一种模仿人手雕刻动作的机器人雕刻系统技术方案

本发明专利技术提供一种模仿人手雕刻动作的机器人雕刻系统，包括雕刻刀具、雕刻刀位姿综合测量模块、安装机架、机器人系统、高速电主轴系统、数据接收处理模块、PLC控制模块和工件摆放平台。根据本发明专利技术所述的模仿人手雕刻动作的机器人雕刻系统，能够精确再现工艺师的艺术作品，并实现柔性批量化生产。不仅可以降低工艺师的劳动强度，提高效率，降低成本，还能实现柔性化、批量化生产高水平艺术品。

A robot engraving system imitating hand carving action

The invention provides a robot imitation of hand action engraving engraving system, including carving knives, knife pose measurement module, installation rack, robot system, high-speed spindle system, the data receiving and processing module, PLC control module and the display platform. According to the robot carving system imitating the hand carving action, the art work of the technologist can be reproduced accurately, and the flexible batch production can be realized. Not only can reduce the labor intensity, improve efficiency, reduce costs, but also realize flexible and mass production of high level art.

【技术实现步骤摘要】
一种模仿人手雕刻动作的机器人雕刻系统
本专利技术涉及一种模仿人手雕刻动作的机器人雕刻系统，属于机器人领域。
技术介绍
雕刻加工作为传统的手工工艺,在艺术品、标牌、首饰等行业具有悠久的历史。但传统的雕刻加工一般都是手工工艺,存在很多不足，例如劳动强度大、生产效率低、加工周期长、制作精度差、总体成本高、不能批量生产、受到操作者的主观因素影响等。随着市场需求和科技进步雕刻加工向自动化方向发展，目前的雕刻系统主要分为两种，一种是激光式雕刻系统,它采用激光作为加工工具进行雕刻加工，对加工材料有一定的限制,它无法加工石材等材料。另一种为机械式雕刻系统,它采用传统的切削式加工方法进行雕刻加工，可加工软到橡胶硬到石材等各种材料。无论是机械激光雕刻还是机械雕刻，虽然产品一直性较好，但是产品质量严重依赖控制程序，难以实现柔性化生产；相比传统手工雕刻，雕刻位姿单一，表现力不足，产品艺术水准低。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的需求，提出一种模仿人手雕刻动作的机器人雕刻系统，能够精确再现工艺师的艺术作品，并实现柔性批量化生产。不仅可以降低工艺师的劳动强度，提高效率，降低成本，还能实现柔性化、批量化生产高水平艺术品。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种模仿人手雕刻动作的机器人雕刻系统，包括：雕刻刀具、雕刻刀位姿综合测量模块、安装机架、机器人系统、高速电主轴系统、数据接收处理模块、PLC控制模块和工件摆放平台。进一步的，机器人系统由机器人、机器人控制箱组成。进一步的，高速电主轴系统由高速电主轴、高速电主轴连接件、磨头、空压机、冷水机组成；进一步的，测量刀尖坐标是通过坐标转化的方法实现的，具体为：将测量模块自身所带的坐标系作为雕刻刀的局部坐标系，记为(x’,y’,z’)，坐标原点记为O’，雕刻刀尖和测量模块固连，刀尖坐标D表示为(0,0，d)；测量开始时，系统上电，手工雕刻件的工件坐标系O1(x，y，z)与雕刻刀局部坐标系重合，通过测量模块，可以测得刀具局部坐标系相对工件坐标系的姿态角，以及局部坐标系的原点相对工件坐标系的坐标值；设刀具在工件坐标系下的位置坐标为(x0，y0，z0)，以欧拉角表示姿态角为(α，β，γ)，其中，刀具坐标绕着工件坐标系的x轴，y轴和z轴的旋转角度分别为：(α，β，γ)刀具坐标系到工件坐标系的旋转矩阵Rx、Ry和Rz分别为：则总的旋转矩阵R为：得到刀具坐标系和工件坐标系的转化关系为：刀尖D在工件坐标系O1的坐标(xD,yD,zD)为：则，(xD,yD,zD)表示为雕刻刀尖D在工件坐标系下的位置坐标；(α，β，γ)表示雕刻刀在工件坐标系下的姿态坐标；由于工件坐标O1是在手工雕刻件H上建立的，将机器人自动雕刻的工件M上建立工件坐标系O2；其中，工件坐标系O2相对机器人自动雕刻的工件M的相对位子和坐标O1相同；从而直接利用刀尖D的六自由度坐标直接控制机器人刀具，对工件M进行雕刻，最终实现机械人雕刻动作对人手动作的复现和随动。