CN104210302B - 三维立体雕刻机、方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维立体雕刻机，包括：机床基座、回转工作台、进行精细雕刻加工的精加模组以及进行粗雕刻加工的粗加模组；机床基座设置有固定安装回转工作台的安装凹槽以及滑动连接精加模组、粗加模组的线性导轨；回转工作台包括依次设置的加工工作台、旋转平台、支撑台以及双交换台机构，加工工作台固定于旋转平台上，支撑台设于旋转平台、双交换台机构之间，支撑台设有通孔，双交换台机构的旋转输出轴穿过通孔与所述旋转平台固定连接；精加模组包括第一龙门架、第一主轴以及第一双轴摆头，第一龙门架包括第一龙门横梁，第一主轴通过第一滑动装置可滑动地固定于第一龙门横梁上，第一双轴摆头与第一主轴固定连接。

Description

三维立体雕刻机、方法及系统

技术领域

本发明涉及古典家具生产工艺领域，尤其涉及一种三维立体雕刻机、方法及系统。

背景技术

众所周知，现有技术中对古典家具生产工艺的三维立体造型雕花部分，均采用如下模式：对雕花板及其它部件进行手工加工处理，或者对电脑雕机无法处理的细节，如细致的纹路，人物的五官等地方在进行手工雕刻，加工成本高，效率低。并且雕刻时所用的现有机械主体以两轴到三轴半为主，而真正的四轴、五轴联动加工木雕机仍然是短板，且由于自身行业的发展特性，未能出现真正满足五轴木雕所需的机械主体，基本采用金属切削机床，未能考虑木雕的高速轻载和微小线段角度的加工特点，生成的雕刻成品细致不足，未能实现真正的三维立体化，也并不能完整地体现产品的艺术性和造型特点。

发明内容

为此，本发明实施例提供一种三维立体雕刻机、方法及系统，用以降低加工成本，提高加工效率，使雕刻成品具备真正的三维立体感。。

本发明实施例采用如下技术方案：

第一方面，提供一种三维立体雕刻机，包括：

机床基座、回转工作台、进行精细雕刻加工的精加模组以及进行粗雕刻加工的粗加模组；

所述机床基座设置有固定安装所述回转工作台的安装凹槽以及滑动连接所述精加模组、粗加模组的线性导轨；

所述回转工作台包括依次设置的加工工作台、旋转平台、支撑台以及双交换台机构，所述加工工作台固定于所述旋转平台上，所述支撑台设于所述旋转平台、双交换台机构之间，所述支撑台设有通孔，所述双交换台机构的旋转输出轴穿过所述通孔与所述旋转平台固定连接；

所述精加模组包括第一龙门架、第一主轴以及第一双轴摆头，所述第一龙门架包括第一龙门横梁，所述第一主轴通过第一滑动装置可滑动地固定于所述第一龙门横梁上，所述第一双轴摆头与第一主轴固定连接；

所述粗加模组包括第二龙门架、第二主轴，所述第二龙门架包括第二龙门横梁，所述第二主轴通过第二滑动装置可滑动地固定于所述第二龙门横梁上，所述第二主轴的扭矩大于所述第一主轴的扭矩。

结合第一方面，在第一种可能的实施方式中，所述第一滑动装置包括第一托板以及固定于所述第一托板上的第一驱动模块，所述第一驱动模块包括第一伺服电机、第一减速机，所述第一龙门横梁的水平面上设置有第一齿条，第一龙门横梁的侧面上设置有两条第一线规；

所述第一伺服电机的输出轴与第一减速机的输入轴相连，所述第一减速机的输出轴固定连接有与所述第一齿条匹配的齿轮，所述第一主轴固定于所述第一托板上，所述第一托板通过滑块与所述两条第一线规相连。

结合第一方面，在第二种可能的实施方式中，所述第二滑动装置包括第二托板以及固定于所述第二托板上的第二驱动模块，所述第二驱动模块包括第二伺服电机、第二减速机，所述第二龙门横梁的水平面上设置有第二齿条，第二龙门横梁的侧面上设置有两条第二线规；

所述第二伺服电机的输出轴与第二减速机的输入轴相连，所述第二减速机的输出轴固定连接有与所述第二齿条匹配的齿轮，所述第二主轴固定于所述第二托板上，所述第二托板通过滑块与所述两条第二线规相连。

