CN108544880A - 一种机器人雕刻加工立体异型石材的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机器人雕刻加工立体异型石材的方法及系统，利用六轴串联机器人配合可旋转工作台，结合相应的CAD、CAM和CNC软件来实现对立体异型石材的雕刻加工，可以实现对大型石雕的加工，大大拓宽了可加工模型范围；在加工过程中结合锯切、粗加工、半精加工和精加工多种加工方式，不同的加工过程选用不同刀具和工艺参数，在保证最终加工质量的同时又提高了加工效率，有利于全自动化石材雕刻技术的推广和应用，对整个石雕行业的发展具有重要意义。

Description

一种机器人雕刻加工立体异型石材的方法及系统

技术领域

本发明涉及石材数控加工领域，尤其涉及一种机器人雕刻加工立体异型石材的方法及系统。

背景技术

石雕作为一门艺术，是石材与雕刻艺术的完美结合，具有悠久的历史。石雕的发展记录了世界文明的发展，展现了精湛的民间技艺，是一种历史文化的传承。此外，石雕还具有很高的经济价值，加工完成的石雕艺术品与原石相比其价值可能会有百倍甚至千倍的提升。近年来随着生活水平的提高，石材制品越来越多地被用于园林及建筑装饰行业，人们对石雕制品的需求出现前所未有的增长，市场对异型石材制品的种类、形状和精度的要求也越来越高。

石雕的加工方式大致可以分为三种：全手工雕刻、半自动化雕刻以及全自动化雕刻。全手工雕刻的加工方法所需劳动强度大、加工效率低。目前大多数石材雕刻企业采用全手工加工配合半自动化加工，在保证加工质量的基础上大幅度节省了人力劳动，提高了加工效率，但仍存在时间长、质量不稳定及危害加工人员身体健康等问题。近年来，传统的石雕加工方法面临诸多困境，整个石雕行业出现雕刻人员紧张的现象。随着制造技术不断升级，越来越多的企业开始尝试全自动雕刻方法。

市场上的全自动化雕刻设备主要有石材雕刻机、石材加工中心和石材加工机器人三类。石材雕刻机和石材加工中心的灵活度较低，加工过程受自由度和工作空间的限制，造成可加工模型范围小，且其加工过程中易产生较大的径向力，易增大刀具磨损。近年来越来越多的工业机器人投入到石材加工领域，可以实现对石材进行雕刻、锯切、铣削和搬运等操作。相对以上两种设备，石材加工机器人具有较高的自由度数，可以在三维空间内实现位置和姿态的任意转换，大大拓宽了其加工范围。但是目前机器人在石材雕刻中的应用也仅处于初级阶段，在实现高效高质量加工，及加工过程根据加工要求换刀等方面还存在一些问题。如果可以结合数控软件，在加工过中程根据加工要求选取不同的刀具和工艺，实现机器人的完全自动化雕刻，可以大大提高雕刻的效率和质量，促进整个石雕行业的发展。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种机器人雕刻加工立体异型石材的方法及系统，本发明利用串联机器人来加工，大大拓宽了可加工模型范围，且其加工过程根据加工要求更换不同的刀具，在保证最终加工质量的同时又提高了加工效率，有利于全自动化石材雕刻技术的推广和应用，对整个石雕行业的发展具有重要意义。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一方面，本发明提供一种机器人雕刻加工立体异型石材的方法，包括：

采集原料石材和待加工工件的三维模型，并将原料石材三维模型和待加工工件三维模型发送至三维建模软件；

所述三维建模软件建立原料石材三维模型和待加工工件三维模型相结合的组合三维模型，并将所述组合三维模型发送至CAM前置处理软件；

根据所述组合三维模型及实际加工要求，所述CAM前置处理软件生成刀具轨迹，并根据所述刀具轨迹导出刀位源文件发送至CAM后置处理软件；

根据所述刀位源文件，所述CAM后置处理软件调整机器人的姿态，进行离线加工仿真，生成适用于机器人加工的轨迹代码；并发送所述轨迹代码至机器人控制器的CNC软件；所述机器人为六轴串联机器人；

