数控技术在砂雕玻璃雕刻机中的应用

0 前言

　　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。