CN107253413A - 一种模仿人手雕刻动作的机器人雕刻系统 - Google Patents
一种模仿人手雕刻动作的机器人雕刻系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种模仿人手雕刻动作的机器人雕刻系统，包括雕刻刀具、雕刻刀位姿综合测量模块、安装机架、机器人系统、高速电主轴系统、数据接收处理模块、PLC控制模块和工件摆放平台。根据本发明所述的模仿人手雕刻动作的机器人雕刻系统，能够精确再现工艺师的艺术作品，并实现柔性批量化生产。不仅可以降低工艺师的劳动强度，提高效率，降低成本，还能实现柔性化、批量化生产高水平艺术品。
Description
技术领域
本发明涉及一种模仿人手雕刻动作的机器人雕刻系统，属于机器人领域。
背景技术
雕刻加工作为传统的手工工艺,在艺术品、标牌、首饰等行业具有悠久的历史。但传统的雕刻加工一般都是手工工艺,存在很多不足，例如劳动强度大、生产效率低、加工周期长、制作精度差、总体成本高、不能批量生产、受到操作者的主观因素影响等。
随着市场需求和科技进步雕刻加工向自动化方向发展，目前的雕刻系统主要分为两种，一种是激光式雕刻系统,它采用激光作为加工工具进行雕刻加工，对加工材料有一定的限制,它无法加工石材等材料。另一种为机械式雕刻系统,它采用传统的切削式加工方法进行雕刻加工，可加工软到橡胶硬到石材等各种材料。
无论是机械激光雕刻还是机械雕刻，虽然产品一直性较好，但是产品质量严重依赖控制程序，难以实现柔性化生产；相比传统手工雕刻，雕刻位姿单一，表现力不足，产品艺术水准低。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的需求，提出一种模仿人手雕刻动作的机器人雕刻系统，能够精确再现工艺师的艺术作品，并实现柔性批量化生产。不仅可以降低工艺师的劳动强度，提高效率，降低成本，还能实现柔性化、批量化生产高水平艺术品。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种模仿人手雕刻动作的机器人雕刻系统，包括：雕刻刀具、雕刻刀位姿综合测量模块、安装机架、机器人系统、高速电主轴系统、数据接收处理模块、PLC控制模块和工件摆放平台。
进一步的，机器人系统由机器人、机器人控制箱组成。
进一步的，高速电主轴系统由高速电主轴、高速电主轴连接件、磨头、空压机、冷水机组成；
进一步的，测量刀尖坐标是通过坐标转化的方法实现的，具体为：
将测量模块自身所带的坐标系作为雕刻刀的局部坐标系，记为(x’,y’,z’)，坐标原点记为O’，雕刻刀尖和测量模块固连，刀尖坐标D表示为(0,0，d)；测量开始时，系统上电，手工雕刻件的工件坐标系O1(x，y，z)与雕刻刀局部坐标系重合，通过测量模块，可以测得刀具局部坐标系相对工件坐标系的姿态角，以及局部坐标系的原点相对工件坐标系的坐标值；设刀具在工件坐标系下的位置坐标为(x0，y0，z0)，以欧拉角表示姿态角为(α，β，γ)，其中，刀具坐标绕着工件坐标系的x轴，y轴和z轴的旋转角度分别为：(α，β，γ)刀具坐标系到工件坐标系的旋转矩阵Rx、Ry和Rz分别为：
则总的旋转矩阵R为：
得到刀具坐标系和工件坐标系的转化关系为：
刀尖D在工件坐标系O1的坐标(xD,yD,zD)为：
则，(xD,yD,zD)表示为雕刻刀尖D在工件坐标系下的位置坐标；(α，β，γ)表示雕刻刀在工件坐标系下的姿态坐标；
由于工件坐标O1是在手工雕刻件H上建立的，将机器人自动雕刻的工件M上建立工件坐标系O2；其中，工件坐标系O2相对机器人自动雕刻的工件M的相对位子和坐标O1相同；从而直接利用刀尖D的六自由度坐标直接控制机器人刀具，对工件M进行雕刻，最终实现机械人雕刻动作对人手动作的复现和随动。
