基于Linux激光雕刻上位机软件开发

摘 要

　　随着计算机技术的快速发展及广泛应用，与计算机技术相结合的激光雕刻加工技术被广泛应用于社会生活的诸多方面，其与传统加工方式相比具有精度高、非接触、速度快、无污染等特点。处于激光雕刻系统核心位置的激光雕刻软件，往往决定着激光雕刻产品的品质特性。因此，开发出一套能够适应当前激光雕刻技术成长需要的激光雕刻软件成为制约雕刻产品性能得到有效提升的一大重要内容。

　　目前，国内激光雕刻加工软件系统多采用结合第三方专业制图软件的处理来获得雕刻加工图样文件，再结合专业软件的处理得到关于图样信息的加工代码，以实现整个雕刻过程的文件交互式加工。现有雕刻加工平台主要基于 Windows 系统下进行产品的开发及加工操作，加工环节中易出现较多使用性问题，导致系统稳定性得不到有效保证。

　　本论文针对传统激光雕刻软件中存在的图像处理功能不完善、图形绘制功能不支持、路径优化功能较匮乏、数据传输不可靠等问题，开发出了一种基于 Linux 系统的激光雕刻上位机软件，该激光雕刻上位机软件能够直接运行在 Linux 系统下，实现一系列雕刻操作加工功能。本激光雕刻上位机软件系统组成成分主要具有四大功能：图像处理、矢量图形绘制、雕刻加工代码输出和路径优化。本论文所做的主要工作如下：

　　（1）对激光雕刻加工技术中数字图像技术进行深入研究，在介绍了图像二值化、灰度化、边缘检测及平移等常见数字图像处理算法后，分析了一种经图像矢量化处理后适于激光雕刻的加工方法，为后续编程实现激光矢量雕刻功能打下坚实基础。

　　（2）在分析激光雕刻加工基本原理后，采用主从式软件系统设计，结合现有雕刻路径优化算法进行深入研究及优化，通过模拟实验确定了一种更为有效的激光雕刻路径优化算法，其路径优化功能在激光雕刻上位机软件系统予以实现。

　　（3）针对当前激光雕刻软件矢量绘图操作功能的匮乏，设计并实现了支持自绘制矢量图形进行矢量雕刻、栅格图像转 SVG 格式图像并生成数控代码功能，从而进一步提高了上位机系统软件的实用性。

　　（4）针对现有激光雕刻系统数据传输方式不灵活，本论文采用了基于 TCP/IP 网络协议的无线通信方式，为进一步提高数据通信、文件传输的可靠性及有效性，使用MD5 算法对通信数据的完整性及安全性进行验证，进一步分析了雕刻加工异常情况下的雕刻加工处理过程。

　　（5）在研究分析当前激光雕刻软件现状后，为提高激光雕刻软件功能的实用性和稳定性，提出了基于 Linux 系统的软件设计方案，最后在 Linux 平台下进行系统功能测试，验证了本软件系统的可行性和稳定性。

　　【关键词】Linux；图像处理；激光雕刻；路径优化

ABSTRACT

　　With the rapid development and extensive application of computer technology, the computer-aided laser engraving processing technology has been widely used in many aspects of social life. Compared with the traditional processing methods, it is non-contact, fast, accurate and non-polluted. At the core of the laser engraving system, laser engraving software often determines the quality characteristics of laser engraving products. Therefore, the development of laser engraving software which can meet the needs of the laser engraving technology has become an important restriction to the effective improvement of the quality of laser engraving products.

　　At present, the domestic laser engraving processing software system mainly obtains the engraving processing pattern files by combining with third-party professional graphics software and the processing code of pattern information by using professional software to achieve the interactive processing of files during the entire carving process. The existing engraving processing platform for product development and processing operation is mainly based on the Windows system, and it is prone to bring about more application problems and the system stability cannot be effectively guaranteed.

