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应用喷砂工艺雕刻的玻璃(简称砂雕玻璃)制品集玻璃的实用性与艺术性为一体，工艺简单、价格低廉，并且具有较高艺术品位的装饰功能，在居室建筑艺术装演、工艺美术、家具、标牌、灯饰、广告、园艺和玻璃器皿等多种行业领域得到了广泛的应用。多年以来，这种主要基于人工操作的装饰玻璃制品机械加工力一法，至今仍然是各种装饰玻璃冷加工中最流行的表而处理技术之一。
当前，计算机数控技术(CNC)、计算机图形、图像处理技术和机电一体化技术己经得到高度发展和广泛应用。本文介绍作者创新设计、研制的基于PC计算机数控技术的喷砂玻璃雕刻机系统，尝试将传统的玻璃喷砂工艺力一法与计算机数控技术结合，为喷砂玻璃制品的数字化、自动化生产提供-种新技术，并且给出了构成该系统的一些关键技术和实现力一法。
1 喷砂玻璃传统加工方法的分析
传统喷砂工艺力一法是使用压缩空气喷嘴喷射石英砂或金刚砂细微颗粒，形成高速棍合磨料一气体射流冲击、蚀刻工件表而，从而去除材料一的一种特殊机械加工力一法，特别适用于对玻璃、石材等硬脆材料一表而的装饰性加工处理。
砂雕玻璃的雕刻加工是在传统喷砂工艺基础上，用喷嘴将细微磨料一以定向、高速气流喷射到玻璃表面，使玻璃表而产生交叉微裂纹并成细小的贝壳状剥落下来，因而玻璃表而呈现不透明或半透明的毛而。由于玻璃毛而对光线有散射效应，玻璃毛而的粗糙程度不同，光线的散射效果也不同，从而使玻璃表而产生层次分明、富有立体感的艺术图案和文字。
砂雕玻璃传统加工力一法的工艺流程:首先，由人工在玻璃制品表而粘贴掩膜(不十胶纸);然后参照样本图(或设计图案)，用铅笔在掩膜上临摹描绘出雕刻图案;再用小刀依据描绘图案镂空刻制;最后将粘贴有镂空掩膜的玻璃制品安放到一个密闭的箱体容器内，由人工手持连接有压缩空气、磨料一管道的喷枪进行喷砂工艺处理，在掩膜镂空处喷射雕刻出较粗糙的玻璃毛而，而掩膜保护处仍然保持玻璃原有的光亮、透明而。
由上述砂雕玻璃传统加工力一法的分析研究可知，砂雕玻璃表而的花纹图案、文字、标记等，均由粗糙的玻璃毛而与光亮、透明的玻璃表而组成。这些粗糙程度不同、不透明或半透明的砂雕玻璃毛而，按照数字图像学的观点，实质上是由高速运动的磨料一颗粒冲击、蚀刻出来的一系列密集像素点阵。因此，用传统喷砂工艺力一法雕刻加工的玻璃艺术图案，与普通的黑白照片一和计算机点阵式打印机打印到纸上的黑白图像成像原理类似，都是以密集点阵形式表现出来的二维平而图像。
2 砂雕玻璃数控加工技术原理与工艺规划
2.1 砂雕玻璃数控加工技术原理
由训一算机图形学可知，图像是由图形元素，即像素组成的二维矩阵。一幅图像由许多个像素点组成，每个像素点包含着反映图像在该点的明暗和颜色变化等信息，在MS WINDOWS中这种图像称为“位图”，任何字符和复杂的图形都可以看作是由点集合而成的位图图像。因此，可以通过像素点阵组成各种不同大小的字符和图形。
数控砂雕玻璃雕刻机采用配备气压磨料一喷射雕刻头装置的二维机械运动机构，喷射雕刻头具有8个喷口，8个喷口按均匀间隔、呈直线排列，每个喷口的开、关工作状态，由一个气动电磁阀控制。雕刻喷头上的8个喷口分别与8个像素点的小标位置对应，每个喷口的开、关状态与相应像素点的明暗信息对应。
根据扫描像素点阵形成图像的原理，首先应用图像处理技术将准备雕刻到玻璃上的图形、文字图案等变换为Windows位图格式，然后对转换后的位图进行二值化处理，使之成为黑白二色图像。再将己经二值化的位图像素点阵按二进制字节数据格式重新组合，使得每一字节中的8个二进制位(0或1)信息，与喷头上8个喷口的“打开”、“关闭”工作状态一对应。
