智能雕刻機及全自動數控雕刻方法
2023-08-01 12:46:46
智能雕刻機及全自動數控雕刻方法
【專利摘要】本發明提出了一種智能雕刻機，包括機架、工作檯、執行機構、刀具、CNC控制系統以及水冷系統；執行機構安裝在機架上，刀具安裝在執行機構上，工作檯位於執行機構下方；還包括計算機控制系統以及用於獲取物體曲面變化軌跡的三維掃描儀；三維掃描儀和CNC控制系統均與計算機控制系統電性連接；計算機控制系統通過外部IO控制接口驅動執行機構和水冷系統工作；計算機控制系統執行圖形匹配，和其他部分的自動控制。本發明能自動附和掃描到的實物圖像，免去人工測量實物，快速建立加工模型，提高工作效率，縮短加工周期，降低人力成本。
【專利說明】智能雕刻機及全自動數控雕刻方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及雕刻機及雕刻加工方法。
【背景技術】
[0002]現在市面上比較通用的雕刻機市場有兩種主流方式:一種是工業模具的設計和雕刻；另外一種是工藝美術品的設計和雕刻。
[0003]工業模具設計的設計和雕刻加工過程是由專業的模具設計人員通過PR0/E、CAXA、SOLIDffORDS, MasterCAM等專業設計軟體進行模具設計，由CNC技術員在生成G代碼文件，導入到CNC加工中心進行加工，加工過程需要人工操作和更換刀具。模具的設計和CNC雕刻分別需要兩個專業的技術人員參與，也需要兩套軟體和不同的設備。導致企業需要較多的人員，並且由於人員的溝通和技能水平的不同操作起來比較費時，效率不高。
[0004]工藝品的設計和雕刻總體技術含量要高於模具的設計和雕刻，先由專業的美術設計專家做好物體的造型，再由精雕軟體仿圖，而後再生成加工文件，由數控雕刻機加工出來，該過程需要2— 3個專業的人員參與，實物的造型要由人工進行測量，仿圖需要結合測量的參數設計，因而需要2— 3套軟體結合才能實現，現在各種圖像設計軟體的成本也比較高，操作也需要專業的人員使用。設計和仿形過程也很複雜、漫長。
[0005]此外，對於三維加工的刀具控制，需要針對具體的刀具參數進行控制程序的編寫，對於實際要加工的曲面可能不採用特定參數的刀具就無法加工或加工效果差，此時又需要重新編寫控制程序，因此控制程序必須在待加工曲面的數據完全確認好後才能進行編寫，使得實際加工周期進一步延長。
【發明內容】
[0006]針對上述現有技術不足，本發明要解決的技術問題是提供一種自動化的智能雕刻機，能有效匹配實物樣品，得出虛擬模型圖樣，控制刀具進行加工。為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案為:智能雕刻機，包括機架、工作檯、執行機構、刀具、CNC控制系統以及水冷系統；執行機構安裝在機架上，刀具安裝在執行機構上，工作檯位於執行機構下方；還包括計算機控制系統以及用於獲取物體曲面變化軌跡的三維掃描儀；三維掃描儀和CNC控制系統均與計算機控制系統電性連接；計算機控制系統通過外部1控制接口驅動執行機構和水冷系統工作；
[0007]計算機控制系統還用於:建立曲面模型並以方程式表示；從三維掃描儀讀取物體曲面變化軌跡的數據；對曲面變化軌跡上的點進行參數化，曲面變化軌跡上的一點Pk的參數為(uk, Vk),所組成的點集為P= {pk;k = I, 2, 3...η},得出逼近該點集P的參數曲面S =
S (U，V);對該參數化的曲面的每個點pk,以參數(七取代參數(uk, vk)進行參數值優化；
把優化後的參數值對應的點所組成的點集分割成若干部分分別與曲面模型進行匹配，得出待加工曲面的方程，待加工曲面的方程上的點為待加工的切觸點；控制執行機構上的刀具根據待加工曲面的方程加工出待加工曲面。設計好的實物產品直接由三維掃描儀掃描，並有計算機控制系統匹配得出待加工曲面的方程，縮短加工周期，並免去因實物測量與待加工曲面建模兩個工序需要兩個領域的專業人員而導致的溝通效率低的問題。
[0008]進一步的技術方案為，計算機控制系統還用於:把參數(Oi)按如下公式(I)或公式(2)對參數(uk，vk)進行取代，公式(I):
「_ι ?^1=? s ■s'' Υ?(凡—如，a )).M+〔).UJ Lu si J 夕u.x.j UJ,