本发明还提供一种机器人雕刻系统的控制方法，所述机器人雕刻系统为上述机器人雕刻系统，所述控制方法包括以下步骤：
步骤一：接通电源，按下系统各空开，机器人进入连续运行模式；
步骤二：按下“自锁型”按钮，机器人运动开始，并准备接受数据处理模块发送的数据；
步骤三：PLC将雕刻刀具的位姿数据传给机器人控制器：
步骤四：控制器调用相应道具及加工程序，对工件进行加工：
步骤五：机器人根据控制器指令，持续运行，等待停止信号；
步骤六：抬起停止按钮，机器人回到远点，可开门更换零件。
附图说明
图1为本发明的模仿人手雕刻动作的机器人雕刻系统示意图。
图2为本发明的雕刻刀具示意图。
图3为本发明的控制程序流程图。
(注意：附图中的所示结构只是为了说明本发明特征的示意，并非是要依据附图所示结构。)
具体实施方式
如图1所示，根据本发明所述的模仿人手雕刻动作的机器人雕刻系统，包括：雕刻刀具1、雕刻刀位姿综合测量模块2、安装机架3、机器人系统、高速电主轴系统、数据接收处理模块、PLC控制模块和工件摆放平台7。
其中，安装机架3具有平面结构，其工作面上设置机器人系统和工件摆放平台7。
其中，机器人系统由机器人4、机器人控制箱组成。
高速电主轴系统由高速电主轴5、高速电主轴连接件6、磨头、空压机、冷水机组成。其中，高速电主轴5通过高速电主轴连接件6与机器人末端相连，磨头安装在高速电主轴5末端。空压机通过风管与高速电主轴5相连。冷水机通过软管与高速电主轴5相连。
如图2所示，雕刻刀位姿综合测量模块2位于雕刻刀具1尾部，用于测量雕刻刀具1的位置和姿态，并将数据传送至数据接收处理模块，通过数据处理，得到雕刻刀具加工刀刃尖点的位姿六自由度坐标。
测量刀尖坐标是通过坐标转化的方法实现的，具体为：
将测量模块自身所带的坐标系作为雕刻刀的局部坐标系，记为(x’,y’,z’)，坐标原点记为O’。因为雕刻刀尖和测量模块固连，所以刀尖坐标D可以表示为(0,0，d)。测量开始时，系统上电，手工雕刻件的工件坐标系O1(x，y，z)(坐标原点记为O1)与雕刻刀局部坐标系重合。通过测量模块，可以测得，刀具局部坐标系相对工件坐标系的姿态角，及局部坐标系的原点相对工件坐标系的坐标值。设刀具在工件坐标系下的位置坐标为(x0，y0，z0)，以欧拉角表示姿态角为(α，β，γ)，含义为：刀具坐标绕着工件坐标系的x轴，y轴和z轴的旋转角度分别为：(α，β，γ)。则刀具坐标系到工件坐标系的旋转矩阵Rx、Ry和Rz分别为：
则总的旋转矩阵R为：
据此可知，刀具坐标系和工件坐标系的转化关系为：
所以，刀尖D在工件坐标系O1的坐标(xD,yD,zD)为：
则，(xD,yD,zD)表示为雕刻刀尖D在工件坐标系下的位置坐标；Yα|β|γY表示雕刻刀在工件坐标系下的姿态坐标。
此时，工件坐标O1是在手工雕刻件H上建立的。将机器人自动雕刻的工件M上建立工件坐标系O2。其中，工件坐标系O2相对机器人自动雕刻的工件M的相对位子和坐标O1相同。这样，可以直接利用刀尖D的六自由度坐标直接控制机器人刀具，对工件M进行雕刻，最终实现机械人雕刻动作对人手动作的复现和随动。
通过PLC控制模块将刀刃尖点的位姿信息传入到机器人系统中，机器人根据接收到的位姿信息，调用机器人系统中相应的程序对工件进行雕刻。如图3所示，本发明的控制程序包括以下步骤：
步骤一：接通电源，按下系统各空开，机器人进入连续运行模式；
步骤二：按下“自锁型”按钮，机器人运动开始，并准备接受数据处理模块发送的数据；
步骤三：PLC将雕刻刀具的位姿数据传给机器人控制器：
步骤四：控制器调用相应道具及加工程序，对工件进行加工：
步骤五：机器人根据控制器指令，持续运行，等待停止信号；
步骤六：抬起停止按钮，机器人回到远点，可开门更换零件。
