智能雕刻机及全自动数控雕刻方法
【专利摘要】本发明提出了一种智能雕刻机，包括机架、工作台、执行机构、刀具、CNC控制系统以及水冷系统；执行机构安装在机架上，刀具安装在执行机构上，工作台位于执行机构下方；还包括计算机控制系统以及用于获取物体曲面变化轨迹的三维扫描仪；三维扫描仪和CNC控制系统均与计算机控制系统电性连接；计算机控制系统通过外部IO控制接口驱动执行机构和水冷系统工作；计算机控制系统执行图形匹配，和其他部分的自动控制。本发明能自动附和扫描到的实物图像，免去人工测量实物，快速建立加工模型，提高工作效率，缩短加工周期，降低人力成本。
【专利说明】智能雕刻机及全自动数控雕刻方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及雕刻机及雕刻加工方法。
【背景技术】
[0002]现在市面上比较通用的雕刻机市场有两种主流方式:一种是工业模具的设计和雕刻；另外一种是工艺美术品的设计和雕刻。
[0003]工业模具设计的设计和雕刻加工过程是由专业的模具设计人员通过PR0/E、CAXA、SOLIDffORDS, MasterCAM等专业设计软件进行模具设计，由CNC技术员在生成G代码文件，导入到CNC加工中心进行加工，加工过程需要人工操作和更换刀具。模具的设计和CNC雕刻分别需要两个专业的技术人员参与，也需要两套软件和不同的设备。导致企业需要较多的人员，并且由于人员的沟通和技能水平的不同操作起来比较费时，效率不高。
[0004]工艺品的设计和雕刻总体技术含量要高于模具的设计和雕刻，先由专业的美术设计专家做好物体的造型，再由精雕软件仿图，而后再生成加工文件，由数控雕刻机加工出来，该过程需要2— 3个专业的人员参与，实物的造型要由人工进行测量，仿图需要结合测量的参数设计，因而需要2— 3套软件结合才能实现，现在各种图像设计软件的成本也比较高，操作也需要专业的人员使用。设计和仿形过程也很复杂、漫长。
[0005]此外，对于三维加工的刀具控制，需要针对具体的刀具参数进行控制程序的编写，对于实际要加工的曲面可能不采用特定参数的刀具就无法加工或加工效果差，此时又需要重新编写控制程序，因此控制程序必须在待加工曲面的数据完全确认好后才能进行编写，使得实际加工周期进一步延长。
【发明内容】
[0006]针对上述现有技术不足，本发明要解决的技术问题是提供一种自动化的智能雕刻机，能有效匹配实物样品，得出虚拟模型图样，控制刀具进行加工。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为:智能雕刻机，包括机架、工作台、执行机构、刀具、CNC控制系统以及水冷系统；执行机构安装在机架上，刀具安装在执行机构上，工作台位于执行机构下方；还包括计算机控制系统以及用于获取物体曲面变化轨迹的三维扫描仪；三维扫描仪和CNC控制系统均与计算机控制系统电性连接；计算机控制系统通过外部1控制接口驱动执行机构和水冷系统工作；
[0007]计算机控制系统还用于:建立曲面模型并以方程式表示；从三维扫描仪读取物体曲面变化轨迹的数据；对曲面变化轨迹上的点进行参数化，曲面变化轨迹上的一点Pk的参数为(uk, Vk),所组成的点集为P= {pk;k = I, 2, 3...η},得出逼近该点集P的参数曲面S =
S (U，V);对该参数化的曲面的每个点pk,以参数(七取代参数(uk, vk)进行参数值优化；
把优化后的参数值对应的点所组成的点集分割成若干部分分别与曲面模型进行匹配，得出待加工曲面的方程，待加工曲面的方程上的点为待加工的切触点；控制执行机构上的刀具根据待加工曲面的方程加工出待加工曲面。设计好的实物产品直接由三维扫描仪扫描，并有计算机控制系统匹配得出待加工曲面的方程，缩短加工周期，并免去因实物测量与待加工曲面建模两个工序需要两个领域的专业人员而导致的沟通效率低的问题。
[0008]进一步的技术方案为，计算机控制系统还用于:把参数(Oi)按如下公式(I)或公式(2)对参数(uk，vk)进行取代，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在参数值为(uk，vk)处的偏导数；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在参数值为(uk，vk)处的偏导数，3111、51?、5?表示曲面3在参数值为(uk，vk)处的二阶偏导数；