结合第一方面，在第三种可能的实施方式中，所述第一双轴摆头为具有五轴联动加工能力的摆头。优选的，所述第一双轴摆头为AC摆头。

结合第一方面，在第四种可能的实施方式中，所述第一主轴、第二主轴均为电主轴。

第二方面，提供一种三维立体雕刻方法，包括：

基于待雕刻产品的设计造型生成相应的三维实体模型；

根据所述三维实体模型，生成相应的雕刻控制指令；其中，所述雕刻控制指令包括精加工控制指令、粗加工控制指令；

根据所述雕刻控制指令控制所述三维立体雕刻机的精加模组、粗加模组对置于回转工作台的所述待雕刻产品进行相应的精加工操作、粗加工操作。

结合第二方面，在第一种可能的实施方式中，所述雕刻控制指令还包括控制回转工作台旋转的旋转指令；

所述根据所述雕刻控制指令控制所述三维立体雕刻机的精加模组、粗加模组对置于回转工作台的所述待雕刻产品进行相应的精加工操作、粗加工操作包括：

解析所述雕刻控制指令，得到相应的精加工控制指令、粗加工控制指令、旋转指令；

根据所述精加工控制指令控制所述三维立体雕刻机的精加模组对置于回转工作台的所述待雕刻产品进行相应的精加工操作；

确定精加工操作完成之后，根据所述旋转指令控制所述回转工作台旋转；

根据所述粗加工控制指令控制所述三维立体雕刻机的粗加模组对置于旋转后回转工作台的所述待雕刻产品进行相应的粗加工操作。

结合第二方面，在第二种可能的实施方式中，所述雕刻控制指令还包括控制回转工作台旋转的旋转指令；

所述根据所述雕刻控制指令控制所述三维立体雕刻机的精加模组、粗加模组对置于回转工作台的所述待雕刻产品进行相应的精加工操作、粗加工操作包括：

解析所述雕刻控制指令，得到相应的精加工控制指令、粗加工控制指令、旋转指令；

根据所述粗加工控制指令控制所述三维立体雕刻机的粗加模组对置于回转工作台的所述待雕刻产品进行相应的粗加工操作；

确定粗加工操作完成之后，根据所述旋转指令控制所述回转工作台旋转；

根据所述精加工控制指令控制所述三维立体雕刻机的精加模组对置于旋转后回转工作台的所述待雕刻产品进行相应的精加工操作。

结合第二方面，在第三种可能的实施方式中，所述雕刻控制指令还包括控制回转工作台旋转的旋转指令；

所述根据所述雕刻控制指令控制所述三维立体雕刻机的精加模组、粗加模组对置于回转工作台的所述待雕刻产品进行相应的精加工操作、粗加工操作包括：

解析所述雕刻控制指令，得到相应的精加工控制指令、粗加工控制指令、旋转指令；

根据所述精加工控制指令、粗加工控制指令控制所述三维立体雕刻机的精加模组、粗加模组对置于回转工作台的所述待雕刻产品进行相应的精加工操作、粗加工操作；

确定精加工及粗加工操作完成之后，根据所述旋转指令控制所述回转工作台旋转；

根据所述粗加工控制指令、精加工控制指令控制所述三维立体雕刻机的粗加模组对置于旋转后回转工作台的所述待雕刻产品进行相应的粗加工操作、精加工操作。

结合第二方面、或第一种至第三种任一可能的实现方式，所述旋转指令用于控制回转工作台旋转180°。

第三方面，提供一种三维立体雕刻系统，包括：

第一方面、或第一种至第四种任一可能实现方式提供的三维立体雕刻机；

模型生成子系统，用于基于待雕刻产品的设计造型生成相应的三维实体模型；

控制子系统，用于根据所述三维实体模型，生成相应的雕刻控制指令；其中，所述雕刻控制指令包括精加工控制指令、粗加工控制指令；

所述控制子系统，还用于根据所述雕刻控制指令控制所述三维立体雕刻机的精加模组、粗加模组对置于回转工作台的所述待雕刻产品进行相应的精加工操作、粗加工操作。

结合第三方面，在第一种可能的实现方式中，所述控制子系统，还用于检测所述三维立体雕刻机的雕刻误差，并在检测到所述雕刻误差的情况下进行补偿。具体的，所述雕刻误差基于所述精加模组、和/或粗加模组的雕刻位置生成。

结合第三方面，在第二可能的实现方式中，所述雕刻控制指令还包括控制回转工作台旋转的旋转指令；

所述控制子系统，用于：

解析所述雕刻控制指令，得到相应的精加工控制指令、粗加工控制指令、旋转指令；

根据所述精加工控制指令、粗加工控制指令控制所述三维立体雕刻机的精加模组、粗加模组对置于回转工作台的所述待雕刻产品进行相应的精加工操作、粗加工操作；

确定精加工及粗加工操作完成之后，根据所述旋转指令控制所述回转工作台旋转；

根据所述粗加工控制指令、精加工控制指令控制所述三维立体雕刻机的粗加模组对置于旋转后回转工作台的所述待雕刻产品进行相应的粗加工操作、精加工操作。

区别于现有技术，本发明不再是以前的单纯摆头式的龙门式雕刻机模式，而是保持加工时加工工作台不运动，采用双龙门结构，且整个龙门进行移动并加工，并设计加工工作台为旋转工作台，可以同时进行粗精两部加工，而后通过工作台的旋转进行粗精加工转换。即针对木雕结构，设计了粗精两个工位的同步加工，将原来的两个机床干的事情变为可由一个机床进行，减少了装卡时间和装卡误差，提升了加工效率。

