CN1122483A - 数字控制刻画图像的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种数字控制刻画图像的方法，先在计算机内生成图像，取得其每一象素的三维坐标值，以此坐标值控制三组驱动机构，使刻画机构对被加工物体表层作三维的切割。实现此方法的装置包括计算机图像处理单元和刻画单元，可以将三维空间信息准确地刻画于物体表层。本发明及装置效果精细，用途广泛，使用方便。

Description

数字控制刻画图象的方法及装置

本发明涉及一种在物体表层以雕刻、切割形式制作图形或图象的方法和装置，特别是一种利用计算机进行数字控制而刻画图象的方法及装置。

目前，利用计算机控制作刻画的，有计算机切割机及计算机用绘图仪等。其中，计算机切割机是根据计算机发出的平面图形的二维座标值，控制其步进及切割机构在纸张上切割出文字或图案；而计算机用的绘图仪，系在其X、Y、Z三轴系统中的Z轴上，装上一支可供更换的画笔，借由X、Y两轴的移动以控制画笔画出所需的轨迹。这两种结构中，前者只能切割纸张，并且切割的效果表现为剪纸的形式，组成文字或图案的线条或图块间均需有额外的线条来连接，不能真实地还原图形或图象；后者只具有在纸张上用墨水画图的功能，而没有在物体表面以雕刻、切割形式制作图形或图象的功能。中国专利CN1051012A公开了一种电子影雕系统，该系统由摄像输入装置、计算机系统和数控影雕机组成，用摄像输入装置将获得的图象信息转换成数字量存入计算机系统，计算机系统对图象进行影雕加工辅助编程，将该数据分批传送到数控影雕机，程序控制影雕机机械装置的工作，在青石板上击打出平面影雕的作品。该系统的特点是其Z向的动作是由一个电磁机构控制，控制系统只向该电磁机构发出高低电平这两种状态，因此其雕刻头在Z向的动作只有两种状态，即击打或不击打，不能还原出图象的明暗程度或层次，并且其雕刻头只能作击打动作，只适宜凿刻青石板，并不能制作出分辨率较高的图象或刻划出图象的细节部分。中国专利CN2135421Y公开了一种电脑刻字机，它由微机控制机构、驱动机构和刻字头机构组成，其技术方案是先从存在于计算机内部的字模中挑选出所需的字符，再由计算机将该字符对应的字模的二维平面点阵数值送往驱动机构，控制刻字头机构在X向、Y方向的运动，由一固定的Z向数值驱动刻字头机构在垂直方向的位移，在电机旋转驱动下由刻字头铣切加工对象。该刻字机的特点是只能从计算机内部现存的字库中选择字符进行加工，而不能录入图形或图象或对图形或图象进行处理并进行刻画加工，并且其得到的字符的点阵信息仍然只能是二维的平面数值，不能反映图形或图象在三维空间中的信息。

本发明的目的在于提供一种数字控制刻画图象的方法及装置，所述的这一方法及装置克服了上述已有技术中的功能单一、只适应处理二维数据及所刻画图象分辨率低的等等不足，所述的这一方法及装置可以以多种形式在计算机内生成图形或图象，可以对所取得的图象进行处理或修改编辑，可以取得图象所反映或包含的三维空间座标数值，并可以将此三维空间座标信息准确地以刻画方式再现于被加工物体表层；这一方法及装置能真实精确地还原三维空间中的物体表层形态，并且除采用铣切、切割方式外，还可以采用熔烫方式刻画物体表层，并可进一步地对图形或图象进行染色加工。

本发明的目的是这样实现的：本发明一种数字控制刻画图象的方法，是首先在计算机内生成图形或图象，由计算机计算出前述图形或图象所包含的每一象素在三维空间座标系中的位置的座标值，再据构成此座标值的在X、Y、Z方向上的数字量，由计算机送出电信号来分别控制一个驱动机构中的三组驱动部件，以操纵机械刻画机构相对于被加工物体表层在X、Y、Z方向的位移动作或作铣切、切割、切削或熔烫动作。实现上述方法的装置由计算机图象处理单元和刻画单元组成，所述的计算机图象处理单元包括一台计算机；所述的刻画单元由一个驱动机构和机械刻画机构组成；所述的驱动机构包含有一个驱动电路和三组电驱动部件，所述的机械刻画机构包括一个工作台和三组机械传动结构，所述的机械传动结构由固定的导轨、移动座和分别连接前述三组电驱动部件、并连接前述移动座的传动件组成，其中一组机械传动结构固定在另一组机械传动结构的移动座上，而所述的另一组机械传动结构固定在第三组机械传动结构的移动座上，所述的三组机械传动结构中的导轨的方向相互垂直，使得所述的三组机械传动结构中的移动座的运动方向也相互垂直，第三组机械传动结构固定在前述的工作台上，使得在以工作台平面为X轴-Y轴平面的三维空间座标系中，所述的三组机械传动结构中的移动座分别可作X、Y、Z向的运动；在作Z向运动的移动座上固定有一个刻画头，所述的刻画头包括一个电驱动元件和一个切削元件，所述的切削元件与前述电驱动元件连接，并可在电驱动元件的驱动下对被加工物体表层进行切削加工。

