武汉理工大学
硕士学位论文
快速图像激光雕刻加工系统的开发与实现
姓名：张开敏
申请学位级别：硕士
专业：机械制造及其自动化
指导教师：杨明忠
20050301
武汉理工大学硕士学位论文
摘要
激光雕刻技术是２０世纪８０年代兴起的一门崭新的工业加工技术。由于计算机辅助设计、计算机图形学、工业自动化、信息技术等学科在激光加工领域的交叉渗透，大大扩展了激光雕刻的应用范围。快速图像激光雕刻加工系统，是基于数字图像处理的计算机集成数控技术的激光雕刻技术。利用数字图像进行工业设计和加工具有独特的优势，逐渐成为当前工业界的一个热点。本文开发的系统和基于ＣＡＤ系统的代码自动编程系统ＣＡＤ／ＣＡＭ是不同的，它可以处理数据量巨大的数字图像，并将其自动转化成控制系统可以识别的代码，大大提高了编程效率，采用手工编程是绝对不可能达到这种编程效率的，由于其数据格式与ＣＡＤ不一致，采用一般的ＣＡＤ／ＣＡＭ方法几乎也不可能达到同样的效果。这项研究工作具有很大的理论和现实意义。作者结合自己在该系统开发中的工作，主要从以下几个方面对快速图像激光雕刻加工系统进行了比较详细的研究：
１．研究了面向数控加工的数字图像技术，介绍了数字图像处理（ＤｉｇｉｔａｌＩｍａｇｅＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）、数字图像的位图知识和快速图像激光雕刻加工系统常用的算法。
２．在分析该系统加工原理的基础上，提出开放式数控系统定义，研究其原型分类。并介绍了该系统加工原理，即基于图形、图像的数控程序自动编程和加工实现，其中包括细化算法的矢量加工和直接加工的影像加工两种方法。
３．研究了系统的实现方法，分析了系统的结构，子结构及其功能的实现，并详细介绍了该系统主控软件的设计和实现。
４．介绍系统的整体实现方法，包括机械主机设计的总体要求和具体过程；并提出系统整体结构图，给出详细的加工实例。
在总结全文工作的基础上，提出了快速图像激光雕刻加工系统的展望。关键词：激光雕刻，数字图像处理，开放式数控系统，数控自动编程
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Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｌａｓｅｒｃａｒｖｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓａｎａｐｐｌｉｅｄｔｅｃｈｎｉｑｕｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄｉｎｔｉｌｅ１９８０’Ｓ．ＢｕｔｉｉｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｒａｎｇｅｈａｓｗｉｄｅｌｙｅｘｐａｎｄｅｄｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈＣＡＤ，ｃｏｍｐｕｔｅｒｇｒａｐｈｉｃ，ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｅｔｃ．Ｌａｓｅｒｃａｒｖｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒｒａｐｉｄｄｉｇｉｔａｌｉｍａｇｅｉｓｏｎｅｏｆｌａｓｅｒｃａｒｖｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ｗｈｉｃｈｄｅｒｉｖｅｄｆｒｏｍｃｏｍｐｕｔｅｒｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｄｉｇｉｔａｌｉｍａｇｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ａｎｄｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｐｒｏｄｕｃｔｄｅｓｉｇｎａｎｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｂａｓｅｄＯｉｌｄｉｇｉｔａｌｉｍａｇｅ．Ｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍｈａｓｂｅｃｏｍｅｐｏｐｕｌａｒｉｎｉｎｄｕｓｔｒｙ．ＬａｓｅｒｃａｒｖｉｎｇｓｙｓｔｅｍｉｓｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｒｏｍＣＡＤ／ＣＡＭｓｙｓｔｅｍ．ＩｔｃａｎｄｅａｌｗｉｔｈｈｕｇｅｓｏｕｒｃｅｄａｔａａｎｄｐｒｏｄｕｃｅＧｃｏｄｅｏｆｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｉｔｉｓｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｂｏｔｈｉｎｔｈｅｏｒｙｓｔｕｄｙａｎｄｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｐｒａｃｔｉｃｅｆｏｒｉｔｓｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｔｈｅａｕｔｈｏｒｈａｓｔａｋｅｎｐａｒｔｉｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍ．
１．Ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｓｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ—ｏｒｉｅｎｔｅｄｄｉｇｉｔａｌｉｍａｇｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｈａｖｅｂｅｅｎｒｅｓｅａｒｃｈｅｄｉｎｔｈｉｓｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ．Ｄｉｇｉｔａｌｉｍａｇｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｂｉｔｍａｐｓｔｕｄｙｉｎｇ，ｄｉｇｉｔａｌｉｍａｇｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒｒａｐｉｄｄｉｇｉｔａｌｉｍａｇｅｌａｓｅｒｃａｒｖｉｎｇｓｙｓｔｅｍａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．