附图说明

图1为本发明某些实施例提供的三维立体雕刻机的机械结构图；

图2.a为本发明图1所示实施例回转工作台的俯视机械结构图；

图2.b为回转工作台的侧面机械结构图；

图3.a为本发明图1所示实施例第一龙门架的A面部分机械结构图；

图3.b为本发明图1所示实施例第一龙门架的B面部分机械结构图；

图4为本发明图1所示实施例机床基座与第一龙门架连接处的机械结构图；

图5为本发明某些实施例提供的三维立体雕刻系统的系统结构图；

图6.a为本发明某些实施例提供的粗精坐标变换之前的示意图；

图6.b为图6.a粗精坐标变换之后的示意图；

图7为本发明某些实施例提供的三维立体雕刻方法流程图；

图8为本发明一具体实施例提供的三维立体雕刻方法流程图；

图9为本发明另一具体实施例提供的三维立体雕刻方法流程图；

图10为本发明再一具体实施例提供的三维立体雕刻方法流程图。

标号说明：

100-第一龙门架，200-第二龙门架；

1-主轴箱护板，2-氮气平衡杆，3-第一伺服电机，4-第一减速机，5-第一电机座，6-第一齿条，7-第一龙门横梁；

11-Z轴伺服电机，12-Z轴减速机，13-Z轴联轴器，14-Z轴轴承座，15-第一托板，16-Z向导轨，17-Z轴丝杠，18-第一线规，19-Z轴托板，20-第一电主轴箱；

21-加工工作台，22-旋转平台，23-支撑台，24-双交换台机构；

31-Y轴伺服电机，32-Y轴减速机，33-Y轴齿轮，34-Y轴齿条，35-第一龙门架底座，36-Y轴滑块，37-Y向导轨。

具体实施方式

为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。

请参阅图1至图4，为本发明某些实施例三维立体雕刻机的机械结构图。所述三维立体雕刻机包括：机床基座、回转工作台、进行精细雕刻加工的精加模组以及进行粗雕刻加工的粗加模组；所述机床基座设置有固定安装所述回转工作台的安装凹槽以及滑动连接所述精加模组、粗加模组的线性导轨。

所述回转工作台的结构如图2.a-2.b所示，包括依次设置的加工工作台21、旋转平台22、支撑台23以及双交换台机构14，所述加工工作台21固定于所述旋转平台22上，所述旋转平台22位于所述支撑台23上且与所述双交换台机构14固定。所述支撑台23设于所述旋转平台22、双交换台机构24之间。具体的，所述支撑台23设有通孔，双交换台机构24内部是一个旋转台的执行机构，主要就是实现一个固定角度的旋转定位和锁紧功能，这个里面是通过双交换台机构24的旋转带动转平台22的旋转。所述双交换台机构24的旋转输出轴穿过所述通孔与所述旋转平台22固定连接，从而可以实现在双交换台机构24旋转的同时，旋转平台22与双交换台机构24同轴转动，进而带动加工工作台21的同轴转动。通过上述描述可知，加工时，待加工工件/产品位于加工工作台21上，本方案可在加工时通过加工工作台21的旋转实现待加工工件/产品的粗雕刻加工、粗雕刻加工的位置交互。

该机床主要是重复考虑加工工艺和效率两方面的问题，同时也要规避重复装卡的误差，基于这些考虑，本发明设计工作台是可以旋转的回转工作台，每次旋转可以为角度为180°，即两个粗精加工的工件调换位置，而工作台在加工过程中保持静止，由两个龙门架整体移动，进而拖动龙门架上附着的主轴移动。在其他实施例中，回转工作台的加工工作台可根据具体情况旋转预定的角度。

请参阅图3.a及3.b，所述精加模组包括第一龙门架100、第一主轴以及第一双轴摆头，所述第一龙门架包括第一龙门横梁7，所述第一主轴通过第一滑动装置可滑动地固定于所述第一龙门横梁7上，所述第一双轴摆头与第一主轴固定连接。所述第一滑动装置包括第一托板15以及固定于所述第一托板15上的第一驱动模块，所述第一驱动模块包括第一伺服电机3、第一减速机4，所述第一龙门横梁7的水平面上设置有第一齿条6，第一龙门横梁7的侧面上设置有两条第一线规18；所述第一伺服电机3的输出轴与第一减速机4的输入轴相连，所述第一减速机4的输出轴固定连接有与所述第一齿条6匹配的齿轮，所述第一主轴固定于所述第一托板15上，所述第一托板15通过滑块与所述两条第一线规18相连。

