CN107498715A - 一种具有石材硬度检测功能的高精度自动加工工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有石材硬度检测功能的高精度自动加工工艺，包括有预备加工工序、石材硬度检测工序和生成加工工序。运用本发明的一种具有石材硬度检测功能的高精度自动加工工艺能够针对不同品种甚至同一品种不同类型的石材在加工前进行实际硬度的测量，从而根据该测量值来对应地通过刀库切换刀具然后进行石材的数控加工，提升了加工效率和加工质量，使得刀具能够和石材精确匹配，提升了加工精度。
Description
技术领域
本发明涉及石材加工领域，尤其涉及一种具有石材硬度检测功能的高精度自动加工工艺。
背景技术
随着全球“工业4.0”的持续推进和工业革命的深化，中国制造业转型升级进入一个全新的阶段。“工业4.0”的概念即是以智能制造为主导的第四次工业革命，或革命性的生产方法。该战略旨在通过充分利用信息通讯技术、网络空间虚拟系统与信息物理系统相结合的手段，将制造业向智能化转型，智能化成为中国工业变革的重要呼声，本发明创造也正是基于此背景下应运而生。
石材加工的优劣关键取决于以下几方面：1)石材本身的了解程度，2)加工设备与石材的契合程度，3)加工设备的性能表现；其中，对于石材的了解是最先需要考虑的点，这是因为现有的石材加工大多是根据加工人员的经验积累来指导的，然而石材加工本身是一种资源导向型的工艺，每一种石材都具有其独特的天然属性，因而，对于每种石材的了解才是决定后续加工工艺的基础，在需要对属性复杂的石材进行加工时，甚至需要集中跨学科、跨专业的技术人员相配合进行加工设备的开发及工艺的优化，而不是通过经验即可解决的技术问题。
当前，对各类石材资源、加工设备的研究、加工工艺的优化、加工配套的工具的设备、辅料的搭配等石材加工中主要的技术点均没有学校和科研机构所开设的对应专业来进行研究，而主要依靠该领域的企业自行研究，由于企业中研究资源匮乏且研究方向单一，该研究往往难有建树。
当今世界各国企业广泛采用数控技术来进行石材加工，无论是石材的加工质量还是加工效率均有较大提升。且近几年来随着建筑装修业和石材加工业的发展，用于高档宾馆、广场和家庭的石材台面板的形状越来越复杂，尺寸精度越来越高，对石雕机器人加工性能要求也就越来越高。但天然石材的品种五花八门，按商业用途可分为花岗岩、大理岩、石灰岩、砂岩、板岩以及其他石材。其中，花岗岩材质的特点是质地坚硬致密，强度高，不耐热；大理岩材质的特点是组织细密坚硬，硬度低于花岗岩；石灰岩材质的特点是一般硬度不大，加工性能优良，硬度低较脆；板岩材质的特点是硬度比砂岩好，但低于花岗岩。同时，即使同一品种的石材也有很多不同的系列，比如：花岗岩有红包系列、黄色系列、白色系列、绿色系列、黑色系列和灰色系列等六大系列。大理岩有白色大理岩、灰色大理岩、粉红色大理岩、细粒大理岩、粗粒大理岩、条带状大理岩等。石灰岩可分为硅质石灰岩、粘土质石灰岩和白云质石灰岩三种。
鉴于现有的技术水平，现行的石雕数控设备的加工工艺参数，如加工转速、进刀量、刀具、走刀线路等，都只能固定于针对花岗岩、大理岩、石灰岩、砂岩、板岩等各有一个固定的加工工艺，但由于石材的品种五花八门，同一品种的石材也有很多不同的系列，材质特点各有不同，就算同一批次的石材也有材质特点不一致，硬度不尽相同，用固定的加工工艺去石雕显然不能产生最佳的效果。
发明内容
本发明旨在解决上述所提及的技术问题，提供一种能够在加工石材前检测石材的实际加工硬度并切换刀具的高精度石材自动加工工艺。解决了每批石材或者同一批次不同石材因硬度不完全一致导致影响加工性能及效果的问题。解决了以往是不论什么硬度的石材都固定用一种刀具的问题，现根据不同硬度选用不同的刀具，满足不同硬度石材的加工要求。
本发明是通过以下的技术方案实现的：
一种具有石材硬度检测功能的高精度自动加工工艺，包括有：
a、预备加工工序：石材夹持步骤，夹持固定石材；参数设定步骤，根据石材的品种确定对应该石材的刀具和加工参数；