２．ＢｙｒｅｓｅａｒｃｈＯｉｌｔｈｅｂａｓｉｃｔｈｅｏｒｙａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｔｈｅａｕｔｈｏｒｐｒｅｓｅｎｔｓｏｐｅｎＣＮＣｓｙｓｔｅｍ，ｉｔｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎｄｏｐｅｒａｔｉｎｇｔｈｅｏｒｙ，ｗｈｉｃｈｉｎｖｏｌｖｅｖｅｃｔｏｒｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇａｎｄｄｉｒｅｃｔｉｍａｇｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ．一
３．Ｔｈｅａｕｔｈｏｒｄｅｓｃｒｉｂｅｓｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｌａｓｅｒｃａｒｖｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒｒａｐｉｄｄｉｇｉｔａｌｉｍａｇｅ．Ｖａｒｉｏｕｓｆｕｎｃｔｉｏｎｍｏｄｅｌｓａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄａｎｄｔｈｅｍｅｔｈｏｄｓｈａｖｅｂｅｅｎｄｅｓｃｒｉｂｅｄｈｏｗｔｏｉｍｐｌｅｍｅｎｔｔｈｅｓｅｆｕｎｃｔｉｏｎｓ．４．Ｆｒｏｍｔｈｅａｂｏｖｅｅｘｐｌａｎａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｍａｃｈｉｎｅｒｙｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｂｙｔｈｅａｕｔｈｏｒ，ｔｈｅｗｈｏｌｅｆｒａｍｅｏｆｌａｓｅｒｃａｒｖｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒｒａｐｉｄｄｉｇｉｔａｌｉｍａｇｅｈａｓｂｅｅｎｏｂｔａｉｎｅｄ，ａｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｉｎｓｔａｎｃｅｏｆｔｈｅｓｅｓｙｓｔｅｍｓｐｒｏｖｉｄｅｄｈｅｒｅ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅａｕｔｈｏｒｓｕｍｍａｒｉｚｅｓｔｈｅｍａｉｎｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓａｎｄｓｕｇｇｅｓｔｓｐｏｓｓｉｂｌｅｆｕｔｕｒｅｒｅｓｅａｒｃｈｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄ：ＬａｓｅｒＣａｒｖｉｎｇ，ＤｉｇｉｔａｌＩｍａｇｅＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ＯｐｅｎＣＮＣ，ＮＣＡｕｔｏｍａｔｅｄＰｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ
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第一章绪论
１．１课题研究的目的和意义
激光技术自上世纪６０年代诞生以来，因其独特的单色性好、方向性强、能量高、相干性好等特点，一直受到科学技术界的重视。早期主要用于军事和工业。随着科学技术的飞速发展，尤其是与近年日益发展成熟的计算机科学技术相结合，更加广泛深入应用到各个领域；同时，激光技术与电子技术本身在实践应用中也取得到很大的发展，这些都进一步给工农业生产、军事技术带来巨大的变化和良好的社会经济效益ｆｌＪ。
基于数字图像处理和计算机集成数控技术的激光ＣＮＣ雕刻系统，是激光技术与数控技术结合应用的经典之作，现己发展成现代制造加工技术一个重要分支１２Ｊ。它把激光器、计算机数控技术以及高精度运动控制技术和自动化定位技术集成于一体，成为新的加工中心。这种加工应用实例，因其具有优质、高效、低成本特性，为现代加工领域开辟了新的道路；同时，又因其有的灵活、方便、易操作等特性，将会拥有广阔的应用前景。根据中国激光设备行业权威媒体调查显示，发达国家制造业激光设备使用率已达到３０％以上（而我国还不足５％）。在国内制造业，使用激光加工设备的企业主要集中在对加工精度要求比较高的高科技行业，例如手机电池的焊接、线路板序列号及小批量产品徽标的雕刻等。但从行业上讲，它在很多加工领域具有极大的应用潜力，因此，激光应用领域有着很好的发展前景吼同时，随着其应用的深入，也将推动我国工业生产自动化关键技术继续向前向深方向发展。
快速图像激光雕刻是激光加工深入应用的一个典范。雕刻加工是一种传统的手工艺，在手工艺、标牌、首饰等行业具有悠久的历史。只是其手工艺性决定它生产率低，成本价格高，可重复性差，而且质量决定于雕刻师的技艺水平。随着人类社会生产、科学技术的发展，机械雕刻和激光雕刻应运而生，逐渐取而代之。其中激光雕刻设各，集光学、机械学、电子学、计算机学及自动化控制为一体，是先进技术的综合体现，具有显著优势。由于其技术领先、性能优异以及独特加工优点，使传统加工在很多方面相形见绌。传统的加工过程一般由各种刀具来完成，而刀具本身从其本质来说在外形尺寸上有很大限制，激光加工为非接触式加工，抛开了刀具外形尺寸上的限制，所以由一般刀具加工不出来的尖角等可以由激光设备轻松完成；并且由于激光束与刀具物理结构的不同，在传统加工过程中的刀具补偿等复杂问题则可以不予考虑。更甚的是其加工出来的产品精致入微，生产效率高，因而深受到广泛关注，在实际加工过程
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中，非常符合小批量、多品种的生产特点。而且计算机的使用在我国企业已经普及。因此，在数字图像处理的研究开发基础上，通过列计算机中待加工图像文件的数据行、优化，直接生成数控加工代码，由特定的运动控制器识别和读取，并实现加工过程和运动控制，不失为一条可能提高其加工效率的捷径，而完成以上过程的数控自动编程则具有巨大的实用意义【４Ｊ。
