（机械制造及其自动化专业论文）石材立体工艺制品雕刻机器人加工技术研究.pdf

摘要 摘要 石材立体工艺制品在装饰和建筑领域的应用越来越广泛，需求量日益增长， 需求带动了市场，同时提高了对石材立体工艺制品生产技术与生产装备的要求。 目前石材立体工艺制品的生产以手工、半自动加工方式为主，采用高效率、高加 工质量的自动化加工设备是发展的必然趋势。 工业机器人具有自由度高、灵活性好等优点，配合末端执行器可进行自由曲 面的加工。课题以工业机器人为主体，设计石材立体工艺制品雕刻机器人，并研 究石材立体工艺制品加工技术，应用于实际生产。研究内容主要包括：石材立体 工艺制品雕刻机器人设计和加工技术研究两个方面。 通过对加工要求以及工况的分析，确定石材立体工艺制品雕刻机器人的结构 方案，结合工作空间和加工工艺完成石材立体工艺制品雕刻机器人的结构设计。 最终完成5 自由度，结构形式为1 p 4 r 的石材立体工艺制品雕刻机器人本体的设计， 以及以电主轴为主体的末端执行器。配合转台的辅助运动，石材立体工艺制品雕 刻机器人最大可以完成尺寸为直径1 0 0 0 m m 、高2 0 0 0 m m 工件的加工。根据石材立 体工艺制品雕刻机器人结构模型研究分析空间位姿描述与坐标转换理论，采用d h 法进行运动学分析，得到运动学正逆问题的数学表达式，为控制提供依据。 以三角面片s t l 文件为加工模型，研究基于s t l 模型的数控刀位轨迹的生成 方法。采用基于项点偏置的方法生成模型偏置面，由走刀方式规划的截面与偏置 面求交得到刀位数据序列，经过处理后生成刀位轨迹，并输出为a p t 格式的刀位 文件。结合石材立体工艺制品雕刻机器人的结构特点以及运动学分析，对刀位轨 迹进行后置处理的研究，将刀位文件转化为数控指令，输出为石材立体工艺制品 雕刻机器人数控文件。通过v c 6 0 、o p e n g l 和m a t l a b 实现算法编程，完成用于 石材立体工艺制品雕刻机器人的c a m 系统的设计。借助v e r i c u t 进行加工仿真， 以验证加工的准确性。 课题对石材工艺制品雕刻机器人加工系统进行设计研究，完成了石材立体工 艺制品雕刻机器人的结构设计以及石材立体工艺制品雕刻机器人c a m 系统的初 步构建。课题所设计的石材立体工艺制品雕刻机器人较大提高了石材雕刻工艺制 品的加工效率，改善了工人的工作环境，对于我国石材雕刻工艺制品的加工和发 展具有深远的意义。同时，设计研究成果对我国石材立体工艺制品雕刻机器人加 工技术的研究具有现实的指导意义。 关键词石材；工艺制品；机器人；加工技术；仿真 v a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m i c ，s t o n ec a r v i n gp r o d u c t si sw i d e l yu s e di nt h e d e c o r a t i o na n dc o n s t r u c t i o na p p l i c a t i o n s a st h em a r k e td e m a n di sg r o w i n g ，t h e p r o d u c t i o nr e q u i r e m e m sf o re f f i c i e n c y a n dp r o d u c t i o nq u a l i t y m o s ts t o n ec a r v i n g p r o d u c t s i ss t i l l p r o c e s s e db yh a n d i c r a f t a n ds e m i a u t o m a t i ce q u i p m e n t s c a r v i n g m a c h i n ea n dm a c h i n i n gc e n t e rc a no n l yb eu s e di nr e l i e fp r o c e s s i n g c a r v i n gw o r k e r si n a d v e r s ew o r k i n ge n v i r o n m e n tf a c i n gt h ed u s ta n dn o i s eo ft h ep r o c e s s i n g a tt h es a m e t i m e ，h a n d i c r a f ta n ds e m i a u t o m a t i ce q u i p m e n t sl e a dt ot h el o wp r o d u c ee f f i c i e n c y , h i g h c o s ta n di n s t a b i l i t yq u a l i t y t h e r e f o r e ，a na u t o m a t i o ns t o n ec a r v i n gp r o d u c t sp r o c e s s i n g e q u i p m e n ti sn e e dt ob ed e s i g n e dt os o l v e t h ea b