b、石材硬度检测工序：试加工步骤，用选定的刀具按照设定的加工参数对石材进行试加工；石材硬度检测步骤，加工时通过检测装置检测到刀具对石材的切削参数，把检测到的切削参数与该品种石材的设定切削参数进行对比，然后根据该品种石材的设定硬度得出目前所检测石材的实际硬度；
c、生成加工工序：生成加工步骤，根据石材的实际硬度来选择刀具；加工步骤，由机器人控制刀具按照设定的加工路径进行石材加工。
优选的，加工参数包括刀具的转速和加工时间。
优选的，切削参数包括单位时间内的切削量或者是刀具加工时所受石材给予的作用力。
优选的，石材的实际硬度等于其设定硬度乘以实际切削量与设定切削量之间的比值。
优选的，石材的实际硬度等于其设定硬度乘以实际作用力与设定作用力之间的比值。
优选的，机器人通过旋转刀库进行换刀，刀库上的各刀具对应于不同的硬度区间，刀库通过旋转切换对应硬度区间的刀具来匹配石材的实际硬度。
有益效果是：与现有技术相比，本发明的一种具有石材硬度检测功能的高精度自动加工工艺解决了以往不能对不同硬度石材智能选用不同的加工工艺加工的问题，解决了不同硬度的石材自动选用不同的刀具进行加工的问题，增加了石雕数控加工设备增设刀库的方法，解决了每批石材或者同一批次不同石材因硬度不完全一致导致影响加工性能及效果的问题，且解决了以往是不论什么硬度的石材都固定用一种刀具的问题，现根据不同硬度选用不同的刀具，满足不同硬度石材的加工要求。运用本发明的一种具有石材硬度检测功能的高精度自动加工工艺能够针对不同品种甚至同一品种不同类型的石材在加工前进行实际硬度的测量，从而根据该测量值来对应地通过刀库切换刀具然后进行石材的数控加工，提升了加工效率和加工质量，使得刀具能够和石材精确匹配，提升了加工精度。
附图说明
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明，其中：
图1为整体工艺流程图。
具体实施方式
如图1所示，一种具有石材硬度检测功能的高精度自动加工工艺，包括有：
预备加工工序可以分为石材夹持及参数设定两个步骤；具体为在机器人上通过夹具夹紧石材，目前的石材加工方式对于花岗岩、大理岩、石灰岩、砂岩、板岩等常用石材均有相对统一的加工参数及对应刀具，该加工参数可以包括有刀具的转速、加工时间等，确定了待加工石材的品种后，然后确定对应该品种石材的加工刀具和加工参数。刀具优选为钻刀，加工参数可以是钻刀的转速和切削时间，在对应的钻刀在固定的转速和切削时间的设定下对石材进行钻孔，通过驱动钻刀转动的机床上设置的测孔深的装置来测量出钻孔的深度，其测试方式根据钻刀的进给量来确定的，系统根据该钻刀钻孔的深度来对比存储数据中的标定深度，从而能够对比标定硬度来得出石材的实际硬度；最后根据石材的实际硬度来调出对应该硬度的加工工艺来对石材进行加工，具体可以是根据硬度选择不同的刀具。加工参数还可以是转速和切削量，在固定的转速和切削量下，对比实际切削所需的时间与该刀具对应的设定的时间，然后比较两个时间，通过设定的硬度值来得出实际的石材硬度。
在预备加工工序之后，需要进行待加工石材的特性识别，其识别内容包括有石材硬度检测工序和石材纹理识别工序，该工序分别用于检测待加工石材的实际硬度数据以及待加工面的纹理画面。
其中，石材硬度检测工序：用选定的刀具按照设定的加工参数对石材进行加工，加工时通过检测装置检测到刀具对石材的切削参数，把检测到的切削参数与该品种石材的设定切削参数进行对比，然后根据该品种石材的设定硬度得出目前所检测石材的实际硬度。该切削参数可以是包括单位时间内的切削量或者是刀具加工时所受石材给予的作用力。当切削参数选用单位时间内的切削量作为测量标准时，石材的实际硬度等于其设定硬度乘以实际切削量与设定切削量之间的比值；当切削参数选用刀具加工时所受石材给予的作用力作为测量标准时，石材的实际硬度等于其设定硬度乘以实际作用力与设定作用力之间的比值。另石材硬度是指石材表面抵抗其他物质刻画、磨蚀、切削或压入表面的能力。它与石材的矿物成份、构造、结构有关。石材的硬度与石材的抗压强度有很好的正相关性，同时硬度大的石材耐磨性好，但加工难度也大，对刀具的磨损也越大。岩石的结构构造一般来说，颗粒均匀比不均匀的石材易加工，岩石的解性、晶界和初始裂纹对加工性也是很重要的影响因素。此外，加工刀具以及加工参数可以都随石材实际硬度的变化而变化。