[0013]反复调用公式(I)或公式(2)直到收敛于一点，得出优化后的参数值对应的点所组成的点集。
[0014]再进一步的技术方案为，所述计算机控制系统还用于:控制执行机构进行雕刻工作时，对刀具工作轨迹进行三维刀具半径补偿计算；三维刀具半径补偿计算时，刀具的刀心与待加工表面切触点的关系满足公式组(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)为切触点的坐标，(nx，ny，nz)为切触点的单位法矢量，(xQ, yQ, z。)为刀具的刀心的坐标；R为刀具的刀身的半径,R1为刀具的刃口的半径。这样的方案使编写控制程序时可以无需考虑刀具的类型和半径参数，在进行加工时直接由计算机控制系统对原有的控制程序进行半径补偿计算，缩短加工周期。
[0019]更进一步的技术方案为，机架上还设有可活动的刀具盘，刀具盘上设有多个刀具工位，每个刀具工位均放置不同刀具；计算机控制系统还用于:通过切触点集合曲面方程计算所需的刀具类型及参数；通过外部1控制接口驱动刀具盘运动，并控制执行机构运动，把所需的刀具从刀具盘的刀具工位上安装到执行机构的主轴上。这样的方案使得刀具的选择和更换可以自动匹配，降低对人工经验的依赖程度，免去人工换刀操作，进一步缩短加工周期。
[0020]优选地，所述CNC控制系统为CNC数控加工控制卡。这样的方案可以直接由计算机控制系统输出加工指令给执行机构，CNC控制系统、执行机构在调用设备的硬件参数时，都可以由计算机控制系统进行人机交互模拟展示。
[0021]本发明还提出了一种全自动数控加工雕刻方法，包括
[0022]步骤1:计算机内建立曲面模型，并用方程表示；
[0023]步骤2:三维扫描仪对物体进行扫描，获得物体曲面变化轨迹；
[0024]步骤3:对物体曲面变化轨迹上的点进行参数化，曲面变化轨迹上的一点Pk的参数为(uk, vk),所组成的点集为P= {pk;k = I, 2, 3...η},得出逼近该点集P的参数曲面S =S (U，V)；
[0025]步骤4:对该参数化的曲面的每个点pk，以参数，之)取代参数(uk, vk)进行参数值优化；
[0026]步骤5:把优化后的参数值对应的点所组成的点集分割成若干部分分别与曲面模型进行匹配，得出待加工曲面的方程，待加工曲面的方程上的点为待加工的切触点；
[0027]步骤6:计算机控制执行机构工作使刀具雕刻出待加工曲面。
[0028]进一步的技术方案为，所述步骤4具体为:把参数(Dt )按如下公式(I)或公式
(2)对参数(uk，vk)进行取代，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在参数值为(uk，vk)处的偏导数；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在参数值为(uk，vk)处的偏导数，3111、51?、5?表示曲面3在参数值为(uk，vk)处的二阶偏导数；
[0033]反复调用公式(I)或公式(2)直到收敛于一点，得出优化后的参数值对应的点所组成的点集。
[0034]再进一步的技术方案为，所述步骤6中，计算机还执行三维刀具半径补偿计算，三维刀具半径补偿计算时，刀具的刀心与待加工表面切触点的关系满足公式组(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)为切触点的坐标，(nx，ny，nz)为切触点的单位法矢量，(x。，y。，z。)为刀具的刀心的坐标洱为刀具的刀身的半径，R1为刀具的刃口的半径。
[0039]更进一步的技术方案为，所述步骤6中，进行刀具雕刻工作前，还进行刀具自动匹配更换操作，具体为:把不同类型或不同半径的刀具安放在指定位置；计算机通过待加工曲面的方程匹配出所需的刀具的类型或半径，控制执行机构移动至所需的刀具的指定位置，把该所需的刀具安装在执行机构上。
[0040]本发明的有益效果在于:免去人工测量实物，快速建立加工模型，提高工作效率，缩短加工周期，降低人力成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0041]图1是本发明的智能雕刻机的结构示意图。
[0042]图2是本发明的智能雕刻机的控制方式示意图。
[0043]图3是本发明的智能雕刻机的刀具结构示意图。