本专利技术还提供一种机器人雕刻系统的控制方法，所述机器人雕刻系统为上述机器人雕刻系统，所述控制方法包括以下步骤：步骤一：接通电源，按下系统各空开，机器人进入连续运行模式；步骤二：按下“自锁型”按钮，机器人运动开始，并准备接受数据处理模块发送的数据；步骤三：PLC将雕刻刀具的位姿数据传给机器人控制器：步骤四：控制器调用相应道具及加工程序，对工件进行加工：步骤五：机器人根据控制器指令，持续运行，等待停止信号；步骤六：抬起停止按钮，机器人回到远点，可开门更换零件。附图说明图1为本专利技术的模仿人手雕刻动作的机器人雕刻系统示意图。图2为本专利技术的雕刻刀具示意图。图3为本专利技术的控制程序流程图。(注意：附图中的所示结构只是为了说明本专利技术特征的示意，并非是要依据附图所示结构。)具体实施方式如图1所示，根据本专利技术所述的模仿人手雕刻动作的机器人雕刻系统，包括：雕刻刀具1、雕刻刀位姿综合测量模块2、安装机架3、机器人系统、高速电主轴系统、数据接收处理模块、PLC控制模块和工件摆放平台7。其中，安装机架3具有平面结构，其工作面上设置机器人系统和工件摆放平台7。其中，机器人系统由机器人4、机器人控制箱组成。高速电主轴系统由高速电主轴5、高速电主轴连接件6、磨头、空压机、冷水机组成。其中，高速电主轴5通过高速电主轴连接件6与机器人末端相连，磨头安装在高速电主轴5末端。空压机通过风管与高速电主轴5相连。冷水机通过软管与高速电主轴5相连。如图2所示，雕刻刀位姿综合测量模块2位于雕刻刀具1尾部，用于测量雕刻刀具1的位置和姿态，并将数据传送至数据接收处理模块，通过数据处理，得到雕刻刀具加工刀刃尖点的位姿六自由度坐标。测量刀尖坐标是通过坐标转化的方法实现的，具体为：将测量模块自身所带的坐标系作为雕刻刀的局部坐标系，记为(x’,y’,z’)，坐标原点记为O’。因为雕刻刀尖和测量模块固连，所以刀尖坐标D可以表示为(0,0，d)。测量开始时，系统上电，手工雕刻件的工件坐标系O1(x，y，z)(坐标原点记为O1)与雕刻刀局部坐标系重合。通过测量模块，可以测得，刀具局部坐标系相对工件坐标系的姿态角，及局部坐标系的原点相对工件坐标系的坐标值。设刀具在工件坐标系下的位置坐标为(x0，y0，z0)，以欧拉角表示姿态角为(α，β，γ)，含义为：刀具坐标绕着工件坐标系的x轴，y轴和z轴的旋转角度分别为：(α，β，γ)。则刀具坐标系到工件坐标系的旋转矩阵Rx、Ry和Rz分别为：则总的旋转矩阵R为：据此可知，刀具坐标系和工件坐标系的转化关系为：所以，刀尖D在工件坐标系O1的坐标(xD,yD,zD)为：则，(xD,yD,zD)表示为雕刻刀尖D在工件坐标系下的位置坐标；Yα|β|γY表示雕刻刀在工件坐标系下的姿态坐标。此时，工件坐标O1是在手工雕刻件H上建立的。将机器人自动雕刻的工件M上建立工件坐标系O2。其中，工件坐标系O2相对机器人自动雕刻的工件M的相对位子和坐标O1相同。这样，可以直接利用刀尖D的六自由度坐标直接控制机器人刀具，对工件M进行雕刻，最终实现机械人雕刻动作对人手动作的复现和随动。通过PLC控制模块将刀刃尖点的位姿信息传入到机器人系统中，机器人根据接收到的位姿信息，调用机器人系统中相应的程序对工件进行雕刻。如图3所示，本专利技术的控制程序包括以下步骤：步骤一：接通电源，按下系统各空开，机器人进入连续运行模式；步骤二：按下“自锁型”按钮，机器人运动开始，并准备接受数据处理模块发送的数据；步骤三：PLC将雕刻刀具的位姿数据传给机器人控制器：步骤四：控制器调用相应道具及加工程序，对工件进行加工：步骤五：机器人根据控制器指令，持续运行，等待停止信号；步骤六：抬起停止按钮，机器人回到远点，可开门更换零件。以上描述，为根据专利技术所述的模仿人手雕刻动作的机器人雕刻系统，通过以上描述可知，根据专利技术所述的模仿人手雕刻动作的机器人雕刻系统，具有以下特点：(1)相对于人工雕刻，劳动强度小、生产效率高、加工周期短、制作精度高、总体成本低、易于批量生产。(2)相比于自动雕刻，加工方式多，产品表现力强，艺术水准高，满足高端市场的审美需求，易于柔性化生产。(3)包括具有位置测量功能的一套雕刻刀具，测量及处理雕刻刀六自由度数据的方法，并通过测得的数据对机器人进本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模仿人手雕刻动作的机器人雕刻系统，包括：雕刻刀具(1)、雕刻刀位姿综合测量模块(2)、安装机架(3)、机器人系统、高速电主轴系统、数据接收处理模块、PLC控制模块和工件摆放平台(7)；其特征在于：机器人系统由机器人(4)、机器人控制箱组成；高速电主轴系统由高速电主轴(5)、高速电主轴连接件(6)、磨头、空压机、冷水机组成；测量刀尖坐标是通过坐标转化的方法实现的，具体为：将测量模块自身所带的坐标系作为雕刻刀的局部坐标系，记为(x’,y’,z’)，坐标原点记为O’，雕刻刀尖和测量模块固连，刀尖坐标D表示为(0,0，d)；测量开始时，系统上电，手工雕刻件的工件坐标系O1(x，y，z)与雕刻刀局部坐标系重合，通过测量模块，测得刀具局部坐标系相对工件坐标系的姿态角，以及局部坐标系的原点相对工件坐标系的坐标值；设刀具在工件坐标系下的位置坐标为(x0，y0，z0)，以欧拉角表示姿态角为(α，β，γ)，其中，刀具坐标绕着工件坐标系的x轴，y轴和z轴的旋转角度分别为：α，β，γ，刀具坐标系到工件坐标系的旋转矩阵Rx、Ry和Rz分别为：