根据所述轨迹代码，所述CNC软件控制机器人进行雕刻加工。

优选的，所述CAM前置处理软件生成刀具轨迹，并根据所述刀具轨迹导出刀位源文件发送至CAM后置处理软件，包括：

锯切加工，定义毛坯，通过锯切加工方式切除大块材料，生成第一刀具轨迹；

粗加工，根据工件的大小选择合适的电镀金刚石磨轮进行粗加工，快速去除大量材料，加工出模型的大致形状，生成第二刀具轨迹；

半精加工，在粗加工基础上，利用硬质合金球头铣刀对粗加工未加工到的区域进一步加工，去除粗加工留下的误差，完成次要表面的加工，生成第三刀具轨迹；

精加工，在半精加工的基础上，利用硬质合金球头铣刀，采用五轴的加工方式，对整个模型进行一次精加工，提高工件的表面质量，完成加工，生成第四刀具轨迹；

结合生成的第一刀具轨迹、第二刀具轨迹、第三刀具轨迹和第四刀具轨迹，导出刀位源文件发送至CAM后置处理软件。

优选的，所述调整机器人的姿态之前还包括：设置机器人型号参数和加工环境参数；所述加工环境参数包括工件在机器人坐标系中的坐标、刀具库在机器人坐标系的坐标、测刀仪在机器人坐标系的坐标、电主轴与刀具参数及加工环境边界与障碍物的信息。

优选的，所述调整机器人的姿态，包括：

根据机器人从设置的原始位置HOME点到达工件加工表面的过程，插入若干个点，调整每个点机器人关节姿态，使得机器人到达工件表面时处于最佳的姿态。

优选的，所述三维建模软件为Rhino。

优选的，所述CAM前置处理软件为SUM 3D；所述CAM后置处理软件为ROBMOVE；所述CNC软件为QD HMI。

另一方面，本发明提供一种机器人雕刻加工立体异型石材的系统，包括：数据采集系统、数据处理系统、控制系统和加工系统；其中：

所述数据采集系统与所述数据处理系统相连，用于采集原料石材和待加工工件的三维模型，并将原料石材三维模型和待加工工件三维模型发送至所述数据处理系统；

所述数据处理系统与所述控制系统相连，将接收到的原料石材三维模型和待加工工件三维模型相结合建立组合三维模型；根据所述组合三维模型及实际加工要求，生成刀具轨迹，并根据所述刀具轨迹生成刀位源文件；根据所述刀位源文件，调整机器人的姿态，进行离线加工仿真，生成适用于机器人加工的轨迹代码；并发送所述轨迹代码至控制系统；其中；所述机器人为六轴串联机器人；

所述控制系统与所述加工系统相连，用于根据所述轨迹代码，控制所述加工系统进行雕刻加工；

所述加工系统包括机器人；

所述数据采集系统包括三维扫描仪。

优选的，所述生成刀具轨迹，并根据所述刀具轨迹生成刀位源文件，包括：

锯切加工，定义毛坯，通过锯切加工方式切除大块材料，生成第一刀具轨迹；

粗加工，根据工件的大小选择合适的电镀金刚石磨轮进行粗加工，快速去除大量材料，加工出模型的大致形状，生成第二刀具轨迹；

半精加工，在粗加工基础上，利用硬质合金球头铣刀对粗加工未加工到的区域进一步加工，去除粗加工留下的误差，完成次要表面的加工，生成第三刀具轨迹；

精加工，在半精加工的基础上，利用硬质合金球头铣刀，采用五轴的加工方式，对整个模型进行一次精加工，提高工件的表面质量，完成加工，生成第四刀具轨迹；

结合生成的第一刀具轨迹、第二刀具轨迹、第三刀具轨迹和第四刀具轨迹，生成刀位源文件。

优选的，所述调整机器人的姿态之前还包括：设置机器人型号参数和加工环境参数；所述加工环境参数包括工件在机器人坐标系中的坐标、刀具库在机器人坐标系的坐标、测刀仪在机器人坐标系的坐标、电主轴与刀具参数及加工环境边界与障碍物的信息。