同时，随着电子技术飞速发展，现代数控技术发展到基于ＰＣ的ＣＮＣ更高级别开放系统【”，控制系统的智能程度提高等等，都将为激光技术应用准备雄厚技术基础，促进激光加工在实际生产中更加广泛、深入应用ｆ６】。
只是目前低成本激光雕刻设备在对于简单图形处理，通过ＣＡＤ的特征提取，生成加工Ｇ代码或在数字图像分割的基础上提取特征生成加工代码时候，加工时候实用价值很高，而加工图像等类似区域型的对象时效率很低。由于文件数量巨大，造成编程效率较低，传输过程慢和易丢失等１４ｊ。现代高速激光加工设备改良策略采用转镜作为主要功能部件，大大提高了加工速度，然而设备成本也大幅上升，使得设备价格成为普及使用的主要障碍。因此在不增加设备硬件成本的情况下，如何通过优化控制程序以及快速算法，来提高加工效率，就变得极为迫切。使设备主要部件驱动电机与激光器协调动作，充分发挥各个部件的最大效能，同时与控制软件充分配合，达到有效利用与提高加工效率的目的，促进低成本激光标刻设备在我国得以普及使用，正是本论文研究课题的最终目的。
１．２激光雕刻加工技术的发展现状及其趋势
１．２．１激光加工技术及激光雕刻技术应用现状
自问世以来，激光因其独特的单色性好、方向性强、能量高、相干性好等特点，在军事、电子、工农业生产、医疗科研等领域中得到了广泛的应用，发展极为迅速，其市场每年以１５％的速度增加。激光技术推动了许多领域的迅速发展，应用范围越来越广，尤其在加工领域中的应用。激光加工系指激光束作用于物体的表面而引起物体形状的改变或物体性能的改变的加工过程，目前已成为一种新型的高能束流，应用的激光器有Ｃ０２、Ｎｄ：ＹＡＧ准分子（ＫｒＦ、加Ｆ）激光器，而且随着半导体激光技术的发展，使得二极管激光器、二极管泵浦全固体化激光器、光纤激光器和超短脉冲激光器也被广泛的应用。由于对提高产品质量、劳动生产率、自动化、无污染、减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用，为材料加工工艺提供了一种理想实用的新手段。激光也被誉为是“万能加工工具”、“未来柔性制造系统（ＦＭＳ）的共同加工手段”，是当代具有代表性的先进制造技术ｆ１】。现已开发２０多种激光加工工艺：
（１）在传统制造业中的应用：采用激光进行焊接、切割、打孔、标记和表
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面热处（相变硬化、涂覆技术、合金化技术、冲击强化等）等加工；
（２）在微电子行业的应用：采用激光进行光刻、微调、退火、存储、划线、清洗等加工：
（３）在其他行业：采用激光快速成型、毛化，制版、刻蚀、雕刻、强化电镀等加工。
激光雕刻技术是２０世纪８０年代兴起的一门崭新的工业加工技术，在国际上一些发达的国家已将该技术作为工业加工的标准。其原理是在足够的功率密度的激光束照射下，使被加工材料表面达到熔化和汽化温度，从而使材料气化蒸发或熔融溅出。由于计算机辅助设计、计算机图形学、工业自动化、信息技术等学科在激光加工领域的交叉渗透，大大扩展了激光雕刻的应用范围，并为推动相关学科的发展提供了新思路，成为激光雕刻领域的重要特色之一。由武汉楚天激光集团公司研制生产的系列激光雕刻机，可对各种非金属材料（如塑料、橡胶、玻璃、有机玻璃、大理石、宝玉石、皮革、木材）进行精密雕刻。激光打标使用激光束在各种不同物质表面上打上永久的标记，其原理使通过表层物质的蒸发漏出深层物质，或是通过光能导致表层物质化学物理变化而“刻”出痕迹，或是通过光能烧掉部分物质，显示出所需颗蚀的图、图案、文字。激光加工与传统标记工艺相比，具有速度快、标记刻些清晰、不易磨损的优点，广泛应用于工具、轴承、量具、汽车与摩托车配件，各种电器元件的标记和编号的刻写【¨。
１．２．２激光雕刻加工技术发展趋势
随着计算机数控技术及网络技术的日新月异，与其紧密结合激光加工作为现代制造的一部分，在满足现成加工工艺的同时也在向网络化、智能化、标准化方向发展，并力求能与ＣＡＤｊ，ＣＡＰＰ系统集成实现更高程度的开放，以满足现代制造业发展的迅速、高效、低成本的要求，加强市场竞争力【“。
基于ＰＣ的ＣＮＣ正适应这个发展方向。基于ＰＣ的ＣＮＣ于上世纪８０年代提出，９０年代实现，本质是“将通用计算机的操作系统和硬件结构兼容作为制造技术的两项重要内容”。基于ＰＣ的软件支持已日臻完善和成熟，操作系统具有良好的可靠性，兼容性和开放性，其本身就具有直接的组网能力，为网络制造提供最好平台，因此才有真正意义的网络制造系统。而其硬件资源丰富、功能强大、使用灵活，能完成更多的数控功能，更是锦上添花。传统的ＣＮＣ最终犒被基于ＰＣ的开放式ＣＮＣ所取代，这是不可避免的，应抓住这个契机，紧跟世界数控技术发展的潮流，迎头赶上进而缩小在数控领域与先进国家的差距。激光雕刻加工技术作为基于ＰＣ的ＣＮＣ的具体应用实例，本身随该方向技术的发展而发展，同时也丰富和促进数控技术的发展【７】。
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制造业是国民经济的基础，现代制造技术的核心是计算机及网络技术的成功占领，发达国家网络制造技术、虚拟制造、敏捷制造企业发展迅猛。前不久美国政府公布的产业发展方向中，己明确将通用计算机的操作系统和硬件结构兼容作为制造技术的两项重要内容。可以预料：在计算机及网络技术支持下的先进制造技术将是制造业快速适应市场的需求，不断推出新产品，赢得竞争，求得生存和发展。激光雕刻加工技术因时、因势而发展更能为我国制造业锦上添花【”。
１．３课题的来源及研究的主要工作
１．３．１主要工作
本文研究了快速图像激光雕刻加工系统原理、结构，并完成实际设备系统研制。在实际设备设计和开发工作过程中，作者深入研究了基于ＰＣ的开放数控系统、数字图像编程处理理论与实践、以及各种运动控制器。在此基础上，参与开发上层主控软件、设计机床设备机械运动结构、设计并选型主控制系统，以及整个加工设备的安装、调试。针对目前已有设备的速度、精确、智能问题，从上层软件采用优化算法和硬件电路控制、从机械结构上采取多种相应的措施，予以逐一解决，并取得良好的应用效果。
１．３．２课题来源
Ｃ１）武汉理工大学科学研究基金：控制软件的研究与开发（２００３ＸＪＪ０７８）（２）武汉市青年科技晨光计划项目技术研究（２００３５００２０１６０５）低成本激光标刻设备面向图像快速加工制造信息系统中产品知识发现与应用
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第二章数字图像获取与处理