o v ep r o b l e m s t h ei n d u s t r i a lr o b o th a sh i g hd e g r e eo ff r e e d o ma n df l e x i b i l i t yc h a r a c t e r t h e i n d u s t r i a lr o b o tc a nb eu s e df o rf r e e - f o r ms u r f a c ep r o c e s s i n gw i t ht h ee n d - e f f e c t o r f a c e dw i t hp r o d u c t i o nr e q u i r e m e n t sa n di n d u s t r i a lr o b o tr e s e a r c hp r o g r e s sa th o m ea n d a b r o a d ，t h i sp a p e rp r e s e n t st h em e t h o du s i n gi n d u s t r i a lr o b o t st op r o c e s ss t o n ec a r v i n g p r o d u c t s r e s e a r c hc o n t e n t si n c l u d et w oa s p e c t s ：f i r s t ，t h ed e s i g no fs t o n ec a r v i n gr o b o t ； s e c o n d ，t h er e s e a r c ho fs t o n ec a r v i n gp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y d e t e r m i n et h es t r u c t u r es c h e m et h o u g hp r o c e s s i n gr e q u i r e m e n t sa n do p e r a t i n g c o n d i t i o n s ，a n dd e t e r m i n et h es t r u c t u r ep a r a m e t e r sa n dm o t i o np a r a m e t e r s o f c a r v i n g r o b o tp r o g r a mb ya n a l y z i n gt h ew o r ks p a c ea n dp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y t h e e n d e f f e c t o ri sd e s i g n e do nt h eb a s i so fs t o n ec u t t i n gf o r c ea n a l y s i s t h ea n a l y s i so ft h e s p a t i a lp o s i t i o na n ds p a t i a lp o s i t i o nt r a n s f o r m a t i o nt h e o r yc a n o f f e rt h e o r ys u p p o r tt ot h e t r a j e c t o r yp l a n n i n ga n dp o s t p r o c e s s i n go f t h ec a r v i n g r o b o t p r o c e s st e c h n o l o g yi sr e a l i z e db yt o o lp a t hi nn cm a c h i n i n g c a r v i n g r o b o tu s e t h es t lf i l ea ss o u r c em o d e l t h i sp a p e rs t u d i e dt h en ct o o lp a t hg e n e r a t i o nb a s e do n s t lf i l e g e n e r a t eo f f s e ts u r f a c eb a s e do nv e r t e xo f f s e t ，a n dt h eo f f s e tv e r t e xi s g e n e r a t e dt h o u g hw e i g h t e dv a l u em e t h o d p l a n n i n gt h ec u t t i n gp l a n eb a s e do nt h et o o l p a t hm o d e ，a n ds o l v et h ei n t e r s e c t i o np o i n t so fc u t t i n gp l a n ea n do f f s e ts u r f a c e t h e i n t e r s e c t i o np o i n