具体的，第一龙门横梁7为固定于第一龙门架的一个部分，其水平面上放置有一根齿条6，同时第一伺服电机3与第一减速机4相连，并通过电机座固定于第一托板15上，1为主轴箱护板，2为氮气平衡杆用于平衡Z轴负载，且在第一减速机4输出轴上固定有齿轮，与第一齿条6相连。同时第一托板15通过滑块与第一龙门横梁7侧面放置的两条第一线规18相连，从而第一伺服电机3的旋转，通过齿轮、第一齿条6，利用第一线规18拖动第一托板15的左右移动，进而带动第一托板15上面的Z轴托板19和双摆头同步移动。

在第一托板15的正面放置有两条纵向的Z向导轨16，Z轴托板19的背面滑动安装在Z向导轨16上，Z轴丝杠17的轴端与Z轴伺服电机相连的Z轴减速机12的输出轴通过Z轴联轴器13相连，Z轴拖板19的背面通过螺栓连接在Z轴丝杠17螺母上。Z轴托板19上竖直放置有第一电主轴箱20，螺栓将第一电主轴固定在所述第一电主轴箱20上，若是安装摆头则是两轴摆头通过螺母固定与托板上。

在机床基座的两侧边，放置有Y向导轨37，第一龙门架的两个底端通过Y轴滑块36安装在该Y向导轨37上，Y轴伺服电机31通过电机座固定与龙门架上，同时与Y轴减速机32相连，而后在输出轴段固定有Y轴齿轮33，Y轴齿轮33与固定于机床基座侧面的Y轴齿条34相连，从而通过Y轴伺服电机31的旋转通过Y轴齿轮33、Y轴齿条34传动进而拖动第一龙门架的移动，第一龙门横梁7的运动带动X轴整套机构，以及在X轴上安装的Z轴机构在Y轴方向的运动。

为防止回转工作台的加工工作台21旋转时与第一龙门架100产生干涉，在设计时需要计算下旋转时最大的两侧位置，保证机床基座上放置的第一龙门架100可以在的加工工作台21旋转的时候不产生干涉。它的范围可以理解为22的旋转中心到21的最远距离画圆与龙门架不干涉即可。

在上述实施例中，精加模组与粗加模组的结构基本一致，其不同之处在于：1)粗加模组并没有摆头，其加工刀具直接与第二主轴的输出轴连接；2)由于粗加工的刀具需要进行粗加工，加工的切深比精加工大，所需的切削力也就大些，而切削力最终就是由主轴提供，所以它所需的扭矩就比精加工的大些，故粗加模组的整体主轴扭矩相对大点。

具体的，所述粗加模组包括第二龙门架、第二主轴，所述第二龙门架包括第二龙门横梁，所述第二主轴通过第二滑动装置可滑动地固定于所述第二龙门横梁上，所述第二主轴的扭矩大于所述第一主轴的扭矩。所述第二滑动装置包括第二托板以及固定于所述第二托板上的第二驱动模块，所述第二驱动模块包括第二伺服电机、第二减速机，所述第二龙门横梁的水平面上设置有第二齿条，第二龙门横梁的侧面上设置有两条第二线规；所述第二伺服电机的输出轴与第二减速机的输入轴相连，所述第二减速机的输出轴固定连接有与所述第二齿条匹配的齿轮，所述第二主轴固定于所述第二托板上，所述第二托板通过滑块与所述两条第二线规相连。为了使粗加模组的扭矩大于精加模组的扭矩，粗加模组的第一驱动模块用较精加模组小的传动机构如齿轮、同步带、轴承等和电主轴来实现。

在具体的实施例中，所述第一主轴、第二主轴均为电主轴。由于木雕的刀具较为小，在加工时电主轴高速旋转，通过高速可以保证刀具切削木料时的线速度达到刀具较好工作的范围之内。

考虑木雕的高速轻载和微小线段角度的加工特点，在具体的实施例中，所述第一双轴摆头为具有五轴联动加工能力的摆头。优选的，所述第一双轴摆头为AC摆头。

本实施例由具有五轴联运加工能力摆头的三维立体雕刻机进行实际雕刻加工，里面对于机床进行了改变，不再是以前的单纯摆头式的龙门式雕刻机模式，而是保持加工时加工工作台不运动，采用双龙门结构，且整个龙门进行移动并加工，并设计加工工作台为旋转工作台，可以同时进行粗精两部加工，而后通过加工工作台的旋转进行粗精加工转换，提高了工作效率，减少了加工成本。即针对木雕结构，设计了粗精两个工位的同步加工，将原来的两个机床干的事情变为可由一个机床进行，减少了装卡时间和装卡误差，且提升了加工效率。通过这样的设计，使得古典加工的艺术造型与现代科技结合，实现了数字化、自动化，不再是以前如此要求制作者的手工技艺，且提升了生产效率，并且可以实现批量生产，从而为一些不是很珍贵的木材造型可以丰富和高雅提供了可能，使得数据的保留具有永久性、保证产品的可重复性以及后续的快速艺术造型创新。

