工業(yè)機器人輔助數(shù)控精密木雕加工中心研究

鄭 嬌，汪 蘇，苗新剛

（北京建筑工程學(xué)院 北京市建筑安全監(jiān)測工程技術(shù)研究中心，北京 100044）

0 引言

近幾年雕刻藝術(shù)越來越受到人們的關(guān)注。傳統(tǒng)的手工雕刻方法對工匠技術(shù)水平的要求極高，而且還具有時間周期長、效率低等特點，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)在人們的需求。機器人輔助數(shù)控精密木雕加系統(tǒng)，在數(shù)控雕刻加工系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加入機器人設(shè)計，能夠完成較為復(fù)雜的加工工藝。它具有數(shù)據(jù)采集、處理、加工路徑生成、雕刻一體化的設(shè)計，大大的提高了雕刻精度及生產(chǎn)效率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

工業(yè)機器人輔助數(shù)控精密木雕加工系統(tǒng)是一項基于設(shè)計、開發(fā)、數(shù)據(jù)采集處理、數(shù)據(jù)輸出與加工等多項工作為一體的研究系統(tǒng)。本系統(tǒng)可以實現(xiàn)平面浮雕、鏤空雕刻、空間立體雕刻等多種功能。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作流程

系統(tǒng)主要包括圖像采集、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)輸出與加工子系統(tǒng)等四個部分。

系統(tǒng)通過3D 掃描儀、Artcam 等一系列軟件進(jìn)行圖像采集、處理。生成模型，經(jīng)過處理最終生成控制系統(tǒng)所識別的NC 代碼?？刂葡到y(tǒng)通過PC 機完成NC 代碼的讀取、加工路徑的仿真、及代碼的輸出，控制機床進(jìn)行加工處理。加工過程通過機床來完成，機床根據(jù)接收到的指令，選擇不同的工作方式，最終完成浮雕、立體雕刻任務(wù)。系統(tǒng)工作流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作流程圖

工業(yè)機器人輔助數(shù)控精密木雕加工中心是綜合多種雕刻功能為一體的雕刻系統(tǒng)。所以在圖像采集處理上需要采用不同的軟件進(jìn)行處理。系統(tǒng)采用3D 掃描儀、Artcam、JD、犀牛等多種軟件進(jìn)行模型掃描、建模、路徑仿真及加工代碼生成?？刂葡到y(tǒng)包括PC 機、控制卡及伺服，主要對路徑進(jìn)行仿真和控制機床進(jìn)行加工處理。

1.2 數(shù)控雕刻加工中心

雕刻機采用四軸空間結(jié)構(gòu)，分別為X、Y、Z 軸，另外在立體雕刻空間還有一旋轉(zhuǎn)臺，轉(zhuǎn)軸為A 軸。旋轉(zhuǎn)軸A 軸的主要作用是完成立體加工，在進(jìn)行立體雕刻時，旋轉(zhuǎn)軸根據(jù)程序的設(shè)定，進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)或是進(jìn)行翻轉(zhuǎn)完成立體雕刻。旋轉(zhuǎn)臺的設(shè)計，是雕刻機完成立體雕刻的關(guān)鍵。雕刻機外形需采用真空吸附式平臺，Y 軸龍門式移動，工業(yè)輔助機器人安裝在龍門架上，雕刻機頭安裝在機器人末端軸上，通過龍門架和機器人的協(xié)調(diào)動作來完成各種復(fù)雜的雕刻任務(wù)。如圖2所示。

圖2 數(shù)控木雕機結(jié)構(gòu)圖

1.3 機器人介紹

系統(tǒng)采用MOTOMAN-MH50 型機器人，該機器人為垂直多關(guān)節(jié)形結(jié)構(gòu)，機器人按關(guān)節(jié)分為S 軸、L 軸、Y軸、R 軸、B 軸、和T 軸，這種結(jié)構(gòu)具有動作靈活、工作空間大、干涉小等特點，適合完成復(fù)雜結(jié)構(gòu)雕刻的任務(wù)。機器人通過按動示教編程器上的軸操作鍵，可以實現(xiàn)機器人在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系中每個軸所需的動作。如圖3所示。

圖3 關(guān)節(jié)動作示意圖

1.4 機器人輔助作用及工作流程

對于一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的立體雕刻，僅依靠旋轉(zhuǎn)軸的輔助作用，是無法達(dá)到目的的。在這種情況下，就需要增加機器人的設(shè)計，利用機器人可以進(jìn)行多角度加工的特點，去雕刻這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

機器人與雕刻機之間通過I/O 來交互信息。當(dāng)?shù)窨虣C完成工作時，向機器人發(fā)送指令，機器人接收到指令，同時向雕刻機發(fā)出 “信息已接收” 指令，這時雕刻機離開工作位置，機器人移動到工作位置，機器人開始進(jìn)行雕刻；當(dāng)機器人完成雕刻任務(wù)之后，同樣向雕刻機發(fā)出指令，雕刻機接收到指令之后向機器人發(fā)出 “信息已接收” 指令，這時機器人離開工作位置，由雕刻機繼續(xù)工作。機器人與雕刻機之間的信息傳遞如圖4所示。

機器人工作方式：機器人采用離線編程方式，這種工作方式比傳統(tǒng)的示教編程方法更快、個有效。系統(tǒng)采用Powermill 機器人模塊，完成機器人語言的編程。工作流程如圖5所示。

圖5 機器人工作流程圖

2 成品展示

該系統(tǒng)經(jīng)過多次試驗與調(diào)試，現(xiàn)在已經(jīng)可以進(jìn)行正常工作，并可以加工各種成品。其中包括浮雕、立體雕刻成品。圖6 為該中心的加工成品。

圖6 浮雕、圓雕成品圖

3 結(jié)論

論文介紹了工業(yè)機器人輔助數(shù)控精密木雕加工系統(tǒng)的工作過程，以及各個子系統(tǒng)之間的復(fù)雜關(guān)系；系統(tǒng)加入機器人設(shè)計，為完成復(fù)雜結(jié)構(gòu)工藝雕刻提供平臺。系統(tǒng)相比于普通數(shù)控雕刻加工系統(tǒng)的優(yōu)勢在于對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)工藝的加工。

[1]惲志東.基于Mastercam X Art 的浮雕設(shè)計與數(shù)控加工[J].工具技術(shù)，2009，42.

[2]Angeles J.，宋偉剛（譯）.機器人機械系統(tǒng)原理[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[3]金振林.新型六自由度正交并聯(lián)機器人設(shè)計理論與應(yīng)用技術(shù)研究[D].燕山大學(xué)，2002.