首先由计算机对图形或图象进行逐点分解，取得每一点的座标值，包括以下情况：

1，对于已存在于计算机中的三维图象，由计算机直接取得其欲还原部分的表面各点的座标值；

2，以摄像机对物体同一表面从多种角度摄取图象，由计算机在图象处理软件的支持下，将其处理为三维图象，再按上述情况1的处理方法，获得物体该表面各点的三维座标值；

3，对于已存在于计算机中的二维图形或图象，由计算机在图象处理软件的支持下，以其各点的位置取得各点的X、Y座标值，根据各点颜色的灰度取得该点由该图象反映的空间位置，计算出该点的Z座标值；

4，以扫描仪、摄像机向计算机输入图象，由计算机在图象处理软件的支持下，截取所需图象，以其各点的位置取得各点的X、Y座标值，根据各点颜色的灰度取得该点由该图象反映的空间位置，计算出该点的Z座标值；

然后计算机通过连接电缆将上述座标值以电信号的方式传送至一个驱动机构，该驱动机构操纵其中的三组驱动部件，移动刻画头作X、Y、Z向的位移，刻画头中的切削元件在电驱动元件驱动下对被加工物体表层进行切削加工。

在完成上述工作的装置中，所述的电驱动部件可以是公知技术中的直流步进电机；连接电驱动部件与移动座的方式可以是由螺杆作为传动件连接，也可以是公知技术中的其它机械传动连接结构；刻画头中的切削元件可以是钻头、铣刀或针，刻画头中的电驱动元件可以是公知技术中的直流电机。在刻画头中可以连接一个电加热装置，以加热切削元件，在作为加工对象的塑料板的表层熔烫出痕迹，并可在塑料板的表面铺以一层玻璃纸，在熔烫的同时将玻璃纸熔入塑料板的表层，选用所需颜色的玻璃纸，则可在塑料板的表层的熔烫痕迹中染上所需的颜色。

本发明的一种数字控制刻画图象的方法，因为利用计算机取得图形或图象所包含的每一象素在三维空间座标系中的位置的座标值，再据构成此座标值的在X、Y、Z方向上的数字量，由计算机送出电信号来分别控制一个驱动机构中的三组驱动部件，以操纵机械刻画机构相对于被加工物体表层在X、Y、Z方向的位移动作或作铣切、切割、切削或熔烫动作，所以可以以多种形式在计算机内生成图形或图象，可以对所取得的图象进行处理或修改编辑，可以高精度地制作或再现各种图案或图象；特别是可以取得图象所反映或包含的三维空间座标数值，并可以将此三维空间座标信息准确地以刻画方式再现于被加工物体表层；这一方法及装置能真实精确地还原三维空间中的物体表层形态，并且除采用铣切、切割方式外，还可以采用熔烫方式刻画物体表层，并可进一步地对图形或图象进行染色加工。

以下结合实施例和附图，对本发明作进一步的说明：

图1为本发明的工作原理流程图，其中1：在计算机内生成图形或图象；2：由计算机计算出前述图形或图象所包含的每一象素在三维空间座标系中的位置的座标值；3：将构成此座标值的在X、Y、Z方向上的数字量，送往驱动机构；4：驱动机构操纵机械刻画机构在X、Y方向的位移动作；5：驱动机构操纵机械刻画机构在Z方向的位移；6：机械刻画机构作铣切、切割、切削或熔烫动作。