以上描述，为根据发明所述的模仿人手雕刻动作的机器人雕刻系统，通过以上描述可知，根据发明所述的模仿人手雕刻动作的机器人雕刻系统，具有以下特点：
(1)相对于人工雕刻，劳动强度小、生产效率高、加工周期短、制作精度高、总体成本低、易于批量生产。
(2)相比于自动雕刻，加工方式多，产品表现力强，艺术水准高，满足高端市场的审美需求，易于柔性化生产。
(3)包括具有位置测量功能的一套雕刻刀具，测量及处理雕刻刀六自由度数据的方法，并通过测得的数据对机器人进行控制，实现机器人对人手雕刻动作的复现、随动及优化；最终实现高效搞艺术水准的雕刻。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种模仿人手雕刻动作的机器人雕刻系统，包括：雕刻刀具(1)、雕刻刀位姿综合测量模块(2)、安装机架(3)、机器人系统、高速电主轴系统、数据接收处理模块、PLC控制模块和工件摆放平台(7)；
其特征在于：
机器人系统由机器人(4)、机器人控制箱组成；
高速电主轴系统由高速电主轴(5)、高速电主轴连接件(6)、磨头、空压机、冷水机组成；
测量刀尖坐标是通过坐标转化的方法实现的，具体为：
将测量模块自身所带的坐标系作为雕刻刀的局部坐标系，记为(x’,y’,z’)，坐标原点记为O’，雕刻刀尖和测量模块固连，刀尖坐标D表示为(0,0，d)；测量开始时，系统上电，手工雕刻件的工件坐标系O1(x，y，z)与雕刻刀局部坐标系重合，通过测量模块，测得刀具局部坐标系相对工件坐标系的姿态角，以及局部坐标系的原点相对工件坐标系的坐标值；设刀具在工件坐标系下的位置坐标为(x0，y0，z0)，以欧拉角表示姿态角为(α，β，γ)，其中，刀具坐标绕着工件坐标系的x轴，y轴和z轴的旋转角度分别为：α，β，γ，刀具坐标系到工件坐标系的旋转矩阵Rx、Ry和Rz分别为：
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则，(xD,yD,zD)表示为雕刻刀尖D在工件坐标系下的位置坐标；(α，β，γ)表示雕刻刀在工件坐标系下的姿态坐标；
由于工件坐标O1是在手工雕刻件H上建立的，将机器人自动雕刻的工件M上建立工件坐标系O2；其中，工件坐标系O2相对机器人自动雕刻的工件M的相对位子和坐标O1相同；从而直接利用刀尖D的六自由度坐标直接控制机器人刀具，对工件M进行雕刻，最终实现机械人雕刻动作对人手动作的复现和随动。
2.根据权利要求1所述的模仿人手雕刻动作的机器人雕刻系统，其特征在于：
雕刻刀位姿综合测量模块(2)位于雕刻刀具(1)尾部，用于测量雕刻刀具(1)的位置和姿态，并将数据传送至数据接收处理模块，通过数据处理，得到雕刻刀具(1)加工刀刃尖点的位姿六自由度坐标。
3.根据权利要求2所述的模仿人手雕刻动作的机器人雕刻系统，其特征在于：
高速电主轴(5)通过高速电主轴连接件(6)与机器人末端相连，磨头安装在高速电主轴(5)末端，空压机通过风管与高速电主轴(5)相连，冷水机通过软管与高速电主轴(5)相连。
4.一种机器人雕刻系统的控制方法，所述机器人雕刻系统为权利要求1-3任一项所述的机器人雕刻系统，其特征在于：
所述控制方法包括以下步骤：
步骤一：接通电源，按下系统各空开，机器人进入连续运行模式；
步骤二：按下“自锁型”按钮，机器人运动开始，并准备接受数据处理模块发送的数据；
步骤三：PLC将雕刻刀具的位姿数据传给机器人控制器：
步骤四：控制器调用相应道具及加工程序，对工件进行加工：
步骤五：机器人根据控制器指令，持续运行，等待停止信号；
步骤六：抬起停止按钮，机器人回到远点，可开门更换零件。
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