优选的，所述调整机器人的姿态，包括：

根据机器人从设置的原始位置HOME点到达工件加工表面的过程，插入若干个点，调整每个点机器人关节姿态，使得机器人到达工件表面时处于最佳的姿态。

本发明的有益效果如下：

本发明一种机器人雕刻加工立体异型石材的方法及系统，利用六轴串联机器人配合可旋转工作台，结合相应的CAD、CAM和CNC软件来实现对立体异型石材的雕刻加工，可以实现对大型石雕的加工，大大拓宽了可加工模型范围；在加工过程中结合锯切、粗加工、半精加工和精加工多种加工方式，不同的加工过程选用不同刀具和工艺参数，在保证最终加工质量的同时又提高了加工效率，有利于全自动化石材雕刻技术的推广和应用，对整个石雕行业的发展具有重要意义。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的一种机器人雕刻加工立体异型石材的方法及系统不局限于实施例。

附图说明

图1为本发明实施例的方法流程图；

图2为本发明实施例的机器人加工示意图；

图3为本发明实施例的机器人加工流程图；

图4为本发明实施例的系统结构框图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

参见图1所示，本发明一种机器人雕刻加工立体异型石材的方法，包括：

S101，采集原料石材和待加工工件的三维模型，并将原料石材三维模型和待加工工件三维模型发送至三维建模软件；

S102，所述三维建模软件建立原料石材三维模型和待加工工件三维模型相结合的组合三维模型，并将所述组合三维模型发送至CAM前置处理软件；

S103，根据所述组合三维模型及实际加工要求，所述CAM前置处理软件生成刀具轨迹，并根据所述刀具轨迹导出刀位源文件发送至CAM后置处理软件；

S104，根据所述刀位源文件，所述CAM后置处理软件调整机器人的姿态，进行离线加工仿真，生成适用于机器人加工的轨迹代码；并发送所述轨迹代码至机器人控制器的CNC软件；所述机器人为六轴串联机器人；

S105，根据所述轨迹代码，所述CNC软件控制机器人进行雕刻加工。

参见图2至图3所示，本发明实施例以狗的雕刻为例，对本发明进行进一步的解释说明。

一种机器人雕刻加工立体异型石材的方法：

a、原料准备，根据实际加工需要，选择质地优良，无裂缝，尺寸大小合适，适用于雕刻加工的石材，利用三维扫描仪扫描原料石材。本实施例中，综合考虑石材的可加工性和对实际加工效果的要求，原料选择质地优良的汉白玉，利用三维扫描仪扫描获得其原料毛坯三维模型。

b、模型设计，综合考虑用户的需求和加工成本，通过三维扫描仪扫描已有实物、网络模型下载或者设计师原创设计等方式来获得三维模型。本实施例中，根据用户的需求，直接从网上获取合适的狗的加工工件三维模型。

c、三维建模，将a中的原料毛坯三维模型和b中的待加工工件三维模型导入三维建模软件Rhino，然后将待加工的工件三维模型放进原料毛坯三维模型中，形成新的毛坯+工件的组合三维模型，用于后面的编程加工。

d、利用CAM前置处理软件生成刀位源文件，将步骤c中的毛坯和工件三维模型导入CAM前置处理软件SUM 3D，根据实际加工要求，在SUM3D中进行毛坯的定义、刀具的选择、加工策略的选择和加工参数的设置来生成刀具轨迹，生成刀位源文件。具体步骤为：第一步，锯切加工，定义毛坯，通过锯切加工方式切除大块材料，留下接近狗模型大小的工件，生成对应刀具轨迹。第二步，粗加工，利用直径50mm的电镀金刚石磨轮分别从左右两侧进行粗加工，去除大量材料，生成对应刀具轨迹。第三步，半精加工，在粗加工基础上，利用半径4mm的硬质合金球头铣刀，分别从工件左右两侧进行半精加工，由于狗属于镂空件，因此还需要从不同角度对镂空的地方多次掏空，加工出模型大致形状，生成对应刀具轨迹。第四步，精加工，利用半径4mm的硬质合金球头铣刀对整个模型进行一次精加工，提高工件的表面质量，完成整个加工过程的编程，生成对应刀具轨迹，导出ncl格式的刀位源文件。

