［1］。数据处理是激光雕刻系统中的一个重要组成部分，数据的处理直接制约激光器能量的输出，进而影响雕刻出来的效果。

论述了基于FPGA的激光雕刻系统构成，图像数据通过USB2.0传输到FPGA主控系统，FPGA对接收后的数据进行算法处理，进而实现对CO2激光器的调制输出，在被加工物体表面雕刻出期望图像。主要研究了激光雕刻系统中数据处理及控制技术，包括数据检测提取、像素灰度变换处理、灰度-功率匹配，对于改进激光雕刻工艺具有重要意义。

1 激光雕刻系统构成

系统功能构成如图1：包含主控系统FPGA、缓存池SRAM、运动机构直线电机和功率设备激光器。

图1 激光雕刻系统构成

系统控制核心是高速数据采集中最为关键的部分，本系统需要独立的逻辑控制模块实现高速数据采集、处理、同步等控制，相较于嵌入式系统中控制核心，FPGA具有强大的并行处理数据能力［2］，因此本系统选择FPGA作为系统控制核心。SRAM负责对传输数据进行乒乓操作缓存以实现大量数据的不间断传输，保证雕刻持续进行。雕刻途中对系统的平稳性和精确性要求很高，直线电机具有极平稳的运行和极高的定位精度，并且没有往返运动的间隙问题［3］，结合高精度光栅尺作为反馈系统，对雕刻图像的细节部分重现有重要意义，因此本系统采用直线电机作为传动机构。行程开关是用于保护和机械零点。

将需要被雕刻的原始电子图像通过专用软件进行相关的图像处理，调整灰度级数使之与CO2激光器的能量输出相匹配，达到最佳的工艺要求，经上位机软件将处理后的图像转换为用于雕刻的十六进制数据（这其中包含相关的系统设置参数和数据打包），数据流经USB2.0模块传输到FPGA主控系统，经SRAM缓冲后进行后续数据处理，提取倍频因子和滚筒周长等参数用于雕刻的实时控制，匹配灰度级数和激光器的能量输出，将输入的编码器脉冲经由数字频率合成后调控图像数据的下发传输以及直线电机的前行，在被雕刻物体表面雕刻出所期望的图像。

2 激光雕刻系统数据处理

激光雕刻系统数据处理包括两个方面，数据检测提取和灰度功率匹配，数据检测提取实现图像数据校验以及图像数据流中滚筒周长、倍频因子等参数的提取；灰度功率匹配实现像素灰度值和激光输出功率的匹配，每一级灰度都有相应的输出功率与之对应。

2.1 数据检测提取

图2 数据处理过程

如图2为FPGA主控系统对数据的处理过程，共有八个模块，分别为USB数据读取模块、前级FIFO、SRAM缓冲池控制模块、后级FIFO、数据检测模块、数据转换模块、灰度能量匹配模块和数据控制模块。USB数据读取模块主要是用来对USB传输模块的控制和读取USB2.0传输来的16位数据；数据检测模块作用是检测出图像数据、倍频因子、滚筒周长以及版边偏移量并传送到数据转换模块，然后经数据转换模块进行数据匹配，匹配后的各参数传输给执行模块执行相应操作，图像数据传输到像素灰度变换模块进行灰度变换，再传输到灰度能量匹配模块对激光器输出功率进行调制，同时将图像像素数据传输到数据控制模块，控制激光器的开闭，完成整个雕刻过程。

如图3为数据检测提取处理的流程图，首先判定FIFO是否为空，为空则读取SRAM数据到FIFO中，不为空则进行数据监测提取，将提取的参数传递给执行机构PLC和变频器，PLC根据参数控制光学平台运行至设定位置开始雕刻，变频器根据参数控制胶辊电机的实时转速。首先检测数据头“5555”和“AAAA”，如果检测不到数据头，则视本次数据为无效数据，保证数据的准确性；检测到数据头后，接下来提取滚筒周长和倍频因子等参数，倍频因子是6字节参数，需要进行数据匹配，完成后将倍频因子传输给变频器。Data_ready_buf是图像数据准备好标志位，当提取图像数据完成时置位Data_ready_buf，开始调制输出图像数据，clr_ready_buf是图像数据输出完成信号，当前数据输出完成时置位clr_ready_buf，然后开始下一轮的提取检测。

图4 数据检测仿真波形图

系统使用SignalTap II进行调试，选取的采样时钟信号为FPGA的时钟信号，如图4所示，正确检测出数据头、倍频因子、滚筒周长和版边偏移量。

2.2 灰度-功率匹配

图像可以提取出图像像素和像素灰度两个重要信息，提取出的图像像素作为激光器的控制信号，控制着激光器的开闭，在被雕刻物体表面就表现出雕刻效果。而像素灰度是一个重要的参数，控制着雕刻深度。如图5为图像调制输出原理图。