【技术特征摘要】
1.一种模仿人手雕刻动作的机器人雕刻系统，包括：雕刻刀具(1)、雕刻刀位姿综合测量模块(2)、安装机架(3)、机器人系统、高速电主轴系统、数据接收处理模块、PLC控制模块和工件摆放平台(7)；其特征在于：机器人系统由机器人(4)、机器人控制箱组成；高速电主轴系统由高速电主轴(5)、高速电主轴连接件(6)、磨头、空压机、冷水机组成；测量刀尖坐标是通过坐标转化的方法实现的，具体为：将测量模块自身所带的坐标系作为雕刻刀的局部坐标系，记为(x’,y’,z’)，坐标原点记为O’，雕刻刀尖和测量模块固连，刀尖坐标D表示为(0,0，d)；测量开始时，系统上电，手工雕刻件的工件坐标系O1(x，y，z)与雕刻刀局部坐标系重合，通过测量模块，测得刀具局部坐标系相对工件坐标系的姿态角，以及局部坐标系的原点相对工件坐标系的坐标值；设刀具在工件坐标系下的位置坐标为(x0，y0，z0)，以欧拉角表示姿态角为(α，β，γ)，其中，刀具坐标绕着工件坐标系的x轴，y轴和z轴的旋转角度分别为：α，β，γ，刀具坐标系到工件坐标系的旋转矩阵Rx、Ry和Rz分别为：则总的旋转矩阵R为：

【专利技术属性】
技术研发人员：王飞，白相林，王洪波，李增强，
申请(专利权)人：哈工大机器人集团有限公司，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23