ＣＮＣ雕刻是一种专业性十分强的加工方式，在其应用领域中常规的加工方式很难有出色的表现。而且由于其加工方式、加工对象、和使用方式的特色，其本身有一些特色性的加工理念。正是因此，一些不同的应用厂家对ＣＮＣ雕刻有不同的理解，提出不同的见解，并体现在他们开发的各式各样的ＣＮＣ雕刻系统中。雕刻ＣＡＤ／ＣＡＭ技术、ＣＮＣ数控技术、精密雕刻机设计技术、小刀具精细雕刻工艺和激光雕刻技术等在ＣＮＣ雕刻系统中得到深入应用并取得重大突破，真正实现先进技术向产业化的转化工作【８】。
基于数字图像处理和计算机集成数控技术的激光ＣＮＣ雕刻系统，在专业十分强的ＣＮＣ雕刻加工方式中，因其优质、高效和低成本，以及拥有普通手工及机械精雕无法比拟的加工方式、手段、精度、效果，近年来越来越受人们的欢迎，在市场中脱颖而出。雕刻设各系统使用的基础是上层控制软件，整个系统开发投产后，使用激光雕刻ＣＮＣ系统的实质是在使用主控软件系统１５】。本课题就是在此理念的基础上，应用成熟数字图像处理技术及的实践，研发的该系统。并结合现代运动控制系统已发展到基于ＰＣ的ＣＮＣ开放数控系统这一技术，以及市场成熟的伺服技术和精密机械技术，最终设计、完成的。本章主要对面向数控加工的数字图像处理技术进行研究。
２．１数字图像处理介绍
数字图像处理（ＤｉｇｉｔａｌＩｍａｇｅＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）技术从广义可看作是各种图像加工技术的总称，也叫计算机图象处理，它是一个覆盖面非常广泛的新兴学科。他包括利用计算机和其他电子设备完成的一系列工作，如图像采集、获取、编码、存储和传输，图像的合成和产生，图像的显示、绘制和输出，图像的变换、增强、恢复、和重建，特征的提取和测量，目标的检测和拈叙，序列图像的校正，图像数据库的建立、索引、查询和抽取，图像的分类、表示和识别，３Ｄ景物的重建，图像模型的建立，图像知识的利用和匹配，图像和场景的解释和理解，以及基于他们的推理、判断、决策和行为规划等等，另外图像处理技术还包括为完成上述功能而进行的硬件和系统的设计及制作等方面的技术ｎ数字图像处理是从２０世纪６０年代以来随着计算机技术和ＶＬＳｌ的发展而产生、发展和不断成熟起来的一个新兴技术领域，他在理论和实际应用上都取得极大的成就，引起各方面人士的注意。早期人们在伦敦和纽约之间成功采用电缆传递数字化报纸图片，计算机出来后处理速度和存储能力大幅度提高，但如何应用到具有大量数字运算工作的数字图像处理中去一直是人们思考的问题。
因为自然界中提供的图像是以模拟量形式的，而计算机所有运算都是以二进制为基础进行的，从此角度，计算机不能处理自然界中的图像。幸运的是人们已经发明了将模拟形式的图像转换到数字形式的图像设备。随着时间的推移，这些设备越来越成熟，制造和使用成本也很低，目前已经差不多成为了很常见的计算机辅助外设之一，这些硬件的普及就为利用计算机进行的数字图像处理提供了良好的基础，特别ＤＳＰ处理器的出现，更容易实现理论到实践的过程。
数字图像处理主要包括的内容：
≯图像的数字化及编码压缩：把连续的图像信号变成离散的数字信号，适应计算机的运算处理：压缩技术是减少描叙图像的数据量，以节省传输、处理时间和存储空间。其中编码压缩是压缩技术中最重要的方法。
≯图像增强和复原：图像增强的目的是突出图像中人们感兴趣的部分：图像复原是尽量可能恢复图像的原来面且。
≯图像分割：将图像中包含的物体按其灰度或其他特性分割，并进行处理分析，从中提取有效分量、数据等有用信息，作为进一步图像处理（如模式识别、机器视觉等）的基础；
≯图像分类：其主要内容是在图像经过某些预先处理后，将图像中有用的物体特征进行分割，特征选择，进行判别分类。
》图像重建：对一些三维物体，应用ｘ射线、超声波等物理方法获得物体内部数据结构，再将此数据进行运算处理而构成物体内部某些部位的图像，如计算机断层扫描技术（ｃＴ）。
数字图像处理的相关学科：
数字图像处理是计算机技术、信息论和信号处理相结合的综合性应用科学，与其他科学有密切的关系。首先，图像处理和计算机图形学就是各自发展起来又难以分清的技术领域，通常的应用都是要综合这两个领域。例如在能产生中间色调和带有颜色图像的光栅图形的领域中，计算机动画就是其中的典型的例子。其次，模式识别（ＰａｔｔｅｒｎＲｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ）的理论指的就是把特征多维图案空间分成不同类型的识别理论，它的研究一般采用有分析图像到提取特征的阶段和识别阶段。此外，在与人工智能（ＡｒｔｉｆｉｃｉａｌＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ）研究的有关理论中，一直试图以机器人的视觉为目标进行三维景物的分析，即计算机视觉。总的来说图像处理理论经常要借用别的学科的知识来解决实际生活中问题。
数字图像的主要应用领域：
≯航空航天技术方面的应用：主要是对人造卫星传回来的图像和航空照片进行处理，以便进行资源调查、资源勘探、城市规划等各种应用。
》生物医学方面的应用：，目前对Ｘ射线、显微镜图像、超声波图像的模式识别是辅助诊断的重要手段。这方面最为成功的应用就是计算机层析成像，
即ＣＴ技术。
≯通讯工程方面的应用：未来通信传输的信息主要是声音、图像和数据的综合，就是将电话、电视和计算机的信号以某种方式综合并在数字通信网（ＩＳＤＮ）上传输，这样，编码压缩就是很关键的技术。
≯工业和工程方面：主要是外观和挑选、表面缺损的自动检查、装配和生产线的自动化、工业材料的质量检查，还有是激光标刻和雕刻设备的应用等（本篇论文将就这方面的内容进行深入讨论）。
》文化艺术方面：目前较为成熟的应用是电影动画片的制作、电子图像游戏、以及服装花纹设计等
２．２数字图像的位图知识
２．２．１位图
数字图像分为两大类：矢量图像和位图图像。位图图像在ＷＩＮＤＯＷＳ中又分位两类：ＤＤＢ位图（ＤｅｖｉｃｅＤｅｐｅｎｄｅｎｔＢｉｔｍａｐ，设备相关位图）和ＤＩＢ位图（ＤｅｖｉｃｅＩｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔＢｉｔｍａｐ，设备无关位图）。两种位图在结构形式上不一致，操作上也不同，但在本质上却是相同，即图像数据（ＩｍａｇｅＤａｔａ）都是一个矩阵点阵，在内存中都是以数组数据结构方式存储【１０】。对矩阵中的每～个点称之为像素。像素是位图的基本元素。通常处理位图图像的过程其实就是对像素进行编辑的过程。像素编辑可从三方面着手【１１１：