t si sc u t t e rl o c a t i o np o i n t ss e r i e s t o o lp a t hc o u l db eg e n e r a t e db y a r r a n g i n gt h ei n t e r s e c t i o np o i n t sa n da d d i n gs o m ea u x i l i a r ym o t i o np a t hp o i n t st ot h e t 0 0 1p a t hs e r i e s s i m i l a rt oc n cm a c h i n e ，t h et o o lp a t hc a n td i r e c t l yd r i v et h e c a r v i n g r o b o tw i t h o u tp o s t - p r o c e s s i n g t h ei n f o r m a t i o ni nc u r e rl o c a t i o nf i l e c a nb e v n 山东大学硕士学位论文 s e p a r a t e di n t om o v e m e n tc o m m a n d s a nn o n - m o v e m e n tc o m m a n d s h en o n - m o v e m e n t c o m m a n d sc a nb ed i r e c t l yt r a n s f o r m e dt on cc o d e b u tm em o v e m e n tc o m m a n d s t r a n s f o r m e dt on cc o d eb ys o l v i n gc a r v i n g r o b o ti n v e r s ek i n e m a t i c s g e n e r a t i o no f t o o l p a t ha n dp o s t p r o c e s s i n gi sr e a l i z e db yv c 6 0 ，o p e n g la n dm a t l a b f i n a l l y , 却u t t h e n cc o d et ot h em a c h i n i n gm o d e li nv e r i c u ta n ds i m u l a t et h ep r o c e s st ov e r i f yt h e a c c u r a c yo ft h ea l g o r i t h m t h es u b j e c td e s i g n e dak i n do fc a r v i n g r o b o tf o rs t o n ec a r v i n gp r o d u c t sp r o c e s s i n g ， s t u d i e dt o o lp a t hg e n e r a t i o nm e t h o db a s e do ns t l f i l e sa n dp o s t - p r o c e s s i n ga l g o r i t h m s f o rs t o n ec a r v i n gr o b o t d e v e l o pa na u t o m a t i cn cp r o g r a m m i n gs y s t e mw i t hv c 6 0 a n do p e n g l ，t h e r e f o r e ，t h ec a r v i n g - r o b o tw o n td e p e n do nc o m m e r c i a lc a m s o f t w a r e t h i ss u b j e c tp r o v i d e sab a s i so fr e f e r e n c ef o rt h ei n d u s t r i a lr o b o t sf o rs t o n ec a r v m g p r o c e s s t h es t o n ec a r v i n gr o b o tg r e a t l yi m p r o v et h ep r o c e s s i n ge f f i c i e n c yo f t h es t o n e c a r v i n gp r o d u c t sw i t hl o wc o s ta n dh i g hq u a l i t y , a n ds i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h ew o r k i n g e n v i r o r n e n to fw o r k e r s t h i ss u b j e c ti sag r e a ts i g n i f i c a n c ef o rt h ed e v e l o p m e n to f c h i n e s es