请参阅图5，为本发明实施例三维立体雕刻系统的系统架构图，包括：如前文所述的三维立体雕刻机501、模型生成子系统502以及控制子系统503。

模型生成子系统502，用于基于待雕刻产品的设计造型生成相应的三维实体模型。

控制子系统503，用于根据所述三维实体模型，生成相应的雕刻控制指令；其中，所述雕刻控制指令包括精加工控制指令、粗加工控制指令。

所述控制子系统503，还用于根据所述雕刻控制指令控制所述三维立体雕刻机的精加模组、粗加模组对置于回转工作台的所述待雕刻产品进行相应的精加工操作、粗加工操作。具体的，所述雕刻控制指令还包括控制回转工作台旋转的旋转指令。

所述控制子系统，具体用于：

解析所述雕刻控制指令，得到相应的精加工控制指令、粗加工控制指令、旋转指令；

根据所述精加工控制指令、粗加工控制指令控制所述三维立体雕刻机的精加模组、粗加模组对置于回转工作台的所述待雕刻产品进行相应的精加工操作、粗加工操作；

确定精加工及粗加工操作完成之后，根据所述旋转指令控制所述回转工作台旋转；

根据所述粗加工控制指令、精加工控制指令控制所述三维立体雕刻机的粗加模组对置于旋转后回转工作台的所述待雕刻产品进行相应的粗加工操作、精加工操作。

在上述具体的实施方式中，所述旋转指令用于控制回转工作台旋转180°。在其他实施例中，回转工作台的加工工作台可根据具体情况旋转预定的角度。

在进一步的改进中，所述控制子系统503，还用于检测所述三维立体雕刻机的雕刻误差，并在检测到所述雕刻误差的情况下进行补偿。具体的，所述雕刻误差基于所述精加模组、和/或粗加模组的雕刻位置生成。

具体而言，针对产品造型方面，我们知道，现有技术中复杂的三维立体造型基本采取的模式是：手工绘制图形—手工粗雕---手工精修，加工成本高且工作效率低下。模型生成子系统502改变原来的人手工素描，采取具有极好曲面处理的造型软件把原本的平面素描图形转化为艺术家真正想要的三维实体。由于家具行业自身的造型比较多变复杂，从CAD考虑，对于曲面造型要求较高，基于此本发明中推荐采取犀牛绘图软件、freeform绘图软件和zbrush绘图软件，这几款比较侧重于艺术造型与工业造型结合的软件。由于绘图对于造型人员水平要求较高，不仅仅是一个造型设计者也是一个绘制者，需要具有较好的空间想象力和艺术感，对于水平好的人员也可以采取SolidWorks软件等三大主流绘图软件中的曲面功能进行造型。基本输出的文件采取stl格式，便于后续操作。模型生成子系统502直接利用计算机自动生成最终的三维实体模块，流程简单且效率高效。

在具体绘制过程中需要考虑后续的工艺问题，它不是完全的人手来进行最后的加工，而是通过机械设备进行处理，有些不好加工的位置如刀具干涉、行程受限等，需要在设计的时候与工艺人员配合进行。

针对加工程序生成部分则是根据前面的造型文件按照粗精加工进行分类，它基于这个方法主要是考虑两个因素：一个是加工效率，粗加工可以大范围的去除不必要的毛坯料，类似手工的粗雕，精加工则可以仅关于已有雏形的毛坯进行最后的精修。基于此工艺，本方案设计的机床就可以同时进行粗、精两个工艺的同步加工，而后只是通过旋转加工工作台实现粗精工件工序的转换，避免重复装卡所耗费时间也避免了重新装卡的误差。而后再一个是实际加工工艺性能，任何材料加工都需要有粗开(即粗加工)和精加工两个步骤，它们采取不同的刀具和切削参数。

控制子系统503即数控系统：数控系统采取自主研发的开放式数控系统，采取ARM+DSP的硬件架构。由于雕刻机含有粗精两个部分，需要数控系统必须具备两个通道，八轴运动控制的能力。同时针对五轴精加工雕刻机自身的结构特点，在前面进行加工程序生成的时候，不要求数控系统具备RTCP(旋转中心控制点)功能，而由CAM软件进行最终位置生成，从而保持刀尖速度。我们知道，RTCP功能就是直接给数控系统的刀具位置点和速度要求，这样在更换刀具时需重新用CAM进行生成加工程序，加工程序繁琐且效率不高。本方案采取的控制子系统503(数控系统)根据机床的结构自动转换为各个电机所需的速度和位置进行加工，即控制子系统503告诉粗加模组、精加模组最终的刀尖点在哪，即使更换不同的刀具，都可以跑这个程序，然后要求控制子系统503(数控系统)根据这些数据自己在运行加工程序的时候转换为各个轴所需的位置和速度，利用控制子系统503的好处就是更换不刀具时无需重新用CAM进行生成加工程序，简化了加工程序，提高了加工效率。