[0010]其中，Su、Sv表示曲面S在參數值為(uk，vk)處的偏導數；公式(2):
r,mi1 ( S；-Stm-(P-S) SJr-Silr-(P-S)Y^-Uk) (S1l-(Pk-S))
[0011], Λ 二 ? , ； [SllSv-Slir-(P-S) s；-Sw-(P-S) JU—vJ bUJ
[0012]其中，Su、Sv表示曲面S在參數值為(uk，vk)處的偏導數，3111、51?、5?表示曲面3在參數值為(uk，vk)處的二階偏導數；
[0013]反覆調用公式(I)或公式(2)直到收斂於一點，得出優化後的參數值對應的點所組成的點集。
[0014]再進一步的技術方案為，所述計算機控制系統還用於:控制執行機構進行雕刻工作時，對刀具工作軌跡進行三維刀具半徑補償計算；三維刀具半徑補償計算時，刀具的刀心與待加工表面切觸點的關係滿足公式組(3):
「00151 xo = + nX "丨 + I , ' ^ (."-及I)，
ψκ+κ
η ,.
[0016]yo=yP+ nyRv + I , (R -R')』
v,?v+n;
[0017]z0 = ZjnzR1 ；
[0018]其中，(xp, yp, zp)為切觸點的坐標，(nx，ny，nz)為切觸點的單位法矢量，(xQ, yQ, z。)為刀具的刀心的坐標；R為刀具的刀身的半徑,R1為刀具的刃口的半徑。這樣的方案使編寫控制程序時可以無需考慮刀具的類型和半徑參數，在進行加工時直接由計算機控制系統對原有的控制程序進行半徑補償計算，縮短加工周期。
[0019]更進一步的技術方案為，機架上還設有可活動的刀具盤，刀具盤上設有多個刀具工位，每個刀具工位均放置不同刀具；計算機控制系統還用於:通過切觸點集合曲面方程計算所需的刀具類型及參數；通過外部1控制接口驅動刀具盤運動，並控制執行機構運動，把所需的刀具從刀具盤的刀具工位上安裝到執行機構的主軸上。這樣的方案使得刀具的選擇和更換可以自動匹配，降低對人工經驗的依賴程度，免去人工換刀操作，進一步縮短加工周期。
[0020]優選地，所述CNC控制系統為CNC數控加工控制卡。這樣的方案可以直接由計算機控制系統輸出加工指令給執行機構，CNC控制系統、執行機構在調用設備的硬體參數時，都可以由計算機控制系統進行人機互動模擬展示。
[0021]本發明還提出了一種全自動數控加工雕刻方法，包括
[0022]步驟1:計算機內建立曲面模型，並用方程表示；
[0023]步驟2:三維掃描儀對物體進行掃描，獲得物體曲面變化軌跡；
[0024]步驟3:對物體曲面變化軌跡上的點進行參數化，曲面變化軌跡上的一點Pk的參數為(uk, vk),所組成的點集為P= {pk;k = I, 2, 3...η},得出逼近該點集P的參數曲面S =S (U，V)；
[0025]步驟4:對該參數化的曲面的每個點pk，以參數，之)取代參數(uk, vk)進行參數值優化；
[0026]步驟5:把優化後的參數值對應的點所組成的點集分割成若干部分分別與曲面模型進行匹配，得出待加工曲面的方程，待加工曲面的方程上的點為待加工的切觸點；
[0027]步驟6:計算機控制執行機構工作使刀具雕刻出待加工曲面。
[0028]進一步的技術方案為，所述步驟4具體為:把參數(Dt )按如下公式(I)或公式
(2)對參數(uk，vk)進行取代，公式(I):
[0029]= ? S" S"' Sv V 1、Pk — S^k，V』.又)+〔I.UJ Si J
[0030]其中，Su、Sv表示曲面S在參數值為(uk，vk)處的偏導數；公式(2):
(S--Smt-(P-S) SuSr-Suv-(P-S)Yuk -^Λ = ρ?-(pk-s)\
[SllSv-Suv-(P-S) S^-Sw-(P-S)—U..(A'-*S)J，
[0032]其中，Su、Sv表示曲面S在參數值為(uk，vk)處的偏導數，3111、51?、5?表示曲面3在參數值為(uk，vk)處的二階偏導數；
[0033]反覆調用公式(I)或公式(2)直到收斂於一點，得出優化後的參數值對應的點所組成的點集。
[0034]再進一步的技術方案為，所述步驟6中，計算機還執行三維刀具半徑補償計算，三維刀具半徑補償計算時，刀具的刀心與待加工表面切觸點的關係滿足公式組(3):
[0035]
V XV
v - f
「V0 = V , + H' R, +".=(R — R.)