t o n ec a r v i n gp r o d u c t s k e y w o r d ss t o n e ；c a r v i n gp r o d u c t s ；r o b o t ；m a c h i n i n g t e c h n o l o g y ；m a c h i n i n g s i m u l a t i o n v i i i 第1 章绪论 皇量量曼曼曼量量量| 量罾一i i ii 曼曼曼曼曼曼曼量罾量曼曼量量量量| 量曼皇鼍薯量量| 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 石材雕刻工艺制品一般是指以岩石为材料，如大理石、花岗岩、砂岩等，通过 雕琢镂刻【1 】等方法将石料加工成具有艺术价值的石材制品。石雕艺术是我国雕刻艺 术文化的一个重要组成部分，是我国历史文化的传承，按形体可分为：线雕、浮 雕和塑雕等，如图1 1 所示。 随着人们物质生活水平的提高，对文化生活的追求也在不断的增加，人们逐渐 重视审美艺术。石材雕刻工艺制品作为我国雕刻艺术文化的重要组成，以其艺术 性和观赏性被人们所喜爱，另一方面又因为它的物理特性在建筑装饰业中正被广 泛使用。作为艺术品的石雕摆饰和石雕挂饰，如小型石雕动物、浮雕艺术品，在 家庭、办公以及接待等场所广为使用。而作为建筑装饰品的浮雕壁画、石雕柱头 等，在现代建筑建设中更是不可或缺的。近几年随着我国建筑行业的发展，对石 雕制品的需求更为突出；随着我国的对外经济贸易的发展，促进了石雕制品出口。 这为我国石雕行业发展提供了广大的空间，同时也是展现我国雕刻文化的契机。 a ) 线雕b ) 浮雕c ) 塑雕 图1 1 石雕制品 石材雕刻工艺制品的加工方法大致可以分为三种：全人工雕刻，半自动化雕刻 以及全自动化雕刻。全人工雕刻是指采用传统的刀、凿锤击进行石材雕刻工艺制 品的加工：半自动化雕刻是指采用电气动刀、凿等工具代替传统工具进行加工的 方法，由于采用了电气动工具，节省了人力；全自动雕刻加工，主要借助于雕刻 机、数控车床和加工中心等数控设备进行加工的方法。目前大多数石雕企业以全 人工加工配合半自动化雕刻加工作为主要的加工方式，半自动化加工由于采用了 自动化程序较高的电气动工具，大幅度节省了人力劳动，提高了加工效率。但是， 力n - r - 时仍然存在着一些问题： 山东大学硕七学位论文 ( 1 ) 虽然电动气动雕刻工具的使用很大程度上降低了人力成本，提高工作效 率，但是仍需要人工进行全程操作，每件工艺制品所消耗的工时仍然非常多。 ( 2 ) 半自动化加工由人工操作，在加工时难免会有失误，如过加工等，因此 使加工质量不稳定。 ( 3 ) 自动化加工设备由于受自由度和工作空间的限制，仅能加工平面浮雕类 工艺制品以及造型简单的立体工艺制品。 ( 4 ) 对工人身体健康的影响，由于采用电气动的工作，加工频率高从而使石 料碎片细化，如采用砂轮进行磨削时会使工作环境中飘浮着大量的石料粉尘，这 些粉尘容易使工作人员患矽肺等呼吸道疾病【2 】；同时由于加工时很大程度上的使用 电动气动工具，使加工过程中产生较高分贝的机械性噪音，会使工作人员的听力 受到损害【3 】，而且随工作时间的增加听力受损的概率和损伤程度也会提高。 由于目前在石材雕刻工艺制品的加工中存在的问题，使自动化程度高的雕刻加 工设备成为需求。目前已有很多用于石材雕刻加工的自动化设备，如数控雕刻机、 加工中心和数控车床等，还有一些专门的雕刻设备【4 】。数控雕刻机是针对平面浮雕 进行加工的自动化设备；加工中心并不是以雕刻为主要加工对象，只是可以进行 一些特定石材工艺制品的加工；数控车床可以进行回转体的加工，对于雕刻加工 很乏力。在众多的石材加工数控设备中加工中心是一种相对比较有效的加工方式， 但是由于加工中心的灵活度较低，另外由于自由度和工作空间的限制在进行雕刻 加工时加工中心不能一直使刀具的轴线方向垂直于制品表面，使径向力波动较大， 影响加工效果且增大刀具损耗【5 】。 机器人是一个交叉学科，涉及到机械、控制、电子、计算机等领域，工业机器 人经过四十多年的发展已经在工业领域广为使用，如装配、焊接、喷涂、机械加 工和垛码等【6 7 1 。工业机器人具有自由度大，灵活性高的特点，与加工中心相比更 适合进行石材雕刻工艺制品的加工。本课题研究用于石材工艺制品雕刻加工的工 业机器人及其加工技术，在保证加工质量的同时提高自动化程度，提高加工效率 并降低生产成本。 1 2 石材立体工艺制品雕刻机器人加工技术研究现状 工业机器人用于雕刻加工，是借助于机器人的高灵活性和机动性进行全方位、 多姿态切削加工。随着工业机器人技术的发展和雕刻行业的加工要求，将工业机 器人用于雕刻产业是发展的必然趋势。 上世纪9 0 年代末瑞典克林平大学的j a n d e r s s o n ，g j o h a n s s o n 8 1 研究将工业机 器人用于木材雕刻领域，这也是将工业机器人用于雕刻加工领域的兴起，在2 0 世 2 第1 章绪论 纪初，j a n d e r s s o n 建立了采用工业机器人进行木雕加工控制的加工模型1 9 】；在同 时期香港大学的c h e ny h 和h uy n 对使用机器人加工雕刻曲面进行了研究，并 对曲面的粗加工和精加工分别进行了研究分析【lo 。】