上述的情况下则需要在进行后置参数输入时考虑装配上刀具之后的位置，这样的情况下，由于刀具磨损和重新装刀时不能保证与CAM设定的位置值一样，这样就需要数控系统进行补偿：

设Z_Worth表示设定刀具长度与实际测量刀具长度之差，可以为正数也可以是负数。

则可以通过数控系统进行译码时获取每行轨迹终点轨迹X_Old,Y_Old,Z_Old，绕X轴旋转的A轴坐标值为：α，绕Z轴旋转的C轴坐标值为：β而后进行如下公式换算，X_TempY_TempZ_Temp为中间计算值，进而所得新的加上刀补之后的数值X_New,Y_New,Z_New：

$\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}X\_Temp\\ Y\_Temp\\ Z\_Temp\end{array}\right]=R(Z,\mathrm{\β})\×R(X,\mathrm{\α})\×\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ -Z\_Worth\end{array}\right]\\ =\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\β}& -\sin \mathrm{\β}& 0\\ \sin \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\β}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ \cos \mathrm{\α}& -\sin \mathrm{\α}& 0\\ 0& \sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ -Z\_Worth\end{array}\right]\\ =\left[\begin{array}{c}\sin \mathrm{\β}\×\sin \mathrm{\α}\×Z\_Worth\\ \cos \mathrm{\β}\×\sin \mathrm{\α}\×Z\_Worth\\ \cos \mathrm{\α}\×Z\_Worth\end{array}\right]\end{array}$

即：X_Temp＝sinβ×sinα×Z_Worth,

Y_Temp＝cosβ×sinα×Z_Worth

Z_Temp＝cosα×Z_Worth,

则：

X_New＝X_Temp+X_Old

Y_New＝Y_Temp+Y_Old

Z_New＝Z_Temp+Z_Old

这样数控系统进行内部插补运动控制的时候，则根据换算之后的数值为插补对象进行技术，这样就保障了刀具长度不一致时仍然可以保持轮廓精度，但由于该刀补是适用于模式和两个刀具长度有微差，若两把刀具安装长度差别较大时，建议采取CAM软件输入刀具长度值重新生成加工程序，否则容易产生较大的加工误差。

由于机床的粗精一体化的特殊结构，需要考虑粗精工件经过旋转换位之后，工件的坐标系和坐标原点的变化，基于此需要在前面进行CAM加工程序生成的时候注意粗精加工的坐标系，具体请参阅图6.a和6.b所示的转变前与转变后的示意图：粗加工的X轴变为精加工的X轴，且正方向与原X轴方向相同，但是在设定数控系统坐标系方向的时候则粗精加工两个的X轴方向是相反，粗加工的Y轴变为精加工的Y轴，且正方形与原Y轴方向相同，但是在设定数控系统坐标系方向的时候则粗精加工两个的Y轴方向是相反。

同时设置旋转回转台的旋转中心为粗精加工两个坐标系的机床坐标原点，这样在进行旋转变化之后，粗加工的坐标与精加工的坐标的转换为：

设粗加工的加工原点坐标相对于机床原点的位置为:R_X,R_Y，由于Z轴是摆头式的，在CAM编程里面就进行了设定，这里面就不需要再进行考虑。则旋转之后的精加工的加工原点坐标相对于机床原点的位置为：F_X,F_Y,则由图6.b的图形分析可知：

F_X＝R_X

F_Y＝R_Y。

即在经过回转工作台的旋转之后，数控系统可以根据粗加工的设定的加工原点坐标自动获取精精加工的加工原点的XY坐标，Z轴加工原点则是在CAM编程程序生成时输入实际测量的刀具长度给后置处理，即可不需要再后续重复对刀。

本实施例由具有五轴联运加工能力摆头的三维立体雕刻机进行实际雕刻加工，里面对于机床进行了改变，不再是以前的单纯摆头式的龙门式雕刻机模式，而是保持加工时加工工作台不运动，采用双龙门结构，且整个龙门进行移动并加工，并设计加工工作台为旋转工作台，可以同时进行粗精两部加工，而后通过工作台的旋转进行粗精加工转换。数控系统则根据坐标系转换处理保持刀具位置，不需重复定位，且针对刀具每次装刀有微小误差进行了小刀补修正，可以使得针对同一个加工模型，在刀具出现装到误差的时候可以进行自动修改补偿，进而保持轮廓精度，而又不需要数控系统采用RTCP的控制模式，降低数控系统的运算负担。即针对木雕结构，设计了粗精两个工位的同步加工，将原来的两个机床干的事情变为可由一个机床进行，减少了装卡时间和装卡误差，提升了加工效率。

通过该发明的实施推动，可以使产品具备真正的三维立体感，预估增加产品附加值相比较原有产品销售价格可以增加两倍以上，而产品的生产周期相对于原来手工则可以缩短50％以上。