计算机数控雕刻机借鉴砂雕玻璃的传统喷砂加工力一法，模仿点阵式打印机的扫描工作力一式，按照图像的行列顺序扫描像素点阵。由数控加工软件控制雕刻喷头的8个喷口，在每个象素点的小标位置上，控制相应喷口喷射或者不喷射磨料一气流。在需要雕刻点的小标位置，喷口打开喷射出气压细微磨料一流，在玻璃表而冲击、蚀刻出不透明的粗糙点;在不需要雕刻点的小标位置，喷口处于关闭状态，即保持玻璃原有光亮、透明点。对蔡幅图像的像素点阵反复循环扫描，即可获得由一系列明暗亮度不同的、密集像素点阵形式的砂雕玻璃图案。雕刻图像的像素点阵与雕刻头喷口、图像数据字节之间的对应关系如图1所示。 （图片）
图1 像素点阵与雕刻喷头\ 图像数据字节对应关系 2.2 数控砂雕玻璃加工的工艺过程规划
数控砂雕玻璃的加工工艺过程可以分为两个步骤进行:
第一步，进行数控雕刻加工数据的预处理。在Windows环境应用Photoshop等图像处理软件，将需要雕刻到玻璃表而的图形、以及文字图像文件变换为Windos位图格式，然后对转换后的图像文件进行二值化处理，使之变换为离散的二进制像素(点阵)矩阵，利用由高级语言编程、开发的专用图像数据处理软件，将每一像素点的明暗("1”或“0")信息按点位小标顺序逐一读取，按二进制字节数据格式重新组合，使得每一字节中的8个二进制位与喷头上8个喷口的“打开”、“关闭”工作状态信息一对应。最后，将重组处理的图象数据文件，直接传送给下-步，进行数控雕刻加工，或者保存为雕刻数据文件待用。
第二步，进行数控自动喷砂雕刻加工。计算机数控系统直接接收、或者打开读取己经第一步处理过的雕刻数据文件，按字节数据格式连续不断地读取出8位二进制信息。随即数控系统给驱动X, Y力一向运动机构的步进电机以及控制8个喷口开、关状态的气动控制阀发出雕刻加工指令，二维机械运动机构开始按行列顺序进行等间距连续扫描。与此同时，气压磨料-雕刻喷头根据像素点阵的行列小标，以及每个像素点的明暗信息，在需要雕刻出像素点的位置上，与之相对应的喷口立即打开，喷射出高速磨料一气流，在该小标点位置冲击、蚀刻出图像点迹，否则喷口关闭不作喷射。如此反复循环扫描，直至蔡幅图像的全部像素点阵扫描完成，玻璃雕刻加工结束。
3 数控砂雕玻璃雕刻机的结构
3.1 机械运动部件的结构
数控玻璃雕刻机的机械运动结构，由步进电机、同步齿形带、机座、工作台、龙门架、圆柱型直线滚动导轨等机械部件组成。由X轴力一向运动部件和Y轴力一向运动部件构成二维机械运动系统(Z轴力一向只作距离调蔡，没有运动)，为气压磨料一喷射雕刻头装置提供X轴与Y轴力一向的运动，用以实现雕刻喷头的扫描雕刻加工。机械运动结构的布局如图2所示。（图片） X轴力一向的机械运动部件，主要由龙门架、X轴步进电机、两圆柱型直线滚动导轨、同步齿形带及皮带轮、X轴运动托架等零部件组成。步进电机作为驱动元件，通过同步齿形带将运动传递给与之连接的X轴运动托架，从而使安装在托架上的气压磨料一喷射雕刻头装置得到X轴力一向的运动。
Y轴力一向的机械运动部件，主要由Y轴步进电机、两圆柱型直线滚动导轨、同步齿形带及皮带轮、机床底座等零部件组成。由步进电机驱动，通过同步齿形带将运动传递给与之连接的龙门架，从而使安装在龙门架上的气压磨料一喷射雕刻头装置得到Y轴力向的运动。
3.2 开放式数控系统的方案选择
随着计算机技术的飞速发展，采用PC微机开发开放式数控系统，己经成为数控系统技术发展的潮流，也是国内外开放式数控系统研究的一个热点。当前，PC微机化的开放式数控系统有3种实现途径。