_6] /0 ~ > I{
ν.>
[0037]z0 = ZjnzR1 ；
[0038]其中，(xp, yp, zp)為切觸點的坐標，(nx，ny，nz)為切觸點的單位法矢量，(x。，y。，z。)為刀具的刀心的坐標洱為刀具的刀身的半徑，R1為刀具的刃口的半徑。
[0039]更進一步的技術方案為，所述步驟6中，進行刀具雕刻工作前，還進行刀具自動匹配更換操作，具體為:把不同類型或不同半徑的刀具安放在指定位置；計算機通過待加工曲面的方程匹配出所需的刀具的類型或半徑，控制執行機構移動至所需的刀具的指定位置，把該所需的刀具安裝在執行機構上。
[0040]本發明的有益效果在於:免去人工測量實物，快速建立加工模型，提高工作效率，縮短加工周期，降低人力成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0041]圖1是本發明的智能雕刻機的結構示意圖。
[0042]圖2是本發明的智能雕刻機的控制方式示意圖。
[0043]圖3是本發明的智能雕刻機的刀具結構示意圖。
【具體實施方式】
[0044]下面結合附圖與具體實施例對本發明做進一步的詳細敘述。
[0045]如圖1和圖2所示，本發明的智能雕刻機，包括機架1、工作檯11、執行機構2、刀具21、CNC控制系統12以及水冷系統13 ;執行機構2安裝在機架I上，刀具21安裝在執行機構2上，工作檯11位於執行機構2下方；還包括計算機控制系統4以及用於獲取物體曲面變化軌跡的三維掃描儀41 ;三維掃描儀41和CNC控制系統12均與計算機控制系統4電性連接；計算機控制系統4通過外部1控制接口 42驅動執行機構2和水冷系統13工作；機架I上還設有可活動的刀具盤14，刀具盤14上設有多個刀具工位15，每個刀具工位15均用於放置不同刀具21，計算機控制系統4同時控制執行機構2和刀具盤14動作，使刀具工位15的刀具更換或安裝至執行機構2的主軸上；本實施例中，刀具盤14是採用圓盤的形式，可繞圓心轉動，轉動後使不同的刀具工位15靠近執行機構2的主軸；也可以採用其他形式，例如絲杆與電機配合使刀具工位的位置移動，又或者刀具工位不活動而直接由執行機構2使其主軸移動到固定的刀具工位上。執行機構2採用常見絲杆與伺服電機運作形式，也可以是使用其他三維移動方式，執行機構的具體形式不是本發明的技術改進要點，限於篇幅不再贅述。
[0046]計算機控制系統4還用於:建立曲面模型並以方程式表示，本實施例中曲面模型採用二次曲面作為基礎模型，在工業設計中，大多數物體外形都可以由多個不同類型的二次曲面，例如橢球面、雙曲面等，分別去匹配物體的不同部位，當然也可以採用其他類型的曲面作為基礎模型；
[0047]從三維掃描儀41讀取物體曲面變化軌跡的數據；對曲面變化軌跡上的點進行參數化，即對各個點建立起坐標數據等，曲面變化軌跡上的一點Pk的參數為(Uk, vk),這裡的參數僅為數據處理需要，並不一定需要具有實際物理意義的物理量，所組成的點集為P ={pk;k = I, 2, 3...η},得出逼近該點集P的參數曲面S = S(u, ν),這個參數曲面僅為粗略逼近的參數曲面；
[0048]對該參數化的曲面的每個點pk,以參數取代參數(uk, vk)進行參數值優化，其中，把參數(七，圮)按如下公式(I)或公式(2)對參數(uk，vk)進行取代，公式(I):
_]卜W sl ■勺—丫(Λ-卜 UJ U<'Vv Si J [(λ- ))-5J [vj'