。 我国学者对于工业机器人用于雕刻领域也有研究，华中科技大学的刘蒙，刘延 林【l2 】对五自由度关节式工业机器人用于艺术雕刻进行了研究，对雕刻工业机器人 的机械结构、运动学分析以及控制进行了基本的描述。在研究中分析了数控铣床 在进行雕刻加工方面的缺陷，结合工业机器人的优势提出了使用工业机器人进行 雕刻加工的方案，对工业机器人的机械结构形式方案进行了对比，并采用了5 自 由度的关节式工业机器人进行研究，同时完成了工业机器人动力学分析和控制系 统的方案的设计。但是对于切削加工的具体实施方法并没有提及。燕山大学孔令 富等对并联机器人用于汉字雕刻进行了研究，并对雕刻加工的刀位轨迹进行了规 划【1 3 1 。 目前，工业机器人在石材加工领域已经有所应用1 1 4 j ，机器人公司k u k a 、a b b 等都生产用于石材制品加工的工业机器人，可以对大理石、花岗岩进行雕刻、锯 切、铣削和搬运等操作，如图1 2 所示，用于石材雕i i ：i n 工的机器人的结构形式以 关节式为主，自由度为5 至6 个。这些公司生产的石材制品加工机器人是以其高 载荷机器人为主体，末端执行器为与加工中心相同的电主轴，再配以用于石材加 工的切削刀具，这样便可以实现像加工中心一样的切削、换刀等功能。将工业机 器人转化为一台类似于5 - 6 轴联动的加工中心，同时灵活性却跟工业机器人一样 高，可以完成加工中心不能完成的切削加工。结合加工轨迹的生成和机器人轨迹 规划程序生成用于机器人的数控程序，完成相应的切削加工。 a ) 雕刻b ) 锯切c ) 搬运 图1 2 用于石材加丁的 ：业机器人 运用工业机器人进行切削加工需要获得工业机器人的末端执行器的运动轨 迹，类似于加工中心在切削时需要以刀位轨迹作为引导。因此，实现工业机器人 雕刻运动，首先要获得进行加工时加工刀具的空间位置和刀具的姿态，然后要根 山东大学硕士学位论文 据刀具的空间位置和刀具的姿态确定工业机器人的各关节的运动变量。对于加工 中心，数控车床等数控加工设备，目前已经有比较成熟的c a m 软件，如 m a s t e r c a m 、p o w e r m i l l 、u g 和p r o n c 等可以实现刀位轨迹的生成以及数控程序 的自动编程。借助c a m 软件可以得到进行加工的刀位轨迹a p t 文件，然后通过 相对应的数控设备的后置处理程序获得适用于该数控设备的g 代码。但是工业机 器人的结构不同加工中心等数控设备，因此并没有相匹配的后置处理程序。虽然 借助多轴联动的c a m 软件获得的刀位轨迹也可以用于工业机器人的雕刻加工，但 是缺少相对应的石材立体工艺制品雕刻机器人后置处理程序，机器人的控制不能 实现。因此，需要对针对工业机器人进行加工刀位轨迹生成的研究以及相应后置 处理算法的研究和程序的编写，设计工业机器人c a m 系统。 燕山大学的孔令富【1 3 j 等对并联机器人采用刀路映射的方法获得曲面上的刀具 路径，然后再进行插补计算等操作，最终获得机器人的数控代码。青岛理工大学 的孔凡斌【l5 】等对6 r 石材立体工艺制品雕刻机器人在n u r b s 曲面的刀路规划进行 研究，详细说明了在n u r b s 曲面上切削点的计算、刀具方向计算以及切削区间的 计算，然后求解机器人的逆运动。n i ux j 和l i uj t 1 6 】等对机器人进行曲面加工提 出了实现方案与算法，并进行了实验。浙江大学的吴洲1 7 】针对a b b 切削机器人， 研究了切削加工机器人的自动编程技术，并仿真验证其可行性。 1 3 课题研究的目的及意义 石材雕刻工艺制品是现代装饰、建筑的重要组成，对石材雕刻工艺制品的需 求也与日俱增，但是其加工方式的自动化程序较低，目前加工方式仍然主要依靠 人工操作。在石材雕刻工艺制品的加工中存在着许多困难：( 1 ) 石雕制品的外形 相差较大，不同于回转体制品有着相似的结构形式，因此对石雕制品的加工只能 采用自由度高，灵活性好的设备；( 2 ) 生产的批量小，大多往往是单件生产，因 此不适合成批生产的准则，这就要求对每一件产品都要进行数控加工的编程，为 了提高生产效率、降低生产成本，需采用自动化程度高的自动数控编程软件实现 数控程序的自动化生成。 本课题针对解决石材雕刻工艺制品加工时存在的问题，进行石材工艺制品雕 刻机器人m - r 技术的研究。本课题研究的主要目的主要包括两个方面：( 1 ) 根据 加工要求，完成石材立体工艺制品雕刻机器人的设计；( 2 ) 研究石材立体工艺制 品雕刻机器人加工技术，实现数控加工程序的自动生成。 通过分析不同类别石材雕刻工艺制品的加工工艺和加工特点，确定出所设计 石材雕刻工艺制品雕刻机器人的结构形式；并根据石材切削加工的特点和要求， 4 第1 章绪论 选择适合石材加工的数控刀具及刀柄接口；计算切削力并完成切削动力头部件的 设计；再通过机器人工作空间的规划，设计机器人的各关节参数，完成适用于石 材雕刻工艺制品加工的机器人本体及布局方案。 石材立体工艺制品雕刻机器人的功能是对石料按照加工模型进行切削加工， 最终得到目标工件。