CN110658784B - 一种工业机器人加工立体异型石材的普适性方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种工业机器人加工立体异型石材的普适性方法及系统，基于石材信息、设备信息、刀具信息设定工艺参数，并对工艺参数进行优化、筛选刀具，再进行仿真、调整，生成刀路文件、机器人文件，最终进行实际加工而获得成品。本发明为立体异型石材的加工建立具有普适性的流程方法，涉及具有普适性的加工参数设置、管理与储存。本发明有益于工业机器人在石材加工行业的发展，有益于全自动化雕刻的大规模应用。此外，工业机器人雕刻加工立体异型石材的加工数据具有重要的研究与参考意义，且不易保存，本发明提供的系统可以将这些数据储存，为其他相关加工作为参考，为相关实验作为数据来源。

Description

一种工业机器人加工立体异型石材的普适性方法及系统

技术领域

本发明涉及石材数控加工领域，更具体地说，涉及一种工业机器人加工立体异型石材的普适性方法，以及一种工业机器人加工立体异型石材的普适性系统。

背景技术

石雕是集创意，设计，制作的艺术品。在我国，石雕有着长远的历史，传统技艺始于汉，成熟于魏晋，在唐朝流行开来。在今天，石雕不仅有着观赏价值，更是有着很高的经济价值，经过加工的石雕艺术品经济价值更是甚于原石成百上千倍。随着经济的发展，人民生活水平的日益提高，我国对石材雕刻制品的需求出现前所未有的增长。尤其是立体异型石材，已经广泛的应用于园林、建筑、雕像等多个行业。石雕行业内对异型石材加工的方法、设备、效率要求也越来越高。

目前，我国石材加工，尤其是立体石材雕刻，普遍采用人工雕刻或者人工配合半自动化机械，但是普通人工加工和半自动加工效率低，周期较长，且对人体危害较大。随着我国工业化的发展，工业机器人的出现，尤其是工业机器人中具有高自由度的六轴机器人，能能够取代大部分人工工作。但机器人加工立体石材不同于人工加工，机器人加工时的轨迹及加工参数与手工加工有着很大的区别，并且也与手工加工的步骤不同，出现了有机器人却不会使用，缺乏相关工艺参数加工不出相应效果的现象。现有技术中未提供规范的系统流程或者是相关软件来确定加工的步骤以及机器人加工异型石材加工工艺，造成工业机器人在加工异型石材方面没有适用性步骤、加工过程中工艺信息链不完整、工艺数据管理不方便的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种工业机器人加工立体异型石材的普适性方法，以及一种工业机器人加工立体异型石材的普适性系统，实现了工业机器人在加工异型石材方面具有适用性步骤，而且加工过程中工艺信息链完整，工艺数据管理方便。

本发明的技术方案如下：

一种工业机器人加工立体异型石材的普适性方法，步骤如下：

1)根据石材基本信息选取机器人设备；获取石材可加工等级，根据石材可加工等级选择刀具及配套夹具；

2)基于选取的机器人设备、刀具与配套夹具，设定并存储工艺参数；

3)根据石材可加工等级、加工环境对已设定的工艺参数进行优化并存储，通过优化后的工艺参数对刀具进行筛选；

4)利用CAM前置处理软件和CAM后置处理软件依次生成刀路文件、机器人文件，并存在；

5)基于机器人文件进行实际加工。

作为优选，步骤1)中，识别待加工石材，从石材库中选取与待加工石材尺寸适配的石材毛坯，对选取的石材毛坯记录石材基本信息与石材可加工等级的评定信息；

其中，石材基本信息包括石材体积尺寸、体积密度、弯曲强度、干燥压缩强度、吸水率、防水率、颜色、花纹、光泽度；石材可加工等级的评定信息包括石材主要成分及含量、肖氏硬度、压缩强度、耐磨性、所含矿物粒度。

作为优选，待加工石材的识别方法为：通过三维软件进行建模；或者，对已有的实物进行三维扫描，并将扫描文件置于三维软件中进行修改或者缩放。

作为优选，步骤1)中，根据选取的石材毛坯的尺寸，选取机器人设备。

作为优选，步骤3)中，根据石材可加工等级进行优化的工艺参数包括主轴转速、进给量、进给速度、切削宽度、外部旋转盘转速。

作为优选，步骤3)中，如果通过优化后的工艺参数筛选获得的刀具与步骤2)中的工艺参数对应的刀具不同时，由用户确定采用步骤2)中的工艺参数对应的刀具或者步骤3)中通过优化后的工艺参数筛选获得的刀具。

作为优选，步骤4)中，将待加工石材的石材基本信息、机器人设备、刀具与配套夹具的信息、工艺参数导入CAM前置处理软件，生成刀路文件；再将刀路文件、待加工石材的石材基本信息、机器人设备、刀具与配套夹具的信息、加工环境对应的环境信息导入CAM后置处理软件，生成机器人文件；