（１）编辑像素的数量：像素的数量又称为像素尺寸，它用像素的数目来描叙位图图像的高度和宽度。
（２）编辑像素的值；位图图像中每个像素的亮度、色彩等信息都是用不同长度的“位”表示的且位数决定图像类型。ｌｂｉｔ类型表示像素只取１、０二值二色位图。８ｂｉｔ类型只有亮度信息不含色彩信息即灰度图像。２８＝２５６，共有２５６种状态。定义白色灰度值为２５５，黑色为０，从黑到白明暗度均匀分布２５６个等级。一个像素的灰度值与０至２５５见的某个数字对应，这就是像素亮度信息的数字化；改变像素的灰度值也就改变了像素的亮度。彩色图像则采用ＲＧＢ颜色模式，即每个像素点由红、绿、蓝三种基色表示，而其他颜色由这三种基色按不同的强度复合而成。而且每个彩色通道颜色与灰度值一样用８ｂｉｔ的数据来记录，所以记录一幅红、绿、蓝彩色图像每个像素需用２４ｂｉｔ数据表示。在图象处理时，通常是对其三个单色图像分别进行处理来实现。当改变其中一个单色时，所有的复合颜色也会随之而改变。单色０最弱，２５５最强，按此定义，在ＲＧＢ模式下，若三种颜色的强度都为０，所合成的颜色为黑色，若都２５５，刚为自色。所以彩色数字图象中的任何一个像素都是用颜色信息和强度信息来描叙的，在处理时还要考虑颜色的强度、颜色信息问题，兼顾图像色彩变化和图像亮度变
化两个方面，才能有满意的视觉效果。
（３）编辑像素的位置：是指对像素当前位置一定的算法进行变换，使像素的位置发生变化，从而产生一种特殊的效果，也即通常所说的图像的几何变换。２．２．２基本概念【９１
（１）光的强度（Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）
一幅平面图像所包含的信息首先表现为光的强度（Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ），它是随着空问坐标（ｘ，ｖ），光线的波长和时问而变化的，因此用函数可以表示为
Ｉ；ｆ（ｘ，Ｙ，“，ｆ）
若只考虑光的能量而不考虑它的波长，在视觉上只有黑白深浅之分，而物体色彩变化，这时称为黑白图像（灰度图像），则图像的模型可以表示为
，一／（ｘ，Ｙ，ｒ）＝Ｃｆ（ｘ，ｙ，玑ｔ）Ｖ（ｕ）ｄｕ
其中Ｖ（ｕ）为相对视敏函数。当考虑不同的波长光的彩色效应，则为彩色图像。根据三基色（ＲＧＢ）原理，任何－－；ｆｏｏ彩色刻分解为红、绿、蓝三中基乍．，所以彩色图像表示为
Ｉ；｛Ｒ（ｘ，ｙ，ｆ），Ｇ０，Ｙ，｝），Ｂ（ｘ，Ｙ，≠）｝
其中：
Ｒ（ｘ删Ｙ）２工ｆ（ｘ，Ｙ∽￡皿＠）出，
Ｃ（ｘ，Ｙ，ｔ）＝Ｃｆ（ｘ，），，“，ｔ）Ｇ（ｕ）ｄｕ，
Ｂ０，＿ｙ，ｆ）＝Ｃ／（ｘ，ｙ，“，ｔ）Ｂ（ｕ）ｄｕ，
其中Ｒ（ｕ）、Ｇ（ｕ）、Ｂ（ｕ）分别为三基色的视敏函数。当图像内容随时间变化时，称为时变图像或运动图像。当图像内容不随时间变化是，称为静止图像。对灰度图像而言，其函数为一
Ｉ＝ｆ（ｘ，ｙ）
这是作为数字图像处理的基础的，很多图像处理算法即使针对灰度静止图像ｆ（ｘ，ｖ）进行讨论的。
（２）颜色
根据人眼结构，所有的颜色都可以看作是３个基本颜色…瑚：（ＲＥＤ、Ｒ）、蓝（ＧＲＥＥＮ、Ｇ）和绿（ＢＬＵＥ、Ｂ）的不同的组合。区分颜色常用３种特性量：亮度、＋色调和饱和度。色调和饱和度合起来称色度。当把红、蓝、绿三色光混合时，通过改变三者各自的强度比例，可以得到白色合各种色调合饱和度的彩色。
ＣＥｒＲ＋ｇＧ＋ｂＢ；
其中ｃ代表某一特定的颜色，ｃ表示匹配，Ｒ、Ｇ、Ｂ表示三原色，ｒ、ｇ、ｂ代表比例系数，且有：
ｒ＋ｇ＋ｂ＝ｌ；
上述就是目前常用的颜色模型之一即ＲＧＢ模型。在Ｗ１ＮＤＯＷＳ中采用２４位颜色显示便是这种真彩色，红、蓝、绿三原色分别用８ｂｉｔ来表示，其ＳＤＫ提供了一个名为ＲＧＢ的宏来完成转化。其原型为：
ＣＯＬＯＲＲＥＦＲＧＢ（ＢＹＴＥＲ．ＢＹＴＥＧ，ＢＹＴＥＢ）：
ＣＯＬＯＲＲＥＦ是表示颜色值的数据类型，是一个无符号的３２位长整型，其１６进制数据表示形式为０ｘ００ｒＮｇｂｂ，ｒｒ、ｇｇ、ｂｂ表示红、蓝、绿三色的浓度，而０是位了与将来系统兼容所作的保留。
（３）调色板
现实世界的颜色种类是无限的，但计算机显示系统所能表现的颜色数量有限，为了使计算机更好地重现实际的图景，就必须采用一定的技术来管理和取台颜色，调色板正是所求之物。
在真彩色系统中，每一个像素用２４位来表示，像素值与真彩色值可以一一对应，所得像素值就是所表现的颜色值。但在１６色和２５６色显示系统中，每一像素仅能采用４ｂｉｔ或８ｂｉｔ来表示，像素值和真色彩颜色值就不一一对应，用像素值代表颜色值不能得到最佳效果，而使用调色板技术，把１６色和２５６色显示系统中，最频繁出现的１６或２５６种颜色组成颜色表，并对其中得颜色作０到１５或２５５进行编号，每一编号代表一种颜色，编号叫颜色索引号。４ｂｉｔ或８ｂｉｔ的索引号与２４ｂｉｔ的颜色值对应表叫做颜色查找表。使用调色板的图像叫做调色板图像，他们的图像数据即像素值并不是颜色值，而是颜色在调色板查找表的索引号。
在这里需要注意的是，真彩色不需要调色板，其中的像素值就２４位颜色值。１６色显示系通常采用ＷＩＮＤＯＷＳ的内部系统调色板，一般并不直接操作调色板，所以，通常，仅在２５６色显示系统中操作调色板。调色板在ＷＩＮＤＯＷＳ中是一个重要的概念，有逻辑调色板和系统调色板之分，在编程时十分复杂。Ｗｉｎ３２ＳＤＫ中提供相关的操作函数，如ｖｉｓｕａｌＣ＋＋中，ＭＦｃ定义ＣＢｉｔｍａｐ类封装大部分功能函数，同时我们也可以自己定义对其操作的函数，这里不作详细讨论。
（４）ＤＤＢ位图
ＤＤＢ位图（ＤｅｖｉｃｅＤｅｐｅｎｄｅｎｔＢｉｔｍａｐ，设备相关位图），也称ＧＤＩ位图，其对象是由ＭＦＣ库６．０版本ＣＢｉｔｍａｐ类定义的。ＤＤＢ位图对象由一个与之关联的ＷＩＮＤＯＷＳ数据结构，它在ＷＩＮＤＯＷＳＧＤＩ模块内进行维护。程序可以获得位图数据的副本，但是其中的排列则取决于显示硬件。在同一台机器中，ＧＤＩ位图可以在各个程序之间任意进行传输。但因设备相关性，通过磁盘或网络来传输位图，意义就很不明显。
ＤＤＢ中不包括颜色信息，显示时是以系统调色板为基础进行各位颜色映射
的，ＷＩＮＤＯＷＳ只能保证系统调色板前２０种颜色稳定不变，所以ＤＤＢ只能保证正确显示少于２０色的位图。ＷＩＮＤＯＷＳＳＤＫ提供位图操作函数，ＭＦＣ６．０更是定义了ＣＢｉｔｍａｐ类对ＤＤＢ结构ＢＩＴＭＡＰ和ＤＤＢ位图操作进行了封装，其内容可查阅相关书籍。
（５）ＤＩＢ位图
ＤｅｖｉｃｅＩｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔＢｉｔｍａｐ，设备无关位图是ＷＩＮＤＯＷＳ３．１以上的版本都提供支持的位图，它可以在不同的机器和系统中显示位图所固有的图像。与ＤＤＢ相比而言，ＤＩＢ是一利哕ｈ部的位图格式，经常存储为以ＢＴＰ为后缀的位图文件（有时也以ＤＩＢ位后缀）。ＤＩＢ还支持图像数据的压缩。
ＤＩＢ是标准的ＷＩＮＤＯＷＳ位图格式，ＢＭＰ文件包含了一个ＤＩＢ。一个ＢＭＰ文件包括位图文件头结构ＢＩＴＭＡＰＦＩＬＥＨＥＡＤＥＲ、位图信息头结构ＢＩＴＭＡＰＩＮＦＯＨＥＡＤＥＲ、调色板ＰＬＡＴＴＥ和位图数据ＩＭＡＧＥＤｌｌＡ。如图所示：
ＢＩＴＭＡＰＦＩＬＥＨＥＡＤＥＲ
ＢＩＴＭＡＰＩＮＦＯＨＥＡＤＥＲ
Ｐａｌｅｔｔｅ
ｌｍａｇｅＤａｔａ
上述３个结构在Ｗｉｎｄｏｗｓ．ｈ中进行了定义，可查阅。同时Ｗｉｎ３２ＳＤＫＤＩＢ提供一些重要的位图操作函数，只是还没有封装到ＭＦＣ中。如：ＳｅｔＤＩＢＢｉｔｓＴｏＤｅｖｉｃｅ０、ＧｅｔＤＩＢｉｔｓ０、ＳｅｔＤｌＢｉｔｓ０、ＳｔｒｅｔｃｈＤＩＢｉｔｓ等等。很明显，作为一个ＷＩＮＤＯＷＳ很重要的应用，这些函数不能满足我们的要求，我们在自定义ＤＩＢ操作函数的同时构造ＣＤｉｂ类，以对ＤＩＢ的数据和基本ＤＩＢ操作函数和自定义函数封装。这样不仅改变函数的凌乱感，也更合乎面向对象编程的习惯。对ＣＤｉｂ类的详细介绍是在第四章中作以详细介绍的。
２．３Ｖｃ抖环境中的面向数控加工的数字图像处理常用算法２．３．１数字图象处理系统的构成
数字图象处理技术是指将一幅模拟的图象信号经ＡＤ（模数）转换器量化后，图像转换为由一定数量级的数所表示的数学矩阵，然后运用计算机根据各种算法对其进行处理的过程【９１。在一般的图象处理过程中，数字图象处理硬件系统主要由图像采集系统、数字计算机以及图像输出设备三部分，图象处理系统构成如图１所示：
成像系统的种类很多，其中工业用ＣＣＤ摄像机是目前工业上使用最广泛的一种成像系统。它主要由镜头ＣＣＤ芯片及驱动电路组成。由像系统形成的二维模拟图象输入到采样子系统后，由采样子系统运用二维梳状函数对图像进行处理
———叫图像采集系ｒ—＿１数字计算机ｒ——１图像输出设｝
图２－１图像处理系统
图２－１典型图像采集子系统
后，图像仅在整数坐标处有值，但这些值仍然是模拟量，数字计算机对这类图像仍无法处理，必须经过量化器量化（ＡＤ转换）后，原始图像才最终成为真正意义上的数字图象，即二维图像的坐标值为整数且任意一点的函数值也为数字量。采集予系统和量化器的工作是由图像采集卡完成的。
２．３．２图象处理常用方法
采集后的数字图像存储在各种介质中，再由使用者根据实际需要选用合适的处理方法进行处理【２。图像激光雕刻系统常用的方法有【１３】ｆ１４】：
（１）中值滤波
图像在生成和传输过程中常受各种噪声源的干扰而引起质量下降，这些噪声源包括传感器噪声、相片颗粒噪声、信道误差等。为抑制噪声，改善图像质量，必须对图像进行卷积、平滑、锐化、边缘增强等处理。常用的图像平滑方法有局部平均法和中值滤波法。其中，中值滤波是一种非线形滤波，对于消除孤立点和线段的干扰十分有用，特别是对于一些不规则的随机噪声尤为有效。其突出的优点是在消除噪声的同时，还能保护边界信息。中值滤波还具有对阶跃信号、斜升信号不产生影响，滤波后保持频谱不变以及对图像上的椒盐噪声具有很强的去除作用等特性。一维形式下的中值滤波器是一个具有奇数个象素点的移动窗口。将窗口中的象素点按灰度值排序后形成有序数列
｛Ｐｉ－ｍ，Ｐｉ－ｍ＋ｌ…，Ｐｉ，．，Ｐｊ＋ｍ）
ｍ＝Ｌ－１，Ｌ为窗口长度，Ｇｉ为该窗口的滤波输出，写作
Ｇｉ＝Ｍｅｄ｛Ｐｉ－ｍ，Ｐｉ—ｍ＋１．．．，Ｐｉ，…，Ｐｉ＋ｍ｝
Ｍｅｄ｛…）表示取数列中值。由于表面图像是二维的，因此将一维中值滤波推广Ｎ－－维形式。选取某种形式的二维窗口，将窗口象素点按先行后列的顺序排成一
维数列后排序形成单调数列｛Ｐｊｋ），运用同样方法，二维中值滤波的输出ＧＧ，ｋ）为
ＧＯ，ｋ）＝Ｍｅｄ｛Ｐｊｋ）
滤波窗口的形状非常多，常用的二维中值滤窗口有线形、方形、十字形、圆形和菱形等，不同滤波窗口的滤波效果不同，根据经验方形或圆形窗口适宜于外廓线较长的图像，而十字窗口对有尖顶的图像。
若输入的图像比较模糊，可以采用图像锐化方法如梯度算子、Ｒｏｂｅ，ｓ算子、Ｐｒｅｗｉｔｔ算子和Ｓｏｂｅｌ算子等。
（２）灰度变换
获取数据图像后，通过图像数据的读取和点运算，一幅输入图像可产生～幅新的输出图像，且由输入像素点的值决定相应输出像素点的值。由于实际获取的图像彩色居多，而实际应用时，为了简便我们多用是灰度图像。其运算方式可按预先约定的方式：Ｂ（ｘ，Ｙ）＝Ｆ【Ａ（ｘ，Ｙ）］，其中Ｆ【Ｄ】被称为灰度变换函数，Ｂ（ｘ，Ｙ）、Ａ（ｘ，Ｙ）称为输出、输入图像。前面分析，可知表示图像像素点的数值为：ＣＯＬＯＲＲＥＦＲＧＢ（ＢＹＴＥＲｅｄ，ＢＹＴＥＧｒｅｅｎ，ＢＹＴＥＢｌｕｅ），则前面式子实际为：
ＣＯＬＯＲＲＥＦＢ（Ｘ，Ｙ）＝ＦｌＣＯＬＯＲＲＥＦＡ（Ｘ，Ｙ）１：
假设我们得到变换结果，实际情况便是：
Ｂ‘Ｘ?１）＝ＲＧＢ（ＢＹＴＥＧｒａｙ．ＢＹＴＥＧｒａｙ，ＢＹＴＥＧｒａｙ）．
Ａ（ｘ。Ｙ）＝ＲＧＢ（ＢＹＴＥＲｅｄ，ＢＹＴＥＧｒｅｅｎ。ＢＹＴＥＢｌｕｅ），
Ｇｒａｙ＝Ｙ＝（９７９８｛ｂＲｅｄ＋１９２３５８ｂＧｒｅｅｎ＋３７３５＋ｂＢｌｕｅ）／３２７６８。
Ｆ【Ｄ】灰度变换函数实现上述变换。
再经过下列的变换如：
ｆ（ｘ）＝ｆＡ４ｘ七ｆＢ；
Ｄｂ＝ｆ（Ｄａ）＝ｆａ＊Ｄａ＋ｆＢ；
式中参数弘线性函数的斜率，归为线性函数的在Ｙ轴距离，Ｄａ表示输入图像的灰度，Ｄ６表示输出图像的灰度。这样通过弘的设置可以改变图像的对比度，而卢可以使整个图像亮度改变。而且在本系统软件中改变参数Ｊ１４＝一１；归＝２５５时，输出图像的灰度正好相反，以实现浮雕的凸凹转变。最后再经过等级识别转换，最终实现２５６灰度等级灰度图。
（３）图像分割
我们把经过中值滤波灰度变换后所得到图像看作由背景和有效信息两部分组成，为了对信息进行提取，就要先将有效信息从背景中划分出来，我们把这项工作称为图像分割。为了提高系统的图像处理速度，采用闽值分割法对像进行分割。一般情况下，图像中背景比有效信息的亮度大，所以背景的灰度值要比有效信息的灰度值大。我们可以选择一个灰度闽值０，通过公式（２）对原图像二值化后产生
一幅新的图像Ｆｔ其（ｘ，ｙ）位置上的象点获得新的灰度值ｆｔ（ｘ，ｙ）为：
ｆｌ（ｘ，ｙ）＝２５５ｆ（ｘ，”＞０，
ｆｔ（ｘ，ｙ）＝Ｏｆ（ｘ，ｙ）＜０?