用于石雕工艺制品的模型一般来源于扫描实物模型和c a d 软 件的生成，其中大部分是由实物模型经激光三维扫描仪扫描得到点云数据，然后 再处理生成三维文件，这种文件一般是s t l 格式【l 引，s t l 文件是逆向工程中的通 用文件，常用的三维软件，如p r o e 、u g 和s o l i d w o r k s 等也可以生成s t l 文件。 s t l 文件较多应用于逆向工程，在石雕加工领域中应用也很广泛，因此本课题以 s t l 格式的三维模型作为加工模型进行数控加工的自动化处理。目前市场的软件 有一些可以进行s t l 格式文件的c a m 处理，如m a s t e r c a m ，但是一方面这些软 件针对是数控机床，加工中心等，对于工业机器人没有相应的后置处理程序，对 于本课题设计的石材工艺制品雕刻机器人更不会有后置处理程序与之匹配；另一 方面，这类软件往往是商业性质的，价格较高，提高生产成本。本课题的另一个 目的便是针对s t l 格式的文件，以石材立体工艺制品雕刻机器人为平台，建立可 以自动生成适用于所设计工业机器人数控代码的c a m 平台。对于所需要加工的 s t l 模型，只需将文件导入平台便可以获得用来驱动机器人的数控代码。此部分 内容包括基于s t l 文件的刀位轨迹规划和基于石材立体工艺制品雕刻机器人的数 控后置处理。 石材立体工艺制品雕刻机器人的c a m 平台生成的数控代码会因为参数的选 择，模型的设置等原因导致加工效果与理想状态不一致。直接进行加工可能会产 生加工过切、干涉等问题，导致经济上的损失和效率的降低，延误生产时间，影 响生产计划。借助于数控加工仿真软件可以在产品的实际加工之前进行仿真模拟， 发现加工中存在的过切、干涉等问题，并及时修正解决，可以很大程度上避免上 述问题。目前已经有商业化的机器人仿真软件，如r o b o t s t u d i o ，但是不存在针对 课题中自行设计的工业机器人的加工仿真软件。因此，为了实现加工仿真，需要 依据所设计的机器人参数建立仿真模型，借助于仿真软件或者编写仿真程序进行 仿真。v e r i c u t 是用于数控机床加工仿真的软件，可以自行建立机床模型，支持 任意多自由度的回转、平移运动，非常适合机器人切削模拟仿真。v e r i c u t 同样 适用于石材制品的加工仿真【1 9 珈】，在v e r i c u t 中建立石材立体工艺制品雕刻机器 人的模型，然后将生成的数控代码导入v e r i c u t 中，进行切削仿真，检查切削过 程中的问题以及加工效果和加工质量，从而保证加工的一次性成功。 根据以上所述，本课题所研制的石材立体工艺制品雕刻机器人加工系统克服 了目前主要加工方式人工与半自动加工的缺点，满足目前石材雕刻工艺制品 山东大学硕士学位论文 加工的需求。采用自动化的生产方式，使从石料到产品的主要加工过程实现无人 操作，提高了自动化程度同时也保证了加工质量。在雕刻加工中雕刻师的经验十 分重要，而采用工业机器人进行加工降低了对雕刻工人的要求，操作人员只需要 进行简单的使用培训即可胜任。本课题对三角网格s t l 文件进行研究分析，提出 适用于s t l 文件的刀位轨迹的生成方法，使石材立体工艺制品雕刻机器人的c a m 平台更加开放，对于实物模型只需要经过三维扫描便可以通过机器人进行雕刻加 工，效率得以提高，生产周期变得更短。针对机器人的加工仿真系统是基于 v e 对c u t 软件的，可以在加工之前验证加工程序的准确性，确保加工的成功。 1 4 课题的内容及章节安排 本课题对石材立体工艺制品进行分析，结合石材工艺制品的加工特点，提出 适用于石材雕刻工艺制品加工的工业机器人系统方案。本文包括两大部分内容： ( 1 ) 通过分析加工要求，制定机器人的机械结构方案；并结合机械、电子一 体化技术，计算并设计石材立体工艺制品雕刻机器人的机械结构。 ( 2 ) 研究分析用于石材工艺制品雕刻的数据模型，确定使用三角网格格式的 s t l 格式文件，然后分析并对s t l 格式模型进行刀位点的计算和刀位轨迹的规划； 最终结合机器人的运动学分析，通过运动学求逆以及机器人运动的轨迹规划得到 机器人各关节的运动变量，这一过程等同于数控机床的后置处理，在这里作为石 材立体工艺制品雕刻机器人后置处理，最后将生成的数控代码通过v e p d c u t 进行 加工仿真，验证研究的正确性。 本文研究内容的组成如图1 3 所示： 图1 3 研究内容组成 论文的章节结构安排如下： 第1 章：介绍了石材雕刻工艺制品的应用，以及加工的主要方法和加工时存 在的问题。阐述了国内外工业机器人用于雕刻切削加工的研究现状，以及国外有 关石材制品加工机器人的产品及其结构形式。明确本课题的研究目标，以及本课 题对于石材雕刻加工领域中改善工人的工作环境以及提高加工质量和加工效率的 重要性及其意义。 第2 章：通过分析石材雕刻工艺制品的加工方式，参考国内外工业机器人的 6 第1 章绪论 结构形式，以及用于石材工艺制品加工设备的加工工具，确定石材立体工艺制品 雕刻机器人的结构方案和自由度分配。再依据石材切削加工时的切削参数对切削 力进行估算，选择设计用于石材立体工艺制品雕刻机器人机械本体的结构参数以 及驱动方案。 第3 章：分析说明刚体空间位姿描述以及位姿变换，应用于机器人运动学分 析中。根据所设计石材立体工艺制品雕刻机器人的参数求得其d h 参数，并对机 器人进行运动学分析，求得各关节的d h 矩阵。 