图2为实现本发明方法装置的一个实施例的立体图；

图3为本发明的装置的一个实施例的侧视图；

图4为本发明的装置一个实施例中的机械传动机构在X、Y轴向动作的示意图；

图5为本发明的装置中一个具有电热装置的实施例的示意图；

图6为本发明的装置中一个具有小钢珠的切削元件的实施例的示意图；

图7为本发明的装置中一个具有电子探测器的实施例的示意图；

图8为本发明的装置中的刻画头的组合结构图；

图9为本发明的装置中一个铺上玻璃纸的熔烫加工实施例示意图。

本发明一种数字控制刻画图象的方法，是首先在计算机内生成图形或图象，由计算机计算出前述图形或图象所包含的每一象素在三维空间座标系中的位置的座标值，再据构成此座标值的在X、Y、Z方向上的数字量，由计算机送出电信号来分别控制一个驱动机构中的三组驱动部件，以操纵机械刻画机构相对于被加工物体表层在X、Y、Z方向的位移动作或作铣切、切割、切削或熔烫动作。在本发明的一个实施例中，本发明的工作原理流程如图1所示，按图1中1、2、3、4、5、6的步骤，在计算机内生成图形或图象，由计算机计算出前述图形或图象所包含的每一象素在三维空间座标系中的位置的座标值，将构成此座标值的在X、Y、Z方向上的数字量，送往驱动机构，驱动机构操纵机械刻画机构在X、Y方向的位移动作，驱动机构操纵机械刻画机构在Z方向的位移，机械刻画机构对被加工物体表层作铣切、切割、切削或熔烫动作。

在本发明的一个实施例中，在计算机内生成图形或图象的方法是：

1，对于已存在于计算机中的三维图象，由计算机直接取得其欲还原部分的表面各点的座标值；

2，以摄像机对物体同一表面从多种角度摄取图象，由计算机在图象处理软件的支持下，将其处理为三维图象，再按上述1的处理方法，获得物体该表面各点的三维座标值；

3，对于已存在于计算机中的二维图形或图象，由计算机在图象处理软件的支持下，以其各点的位置取得各点的X、Y座标值，根据各点颜色的灰度取得该点由该图象反映的空间位置，计算出该点的Z座标值；

4，以扫描仪、摄像机向计算机输入图象，由计算机在图象处理软件的支持下，截取所需图象，以其各点的位置取得各点的X、Y座标值，根据各点颜色的灰度取得该点由该图象反映的空间位置，计算出该点的Z座标值。

图2展示了实现本发明一种数字控制刻画图象方法装置的一个实施例的立体图；在这个实施例中，实现本发明方法的装置由计算机图象处理单元和刻画单元组成，所述的计算机图象处理单元包括一台计算机；所述的刻画单元由一个驱动机构和机械刻画机构组成；所述的驱动机构包含有一个驱动电路和三组电驱动部件，所述的机械刻画机构包括一个工作台和三组机械传动结构，所述的机械传动结构由固定的导轨、移动座和分别连接前述三组电驱动部件、并连接前述移动座的传动件组成，其中一组机械传动结构固定在另一组机械传动结构的移动座上，而所述的另一组机械传动结构固定在第三组机械传动结构的移动座上，所述的三组机械传动结构中的导轨的方向相互垂直，使得所述的三组机械传动结构中的移动座的运动方向也相互垂直，第三组机械传动结构固定在前述的工作台上，使得在以工作台平面为X轴-Y轴平面的三维空间座标系中，所述的三组机械传动结构中的移动座分别可作X、Y、Z向的运动；在作Z向运动的移动座上固定有一个刻画头，所述的刻画头包括一个电驱动元件和一个切削元件，所述的切削元件与前述电驱动元件连接，并可在电驱动元件的驱动下对被加工物体表层进行切削加工。