从式中可以看出：闺值０的选取非常重要，是正确分割图像的关键所在。如果阈值选的过高，有一部分背景像素点就会被误认为信息；如果阂值选的过低，有一部分表面信息的像素点就会被误划为背景，造成信息丢失。图像二值化就是将具有多个灰度级的多值图像变为黑白图像的过程。＝值化目的是为边缘检测提供条件。通常，输入的图像都包含背景，因此，必须对图像进行边缘检测，并根据检测结果从图像中提取出物体。在二值化图像中，假定背景像素灰度值为０，景物像素灰度值为１。边界轮廓的提取按以下规则进行（见下图）：１）若中心像素值为Ｏ，不管相邻的其余８个像素为何值，一律保留中心像素值为Ｏ；２）若中心像素值为１，且相邻的其余８个像素值全为１，则改变中心像素值为０；３）除上述情况外，全部将中心像素值改为１。
—』
００
叫
规则１
００
Ｊ
ｌ１
—叫ｌ１１１１１
一
１１１１０ｌ
叫
１１１１ｌｌ●
规则２
规则３
其中Ｘ表示Ｏ或１。
（４）孤点滤波
运用闽值分割后的图像往往存在由于图像采集系统产生小的孤立点和孤立区域，这些点和区域对整个系统是～种噪声，需要滤掉，减少运算量。孤点滤波采用的方法是：按行搜索黑色象索点，然后选择象素点的ＮＸＮ领域，计算此领域内黑色象素点的个数，并确定阈值Ｔ，如果象素点数小于Ｔ，该领域内的黑象素点是噪声予以清除；如果象索点数大于Ｔ’则认为是有效信息予以保留。
２．４本章小结
本章研究了面向数控加工的数字图像及其处理技术。首先介绍数字图像处理（ＤｉｇｉｔａｌＩｍａｇｅＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）技术主要包括的内容、所涉及的其他学科知识以及应
用范围，接着介绍数字图像的位图基础知识，并为其在ｖｃ＋＋中应用介绍ＣＤｉｂ类、调色板等软件开发知识准备。最后研究ｖｃ＋＋环境中的面向数控加工的数字图像处理及其常用算法。这些算法是数字图像通用应用的基础，也是开本课题的前提，我们将在随后的过程逐渐一应用。
第三章快速图像激光雕刻加工原理和本质
随着计算机软硬件技术的发展，计算机数字图像处理技术应用范围也在不断地扩展，利用图像进行工业设计和加工是当前的计算机应用一个热点【搬。基于数字图像处理的计算机集成数控技术就是其是在工业领域的典型应用。基于数字图像处理的计算机集成数控技术是在现代ＣＮＣ技术发展和数字图像处理技术的结合，它开辟了新的制造技术，迅速在现代先进制造技术中占有很重要的地位１２】。本课题研究开发快速图像激光雕刻加工系统是基于数字图像处理的计算机集成数控技术具体实例，在实践中随着计算机控制技术和数字图像处理技术的发展不断得到深入、广泛推广应用。前面研究了数字图像技术，就本课题所开发的系统的数控系统本质，本章节研究开放数控技术的发展，接着介绍本系统加工原理。本章节内容是本课题工作的理论基础。
３．１快速图像激光雕刻加工开放数控技术原理研究３．１．１数字控制技术和计算机数控技术
数字控制技术（ＮｕｍｅｒｉｃａｌＣｏｎｔｍｌ）是当前一种使用很广泛的控制技术，是用数字信号对加工机床的运动及加工过程进行控制的一种方法，它将成为运动控制的主要发展方向。数控机床是一种装有程序控制系统的机床，该系统能逻辑的处理具有使用号码或其他符号编码指令规定的程序。数控系统（ＮｕｍｅｒｉｃａｌＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＳｙｓｔｅｍ）是一种自动阅读输入载体上事先给定的数字量，并将其译码，从而使机床动作并加工零件的系统。数字控制系统一般包括数控装置、可编程逻辑控制器（ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＬｏｇｉｃａｌＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）、主轴驱动、和进给装置等部分【１７１。
计算机数控技术（ＣＮＣ）诞生与２０世纪７０年代，随着计算机技术的发展和微处理器的采用，在短短的几十年中便取得飞速的发展和广泛的应用【１８】。它不仅为机械制造业提供了良好的机床控制能力，而且作为ＦＭＳ、ＣＩＭＳ的技术基础，大大的促进了制造业的发展。计算机数控系统作为制造形状复杂、质量精度要求高的基本设备，已经成为先进制造技术的一个重要组成部分。近年来又出现全软件型ＣＮＣ（指ＣＮＣ的全部功能处理工作由／卜人计算机进行处理），并通过在计算机扩展槽中的接口卡对伺服驱动等进行控制。这为制造系统的进一步向灵活、集成、智能方向发展提供更多支持和机会ｌｌ…。
数控系统输入的是数控代码，即系统输入的数据，是控制指令的有序集合，包括使用的刀具、主轴转速、进给速度、冷却状态、刀具位置等控制指令。因为数控代码主要是刀具的位置信息，所以常常称为刀具路径。数控系统通过解