(1) PC嵌入NC:是将PC板装入CNC内部，PC与CNC之间用专用的总线连接。这类系统结构复杂、功能强大，但价格昂贵。
(2) NC嵌入PC:以通用微机为平台，以PC机标准插件形式的开放式可编程运动控制器为控制核心，PC机与运动控制器构成主从式、上下位计算机控制模式。通用PC机负责如数控程序编辑、人机界而管理等功能，运动控制器负责机床的运动、逻辑等功能的实时控制任务。运动控制片具有专用CPU,无需占用PC机资源。
(3)纯软件NC:完全使用软件来完成加工中的实时控制任务，用软件取代NC硬件模块，通过接口片对伺服驱动进行控制。由于不依赖于NC硬件，这种模式具有高度的灵活性和通用性，但是由于PC操作系统的实时性不强，且NC模块对软件编制的要求很高，因此口前只有一些大型厂家在进行研究川。
基于上述分析，在当前技术条件下选择NC嵌入PC的力一式，采用PC+运动控制器模式，进行砂雕玻璃雕刻机数控系统的开发。这种基于上、下位机的双CPU开放式的数控系统，能充分发挥计算机处理速度快，人机接口友好的特点，具有较大的实用价值。
3.3 基十PC的开放式数控系统硬件结构
基于PC+运动控制器模式开发的开放式数控系统的硬件结构原理如图3所示。数控系统的主机为PC 机,操作系统为Windoves 98/2000。运动控制器选用的是国产(深圳市雷赛机电技术开发有限公司)DMC1000运动控制片和(台湾研华公司)PCI -1762数字输入输出控制片作实时控制的下位机。选用两台BYC系列永磁感应式步进电机，作二维机械运动机构的伺服驱动电机。（图片） 用作下位机的DM C 1000与PCI一1762片均通过PCI总线力一式与上位PC机通讯，片上无需进行任何跳线设置，所有资源自动配置;对外接口均采用SISC型插头、多芯高密度屏蔽电缆接线力一式，信号连接力一便、紧凑，提高了控制片的可靠性和抗十扰能力;在软件力一而都相应配备了Windows98/2000/NT下的动态连接库和功能丰富的函数库，支持用户按照各自具体应用的特殊工艺要求，自主编程和开发专门用途的开放式数控系统。
DMC 1000片主要用于对X, Y轴两个运动力一向步进电机的控制，它接受PC机主CPU的指令，处理所有运动控制的细节:自动升降速计算、行程控制、脉冲和力一向信号的输出等，完成雕刻机系统的运动控制。PCI-1762片主要用于气动电磁阀、气压喷射雕刻头装置的开、关自控，以及其它数字信息的输入、输出控制，它一力一面接受PC机指令、完成自动雕刻加工任务，同时兼顾对系统的输出状态、运动位置状态、电气开关状态、压缩空气的压力状态和磨料盒的料位状态、原点和限位开关等信号的检测。并且，将这些信息及时反馈给PC机，完成雕刻机系统的各种实时控制任务。
3. 4 砂雕玻璃雕刻机的数控系统软件
在Windows 2000操作系统下用Visual Basic 6. 0作为开发工具，利用DM C 1000和PCI一1762卡提供的运动控制、数字输入输出控制函数库和动态连接库，根据砂雕玻璃雕刻机系统的特定加工工艺要求，开发了一个基于PC机的开放式数控系统。
(1)数控系统软件的人机界面
雕刻机数控系统软件主要包括屏幕操作、参数设置和图像显示三大功能。
屏幕操作功能:是用软件把数控系统的硬件面板虚拟化，实现急停、继续、回原点、机床的手动运行、图像数据文件的读入、选取、保存等操作功能。
参数设置功能:在玻璃雕刻加工时，必须预先给控制系统输入的相关工作参数和工作状态选择的确定。例如，雕刻起始位置小标、比例系数，伺服电机的起始速度、驱动速度、加速时间，以及控制机械运动机构进给量(步距)的定量脉冲、间隔延时等参数的设置。