[0050]其中，Su、Sv表示曲面S在參數值為(uk，vk)處的偏導數；
[0051]公式(2):
f S；-Sliu-(P-S) SuSv-Sm,-(P-S)Ytlk-Uk) (Stl-(Pk-S))
[0052].Λ二 ^；[StlSv-Sllv-(P-S) S^-Snr(P-S) Xvk-Vk) [Sv-(Pk-S))
[0053]其中，Su、Sv表示曲面S在參數值為(uk，vk)處的偏導數，3111、51?、5?表示曲面3在參數值為(uk，vk)處的二階偏導數；反覆調用公式(I)或公式(2)直到收斂於一點，得出優化後的參數值對應的點所組成的點集；公式(I)與公式(2)對比，由於忽略了二階偏導數的項，因此對於曲面變化程度較大的情況，公式(I)得出的結果偏差較大；而對於曲面變化程度較小的情況，其二階偏導數的項非常小，可忽略不計，公式(I)與公式(2)的結果相當，但採用公式(I)計算量大大減少。
[0054]把優化後的參數值對應的點所組成的點集分割成若干部分分別與曲面模型進行匹配，得出待加工曲面的方程，待加工曲面的方程上的點為待加工的切觸點；控制執行機構2上的刀具21根據待加工曲面的方程加工出待加工曲面；其中，控制執行機構2進行雕刻工作時，對刀具21工作軌跡進行三維刀具半徑補償計算；三維刀具半徑補償計算時，刀具21的刀心與待加工表面切觸點的關係滿足公式組(3):
【權利要求】
1.智能雕刻機，包括機架、工作檯、執行機構、刀具、CNC控制系統以及水冷系統；執行機構安裝在機架上，刀具安裝在執行機構上，工作檯位於執行機構下方；其特徵在於:還包括計算機控制系統以及用於獲取物體曲面變化軌跡的三維掃描儀；三維掃描儀和CNC控制系統均與計算機控制系統電性連接；計算機控制系統通過外部1控制接口驅動執行機構和水冷系統工作； 計算機控制系統還用於:建立曲面模型並以方程式表示；從三維掃描儀讀取物體曲面變化軌跡的數據；對曲面變化軌跡上的點進行參數化，曲面變化軌跡上的一點的參數為，所組成的點集為，得出逼近該點集的參數曲面；對該參數化的曲面的每個點，以參數取代參數進行參數值優化；把優化後的參數值對應的點所組成的點集分割成若干部分分別與曲面模型進行匹配，得出待加工曲面的方程，待加工曲面的方程上的點為待加工的切觸點；控制執行機構上的刀具根據待加工曲面的方程加工出待加工曲面。
2.根據權利要求1所述的智能雕刻機，其特徵在於:計算機控制系統還用於:把參數(?,?)按如下公式(I)或公式(2)對參數(uk，vk)進行取代，公式(I):
其中，su、Sv表示曲面S在參數值為(uk，vk)處的偏導數；公式(2):
其中，Su、Sv表示曲面S在參數值為(uk, Vk)處的偏導數,SUU、SUV、SVV表示曲面S在參數值為(Uk，Vk)處的二階偏導數； 反覆調用公式(I)或公式(2)直到收斂於一點，得出優化後的參數值對應的點所組成的點集。
3.根據權利要求1或2所述的智能雕刻機，其特徵在於:所述計算機控制系統還用於:控制執行機構進行雕刻工作時，對刀具工作軌跡進行三維刀具半徑補償計算；三維刀具半徑補償計算時，刀具的刀心與待加工表面切觸點的關係滿足公式組(3):
其中，(xp, yp, Zp)為切觸點的坐標，(nx，ny，nz)為切觸點的單位法矢量，(x0, y0, z0)為刀具的刀心的坐標洱為刀具的刀身的半徑，R1為刀具的刃口的半徑。