释数控代码发出控制信号，控制数控加工，最终形成产品。对于简单图形产品的加工，数控代码数量较少，可以手工实现编程，而复杂图形的数控代码编程就非常困难。因此，可以说手工编程存在很大的问题。现在多采用程序自动编制的方法，利用计算机生成刀具路径，即ＣＡＭ系统。ＣＡＭ一般在专业软件上实现，利用专业软件提供的各神编程手段，根据产品的形状、材料、加工要求等规划出合理的工艺方案，选择合适的手段生成实际的刀具轨迹，输出数控机床需要的数控代码【２０】。从２０世纪７０年代开始，基于ＣＡＤ系统的代码自动编程系统ＣＡＤ／ＣＡＭ就已经开始研制，现在其中重要的有法国达索飞机公司的ＣＡＴＩＡ、美国ＵｎｉｇｒａｐｈｉｃｓＳｏｌｕｔｉｏｎ的ＵＧＩＩＣＡＤ／ＣＡＭ，后来的Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ、ＭａｓｔｅｒＣＡＭ、ＳｕｒｆＣＡＭ、Ｅｕｃｌｉｄ。我国的ＣＡＸＡ系列、金银花系统、开目和高华的ＣＡＤ等
３．１．２快速激光雕刻加工系统的技术原理
数字控制技术和计算机数控技术在现代生产中广泛得到应用，但是，早期的封闭、专用数控系统架构，由于扩展性能差和加工柔性低、速度慢，而且越来越暴露出其固有的问题：不同的操作系统、编程语言、人机界面、通讯接口等，给数控系统的设计者和集成者试图在较短的时间内，采用快速的方法、依据集成环境设计新的系统，或者将现有的系统集成到不同的环境中造成极大的困难，难以满足当前越来越复杂、多变、快速、小批量的加工要求。附录１图１所示的就是一种专用型数控装置的电路原理图，由于所有的逻辑均由逻辑电路实现，因此难以修改、扩展和集成。为此，人们提出了标准化，即开放式的设计问题，以利于并行台作和快速的集成；其中影响较大的研究计划由日本的ＯＳＥＣ、欧洲的ＯＳＡＳＡ、美国的ＯＭＡＣ。近几年，国外部分数控系统的设计已开始在一定范围内实现其开放性；如德国Ｉｎｄｒａｍａｔ公司的ＭＴＣ２００系统，美国公司的Ａｃｒａｍａｔｉｃ２１００系统。目前国内的研究主要集中在基于软件芯片的开放式数控系统、基于Ｗｉｎｄｏｗｓ９７门灯、下的开放式数控系统和基于ＳＥＲＣＯＳ现场总线技术的开放式数控系统。
近年来，数控机床普及率越来越高，开放式数控系统更是发展到微处理器时代。可见，随着计算技术、信息技术、网络技术的飞速发展，开放性、易扩展性、智Ｂ＆性和网络性已经成为当前数控技术发展的主要趋势【２ｌｌ。
３．１．３典型的开放式数控系统方案
当今流行的开放式数控系统主要有四种：基于串行总线的数控系统，基于ＰＣ的主从式数控系统，基于ＰＣ的纯软型数控系统，基于规范的模块化数控系统‘２２１。
（１）串行总线数控系统
串行总线数控系统具有很多优点：引线少、连接简单、成本较低，在大型、特大型机床／机械（如龙门铣、印刷机等），或检测点和控制轴（或点）很多的情况下更加明显。系统与系统之间、单元与单元之间容易隔离，系统可靠性高。随着计算机技术和现代信息技术的不断前进，实对通讯速度已不存在问题：如ＳＥＲＣＯＳ总线速率２４Ｍｂｐｓ，ＰＲＯＦＩＬＢＵＳ－－ＤＰ总线高达１２Ｍｂｐｓ。
连接在串行总线上的控制器、ＡＣ／ＤＣ、伺服装置、步进电机驱动器、ＰＬＣ等都是智能化设备，总线传送的是数字化信息，取代了传统的模拟信号（如ＤＣｌ０Ｖ４２０ｍＡ）和脉冲编码信号，以及采用自整角机同步的电轴系统等。目前串行总线数控系统在国外正处于发展阶段，各厂家使用的串行总线标准也不一样。如日本ＦＡＮＵＣ公司的１５ｉ／１６ｉ／１８ｉ／２ｌｉ对伺服驱动采用ＦＳＳＢ总线，开关量控制采用ＦＡＮＵＣＩ／０ＬＩＮＫ总线。日本三菱电机公司的ＭＩＴＳＵＢＩＳＨＩＣＮＣ系统各单元连接也用串行总线。德国西门予公司数控系统如８０２Ｄ采用ＰＲＯＦＩＬＢＵＳ—ＤＰ现场控制总线来连接它的各个控制单元，另外还有ＣＡＮ总线标准的串行总线数控系统和已经成为国际标准ＩＥＣ４４的ＳＥＲＣＯＳ（ＳｅｒｉａｌＲｅａｌ－ＴｉｍｅＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ）总线。
（２）基于规范的模块化数控系统
这种数控系统是一利?控制内核层全开放的数控系统，它完全符合ＩＥＥＥ规范中关于开放式系统的定义。ＩＥＥＥ规定：一个开放式的系统必须具备不同的应用程序能很好地运行于不同供应商提供的不同平台之上的能力、不同应用程序之间能够相互操作的能力和一致的用户交互风格。根据这一定义，开放式数控系统必须是一个全模块化的软件体系结构，它应该具备四个特点：相互操作性：可移植性；可缩放性；可互换性。欧洲于１９９４到１９９７年研制的ＯＳＡＣＡ（ＯｐｅｎＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅＦｏｒＣｏｎｔｒｏｌｓｗｉｔｈｉｎＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ）就是这种结构的典型代表。ＯＳＡＣＡ系统主要由应用软件和系统平台两大部分组成的，如附录１图２所示，应用程序即控制系统所包括的各个功能模块。应用程序之间通过的ＯＳＡＣＡ的通讯系统可相互操作。通过ＯＳＡＣＡ提供的ＡＰＴ接口可运行在不同的平台上。系统平台包括系统软件（操作系统、通讯系统、设备驱动器等）和系统硬件（处理器、Ｉ／Ｏ板等）。系统平台通过标准应用程序（ＡＰＩ）向外提供服务，ＡＰＩ隐藏了系统平台实现的内部机制，使得应用程序能运行在不同的平台上。
系统平台包括参考结构、通讯系统、配置系统三大部分。
≯参考结构就是用来精确描述功能元与系统平台之间的关系，以及各模块之间的关系：确定一个模块和各功自２元的行为和属性，以及各模块和功能与系统平台之间的接口。它保证了不同供应商提供的功能模块在不同平台之上的协调工作。