第4 章：对s t l 文件进行分析，结合目前关于三角网格刀位点的算法的研究， 提出基于s t l 三角面片结构的刀位点的计算方式，并将算法结合v c 6 0 和o p e n g l 完成对s t l 文件处理。根据生成的刀位点文件，结合刀位轨迹的生成方式，将生 成的刀位点连接起来，生成加工刀位轨迹。 第5 章：结合石材立体工艺制品雕刻机器人的运动学分析以及生成的刀位轨 迹，进行石材立体工艺制品雕刻机器人的后置处理。通过刀位轨迹切削点的坐标 以及刀具位姿，求石材立体工艺制品雕刻机器人的逆解，得到石材立体工艺制品 雕刻机器人各关节的运动变量，从而生成用于驱动石材立体工艺制品雕刻机器人 的数控代码。 第6 章：在数控加工仿真软件v e r i c u t 中建立石材立体工艺制品雕刻机器人 模型，并进行相应的控制配置和仿真设置。将后置处理生成的石材立体工艺制品 雕刻机器人数控代码导入v e r i c u t 中进行加工仿真，检验数控程序的正确性。 第2 章石材立体丁艺制品雕刻机器人机械结构设计 第2 章石材立体工艺制品雕刻机器人结构设计 石材立体工艺制品雕刻机器人的机械结构是加工系统的基础，是雕刻任务的 执行者。石材立体工艺制品雕刻机器人的机械结构、参数直接影响加工产品的质 量和加工效率，因此，其机械结构的设计尤为关键。基于石材立体工艺制品雕刻 机器人的数控程序也是以其机械结构为依据产生的，机械结构设计是后续工作的 基础。 课题所设计石材立体工艺制品雕刻机器人加工对象为外形不规则的石材异型 制品，加工表面一般为自由曲面，工件的最大尺寸为直径d = l o o o m m ，高h = 2 0 0 0 m m 。 本章通过对加工要求进行分析，确定了石材立体工艺制品雕刻机器人结构方案， 结合加工时的具体加工要求以及加工参数，对石材立体工艺制品雕刻机器人的机 械结构进行具体设计。 2 1 石材立体工艺制品雕刻机器人机械结构方案制定 石材立体工艺制品雕刻机器人机械结构方案的制定要满足加工要求，同时应 该具备设计上的可行性。因而制定机械结构方案要对加工要求进行分析，结合实 际要求提出可靠的设计思路。 按照在加工中所承担的功能的不同可以将石材立体工艺制品雕刻机器人为分 末端执行器和石材立体工艺制品雕刻机器人本体两部分【2 1 之2 1 ，如图2 1 所示。 图2 1 石材立体工艺制品雕刻机器人加工方案 末端执行器是雕刻加工中刀具切削的执行部件，其方案制定要结合石材工艺 制品加工的加工特点和具体工艺参数。石材立体工艺制品雕刻机器人本体机械结 构的方案设计要满足石材工艺制品加工工艺的要求，在布局以及自由度分配方面 要满足工艺要求，在结构上要符合刚度和强度等要求，驱动的方案的制定也要满 足控制、加工时动力等方面的要求。 因此石材立体工艺制品雕刻机器人机械结构设计可以分为两部分：末端执行 器的设计、机器人本体和驱动设计。 9 山东大学硕士学位论文 2 1 1 末端执行器方案制定 末端执行器的作用是驱动刀具对工件进行切削加工，是切削主运动的实施者。 末端执行器对于加工生产起着重要的作用，因此要根据加工实际确定适合用于石 材立体工艺制品雕刻机器人末端执行器的结构方案。 一般而言，末端执行器是指安装在工业机器人手臂末端的功能执行部件，在 石材立体工艺制品雕刻机器人中，末端执行器的作用是安装并带动切削刀具对石 料进行切削加工。在切削加工的过程中，石材立体工艺制品雕刻机器人的末端执 行器应该具备以下功能【2 2 】： ( 1 ) 加工刀具的装夹功能，加工刀具是进行石材雕刻切削加工的工具，末端 执行器的任务是驱动加工刀具进行切削加工。因此，加工刀具的装夹是末端执行 器的基本功能。 ( 2 ) 自动换刀功能，在石材立体工艺制品雕刻机器人进行雕刻加工时，会根 据不同的：j - r 情况和加工要求使用不同类型的加工刀具，因此需要及时更换刀具 进行加工。在自动化要求越来越高的现代生产中渐渐取消了人工换刀，一方面人 工换刀会降低效率，另一方面存在生产安全等问题。目前的数控加工设备基本都 是可以自动换刀的，这就要求石材立体工艺制品雕刻机器人末端执行器本身应该 具有自动换刀功能，这也是末端执行器的基本功能之一。 ( 3 ) 驱动及变速功能，对于加工的切削刀具必须使其旋转方可进行加工，因 此末端执行器应该具备驱动刀具这个基本功能；在加工时由于工况的不同，刀具 的不同，对应的转速要求也不相同，如对于雕刻刀转速可高达1 0 0 0 0 r m i n ，而对于 圆盘锯其转速可低至2 0 0 0 3 0 0 0 r “r a i n ，因此要求末端执行器本身要具有调速的功 能，且调整范围应满足加工的要求。 ( 4 ) 其它的一些辅助功能，如切削液接口，与石材立体工艺制品雕刻机器人 本体的安装接口等。另外由于在进行石材加工时较多采用水为切削液，因此末端 执行器还要有一定的防水密封功能。 参考石材制品加工中心以及其它石材制品加工设备，实现以上功能的末端执 行器方案有两种： ( 1 ) 采用先进的电主轴驱动，电主轴又称主轴式电机，它本身带有变速，刀 具装夹，换刀等功能，部分电主轴带有切削液接口。 ( 2 ) 采用电机式驱动，附加设计刀具装夹，换刀及变速装置。 目前电主轴已在加工中心中广泛应用，采用电主轴有以下优点：可进行灵活 调速，最大转速较高，电主轴驱动取消了齿轮变速箱的传动以及与电动机的连接， 同时还具有结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪声低、响应快等优点。但是 1 0 第2 章石材立体工艺制品雕刻机器人机械结构设计 电主轴的价格相对比较高，会增加生产的投入成本。 采用电机式驱动，需要设计附属的变速装置和刀具装夹装置。采用电机式驱 动有成本低，维修简单等优点。缺点是，由于有附属的刀具装夹装置和变速机构， 使得末端执行器的外形尺寸较大，重量也会相应的增加。电机式驱动转速调节范 围有限，变速控制较复杂。 对于石材立体工艺制品雕刻机器人而言，末端执行器位于石材立体工艺制品 雕刻机器人本体的末端，末端执行器的质量越大对石材立体工艺制品雕刻机器人 产生形变越大，对于加工运动精度的影响也越大，因此对石材立体工艺制品雕刻 机器人刚度和强度要求也相应提高，因而在设计中应该尽量使末端执行器的质量 轻一点。综合考虑电主轴和电机式驱动的优缺点，电主轴由于其质量轻，变速控 制便捷，自带自动换刀功能等优点，决定采用电主轴作为石材立体工艺制品雕刻 机器人末端执行器的驱动单元。 采用电主轴作为主轴，需要选择刀具和刀柄等部件，末端执行器的结构方案 如图2 2 所示。 b 碧巍 毒 手迁钉 色删 零 夕j 具 图2 - 2 末端执行器的结构方案 2 1 2 石材立体工艺制品雕刻机器人本体结构方案制定 石材立体工艺制品雕刻机器人本体是加工运动的执行部件，末端执行器靠石 材立体工艺制品雕刻机器人本体驱动进行空间位置的变化，切削刀具的位姿也要 靠石材立体工艺制品雕刻机器人本体的运行进行调整，从而完成对石料的切削加 工。石材立体工艺制品雕刻机器人属于工业机器人，它的机械结构方案可以参考 工业机器的结构进行制定。结构方案可分为自由度分配和石材立体工艺制品雕刻 机器人关节形式两部分。 本课题设计研究的石材立体工艺制品雕刻机器人所加工制品为最大尺寸为直 径d = l o o o m m ，高h = 2 0 0 0 m m 的石材异型制品，加工的表面一般为自由曲面。结合 一 一 _ l ；、 山东人学硕士学位论文 产品的加工要求，石材立体工艺制品雕刻机器人的设计应该满足：加工刀具末端 在石材立体工艺制品雕刻机器人的驱动下要达到所加工产品的尺寸范围，加工刀 具在石材立体工艺制品雕刻机器人的驱动下可以将位姿调整到进行相应曲面加工 的要求。 常见的工业机器人有如下几种类型【刀：( 1 ) 关节型，( 2 ) 球坐标型，( 3 ) 直角 坐标型，( 4 ) 平面关节型，( 5 ) 圆柱坐标型。目前在工业领域用得最多是关节型 机器人，其结构如图2 3 所示。关节型机器人灵活性能好，被广泛应用于工业生产， 如焊接机器人，自动装配机器人以及用于机加工的机器人等。 图2 3 关节型机器人 目标加工产品的尺寸空间是长圆柱体，采用常见的关节型机器人若要达到加 工空间要求会使机器人大臂和小臂的尺寸非常大，并且冗余的机器人工作空间也 非常大，工作空间没有得到充分利用。结合加工生产要求，提出采用立柱平面关 节型机器人的方案，其结构形式如图2 4 所示。 图2 4 立柱平面关节式机器人简图 采用立柱配合平面关节的运动，可以满足加工空间要求，同时使冗余的工作 空间较少；平面关节型机器人的刚性好，加工时可以更好的保证加t 精度和加t 质量。加工的对象是自由曲面，为满足加工要求要使加工刀具以任何位姿态对工 -r1 z 第2 章石材立体t 艺制品雕刻机器人机械结构设计 件表面进行切削加工，为实现这个要求，在石材立体工艺制品雕刻机器人本体上 分配5 个自由度，同时附加一回转台作为加工时的辅助转动。机器人上的5 个自 由度分别为立柱的滑动，大臂绕肩部的回转，小臂绕肘部回转，以及腕部的回转 和摆动，为1 p 4 r + i r 形式。 2 1 3 石材立体工艺制品雕刻机器人驱动方案制定 石材立体工艺制品雕刻机器人的驱动方案是指驱动机器人运动所采取的动力 方式，目前工业机器人的驱动方式主要有液压驱动和电气驱动，另外还有气压驱 动等。工业机器人的驱动方式主要还是在液压驱动和电气驱动之中进行选择。 液压驱动可以提供大的力矩，在大载荷的工业机器人中使用广泛。但是，液 压驱动使用成本较高，控制较为复杂。电气驱动主要是采用电机配合变速装置进 行驱动，电机驱动控制方便，结构较简单，成本较低。电机驱动的不足是所能提 供的力矩有限，主要应用于中小载荷的机器人中。 综合类比目前的工业机器人的载荷状况和驱动形式，对比所设计的石材立体 工艺制品雕刻机器人的载荷。经分析类比得出，石材立体工艺制品雕刻机器人属 于中型载荷，采用电机驱动各关节可以满足加工时的动力要求，介于电机驱动的 优点，决定驱动形式采用电机驱动。 立柱的驱动方案制定：立柱为上下滑动运动，采用滚珠丝杠配合伺服电机进 行驱动，同时为了降低驱动负载以及减少立柱的受力弯曲，在立柱另一侧悬挂配 重块，其结构简图如图2 。5 所示。 图2 - 5 立柱驱动方案结构简图 转动关节以及回转台的驱动方案制定：均采用减速机配合伺服电机进行驱动， 山东大学硕士学位论文 减速机是机器人传动的关键，在驱动中起着传动和变速的作用。由于机器人对传 动精度要求高，采用普通的传动方式难以实现，减速机有精度高结构紧凑的优点 在工业机器人中应用甚多。目前用于工业机器人的减速机主要有谐波减速机和r v 减