【具体实施方式】
[0044]下面结合附图与具体实施例对本发明做进一步的详细叙述。
[0045]如图1和图2所示，本发明的智能雕刻机，包括机架1、工作台11、执行机构2、刀具21、CNC控制系统12以及水冷系统13 ;执行机构2安装在机架I上，刀具21安装在执行机构2上，工作台11位于执行机构2下方；还包括计算机控制系统4以及用于获取物体曲面变化轨迹的三维扫描仪41 ;三维扫描仪41和CNC控制系统12均与计算机控制系统4电性连接；计算机控制系统4通过外部1控制接口 42驱动执行机构2和水冷系统13工作；机架I上还设有可活动的刀具盘14，刀具盘14上设有多个刀具工位15，每个刀具工位15均用于放置不同刀具21，计算机控制系统4同时控制执行机构2和刀具盘14动作，使刀具工位15的刀具更换或安装至执行机构2的主轴上；本实施例中，刀具盘14是采用圆盘的形式，可绕圆心转动，转动后使不同的刀具工位15靠近执行机构2的主轴；也可以采用其他形式，例如丝杆与电机配合使刀具工位的位置移动，又或者刀具工位不活动而直接由执行机构2使其主轴移动到固定的刀具工位上。执行机构2采用常见丝杆与伺服电机运作形式，也可以是使用其他三维移动方式，执行机构的具体形式不是本发明的技术改进要点，限于篇幅不再赘述。
[0046]计算机控制系统4还用于:建立曲面模型并以方程式表示，本实施例中曲面模型采用二次曲面作为基础模型，在工业设计中，大多数物体外形都可以由多个不同类型的二次曲面，例如椭球面、双曲面等，分别去匹配物体的不同部位，当然也可以采用其他类型的曲面作为基础模型；
[0047]从三维扫描仪41读取物体曲面变化轨迹的数据；对曲面变化轨迹上的点进行参数化，即对各个点建立起坐标数据等，曲面变化轨迹上的一点Pk的参数为(Uk, vk),这里的参数仅为数据处理需要，并不一定需要具有实际物理意义的物理量，所组成的点集为P ={pk;k = I, 2, 3...η},得出逼近该点集P的参数曲面S = S(u, ν),这个参数曲面仅为粗略逼近的参数曲面；
[0048]对该参数化的曲面的每个点pk,以参数取代参数(uk, vk)进行参数值优化，其中，把参数(七，圮)按如下公式(I)或公式(2)对参数(uk，vk)进行取代，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在参数值为(uk，vk)处的偏导数；
[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在参数值为(uk，vk)处的偏导数，3111、51?、5?表示曲面3在参数值为(uk，vk)处的二阶偏导数；反复调用公式(I)或公式(2)直到收敛于一点，得出优化后的参数值对应的点所组成的点集；公式(I)与公式(2)对比，由于忽略了二阶偏导数的项，因此对于曲面变化程度较大的情况，公式(I)得出的结果偏差较大；而对于曲面变化程度较小的情况，其二阶偏导数的项非常小，可忽略不计，公式(I)与公式(2)的结果相当，但采用公式(I)计算量大大减少。
[0054]把优化后的参数值对应的点所组成的点集分割成若干部分分别与曲面模型进行匹配，得出待加工曲面的方程，待加工曲面的方程上的点为待加工的切触点；控制执行机构2上的刀具21根据待加工曲面的方程加工出待加工曲面；其中，控制执行机构2进行雕刻工作时，对刀具21工作轨迹进行三维刀具半径补偿计算；三维刀具半径补偿计算时，刀具21的刀心与待加工表面切触点的关系满足公式组(3):
【权利要求】
1.智能雕刻机，包括机架、工作台、执行机构、刀具、CNC控制系统以及水冷系统；执行机构安装在机架上，刀具安装在执行机构上，工作台位于执行机构下方；其特征在于:还包括计算机控制系统以及用于获取物体曲面变化轨迹的三维扫描仪；三维扫描仪和CNC控制系统均与计算机控制系统电性连接；计算机控制系统通过外部1控制接口驱动执行机构和水冷系统工作； 计算机控制系统还用于:建立曲面模型并以方程式表示；从三维扫描仪读取物体曲面变化轨迹的数据；对曲面变化轨迹上的点进行参数化，曲面变化轨迹上的一点的参数为，所组成的点集为，得出逼近该点集的参数曲面；对该参数化的曲面的每个点，以参数取代参数进行参数值优化；把优化后的参数值对应的点所组成的点集分割成若干部分分别与曲面模型进行匹配，得出待加工曲面的方程，待加工曲面的方程上的点为待加工的切触点；控制执行机构上的刀具根据待加工曲面的方程加工出待加工曲面。