请参阅图7，为本发明某些实施例三维立体雕刻方法的流程图，可以包括以下步骤：

701、基于待雕刻产品的设计造型生成相应的三维实体模型；

702、根据所述三维实体模型，生成相应的雕刻控制指令；其中，所述雕刻控制指令包括精加工控制指令、粗加工控制指令；

703、根据所述雕刻控制指令控制所述三维立体雕刻机的精加模组、粗加模组对置于回转工作台的所述待雕刻产品进行相应的精加工操作、粗加工操作。

在某些实施例中，雕刻控制指令还包括控制回转工作台旋转的旋转指令，可先进行精加工操作，再进行粗加工操作，703可通过图8所示的实施方式完成：

801、解析所述雕刻控制指令，得到相应的精加工控制指令、粗加工控制指令、旋转指令；

802、根据所述精加工控制指令控制所述三维立体雕刻机的精加模组对置于回转工作台的所述待雕刻产品进行相应的精加工操作；

803、确定精加工操作完成之后，根据所述旋转指令控制所述回转工作台旋转；

804、根据所述粗加工控制指令控制所述三维立体雕刻机的粗加模组对置于旋转后回转工作台的所述待雕刻产品进行相应的粗加工操作。

在某些实施例中，雕刻控制指令还包括控制回转工作台旋转的旋转指令，可先进行粗加工操作，再进行精加工操作，703可通过图9所示的实施方式完成：

901、解析所述雕刻控制指令，得到相应的精加工控制指令、粗加工控制指令、旋转指令；

902、根据所述粗加工控制指令控制所述三维立体雕刻机的粗加模组对置于回转工作台的所述待雕刻产品进行相应的粗加工操作；

903、确定粗加工操作完成之后，根据所述旋转指令控制所述回转工作台旋转；

904、根据所述精加工控制指令控制所述三维立体雕刻机的精加模组对置于旋转后回转工作台的所述待雕刻产品进行相应的精加工操作。

在某些实施例中，雕刻控制指令还包括控制回转工作台旋转的旋转指令，精粗加工操作可同时进行，703可通过图10所示的实施方式完成：

1001、解析所述雕刻控制指令，得到相应的精加工控制指令、粗加工控制指令、旋转指令；

1002、根据所述精加工控制指令、粗加工控制指令控制所述三维立体雕刻机的精加模组、粗加模组对置于回转工作台的所述待雕刻产品进行相应的精加工操作、粗加工操作；

1003、确定精加工及粗加工操作完成之后，根据所述旋转指令控制所述回转工作台旋转；

1004、根据所述粗加工控制指令、精加工控制指令控制所述三维立体雕刻机的粗加模组对置于旋转后回转工作台的所述待雕刻产品进行相应的粗加工操作、精加工操作。

在上述任一可能的实现方式，所述旋转指令用于控制回转工作台旋转180°。在其他实施例中，回转工作台的加工工作台可根据具体情况旋转预定的角度。

通过上述描述可知，本发明实施例设计加工工作台为旋转工作台，可以同时进行粗精两部加工，而后通过工作台的旋转进行粗精加工转换，提高了工作效率，减少了加工成本。通过这样的设计，使得古典加工的艺术造型与现代科技结合，实现了数字化、自动化，不再是以前如此要求制作者的手工技艺，且提升了生产效率，并且可以实现批量生产，从而为一些不是很珍贵的木材造型可以丰富和高雅提供了可能，使得数据的保留具有永久性、保证产品的可重复性以及后续的快速艺术造型创新。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

上述实施例涉及的方法中的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于计算机设备可读取的存储介质中，用于执行上述各实施例方法所述的全部或部分步骤。所述计算机设备，例如：个人计算机、服务器、网络设备、智能移动终端、智能家居设备、穿戴式智能设备、车载智能设备等；所述的存储介质，例如：RAM、ROM、磁碟、磁带、光盘、闪存、U盘、移动硬盘、存储卡、记忆棒、网络服务器存储、网络云存储等。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种三维立体雕刻机，其特征在于，包括：

机床基座、回转工作台、进行精细雕刻加工的精加模组以及进行粗雕刻加工的粗加模组；

所述机床基座设置有固定安装所述回转工作台的安装凹槽以及滑动连接所述精加模组、粗加模组的线性导轨；

所述回转工作台包括依次设置的加工工作台、旋转平台、支撑台以及双交换台机构，所述加工工作台固定于所述旋转平台上，所述支撑台设于所述旋转平台、双交换台机构之间，所述支撑台设有通孔，所述双交换台机构的旋转输出轴穿过所述通孔与所述旋转平台固定连接；

所述精加模组包括第一龙门架、第一主轴以及第一双轴摆头，所述第一龙门架包括第一龙门横梁，所述第一主轴通过第一滑动装置可滑动地固定于所述第一龙门横梁上，所述第一双轴摆头与第一主轴固定连接；