　　In this thesis, a laser engraving PC software based on Linux system was developed to solve the functional problems in traditional laser engraving software such as imperfect image processing, unsupported graphics rendering, deficient path optimization and unreliable data transmission. The laser engraving PC software can run directly in Linux system to achieve a series of engraving operation functions. The components of the host computer software have four major functions: image processing, vector graphics rendering, engraving processing code output and path optimization. The main work of this thesis is as follows:

　　(1) In this thesis, the digital image processing techniques in laser engraving processing technology were studied. The common digital image processing algorithms,such as image binarization, gray scale, edge detection and translation were introduced, and a suitable processing method for laser engraving by image vectorization processing was analyzed to lay a solid foundation for the subsequent laser vector engraving programming. (2) The basic principle of laser engraving was analyzed and the existing engraving path optimization algorithm was studied. By master-slave software system design simulation experiments, a more effective laser engraving path optimization algorithm was determined and its path optimization function was achieved in the laser engraving PC software system.

　　(3) For the lack of vector drawing operation function in laser engraving software, the function of self vector graphics engraving, raster image to SVG format image conversion and NC code generation were designed and developed so as to further improve the practicality of PC system software.

　　(4) In view of the inflexibility of existing laser engraving system data transmission, this thesis used the wireless communication mode based on TCP / IP network protocol to further improve the reliability and validity of data communication and file transmission. The MD5 algorithm was also used to verify the integrity and safety of the communication data to further analyze the abnormal situation during the carving processing process.

　　(5) After analyzing the current status of laser engraving software, the software design scheme based on Linux system was proposed to improve the practicability and stability of laser engraving software. Meanwhile, the system function test under Linux platform was carried out to verify the feasibility and the stability of the software system.

　　【Key Words】 Linux; Image processing; Laser engraving; Path optimization

　　作为 20 世纪重大发明之一的激光，因其具有大能量、高亮度、优良的方向性和单色性等一系列优势，随着需求增长以及相关科学研究的逐步深入，激光技术步入了发展的快车道，并且成为了当代信息社会光电子技术发展的中坚力量之一，激光技术及其相关产业结构的进一步优化提升已吸引各经济强国的广泛关注。所谓激光加工技术，是指对材质经过时空二维度激光能量的聚集，使其满足期望技术要求。作为激光应用传统优势项目的激光加工技术[1]，已扩展到各行各业，在人们熟悉的汽车，机械和轻工等部门十分常见，促进了工业的快速发展，并产生了巨大的经济效益[2]。当前发展较为完善的激光加工技术主要有以下几种：激光钻孔、激光测距、激光切割、激光雕刻、激光焊接等技术[3]。

　　国际各科技强国的激光技术蓬勃发展，特别是在欧美及日韩等区域和地区国家已广泛应用于各科技经济等领域，对提高其国际综合竞争力具有很大优势[4]。在先进国家的加工产业当中，已步入了“光加工”时代[5]。我国 30 多年来改革开放和市场经济的迅速发展，极大推动了高技术的研发及应用。激光和激光加工技术作为一门发展及其快速的高新技术领域，已成为我国发展新兴制造行业，转变传统制造业的重要推动技术之一[6]。

　　本论文结合数字图像处理相关知识理论，设计出基于 Linux 系统的激光雕刻上位机软件，所做的主要工作如下：

　　（1）对激光加工技术发展及其现状进行简要分析，着重讨论了激光雕刻软件功能特点及其发展现状，并提出了基于 Linux 的激光雕刻上位机软件设计方案；（2）对应用于激光雕刻的图像处理技术进行分析与研究，重点介绍了图像灰度化、二值化及边缘提取等相关理论方法，对位图图像经矢量化处理，以满足位图图像矢量化激光雕刻需求；（3）通过对激光雕刻路径算法分析研究，提出了一种改进的路径优化算法并进一步进行了模拟仿真实验；（4）采用实例化的方式对本论文激光雕刻上位机软件相关功能模块的实现方式进行详细介绍，其中重点分析了矢量图形绘制、图像预处理、矢量图形文件数控代码解析等功能。

　　论文的主要内容安排如下：

　　第一章主要分析介绍了激光雕刻技术及激光雕刻机发展现状，并对激光雕刻上位机软件功能进行简要分析概况。

　　第二章对激光雕刻中常见图像处理相关理论算法基础进行详细介绍分析，包括图像的灰度化、二值化、边缘检测等，并就位图图像矢量雕刻所存在的困难，提出了一种位图图像矢量化的解决方案。