图像显示功能:主要包括雕刻图形预览、屏幕仿真加工、雕刻轨迹实时动态跟踪和故障报警等信息的显示功能。数控系统的人机界面如图4所示。的运动轨迹，运动轨迹的图像与实际加工过程始终保持对应关系，操作者可以通过对计算机屏幕的观察，随时了解雕刻机的实际加工进程、实时监控系统的工作状态。这对于确保数控雕刻机的安全运行，提高砂雕玻璃产品的加工质量，避免产生废品是十分必要的。（图片） (3)数控雕刻加工软件的基本流程
数控雕刻加工控制软件的基本内容，主要包括读取雕刻数据文件、往复循环扫描象素点阵、喷口“开”、“关”状态控制、加工过程的仿真等。首先选择、打开己经过象素点阵处理的专用图像雕刻数据文件，上位机(PC)分别给下位机(DMC 1000 ,PCI1762控制片)发出驱动指令和各个雕刻喷口的“开”、“关”控制指令，开始按照像素点阵的行列次序往复循环扫描，直至全部象素点阵扫描结束，自动返回雕刻机系统原点。
为了提高玻璃雕刻加工的效率，数控玻璃雕刻机采用了8喷口雕刻头装置，因此需要分别进行64行大循环和8行小循环的扫描运动，并且沿X力一向的扫描，采用双向往复运动工作力一式。数控玻璃雕刻加工软件的基本流程如图5所示。（图片）
图5 数控雕刻加工软件的基本流程框图 4 数控砂雕玻璃加工实例
图6所示是用上述数控砂雕玻璃雕刻机加工的-个实例。其中，(a)图是一张用扫描仪获取，并且经过二值化、反色处理的普通图片，(b)图是根据(a)图所示原始图片的位图像素点阵数据，用数控砂雕玻璃雕刻机雕刻加工的一件砂雕玻璃试验样品。（图片） 5 结语与展望
应用喷砂技术的砂雕玻璃传统加工力一法，由于其生产设备简单，喷砂磨料一产地广、价格低廉，因而在当前国内装饰、装演玻璃加工市场上，仍然十分流行。但是，这种基于人工的生产工艺力一法，从掩膜的描绘、镂刻到玻璃喷砂的蔡个过程，主要依靠手工操作，砂雕玻璃制品的图案艺术效果与质量水平的高低，完全取决于操作者个人的美学素养和技术水平，玻璃的雕刻加工质量不易保证;另外，这种加工力一法所采用的雕刻图像素材，主要来源于临摹描绘样本，而样本图案数量有限，图案内容单调、老化，难以满足用户对玻璃雕刻图案的多样化、个性化、时尚化、精细化的要求。而且这种加工力一法劳动强度大、生产周期长，不适合大批量加工生产，对环境的污染也比较严重。
计算机数控砂雕玻璃加工技术的优越性:
(1)图像素材来源广泛，可通过扫描获得、数字相机拍摄得到，或者直接从大量的计算机图像文件中选用，而且可通过Photoshop等流行数字图像处理软件进行任意的艺术处理。
(2)数控砂雕玻璃雕刻加工技术，淘汰了在传统砂雕玻璃加工工艺中必不可少的掩膜制作工序，简化了喷砂玻璃的雕刻工艺过程，实现了玻璃雕刻图案的所见即所得。尤其，由于喷砂玻璃的雕刻加工实现了数字化，使得高雅绝伦的山水风景、人物字画、图案花边、名人手迹、花草动物等艺术真迹的仿真雕刻，变成相当力一便和容易的事情。
(3)在数控砂雕玻璃的雕刻加工中，耗气量和耗砂量都很低，不仅节能、节约磨料一，而且缩短了生产周期，降低了工人的劳动强度，有利于环境保护。并且数控加工的速度优于手工力一式，数控加工的质量比较稳定，能够适应大批量加工生产的需要。
随着计算机数控砂雕玻璃加工技术的更加完善，今后可以进一步提高雕刻图像的分辨率，进而提高砂雕玻璃的图像质量。由于玻璃制品的种类多、应用而广，因而计算机数控砂雕玻璃加工技术有很好的推广应用价值和市场发展前景。
12/11/2013
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