4.根據權利要求3所述的智能雕刻機，其特徵在於:機架上還設有可活動的刀具盤，刀具盤上設有多個刀具工位，每個刀具工位均放置不同刀具；計算機控制系統還用於:通過切觸點集合曲面方程計算所需的刀具類型及參數；通過外部1控制接口驅動刀具盤運動，並控制執行機構運動，把所需的刀具從刀具盤的刀具工位上安裝到執行機構的主軸上。
5.根據權利要求1所述的智能雕刻機，其特徵在於:所述CNC控制系統為CNC數控加工控制卡。
6.全自動數控加工雕刻方法，其特徵在於:包括 步驟1:計算機內建立曲面模型，並用方程表示； 步驟2:三維掃描儀對物體進行掃描，獲得物體曲面變化軌跡； 步驟3:對物體曲面變化軌跡上的點進行參數化，曲面變化軌跡上的一點Pk的參數為(uk, vk),所組成的點集為P = {pk;k = I, 2, 3...η},得出逼近該點集P的參數曲面S =S (U，V)； 步驟4:對該參數化的曲面的每個點pk,以參數代參數(uk, vk)進行參數值優化； 步驟5:把優化後的參數值對應的點所組成的點集分割成若干部分分別與曲面模型進行匹配，得出待加工曲面的方程，待加工曲面的方程上的點為待加工的切觸點； 步驟6:計算機控制執行機構工作使刀具雕刻出待加工曲面。
7.根據權利要求6所述的全自動數控加工雕刻方法，其特徵在於:所述步驟4具體為:把參數(七，之)按如下公式(I)或公式(2)對參數(uk，vk)進行取代，公式(I):
% Si S11.Sv λ l({pk - s{uk，Vi )).&〕+〔 lh λ.Λ-J In, S； J [(Λ-[vj' 其中，Su、Sv表示曲面S在參數值為(uk，vk)處的偏導數；公式(2):
"^ — Sm1-(P-S) SllSv — Snv.(P — 5.)ΥUk — Uk) = fsu.{pk — Sj\.Ua—suv-(p-s) s； — &-(p-s) JU —、，kJ—U ■ (λ-—幻J』 其中，Su、Sv表示曲面S在參數值為(uk, Vk)處的偏導數,SUU、SUV、SVV表示曲面S在參數值為(uk，vk)處的二階偏導數； 反覆調用公式(I)或公式(2)直到收斂於一點，得出優化後的參數值對應的點所組成的點集。
8.根據權利要求7所述的全自動數控加工雕刻方法，其特徵在於:所述步驟6中，計算機還執行三維刀具半徑補償計算，三維刀具半徑補償計算時，刀具的刀心與待加工表面切觸點的關係滿足公式組(3): W "' Ri + I，{R -八】丨)
ψΚ+Κ
V<J
nv { ,
=.νμ+ηΛ+?==(?-Η,)
+K ，
zO = Zp+nzRl ； 其中，(xp, yp, zp)為切觸點的坐標，(nx，ny，nz)為切觸點的單位法矢量，(x0, y0, z0)為刀具的刀心的坐標洱為刀具的刀身的半徑，R1為刀具的刃口的半徑。
9.根據權利要求8所述的全自動數控加工雕刻方法，其特徵在於:所述步驟6中，進行刀具雕刻工作前，還進行刀具自動匹配更換操作，具體為:把不同類型或不同半徑的刀具安放在指定位置；計算機通過待加工曲面的方程匹配出所需的刀具的類型或半徑，控制執行機構移動至所需的刀具的指定位置，把該所需的刀具安裝在執行機構上。
【文檔編號】G05B19/4093GK104181864SQ201310188106
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2013年5月20日 優先權日:2013年5月20日
【發明者】段明利, 宋永鋒, 吳笑天, 歐作曙, 甘汨, 鍾志成 申請人:廣州市森特自動化控制技術有限公司