　　第三章对上位机软件自绘制矢量图形相关功能的实现进行理论分析及开发路线的设计，并对当前激光雕刻路径优化算法进行分析和改进，通过实验数据分析其在激光雕刻路径优化方面具有的优势。

　　第四章对我们的激光雕刻上位机软件功能的具体实现方法予以详细介绍，重点分析了激光雕刻系统的数据可靠通信的具体实现过程。

　　第五章对本论文的主要工作内容进行系统性的概况分析，并就本论文实现的激光雕刻上位机软件的不足及今后激光雕刻技术发展前景进行展望。

　　激光雕刻上位机软件功能演示：

软件人机交互界面

上位机软件部分菜单内容

直线绘制功能实现效果

矢量圆弧及椭圆的绘制效果图

图像边缘提取界面

图像灰度化和二值化处理效果图

激光雕刻路径规划图

上下位机通信界面

激光雕刻图形数控代码转换

位图雕刻加工效果图

激光雕刻路径优化软件界面

图像矢量化雕刻效果图

目 录

　　摘 要
　　ABSTRACT
　　第一章 绪论
　　　　1.1 激光加工技术发展概况
　　　　1.2 激光雕刻技术及激光雕刻机
　　　　　　1.2.1 激光雕刻技术
　　　　　　1.2.2 激光雕刻机
　　　　1.3 激光雕刻软件特点及现况
　　　　1.4 激光雕刻采用 Linux 系统的优势
　　　　1.5 论文的研究工作及内容安排
　　　　1.6 本章小结
　　第二章 面向激光雕刻图像处理方法分析研究
　　　　2.1 前言
　　　　2.2 常见图形图像文件格式介绍
　　　　2.3 常见激光雕刻图像处理方法
　　　　2.4 一种符合激光雕刻特点的图像处理方法
　　　　　　2.4.1 图像边缘轮廓拟合
　　　　　　2.4.2 SVG 图像输出
　　　　2.5 本章小结
　　第三章 激光雕刻矢量绘图及雕刻路径优化设计
　　　　3.1 前言
　　　　3.2 Qt 简介
　　　　　　3.2.1 Qt 主要特点
　　　　　　3.2.2 Qt 的信号与槽
　　　　3.3 DXF 文件
　　　　　　3.3.1 DXF 文件基本组成
　　　　　　3.3.2 常见组码及其含义
　　　　3.4 DXF 文件加工数据自动提取
　　　　　　3.4.1 DXF 文件数据读取的整体开发流程
　　　　　　3.4.2 DXF 文件直线数据（Line）的提取
　　　　3.5 激光雕刻路径优化算法研究
　　　　　　3.5.1 激光雕刻图形中 TSP 算法应用分析
　　　　　　3.5.2 蚁群算法的数学思想
　　　　　　3.5.3 蚁群算法的实现步骤
　　　　　　3.5.4 实验结果比较分析
　　　　3.6 本章小结
　　第四章 激光雕刻上位机软件功能的实现
　　　　4.1 软件结构
　　　　4.2 上位机软件界面与部分功能的实现
　　　　4.3 激光雕刻图形绘制功能实现
　　　　　　4.3.1 直线绘图功能的实现
　　　　　　4.3.2 圆弧及椭圆绘图功能的实现
　　　　4.4 图像处理功能的实现
　　　　　　4.4.1 图像边缘检测结果展示
　　　　　　4.4.2 图像灰度化及二值化结果展示
　　　　4.5 激光雕刻路径的优化设计
　　　　4.6 Linux 系统下激光雕刻数据可靠通信设计
　　　　4.7 数控代码的输出
　　　　4.8 激光雕刻加工实例
　　　　4.9 本章小结
　　第五章 总结与展望
　　　　5.1 工作总结
　　　　5.2 研究展望
　　参考文献
　　攻读硕士学位期间发表的学术论着
　　致 谢

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