其中，石材纹理识别工序：可以是对石材进行平面加工，加工出平面之后能够显示出石材的纹理，然后用图像识别系统捕捉纹理的画面，将拍摄到的数据传输到系统中，系统中预先储存有若干纹理的基准画面，通过图像识别技术来判断石材实际纹理画面和系统中基准画面之间的相似度，找出相似度最高的基准画面，然后系统会找出相应的已经设定好的加工方案，根据基准画面中的纹理情况来规定石材后续的加工路径及加工方式，从而使得石材能够加工出相应的图案，这样能够尽可能的实现石材的规范加工，加工出来的石材纹理很容易与其他的石材实现拼纹连接或追纹连接。其中系统中基准画面的设定和画面识别技术的相似度对比均可以通过通用的算法及系统来实现。
石材纹理识别工序：也可以是通过图像识别系统捕捉石材待加工表面的纹理画面，并分析画面中的纹理分布情况。图像识别系统可以是通过设置在机器人上的摄像机来捕捉石材待加工表面的纹理画面。针对形状较复杂的石材，在机器人夹持之后，石材可能是复杂多面体，其待加工表面包括若干相互倾斜的平面，利用单一摄像机可能难以捕捉到待加工表面的详细纹理画面，可以在机器人上设置至少两台环绕石材的摄像机，该摄像机随机器人运动。
考虑到针对不同加工需求的石材，分析纹理画面的原理也可能不同。针对石材的雕刻加工，需要尽可能的保留能够首尾相连的纹路，即为本领域所称的追纹。追纹是许多的石材有一定的纹路走向，加工时如利用好石材这种富于变幻的特点，让前、后、左、右或上、下、左、右的纹路首尾相连，则能创造出极富美感的天然图案。这种图案可以像变幻莫测的云彩，也可像奔腾的原野或山河，这抽象的天然图案全凭欣赏者的想象去感悟，从观赏中可以领略大自然给我们带来美的享受。石材追纹加工方法不仅仅适用于明纹纹路的石材中，对存在色差的石材在加工时也采用这种方法，以确保板材在安装时始终保持原来的自然风格。
针对追纹标准的需求，摄像机捕捉加工前的待加工表面上纹理线路分布情况的基准画面，然后模拟刀具的加工路径，刀具加工的路径可以是按照避开存在纹理线路连接的区域的标准来规划，也可以是按照围绕存在纹理线路连接的区域的标准来规划，其目的是为了尽量保存石材上纹理相连的部分，便于后续裁切时能够形成拼纹的效果，增加石材成型后的关赏性。
考虑到石材上可能会出现纹理密布的情况，这时纹理画面上对应纹理的纹路线条较多且较密，纹理覆盖的范围也较广，在规划刀具切割或雕刻路径是难以找到一条避开首尾相连纹理的路径，此时对于纹理画面的分析方法可以是把基准画面分为若干个区域，该分区方法可以是针对一个摄像机所拍摄的画面进行，也可以是对多个摄像机所拍摄的画面进行，分区的方式也可以是按照网格分区或三角分区等；分区完成后，可以分析出每个区域中首尾相连纹理的数量，然后在该数量较少的区域中形成连续的路径规划刀具的加工路径，该区域可以尽量小，这样能够使得区域之间的数量差距更大。
具体为在区域设定较密，区域内存在有较多没有纹理线路的情况，则生成加工步骤包括把纹理画面分为若干个区域，通过识别每个区域内的纹理线路的数量，选择不包括有纹理线路的区域组成一条连续的路径而形成加工路径。
区域设定较松，区域内很少存在没有纹理线路的情况，大部分区域内均有纹理线路，此时，则生成加工步骤包括把纹理画面分为若干个区域，通过识别每个区域内的纹理线路的数量，按照算法规划计算出连续地、路径上各区域所包括的纹理线路数量最少的路径。
