石材立体工艺制品雕刻机器人加工技术研究

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1P4R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1000mm、高2000mm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STL文件为加工模型,研究基于STL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APT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VC6.0、OpenGL和Matlab实现算法编程,完成用于石材立体工艺制品雕刻机器人的CAM系统的设计。借助VERICUT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CAM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。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 石材立体工艺制品雕刻机器人加工技术研究现状

1.3 课题研究的目的及意义

1.4 课题的内容及章节安排

第2章 石材立体工艺制品雕刻机器人结构设计

2.1 石材立体工艺制品雕刻机器人机械结构方案制定

2.1.1 末端执行器方案制定

2.1.2 石材立体工艺制品雕刻机器人本体结构方案制定

2.1.3 石材立体工艺制品雕刻机器人驱动方案制定

2.2 石材立体工艺制品雕刻机器人结构设计

2.2.1 末端执行器设计

2.2.2 石材立体工艺制品雕刻机器人本体及驱动设计

2.3 本章小结

第3章 石材立体工艺制品雕刻机器人运动学分析

3.1 刚体的位姿描述与坐标转换

3.1.1 位姿描述

3.1.2 坐标转换

3.2 石材立体工艺制品雕刻机器人正运动学问题分析

3.2.1 石材立体工艺制品雕刻机器人D-H坐标系的建立

3.2.2 石材立体工艺制品雕刻机器人D-H法运动学分析

3.3 石材立体工艺制品雕刻机器人逆运动学问题分析

3.4 本章小结

第4章 基于STL模型的刀位轨迹生成系统

4.1 STL文件的读取与显示

4.1.1 STL文件的数据结构分析

4.1.2 STL文件的读取与存储

4.1.3 STL文件的显示

4.2 刀位数据的生成

4.2.1 无干涉刀位数据的生成方法

4.2.2 模型偏置面的生成

4.2.3 截面求交计算刀位数据

4.3 刀位轨迹的生成

4.3.1 走刀方式

4.3.2 切削行距

4.3.3 加工刀位轨迹的生成

4.4 刀位轨迹生成系统的程序设计

4.5 本章小结

第5章 石材立体工艺制品雕刻机器人数控加工后置处理

5.1 刀位文件分析

5.2 后置处理过程

5.3 运动指令后置处理

5.3.1 石材立体工艺制品雕刻机器人坐标系

5.3.2 石材立体工艺制品雕刻机器人关节运动变量求解

5.3.3 石材立体工艺制品雕刻机器人逆解的筛选

5.3.4 石材立体工艺制品雕刻机器人运动速度的计算

5.4 本章小结

第6章 石材立体工艺制品雕刻机器人加工仿真

6.1 石材立体工艺制品雕刻机器人仿真模型建立

6.1.1 运动模型拓扑结构的建立

6.1.2 几何模型的建立

6.1.3 石材立体工艺制品雕刻机器人参数设置

6.2 控制文件的配置

6.3 加工仿真

6.3.1 VERICUT加工环境配置

6.3.2 仿真过程

6.4 本章小结

结论

参考文献

致谢

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