图2实施例所示的装置，由驱动机构和机械刻画机构组成，其中，如图2、图3、图4所示，机械刻画机构包括有一个工作台10，在工作台10的前后两边缘，各固定一根可嵌合X向移动座20的X向导轨11，在每根X向导轨11的两端上缘各固定一固定体221，在X向的每两固定体221之间分别枢接一根X向螺杆22，每根X向螺杆22穿设于X向滑套体21内，X向滑套体21固定在X向移动座20上，当X向螺杆22转动时，利用它的阳螺牙带动内有阴螺牙的滑套体21而使X向移动座20左右移动，此为X方向上的动作，其中固定体221可限制X向滑套体21移动的范围；两X向螺杆22的螺纹距离相等，以保证在两螺杆22等速旋转时，套于两X向螺杆22上的两X向滑套体21移动的微距亦能相同；在两X向螺杆22的同向一端，分别固定一个传动轮13，以一传动皮带14跨套这两个传动轮13，可使两X向螺杆22等速旋转；两X向螺杆22旋转的动力源是利用设置于其中一根X向螺杆22一端的X向驱动元件12(在此选用直流步进电机)，通过传动皮带14使两X向螺杆22同步旋转，在另一X向螺杆22的一端还可装有一个X向手动摇体23，可手动控制X向的动作。在两X向螺杆22上的两X向滑套体21之上各有一固定体，两固定体间枢接有一根纵向的Y向螺杆33，在两X向滑套体21之上还跨设有一纵向的纵梁30，在纵梁的上缘及侧缘分别固定Y向导轨301及Y向导轨302，以嵌接具有两个Y向移动座311、312的Y向滑套体31，Y向滑套体31呈∏形，两Y向移动座311、312置于Y向滑套体31的内缘，Y向滑套体31的另一侧的内缘固定一Y向滑套313，Y向螺杆33穿设于滑套313内且两端固定于两X向滑套体21间，Y向螺杆33的一端亦固定有Y向驱动元件32(在此选用直流步进电机)，以使Y向滑套体31借由Y向螺杆33的旋转而带动嵌于两Y向导轨301、302上的两Y向移动座311、312前后移动。Y向螺杆33的另一端还可装设一个Y向手动摇体36，可手动控制Y向的动作。体31的上侧，设置一驱动该驱动元件34的驱动控制器35(具有在Y向滑套体31的另一侧固定一个Z向伸缩结构体40，在其上有一个Z向驱动元件43(在此选用直流步进电机)，其侧边具有Z向移动座412，Z向移动座412嵌合一具有导轨411的固定座41，在固定座41的侧边固定有一个具有旋转结构的旋转体44，Z向伸缩结构体40的内部具有螺杆及套在螺杆上的滑套，滑套与Z向移动座412组合，可利用螺杆将动力从Z向驱动元件43传递到Z向移动座412，使嵌于Z向移动座上的固定座41可上、下移动。旋转体44的内部设置一可在其内旋转的旋转机构，并凸出于旋转体44的下缘而固定连接一个驱动轮441，如图8所示，在驱动轮441的下缘固定一具有阳螺纹的嵌座442，在其嵌入切削元件42之后螺套入一内具有阴螺纹的螺合套443，在这个实施例中，切削元件42是一种直径较小的钻头，将切削元件42固定于嵌座442内。在Y向滑套体31的一侧，设置一具有驱动轮341的驱动元件34(在此选用直流电机)，在Y向滑套体31的上侧，设置一驱动该驱动元件34的驱动控制器35，该驱动控制器包括有电源及电流调节器；在驱动轮441与驱动轮341之间套上一皮带342，将驱动元件34的旋转借由皮带342的连动传递到驱动轮441，并可利用驱动控制器35中的电流调节器控制驱动元件34的旋转速度，达到控制切削元件42旋转速度的目的。在工作台10的中心，固定一可供夹合欲加工的工作板的虎钳50，工作板可为塑料板、铜板、玻璃或大理石板等。

驱动机构由用MNCZ-80芯片为中央处理器的单片计算机和步进电机伺服电源组成，计算机图象处理单元通过连接电缆送来的信号，在MNCZ-80单片计算机的控制下，分X、Y、Z三路信号经过步进电机伺服电源控制X向、Y向、Z向的步进电机，此一步进电机伺服控制技术系采用已有技术，为本领域普通技术人员所公知，故不再详述。

当前述的X向驱动元件12、Y向驱动元件32控制X向、Y向机械传动结构到达设定的X向、Y向座标值位置时，Z向驱动元件43控制Z向机械传动结构动作，使旋转的切削元件42下沉计算机给定的Z向位移量，即可将计算机内图形或图象中的一个象素，按其在三维空间中的位置，还原在所加工物体的表层，将组成计算机内图形或图象的所有象素以上述形式由切削元件42还原出，即可在所加工物体的表层得到计算机内图形或图象在三维空间的真实再现。