e、利用CAM后置处理软件生成适用于机器人加工的程序，首先需要在CAM后置处理软件ROBMOVE中设置机器人的型号参数，以及加工环境参数，如：工件在机器人坐标系中的坐标、刀具库在机器人坐标系的坐标、测刀仪在机器人坐标系的坐标、电主轴与刀具参数和加工环境边界与障碍物的信息等；接着将步骤d中生成的ncl格式刀位源文件导入CAM后置处理软件ROBMOVE。在ROBMOVE中调整机器人的姿态，具体方法为根据机器人从设置的原始位置HOME点到达工件加工表面的过程，插入若干个点，调整每个点机器人关节姿态，使得机器人在到达工件表面时处于最佳的姿态开始加工。然后进行离线加工仿真，确保整个加工过程中不会出现碰撞、干涩、姿态奇异等危险，最后生成上位机CNC软件识别的qdsrc格式轨迹代码并导出保存，用于后面机器人的加工。

f、将生成的qdsrc格式轨迹代码导入机器人用于加工，利用移动存储设备或网络传输等方式将e步骤生成的qdsrc格式轨迹代码直接导入到上位机的CNC软件QD HMI中进行加工。需要说明的是，在整个加工过程中需利用水作为冷却液来降温除尘，完成加工。

进一步的，机器人利用生成的qdsrc格式轨迹代码进行加工之前(即锯切加工之前)还包括：工件的装夹，利用夹具从四边夹紧工件，把工件固定在加工平台上，避免加工过程工件松动，影响加工精度。

进一步的，机器人利用生成的qdsrc格式轨迹代码进行加工之后(即精加工之后)还包括：用于加工拆卸夹具，取下加工完的狗备用，并对工作台和机器人进行彻底清洗。

参见图4所示，本发明实施例还提供一种机器人雕刻加工立体异型石材的系统，包括：数据采集系统401、数据处理系统402、控制系统403和加工系统404；其中：

所述数据采集系统401与所述数据处理系统402相连，用于采集原料石材和待加工工件的三维模型，并将原料石材三维模型和待加工工件三维模型发送至所述数据处理系统402；

所述数据处理系统402与所述控制系统403相连，将接收到的原料石材三维模型和待加工工件三维模型相结合建立组合三维模型；根据所述组合三维模型及实际加工要求，生成刀具轨迹，并根据所述刀具轨迹生成刀位源文件；根据所述刀位源文件，调整机器人的姿态，进行离线加工仿真，生成适用于机器人加工的轨迹代码；并发送所述轨迹代码至控制系统403；其中；所述机器人为六轴串联机器人；

所述控制系统403与所述加工系统404相连，用于根据所述轨迹代码，控制所述加工系统404进行雕刻加工；

所述加工系统404包括机器人；所述机器人为六轴串联机器人，其型号为KUKA KR240R2900 F ultra；

所述数据采集系统401包括三维扫描仪。

以上仅为本发明实例中一个较佳的实施方案。但是，本发明并不限于上述实施方案，凡按本发明所做的任何均等变化和修饰，所产生的功能作用未超出本方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种机器人雕刻加工立体异型石材的方法，其特征在于，包括：

采集原料石材和待加工工件的三维模型，并将原料石材三维模型和待加工工件三维模型发送至三维建模软件；

所述三维建模软件建立原料石材三维模型和待加工工件三维模型相结合的组合三维模型，并将所述组合三维模型发送至CAM前置处理软件；

根据所述组合三维模型及实际加工要求，所述CAM前置处理软件生成刀具轨迹，并根据所述刀具轨迹导出刀位源文件发送至CAM后置处理软件；

根据所述刀位源文件，所述CAM后置处理软件调整机器人的姿态，进行离线加工仿真，生成适用于机器人加工的轨迹代码；并发送所述轨迹代码至机器人控制器的CNC软件；所述机器人为六轴串联机器人；

根据所述轨迹代码，所述CNC软件控制机器人进行雕刻加工。

2.根据权利要求1所述的机器人雕刻加工立体异型石材的方法，其特征在于，所述CAM前置处理软件生成刀具轨迹，并根据所述刀具轨迹导出刀位源文件发送至CAM后置处理软件，包括：