2.根据权利要求1所述的智能雕刻机，其特征在于:计算机控制系统还用于:把参数(?,?)按如下公式(I)或公式(2)对参数(uk，vk)进行取代，公式(I):
其中，su、Sv表示曲面S在参数值为(uk，vk)处的偏导数；公式(2):
其中，Su、Sv表示曲面S在参数值为(uk, Vk)处的偏导数,SUU、SUV、SVV表示曲面S在参数值为(Uk，Vk)处的二阶偏导数； 反复调用公式(I)或公式(2)直到收敛于一点，得出优化后的参数值对应的点所组成的点集。
3.根据权利要求1或2所述的智能雕刻机，其特征在于:所述计算机控制系统还用于:控制执行机构进行雕刻工作时，对刀具工作轨迹进行三维刀具半径补偿计算；三维刀具半径补偿计算时，刀具的刀心与待加工表面切触点的关系满足公式组(3):
其中，(xp, yp, Zp)为切触点的坐标，(nx，ny，nz)为切触点的单位法矢量，(x0, y0, z0)为刀具的刀心的坐标洱为刀具的刀身的半径，R1为刀具的刃口的半径。
4.根据权利要求3所述的智能雕刻机，其特征在于:机架上还设有可活动的刀具盘，刀具盘上设有多个刀具工位，每个刀具工位均放置不同刀具；计算机控制系统还用于:通过切触点集合曲面方程计算所需的刀具类型及参数；通过外部1控制接口驱动刀具盘运动，并控制执行机构运动，把所需的刀具从刀具盘的刀具工位上安装到执行机构的主轴上。
5.根据权利要求1所述的智能雕刻机，其特征在于:所述CNC控制系统为CNC数控加工控制卡。
6.全自动数控加工雕刻方法，其特征在于:包括 步骤1:计算机内建立曲面模型，并用方程表示； 步骤2:三维扫描仪对物体进行扫描，获得物体曲面变化轨迹； 步骤3:对物体曲面变化轨迹上的点进行参数化，曲面变化轨迹上的一点Pk的参数为(uk, vk),所组成的点集为P = {pk;k = I, 2, 3...η},得出逼近该点集P的参数曲面S =S (U，V)； 步骤4:对该参数化的曲面的每个点pk,以参数代参数(uk, vk)进行参数值优化； 步骤5:把优化后的参数值对应的点所组成的点集分割成若干部分分别与曲面模型进行匹配，得出待加工曲面的方程，待加工曲面的方程上的点为待加工的切触点； 步骤6:计算机控制执行机构工作使刀具雕刻出待加工曲面。
7.根据权利要求6所述的全自动数控加工雕刻方法，其特征在于:所述步骤4具体为:把参数(七，之)按如下公式(I)或公式(2)对参数(uk，vk)进行取代，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在参数值为(uk，vk)处的偏导数；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在参数值为(uk, Vk)处的偏导数,SUU、SUV、SVV表示曲面S在参数值为(uk，vk)处的二阶偏导数； 反复调用公式(I)或公式(2)直到收敛于一点，得出优化后的参数值对应的点所组成的点集。
8.根据权利要求7所述的全自动数控加工雕刻方法，其特征在于:所述步骤6中，计算机还执行三维刀具半径补偿计算，三维刀具半径补偿计算时，刀具的刀心与待加工表面切触点的关系满足公式组(3): W "' Ri + I，{R -八】丨)
ψΚ+Κ
V<J
nv { ,
=.νμ+ηΛ+?==(?-Η,)
+K ，
zO = Zp+nzRl ； 其中，(xp, yp, zp)为切触点的坐标，(nx，ny，nz)为切触点的单位法矢量，(x0, y0, z0)为刀具的刀心的坐标洱为刀具的刀身的半径，R1为刀具的刃口的半径。
9.根据权利要求8所述的全自动数控加工雕刻方法，其特征在于:所述步骤6中，进行刀具雕刻工作前，还进行刀具自动匹配更换操作，具体为:把不同类型或不同半径的刀具安放在指定位置；计算机通过待加工曲面的方程匹配出所需的刀具的类型或半径，控制执行机构移动至所需的刀具的指定位置，把该所需的刀具安装在执行机构上。
【文档编号】G05B19/4093GK104181864SQ201310188106
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2013年5月20日 优先权日:2013年5月20日
【发明者】段明利, 宋永锋, 吴笑天, 欧作曙, 甘汨, 钟志成 申请人:广州市森特自动化控制技术有限公司