目前，大多数激光图像雕刻系统只能雕刻二值图像（即黑白图像）。对于多等级灰度图像，先通过数字半色调算法（如有序抖动法、误差扩散法以及迭代法等）将其转换为二值图像后，再进行雕刻加工。这种系统实现起来较为简单，只需在经过图像雕刻区时保持加工速度恒定，并根据二值图中像素的像素值为0或1，控制激光器在相应位置出光或不出光。它只能雕刻出黑白图像，图像层次感不强。即使通过增加激光加工点的方式可在视觉上实现多等级灰度图像雕刻，但大大增加了计算量，也减短了激光器的使用寿命。

为了使雕刻结果能反映原图像的层次和细节，可以通过调节激光器输出功率的方式，进行多等级（最多256级）灰度图像雕刻加工［4］。这种方法需要设定256种激光器输出功率，分别代表一个灰度等级，然后根据像素灰度值对应的灰度等级来调节激光器输出功率，从而产生深浅不一的焦斑。实际应用中，将激光器输出功率与灰度等级近似看作线性的关系。由于当激光功率较小时，在材料表面无法产生焦斑或形成的焦斑不明显，所以加工过程中激光器输出功率应在某个值以上进行线性调节。采用这种方法进行雕刻加工，所得图像层次感较强。

图5 图像调制输出

通常情况下，第j灰度级对应的灰度值为Cgray[j]=255-jj=0,1,…,255。但是雕刻橡胶时，第j灰度级对应的灰度值应变成Cgray[j]=j j=0,1,…,255。如果保持灰度级与灰度值的对应关系不变，那么必须将图像进行反相。实际应用中，灰度级j和激光器的输出功率Pj的对应关系如下式所示：

其中，q和k与加工材料有关。假设第255灰度级对应激光器的最大输出功率Pmax那么：

该系统采用占空比可调的125M脉冲调制激光器的输出功率，其中激光器限制最大的输出功率对应的占空比为40%，则第j灰度级对应的调制脉冲的占空比Mj应该为：

灰度功率匹配的FPGA设计流程如图6所示。

图6 灰度-功率匹配处理流程

其中CO2_En是CO2激光器的使能信号，当CO2_En为1时激光器开启，当CO2_En为1时激光器关闭；Duty_cycle是CO2激光器的功率输出调制信号，由灰度值和固定系数相乘得到，激光器的输出功率受调制信号的占空比变化控制，当占空比为0%时激光器输出能量为0，激光器最大输出功率为占空比40%，由激光器内部限定。

3 实际雕刻效果分析

如图7为灰度梯度雕刻测试结果，电子图设计有灰度梯度变化，从实际雕刻效果来看，灰度的变化表现为激光烧蚀深度的变化，均匀变化的灰度在雕刻实物上表现为均匀平滑的坡度。

图7 灰度梯度雕刻测试

如图8为实际灰度图像的雕刻效果，通过灰度功率的匹配，每一级灰度都有精确的激光器输出功率与之对应，这样，在雕刻灰度图像时就避免了因灰度级变化而产生的锯齿现象，雕刻图像层次感强，具有立体效果。

图8 灰度图像雕刻效果

4 结论

通过对激光雕刻系统中数据处理技术的详细阐述，提出了一种适用于CO2激光器的灰度功率匹配算法，用于雕刻灰度图像，通过调整灰度级-功率输出匹配，可以实现256级灰度雕刻，在不同的被雕刻物表面雕刻出具有层次感的图像，使激光雕刻技术不但在印刷柔版领域具有重要应用，而且在雕刻艺术品领域也有重大应用，对于推动激光雕刻的发展具有重要意义。

［1］ 郑锦生，陈松青.激光雕刻技术的发展［J］.机床与液压，2006（8）：228-231.

［2］ 蔡兵.基于DSP和FPGA的激光加工控制系统研究［D］.武汉：华中科技大学，2006.

［3］ 叶云岳.直线电机原理与应用［M］.北京：机械工业出版社，2000：1-28.

［4］ 李俊.基于嵌入式数控的激光切雕控制系统研究与开发［D］.成都：电子科技大学，2010.

［5］ 史盼盼.基于数字雕刻制版的图像数据处理技术研究［D］.长春：长春理工大学，2017.

Research on Image Data Processing and Transmission Technology in Laser Engraving System

SHI Panpan，LI Yang，HU Jun
（School of Electronic and Information Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

In recent years，more and more attention has been paid to the laser engraving technology.FPGA data processing is an important part of the laser engraving system，Data detection extraction is responsible for the extraction of important parameters in engraving.Gray power matching establish a linear relationship between the gray level and the laser output power，making the carving system to achieve multi-grayscale smooth carving.The results of the carving show that 256 grayscale engravings can be achieved，and the engraving images have a sense of hierarchy.

FPGA；laser engraving；data processing

TN919

A

1672-9870（2017）03-0071-04

2016-12-14

史盼盼（1990-），男，硕士研究生，E-mail：825421205@qq.com

李洋（1978-），女，博士，副教授，E-mail：lyang@cust.edu.cn