锯切加工，定义毛坯，通过锯切加工方式切除大块材料，生成第一刀具轨迹；

粗加工，根据工件的大小选择合适的电镀金刚石磨轮进行粗加工，快速去除大量材料，加工出模型的大致形状，生成第二刀具轨迹；

半精加工，在粗加工基础上，利用硬质合金球头铣刀对粗加工未加工到的区域进一步加工，去除粗加工留下的误差，完成次要表面的加工，生成第三刀具轨迹；

精加工，在半精加工的基础上，利用硬质合金球头铣刀，采用五轴的加工方式，对整个模型进行一次精加工，提高工件的表面质量，完成加工，生成第四刀具轨迹；

结合生成的第一刀具轨迹、第二刀具轨迹、第三刀具轨迹和第四刀具轨迹，导出刀位源文件发送至CAM后置处理软件。

3.根据权利要求1所述的机器人雕刻加工立体异型石材的方法，其特征在于，所述调整机器人的姿态之前还包括：设置机器人型号参数和加工环境参数；所述加工环境参数包括工件在机器人坐标系中的坐标、刀具库在机器人坐标系的坐标、测刀仪在机器人坐标系的坐标、电主轴与刀具参数及加工环境边界与障碍物的信息。

4.根据权利要求1所述的机器人雕刻加工立体异型石材的方法，其特征在于，所述调整机器人的姿态，包括：

根据机器人从设置的原始位置HOME点到达工件加工表面的过程，插入若干个点，调整每个点机器人关节姿态，使得机器人到达工件表面时处于最佳的姿态。

5.根据权利要求1所述的机器人雕刻加工立体异型石材的方法，其特征在于，所述三维建模软件为Rhino。

6.根据权利要求1所述的机器人雕刻加工立体异型石材的方法，其特征在于，所述CAM前置处理软件为SUM 3D；所述CAM后置处理软件为ROBMOVE；所述CNC软件为QD HMI。

7.一种机器人雕刻加工立体异型石材的系统，其特征在于，包括：数据采集系统、数据处理系统、控制系统和加工系统；其中：

所述数据采集系统与所述数据处理系统相连，用于采集原料石材和待加工工件的三维模型，并将原料石材三维模型和待加工工件三维模型发送至所述数据处理系统；

所述数据处理系统与所述控制系统相连，将接收到的原料石材三维模型和待加工工件三维模型相结合建立组合三维模型；根据所述组合三维模型及实际加工要求，生成刀具轨迹，并根据所述刀具轨迹生成刀位源文件；根据所述刀位源文件，调整机器人的姿态，进行离线加工仿真，生成适用于机器人加工的轨迹代码；并发送所述轨迹代码至控制系统；其中；所述机器人为六轴串联机器人；

所述控制系统与所述加工系统相连，用于根据所述轨迹代码，控制所述加工系统进行雕刻加工；

所述加工系统包括机器人；

所述数据采集系统包括三维扫描仪。

8.根据权利要求7所述的机器人雕刻加工立体异型石材的方法，其特征在于，所述生成刀具轨迹，并根据所述刀具轨迹生成刀位源文件，包括：

锯切加工，定义毛坯，通过锯切加工方式切除大块材料，生成第一刀具轨迹；

粗加工，根据工件的大小选择合适的电镀金刚石磨轮进行粗加工，快速去除大量材料，加工出模型的大致形状，生成第二刀具轨迹；

半精加工，在粗加工基础上，利用硬质合金球头铣刀对粗加工未加工到的区域进一步加工，去除粗加工留下的误差，完成次要表面的加工，生成第三刀具轨迹；

精加工，在半精加工的基础上，利用硬质合金球头铣刀，采用五轴的加工方式，对整个模型进行一次精加工，提高工件的表面质量，完成加工，生成第四刀具轨迹；

结合生成的第一刀具轨迹、第二刀具轨迹、第三刀具轨迹和第四刀具轨迹，生成刀位源文件。

9.根据权利要求7所述的机器人雕刻加工立体异型石材的系统，其特征在于，所述调整机器人的姿态之前还包括：设置机器人型号参数和加工环境参数；所述加工环境参数包括工件在机器人坐标系中的坐标、刀具库在机器人坐标系的坐标、测刀仪在机器人坐标系的坐标、电主轴与刀具参数及加工环境边界与障碍物的信息。

10.根据权利要求1所述的机器人雕刻加工立体异型石材的系统，其特征在于，所述调整机器人的姿态，包括：

根据机器人从设置的原始位置HOME点到达工件加工表面的过程，插入若干个点，调整每个点机器人关节姿态，使得机器人到达工件表面时处于最佳的姿态。