其中，加工环境对应的环境信息包括现实环境中的障碍信息、石材基本信息、刀具与配套夹具的信息、测刀仪在机器人坐标系中的坐标。

作为优选，对待加工石材进行实际加工得到成品后，对成品进行三维扫描并存储。

作为优选，还对加工中刀具的磨损情况、加工时间、加工故障、机器人奇异点情况进行储存。

一种工业机器人加工立体异型石材的普适性系统，包括石材库、机器人设备库、刀具库、工艺参数、优化库、刀路文件储存库、机器人文件储存库、加工效果展示库，基于所述的方法对石材进行普适性加工；

石材库用于管理石材基本信息，对石材可加工等级进行评定，为机器人设备、刀具及配套夹具的选择及工艺参数的设定提供参考依据；

机器人设备库用于管理工业机器人、控制柜、外部旋转盘、控制系统、冷却设备信息；机器人设备库与石材库相连接，根据石材基本信息选取机器人设备；

刀具库用于管理刀具信息和配套夹具信息，刀具库与工艺参数库、机器人设备库相连接，根据石材可加工等级选取刀具及配套夹具，设置工艺参数；

工艺参数库用于管理加工石材的工艺参数，根据石材基本信息、石材可加工等级、刀具信息设定工艺参数；工艺参数库与机器人设备库、石材库、刀具库、优化库连接；

优化库用于优化工艺参数，刀具参数在优化库中进行优化，对刀具及大醉夹具进行筛选；

刀路文件储存库用于储存与管理CAM前置处置软件生成的刀路文件；

机器人文件储存库用于储存与管理CAM后置处置软件生成的机器人文件；

加工效果展示库用于储存实际加工生成的成品效果。

本发明的有益效果如下：

本发明所述的工业机器人加工立体异型石材的普适性方法及系统，为立体异型石材的加工建立具有普适性的流程方法，涉及具有普适性的加工参数设置、管理与储存。本发明有益于工业机器人在石材加工行业的发展，有益于全自动化雕刻的大规模应用。此外，工业机器人雕刻加工立体异型石材的加工数据具有重要的研究与参考意义，且不易保存，本发明提供的系统可以将这些数据储存，为其他相关加工作为参考，为相关实验作为数据来源。

附图说明

图1是本发明所述的方法的基本流程示意图；

图2是本发明所述的系统的结构框图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。

如图1所示，本发明所述的工业机器人加工立体异型石材的普适性方法，大致为基于石材信息、设备信息、刀具信息设定工艺参数，并对工艺参数进行优化、筛选刀具，再进行仿真、调整，生成刀路文件、机器人文件，最终进行实际加工而获得成品。具体地，步骤如下：

1)根据石材基本信息选取机器人设备；获取石材可加工等级，根据石材可加工等级选择刀具及配套夹具；

2)基于选取的机器人设备、刀具与配套夹具，设定并存储工艺参数；

3)根据石材可加工等级、加工环境对已设定的工艺参数进行优化并存储，通过优化后的工艺参数对刀具进行筛选；

4)利用CAM前置处理软件和CAM后置处理软件依次生成刀路文件、机器人文件，并存在；

5)基于机器人文件进行实际加工；具体实施时，实际加工包括：装夹石材、外接冷却液、装夹刀具、对刀具进行对刀处理、调整机器人姿态、机器人自主加工等。

本实施例的步骤1)中，识别待加工石材，从石材库中选取与待加工石材尺寸适配的石材毛坯，对选取的石材毛坯记录石材基本信息与石材可加工等级的评定信息；可在石材库中查询、录入、存储选定石材毛坯信息。根据选取的石材毛坯的尺寸，选取机器人设备。

其中，石材基本信息包括石材体积尺寸、体积密度、弯曲强度、干燥压缩强度、吸水率、防水率、颜色、花纹、光泽度。石材可加工等级的评定信息包括石材主要成分及含量、肖氏硬度、压缩强度、耐磨性、所含矿物粒度；石材可加工等级根据石材可加工等级公式进行运算获得。

待加工石材的识别方法为：通过三维软件进行建模；或者，对已有的实物进行三维扫描，并将扫描文件置于三维软件中进行修改或者缩放。所述的三维软件可以为Rhino；待加工石材的扫描文件可以存储在石材库中加工对象信息处。

本实施例的步骤3)中，根据石材可加工等级进行优化的工艺参数包括主轴转速、进给量、进给速度、切削宽度、外部旋转盘转速。如果通过优化后的工艺参数筛选获得的刀具与步骤2)中的工艺参数对应的刀具不同时，由用户确定采用步骤2)中的工艺参数对应的刀具或者步骤3)中通过优化后的工艺参数筛选获得的刀具。