所述粗加模组包括第二龙门架、第二主轴，所述第二龙门架包括第二龙门横梁，所述第二主轴通过第二滑动装置可滑动地固定于所述第二龙门横梁上，所述第二主轴的扭矩大于所述第一主轴的扭矩。

2.根据权利要求1所述的三维立体雕刻机，其特征在于：

所述第一滑动装置包括第一托板以及固定于所述第一托板上的第一驱动模块，所述第一驱动模块包括第一伺服电机、第一减速机，所述第一龙门横梁的水平面上设置有第一齿条，第一龙门横梁的侧面上设置有两条第一线规；

所述第一伺服电机的输出轴与第一减速机的输入轴相连，所述第一减速机的输出轴固定连接有与所述第一齿条匹配的齿轮，所述第一主轴固定于所述第一托板上，所述第一托板通过滑块与所述两条第一线规相连；

所述第二滑动装置包括第二托板以及固定于所述第二托板上的第二驱动模块，所述第二驱动模块包括第二伺服电机、第二减速机，所述第二龙门横梁的水平面上设置有第二齿条，第二龙门横梁的侧面上设置有两条第二线规；

所述第二伺服电机的输出轴与第二减速机的输入轴相连，所述第二减速机的输出轴固定连接有与所述第二齿条匹配的齿轮，所述第二主轴固定于所述第二托板上，所述第二托板通过滑块与所述两条第二线规相连。

3.根据权利要求1所述的三维立体雕刻机，其特征在于：所述第一双轴摆头为具有五轴联动加工能力的摆头。

4.根据权利要求3所述的三维立体雕刻机，其特征在于：所述第一双轴摆头为AC摆头。

5.根据权利要求1所述的三维立体雕刻机，其特征在于：所述第一主轴、第二主轴均为电主轴。

6.一种基于权利要求1-5任一项所述三维立体雕刻机的三维立体雕刻方法，其特征在于，包括：

基于待雕刻产品的设计造型生成相应的三维实体模型；

根据所述三维实体模型，生成相应的雕刻控制指令；其中，所述雕刻控制指令包括精加工控制指令、粗加工控制指令；

根据所述雕刻控制指令控制所述三维立体雕刻机的精加模组、粗加模组对置于回转工作台的所述待雕刻产品进行相应的精加工操作、粗加工操作。

7.根据权利要求6所述的三维立体雕刻方法，其特征在于，所述雕刻控制指令还包括控制回转工作台旋转的旋转指令；

所述根据所述雕刻控制指令控制所述三维立体雕刻机的精加模组、粗加模组对置于回转工作台的所述待雕刻产品进行相应的精加工操作、粗加工操作包括：

解析所述雕刻控制指令，得到相应的精加工控制指令、粗加工控制指令、旋转指令；

根据所述精加工控制指令、粗加工控制指令控制所述三维立体雕刻机的精加模组、粗加模组对置于回转工作台的所述待雕刻产品进行相应的精加工操作、粗加工操作；

确定精加工及粗加工操作完成之后，根据所述旋转指令控制所述回转工作台旋转；

根据所述粗加工控制指令、精加工控制指令控制所述三维立体雕刻机的粗加模组对置于旋转后回转工作台的所述待雕刻产品进行相应的粗加工操作、精加工操作。

8.一种三维立体雕刻系统，其特征在于，包括：

如权利要求1-5任一项所述的三维立体雕刻机；

模型生成子系统，用于基于待雕刻产品的设计造型生成相应的三维实体模型；

控制子系统，用于根据所述三维实体模型，生成相应的雕刻控制指令；其中，所述雕刻控制指令包括精加工控制指令、粗加工控制指令；

所述控制子系统，还用于根据所述雕刻控制指令控制所述三维立体雕刻机的精加模组、粗加模组对置于回转工作台的所述待雕刻产品进行相应的精加工操作、粗加工操作。

9.根据权利要求8所述的三维立体雕刻系统，其特征在于，

所述控制子系统，还用于检测所述三维立体雕刻机的雕刻误差，并在检测到所述雕刻误差的情况下进行补偿；

其中，所述雕刻误差基于所述精加模组、和/或粗加模组的雕刻位置生成。

10.根据权利要求8所述的三维立体雕刻系统，其特征在于，所述雕刻控制指令还包括控制回转工作台旋转的旋转指令；

所述控制子系统，用于：

解析所述雕刻控制指令，得到相应的精加工控制指令、粗加工控制指令、旋转指令；

根据所述精加工控制指令、粗加工控制指令控制所述三维立体雕刻机的精加模组、粗加模组对置于回转工作台的所述待雕刻产品进行相应的精加工操作、粗加工操作；

确定精加工及粗加工操作完成之后，根据所述旋转指令控制所述回转工作台旋转；

根据所述粗加工控制指令、精加工控制指令控制所述三维立体雕刻机的粗加模组对置于旋转后回转工作台的所述待雕刻产品进行相应的粗加工操作、精加工操作。