该计算方法可以采用解决组合优化问题的算法来实现，具体可为对区域内少于设定数量的纹理线路的区域进行统计，该区域数量决定了区域组合的数量，可以按照三维坐标系或者二维坐标系来决定待加工表面上各个区域的位置，种群数量的框架函数即为在该坐标系内串联种群数量内的区域从而形成一条连续的线路，每个区域对应一个坐标值，判断线路是否连续的方式可以是相邻两点组成线路是否可导即可判断该线路是否连续，通过这种方式能够把区域自由组合行程的若干线路中排除掉不连续的线路；每个区域对应一个纹理线路的数量值，在区域的排列组合而形成的若干种组合方式排出了不连续的情况后，对比每种组合方式其中的纹理线路数量值之和为最小的最优解即为最优的加工线路。根据每个区域所测的纹理线路的数量，来自动规划出能够有效避开或者尽量避开纹理分布较密的区域的路径。
在对待加工石材的特性识别完成后，确定了石材的实际硬度和针对待加工表面的加工路径，然后进行生成加工工序：根据石材的实际硬度来选择刀具，根据实际纹理画面和设定的纹理画面之间的相似度或纹理线路之间的分布情况来确定加工路径，在机器人上对加工路径对应的空间参数进行自动编程，自动生成机器人上各移动及转动轴的运动方式，由机器人控制刀具按照确定的加工路径进行石材加工。
机器人可以是通过旋转刀库进行换刀，刀库上的各刀具对应于不同的硬度区间，刀库通过旋转切换对应硬度区间的刀具来匹配石材的实际硬度。机器人可以是工业六轴机械手。
本发明解决了以往不能对不同硬度石材智能选用不同的加工工艺加工的问题。本发明能智能自动识别石材的纹理进行灵活加工。本发明解决了不同硬度的石材自动选用不同的刀具进行加工。本发明增加了石雕数控加工设备增设刀库的方法。解决了每批石材或者同一批次不同石材因硬度不完全一致导致影响加工性能及效果。解决了以往是不论什么硬度的石材都固定用一种刀具，现根据不同硬度选用不同的刀具，满足不同硬度石材的加工要求。
以上实施例不局限于该实施例自身的技术方案，实施例之间可以相互结合成新的实施例。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的范围内。
Claims (6)
1.一种具有石材硬度检测功能的高精度自动加工工艺，其特征在于，包括有：
a、预备加工工序：石材夹持步骤，夹持固定石材；参数设定步骤，根据石材的品种确定对应该石材的刀具和加工参数；
b、石材硬度检测工序：试加工步骤，用选定的刀具按照设定的加工参数对石材进行试加工；石材硬度检测步骤，加工时通过检测装置检测到刀具对石材的切削参数，把检测到的切削参数与该品种石材的设定切削参数进行对比，然后根据该品种石材的设定硬度得出目前所检测石材的实际硬度；
c、生成加工工序：生成加工步骤，根据石材的实际硬度来选择刀具；加工步骤，由机器人控制刀具按照设定的加工路径进行石材加工。
2.根据权利要求1所述的一种具有石材硬度检测功能的高精度自动加工工艺，其特征在于，所述加工参数包括刀具的转速和加工时间。
3.根据权利要求1所述的一种具有石材硬度检测功能的高精度自动加工工艺，其特征在于，所述切削参数包括单位时间内的切削量或者是刀具加工时所受石材给予的作用力。
4.根据权利要求3所述的一种具有石材硬度检测功能的高精度自动加工工艺，其特征在于，所述石材的实际硬度等于其设定硬度乘以实际切削量与设定切削量之间的比值。
5.根据权利要求3所述的一种具有石材硬度检测功能的高精度自动加工工艺，其特征在于，所述石材的实际硬度等于其设定硬度乘以实际作用力与设定作用力之间的比值。
6.根据权利要求1所述的一种具有石材硬度检测功能的高精度自动加工工艺，其特征在于，所述机器人通过旋转刀库进行换刀，刀库上的各刀具对应于不同的硬度区间，刀库通过旋转切换对应硬度区间的刀具来匹配石材的实际硬度。
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| CN112644211A (zh) * | 2020-12-23 | 2021-04-13 | 江苏园上园智能科技有限公司 | 基于硬度检测的自动雕刻控制系统及控制方法 |
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