本实施例的步骤4)中，将待加工石材的石材基本信息、机器人设备、刀具与配套夹具的信息、工艺参数导入CAM前置处理软件，生成刀路文件；再将刀路文件、待加工石材的石材基本信息、机器人设备、刀具与配套夹具的信息、加工环境对应的环境信息导入CAM后置处理软件，生成机器人文件；

其中，加工环境对应的环境信息包括现实环境中的障碍信息、石材基本信息、刀具与配套夹具的信息、测刀仪在机器人坐标系中的坐标。

本实施例还包括步骤6)，即，对待加工石材进行实际加工得到成品后，对成品进行三维扫描并存储。同时，还对加工中刀具的磨损情况、加工时间、加工故障、机器人奇异点情况进行储存。

一种工业机器人加工立体异型石材的普适性系统，如图2所示，包括石材库、机器人设备库、刀具库、工艺参数、优化库、刀路文件储存库、机器人文件储存库、加工效果展示库，基于所述的方法对石材进行普适性加工；

石材库用于管理石材基本信息，对石材可加工等级进行评定，为机器人设备、刀具及配套夹具的选择及工艺参数的设定提供参考依据；石材基本信息包括石材体积尺寸、体积密度、弯曲强度、干燥压缩强度、吸水率、防水率、颜色、花纹、光泽度。用于评定石材可加工等级的评定信息包括石材主要成分及含量、肖氏硬度、压缩强度、耐磨性、所含矿物粒度。石材库中的石材基本信息，尤其石材的尺寸是选择机器人设备的一大影响因素；石材的硬度、密度、耐磨性是选择刀具的影响因素。

机器人设备库用于管理工业机器人、控制柜、外部旋转盘、控制系统、冷却设备信息；机器人设备库与石材库相连接，根据石材基本信息选取机器人设备。其中，工业机器人信息包括机械臂厂家、型号、总负载、第一周转盘负载、第六轴最前端p点负载、旋转半径、机械臂各轴长度及运动速度、工作范围、自重、底座尺寸、距离与位姿与轨迹的准确度及重复性、IP防护等级、最大偏移距离。外部旋转盘信息包括：直径、高度、转速范围、位置。机器人设备库用来选取合适的设备并且储存加工所用设备的经验，方便为以后实验提供参考。

刀具库用于管理刀具信息和配套夹具信息，刀具库与工艺参数库、机器人设备库相连接，根据石材可加工等级选取刀具及配套夹具，设置工艺参数。其中，刀具信息包括：刀具类型、刀长、半径、角度、长度、名称、刀号、齿轮数、所允许最大进给量、材料、寿命范围。夹具信息包括：刀柄号、刀柄直径、刀柄高度、夹持长度范围。根据石材的硬度、耐磨性、密度、石材可加工等级在刀具库中选择适合加工的刀具及夹具，并且在优化库中根据以往经验对刀具的选择进行再次筛选。刀具库也负责存储以往加工所用刀具数据，为以后的加工作为经验参考。

工艺参数库用于管理加工石材的工艺参数，根据石材基本信息、石材可加工等级、刀具信息设定工艺参数；工艺参数库与机器人设备库、石材库、刀具库、优化库连接。其中，工艺参数包括刀路类型、加工基于方式、主轴转速、残余量、z轴进给量、切削宽度、加工范围、进给速率、提刀速率、下刀速率、每齿进给量、线速度。工艺参数库中的工艺参数作为加工经验储存。工艺参数库中的工艺参数可以在优化库进行可选择性优化，可自主选择已设定工艺参数或优化后参数。

优化库用于优化工艺参数，刀具参数在优化库中进行优化，对刀具及大醉夹具进行筛选。其中，优化的工艺参数包括主轴转速、进给量、进给速度、切削宽度、外部旋转盘转速。具体包括，在粗加工、半精加工中为提高效率、减少残余量对主轴转速、进给量、进给速度、切削宽度进行优化；在精加工中为提高表面光滑度、形状精度对主轴转速、旋转盘转速进行优化。优化库中的数据优化标准可根据具体实验、加工经验进行设定。使用者可自主选择已设定的参数和刀具；也可以使用优化推荐的参数和刀具。

刀路文件储存库用于储存与管理CAM前置处置软件生成的刀路文件，机器人文件储存库用于储存与管理CAM后置处置软件生成的机器人文件，以便于储存、调用、验证。本实施例中，CAM前置处置软件选用SUM 3D，CAM后置处置软件选用ROBMOVE。

加工效果展示库用于储存实际加工生成的成品效果，同时，还对加工中刀具的磨损情况、加工时间、加工故障、机器人奇异点情况进行储存。本实施例中，机器人设备采用CNC软件进行控制加工，优选CNC软件为QD HMI。根据机器人文件，直接导入到上位机的CNC软件QD HMI中，机器人设备将进行全自动化加工。在此过程前，还需要装夹石材、外接冷却液、装夹刀具、对刀具进行对刀处理、调整机器人姿态，冷却液可以全程是水。