切削元件42可根据所需钻孔的孔洞直径，即所需的每一象素的直径，而选择其直径、形状，可以是中心钻，可以是麻花钻，也可以是微型铣刀或硬质合金材料制成的针体。如图5所示，还可以将旋转体44内的旋转结构卸去，将一个电热装置444装在旋转体44内，加热连接于旋转体44下缘的切削元件42，即能在塑料板上借由X向、Y向及Z向机械传动结构的动作熔出一个个孔洞。图6所示的的实施例中，切削元件42是一个下端嵌入了一个钢珠的针体，可在塑料板上熔出较大的孔洞，也可利用拖拉的方式，使具有高热的钢珠在塑料板表层形成任意形状的熔化线条，也可用由硬质合金材料制成的针体，在X向、Y向机械传动结构控制下移至一定位置，再控制Z向下沉使针体插入工作板的表层内，再利用X向、Y向的移动，在工作板的表层刮出沟槽，而一条条沟槽之间，亦可利用Z向的动作上移，使它们达到中断的效果。如图7所示，本发明的装置亦可利用其特殊的Z向轴快速伸缩功能而应用于浮雕，在旋转体44内装上具有电子探针头4451的电子探测器445，利用电子探针探测浮雕的深浅度，由于探针是横向移动、为防止它在碰触一高一低时易碰断，因此Z向动作以快速伸缩跳动的方式由左至右X向一路探测过去，每探测完一路X向，则再往下探测下一路的X向，就避免了电子探针4451会碰断的现象。图9所示的实施例系利用有电热装置444的切削元件42，在塑料板60的表层铺以一层玻璃纸70，而当切削元件42熔烫塑料板60时，同时将玻璃纸熔入所形成孔洞之上，达到烫金或染色的目的。

Claims (10)

1，一种数字控制刻画图象的方法，在计算机内生成图形或图象，由计算机计算出前述图形或图象所包含的数字量，再将此数字量以电信号的方式传送到一个驱动机构，所述的驱动机构操纵刻画装置对被加工物体进行刻画加工，其特征在于：所述的由计算机计算前述图形或图象所包含的数字量是由计算机取得构成前述图形或图象的每一象素在三维空间座标系中的位置的座标值，再根据构成此座标值的在X、Y、Z方向上的数字量，由计算机送出电信号来分别控制一个驱动机构中的三组驱动部件，以操纵刻画机构相对于被加工物体表层在X、Y、Z方向的位移动作。

2，如权利要求1所述的数字控制刻画图象的方法，其特征在于：对已存在于计算机中的三维图象，先由计算机对欲还原部分的表面进行逐点分解，取得每一点的三维座标值。

3，如权利要求1所述的数字控制刻画图象的方法，其特征在于：生成图象并取得三维座标值的方法是以摄像机对物体同一表面从多种角度摄取图象，由计算机在图象处理软件的支持下，将摄取的图象处理为三维图象，再由计算机对欲还原部分的表面进行逐点分解，获得物体该表面各点的三维座标值。

4，如权利要求1所述的数字控制刻画图象的方法，其特征在于：对于已存在于计算机中的二维图形或图象，由计算机在图象处理软件的支持下，对该图形或图象进行逐点分解，取得各点的X向、Y向座标值，根据各点颜色的灰度取得该点由该图象反映的空间位置，计算出该点的Z向座标值。

5，一种用于权利要求1所述的数字控制刻画图象方法的装置，由计算机图象处理单元和刻画单元组成，所述的计算机图象处理单元包括一台计算机；所述的刻画单元由一个驱动机构和机械刻画机构组成，所述的计算机图象处理单元以连接电缆与所述的刻画单元中的驱动机构相联，其特征在于：所述的驱动机构包含有一个驱动电路和三组电驱动部件，所述的机械刻画机构包括一个工作台和三组机械传动结构，所述的机械传动结构由固定的导轨、移动座和分别连接前述三组电驱动部件、并连接前述移动座的传动件组成，其中一组机械传动结构固定在另一组机械传动结构的移动座上，而所述的另一组机械传动结构固定在第三组机械传动结构的移动座上，所述的三组机械传动结构中的导轨的方向相互垂直，第三组机械传动结构固定在前述的工作台上，在其中一组机械传动结构中的移动座上固定有一个刻画头，所述的刻画头包括一个电驱动元件和一个切削元件。

6，如权利要求5所述的一种实现数字控制刻画图象方法的装置，其特征在于：所述的计算机图象处理单元包括有一台摄像机，摄像机通过电缆与计算机相联。

7，如权利要求5所述的一种实现数字控制刻画图象方法的装置，其特征在于：所述的计算机图象处理单元包括有一台扫描仪，所述的扫描仪通过电缆与计算机相联。

8，如权利要求5所述的一种实现数字控制刻画图象方法的装置，其特征在于：所述的刻画头中包括有一个电热装置。

9，如权利要求5所述的一种实现数字控制刻画图象方法的装置，其特征在于：所述的刻画头中的切削元件呈针状。

10，如权利要求9所述的一种实现数字控制刻画图象方法的装置，其特征在于：所述的刻画头中的切削元件的头部嵌有一个钢珠。

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