基于二值化图像转GCode的双向扫描实现

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    • 什么是双向扫描
    • 双向扫描代码示例

基于二值化图像转GCode的双向扫描实现

什么是双向扫描

激光雕刻双向扫描

在激光雕刻中,双向扫描(Bidirectional Scanning)是一种雕刻技术,其中激光头在雕刻过程中沿两个方向来回移动。这种移动方式与单向扫描相反,它允许激光头在刻蚀图像表面时在水平方向上来回移动。

具体而言,双向扫描的过程通常包括以下步骤:

  1. 横向移动(X轴): 激光头沿X轴方向移动到图像的一侧。

  2. 纵向移动(Y轴): 激光头沿Y轴方向开始逐行移动,刻蚀图像表面。与单向扫描不同的是,激光头在每一行上都会先沿一个方向移动,然后返回到起始位置。

  3. 反向横向移动: 一旦一行完成,激光头返回到图像的另一侧,准备进行下一行的刻蚀。

  4. 循环重复: 重复以上步骤,直到整个图像都被刻蚀完成。

相比于单向扫描,双向扫描的优势在于激光头在返回时不会处于空闲状态,因为它可以在水平方向上进行反向移动。这可以提高雕刻速度,尤其在对生产效率有要求的情况下,双向扫描是一个更为常见的选择。

选择使用单向还是双向扫描通常取决于激光雕刻机型、雕刻需求以及对生产效率的具体要求。

双向扫描代码示例

#include <optional>
#include <string>
#include <print>
#include <format>
#include <vector>
#include <fstream>
#include <ranges>

struct G0 {
    std::optional<float> x, y;
    std::optional<int> s;

    std::string toString() {
        std::string command = "G0";
        if(x.has_value()) {
            command += std::format(" X{:.3f}", x.value());
        }
        if(y.has_value()) {
            command += std::format(" Y{:.3f}", y.value());
        }
        if(s.has_value()) {
            command += std::format(" S{:d}", s.value());
        }
        return command;
    }

    explicit operator std::string() const {
        std::string command = "G0";
        if(x.has_value()) {
            command += std::format(" X{:.3f}", x.value());
        }
        if(y.has_value()) {
            command += std::format(" Y{:.3f}", y.value());
        }
        if(s.has_value()) {
            command += std::format(" S{:d}", s.value());
        }
        return command;
    }
};

struct G1 {
    std::optional<float> x, y;
    std::optional<int> s;

    std::string toString() {
        std::string command = "G1";
        if(x.has_value()) {
            command += std::format(" X{:.3f}", x.value());
        }
        if(y.has_value()) {
            command += std::format(" Y{:.3f}", y.value());
        }
        if(s.has_value()) {
            command += std::format(" S{:d}", s.value());
        }
        return command;
    }

    explicit operator std::string() const {
        std::string command = "G1";
        if(x.has_value()) {
            command += std::format(" X{:.3f}", x.value());
        }
        if(y.has_value()) {
            command += std::format(" Y{:.3f}", y.value());
        }
        if(s.has_value()) {
            command += std::format(" S{:d}", s.value());
        }
        return command;
    }
};

inline bool ExportGCode(const std::string &fileName, std::vector<std::string> &&gcode) {
    std::fstream file;
    file.open(fileName, std::ios_base::out | std::ios_base::trunc);
    if(!file.is_open()) {
        return false;
    }

    for(auto &&v: gcode | std::views::transform([](auto item) { return item += "\n"; })) {
        file.write(v.c_str(), v.length());
    }

    return true;
}

int main() {
    constexpr int imageWidth  = 10;
    constexpr int imageHeight = 10;
    // clang-format off
    // 假设图像数据,0表示非激光刻蚀部分,1表示进行激光刻蚀的区域
    constexpr int image[imageWidth][imageHeight] = {
        {0, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 0}, // G0 G1 G1 G1 G0 G1 G1 G1 G0 G0
        {1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0},
        {1, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1},
        {0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0},
        {1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 1},
        {0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0},
        {1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1},
        {1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0},
        {0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1},
        {1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1}
    };
    // clang-format on

    std::vector<std::string> command;
    for(int y = 0; y < imageHeight; ++y) {
        bool isEven = !(y & 1);
        int start   = isEven ? 0 : imageWidth - 1;
        int end     = isEven ? imageWidth : -1;
        int step    = isEven ? 1 : -1;

        command.emplace_back(G0 {std::nullopt, y, 0});
        for(int x = start; x != end; x += step) {
            if(auto const value = image[y][x];value) {
                command.emplace_back(G1 {x, std::nullopt, 1000});  // 最大激光功率 S=1000
            } else {
                command.emplace_back(G0 {x, std::nullopt, 0});
            }
        }
    }

    // 导出GCode
    ExportGCode("gcode.nc",std::move(command));
    std::println("Export data to gcode.nc");
    return 0;
}

激光雕刻双向扫描仿真

上述示例展示了一个10x10的二维图像数据,其中0表示非激光刻蚀部分,1表示进行激光刻蚀的区域。通过遍历图像数据,代码生成了相应的G代码指令序列,用于描述激光头在工件表面的运动路径。

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