上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定。只要是依据本发明的技术实质，对上述实施例进行变化、变型等都将落在本发明的权利要求的范围内。

Claims (9)

1.一种工业机器人加工立体异型石材的普适性方法，其特征在于，步骤如下：

1）根据石材基本信息选取机器人设备；获取石材可加工等级，根据石材可加工等级选择刀具及配套夹具，具体包括：识别待加工石材，从石材库中选取与待加工石材尺寸适配的石材毛坯，对选取的石材毛坯记录石材基本信息与石材可加工等级的评定信息；

其中，石材基本信息包括石材体积尺寸、体积密度、弯曲强度、干燥压缩强度、吸水率、防水率、颜色、花纹、光泽度；石材可加工等级的评定信息包括石材主要成分及含量、肖氏硬度、压缩强度、耐磨性、所含矿物粒度；

2）基于选取的机器人设备、刀具与配套夹具，设定并存储工艺参数；

3）根据石材可加工等级、加工环境对已设定的工艺参数进行优化并存储，通过优化后的工艺参数对刀具进行筛选；

4）利用CAM前置处理软件和CAM后置处理软件依次生成刀路文件、机器人文件，并存储；

5）基于机器人文件进行实际加工。

2.根据权利要求1所述的工业机器人加工立体异型石材的普适性方法，其特征在于，待加工石材的识别方法为：通过三维软件进行建模；或者，对已有的实物进行三维扫描，并将扫描文件置于三维软件中进行修改或者缩放。

3.根据权利要求1所述的工业机器人加工立体异型石材的普适性方法，其特征在于，步骤1）中，根据选取的石材毛坯的尺寸，选取机器人设备。

4.根据权利要求1所述的工业机器人加工立体异型石材的普适性方法，其特征在于，步骤3）中，根据石材可加工等级进行优化的工艺参数包括主轴转速、进给量、进给速度、切削宽度、外部旋转盘转速。

5.根据权利要求1所述的工业机器人加工立体异型石材的普适性方法，其特征在于，步骤3）中，如果通过优化后的工艺参数筛选获得的刀具与步骤2）中的工艺参数对应的刀具不同时，由用户确定采用步骤2）中的工艺参数对应的刀具或者步骤3）中通过优化后的工艺参数筛选获得的刀具。

6.根据权利要求1所述的工业机器人加工立体异型石材的普适性方法，其特征在于，步骤4）中，将待加工石材的石材基本信息、机器人设备、刀具与配套夹具的信息、工艺参数导入CAM前置处理软件，生成刀路文件；再将刀路文件、待加工石材的石材基本信息、机器人设备、刀具与配套夹具的信息、加工环境对应的环境信息导入CAM后置处理软件，生成机器人文件；

其中，加工环境对应的环境信息包括现实环境中的障碍信息、石材基本信息、刀具与配套夹具的信息、测刀仪在机器人坐标系中的坐标。

7.根据权利要求1所述的工业机器人加工立体异型石材的普适性方法，其特征在于，对待加工石材进行实际加工得到成品后，对成品进行三维扫描并存储。

8.根据权利要求7所述的工业机器人加工立体异型石材的普适性方法，其特征在于，还对加工中刀具的磨损情况、加工时间、加工故障、机器人奇异点情况进行储存。

9.一种工业机器人加工立体异型石材的普适性系统，其特征在于，包括石材库、机器人设备库、刀具库、工艺参数、优化库、刀路文件储存库、机器人文件储存库、加工效果展示库，基于权利要求1至8任一项所述的方法对石材进行普适性加工；

石材库用于管理石材基本信息，对石材可加工等级进行评定，为机器人设备、刀具及配套夹具的选择及工艺参数的设定提供参考依据；

机器人设备库用于管理工业机器人、控制柜、外部旋转盘、控制系统、冷却设备信息；机器人设备库与石材库相连接，根据石材基本信息选取机器人设备；

刀具库用于管理刀具信息和配套夹具信息，刀具库与工艺参数库、机器人设备库相连接，根据石材可加工等级选取刀具及配套夹具，设置工艺参数；

工艺参数库用于管理加工石材的工艺参数，根据石材基本信息、石材可加工等级、刀具信息设定工艺参数；工艺参数库与机器人设备库、石材库、刀具库、优化库连接；

优化库用于优化工艺参数，刀具参数在优化库中进行优化，对刀具及大醉夹具进行筛选；

刀路文件储存库用于储存与管理CAM前置处置软件生成的刀路文件；

机器人文件储存库用于储存与管理CAM后置处置软件生成的机器人文件；

加工效果展示库用于储存实际加工生成的成品效果。

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