（机械制造及其自动化专业论文）石材立体工艺制品雕刻机器人的设计与研究.pdf

摘要 摘要 近年来，石雕制品在人们日常生活中的应用越来越广泛。石雕制品数量庞大， 类别繁多，属于石材异型制品中的一个大类，但其加工的技艺要求和难度远高于 其它类型的石材制品，石雕制品的雕刻加工已成为石材行业提高产品附加值、扩 大国内外贸易的重要手段。发展机械化、自动化、智能化雕刻加工，加快传统艺 术品的复制、传承，已成为石材行业的重要工作。当前，石材行业迫切需要石质 工艺品等的自动化、智能化加工技术与装备，以满足行业迅速发展的需求。 本文在借鉴国内外先进工业机器人技术，消化吸收关键零部件技术的基础上， 立足国内石材行业的现状，合理规划了石材立体工艺制品的功能需求、功能模块、 结构形式及加工特点，确定了石材雕刻机器人系统的总体设计方案；根据石材雕 刻制品加工过程中产生的载荷特点，设计完成了机器人系统的立柱结构、回转工 作台结构及腕部结构零部件的设计计算及选型；运用d h 参数法，确定了其连杆 的关节坐标系及其齐次坐标变换矩阵，完成了石材雕刻机器人系统运动学数学模 型的建立；利用s o l i d w o r k s 软件完成了石材雕刻机器人系统的三维建模，利用 a d a m s v i e w 的运动学、动力学仿真功能对其进行了仿真分析，给出了典型运动状 态下末端执行器及各个关节的位移、速度及加速度等特性曲线，为机器人运动控 制及优化设计提供了依据：运用s y s 软件对机器人系统中受力最复杂、结构尺 寸最大的立柱结构进行了动静态特性分析计算，掌握了其应力、应变分布状况及 其动态特性，为功能部件的性能修改和优化提供了参考依据，为保证机器人系统 的加工精度及使用性能奠定了基础。 本课题所研究的石材雕刻机器人是在通过继承创新研发的适合我国国情的先 进设备，将填补国内石材工艺品立体雕刻机器人的空白，改变石材行业的生产结 构和现状。其推广应用，必将有效拓展我国石材制品和石材雕刻设备的质量和档 次，其市场和产业化发展前景十分广阔。 本文得到山东省自然科学基金资助( 项目编号：2 0 0 9 z r b 0 1 9 j i ) 。 关键词石材；工艺制品；雕刻；机器人；运动学 a b s l r a c 下 曼量曼皇曼舅曼量曼曼曼曼曼i i l l自_ u i l ! a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ea p p l i c a t i o no fs t o n ec a r v i n gp r o d u c t sh a v eg o tm o r ea n dm o r e w i d e l yi np e o p l e sd a i l yl i v e s t h es t o n ec a r v i n gp r o d u c t s 、斫t hl a r g e rn u m b e ra n d e x c e s s i v ev a r i e t yb e l o n g st os h a p e ds t o n ep r o d u c t si nac a t e g o r yt h ev a r i e t y , b u tt h e s k i l lr e q u i r e m e n t sa n dt h ed i f f i c u l t yo fp r o c e s s i n gi sm u c hh i g h e rt h a no t h e rt y p e so f s t o n ep r o d u c t s t h ec a r v i n gp r o c e s s i n go ft h es t o n ec a r v i n gp r o d u c t sh a sb e c o m e i m p o r t a n tm e a n sw h i c hc o u l di m p r o v ep r o d u c t sv a l u ea d d e da n de x p a n dd o m e s t i ca n d f o r e i g nt r a d e t h ee n g r a v i n gp r o c e s sd e v e l o p m e n to fm e c h a n i z a t i o n ，a u t o m a t i o n ， i n t e l l i g e n ta n d t h er a p i dr e p r o d u c t i o n ，t r a n s m i s s i o no ft h et r a d i t i o n a la r th a sb e c o m et h e i m p o r t a n tw o r ko ft h es t o n ei n d u s t r y a tp r e s e n t ，t h es t o n ei n d u s t r yn e e da u t o m a t i o n ， i n t e l l i g e n tp r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n to fs t o n ec r a f t ss ou r g e n tt om e e tt h e n e e d so ft h er a p i d l yg r o w i n gi n d u s t r y t h es u b j e c tp l a n st h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s ，f u n c t i o n a lm o d u l e s ，s t r u c t u r ea n d p r o c e s s i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h r e e - d i m e n s i o n a l s t o n e c a r v i n g p r o d u c t sr e a s o n a b l y , d e t e r m i n e dt h e o v e r a l ld e s i g np r o g r a mo ft h er o b o ts y s t e mb a s e do nt h es t a t u so f d o m e s t i cs t o n ei n d u s t r ya f t e rt h ed i g e s t i o na n da b s o r p t i o no ft e c h n o l o g yo nt h eb a s i so f k e yc o m p o n e n t s ，l e a r n i n gf r o mt h ea d v a n c e di n d u s t r i a lr o b o t i c s ；c o m p l e t et h ed e s i g n c a l c u l a t i o na n dt h ek e yc o m p o n e n t ss e l e c t i o no ft h ec o l u m ns t r u c t u r e ，r o t a r yt a b l e s t r u c t u r ea n dt h ew r i s ts t r u c t u r eo ft h er o b o ts y s t e m ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h el o a dg e n e r a t e di ns t o n ec a r v i n gp r o d u c t sp r o c e s s i n g ；d e t e r m i n et h ec o o r d i n a t e so f t h ej o i n t sa n dt h ec o n n e c t i n gr o dh o m o g e n e o u sc o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o nm a t r i xb y d hp a r a m e t e rm e t h o d e s t a b l i s h e dt h ek i n e m a t i c sm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h es t o n e c a r v i n gr o b o ts y s t e m ；c o m p l e t e dt h et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l i n go f t h es t o n ec a r v i n g r o b o ts y s t e mb ys o l i d w o r k ss o f t w a r e ，t h ek i n e m a t i c s ，d y n a m i c ss i m u l a t i o na n a l y s i sw a s c a r r i e do u tu s i n ga d a m slv i e ws o f t w a r e 。g i v i n gt h ed i s p l a c e m e n t , v e l o c i t ya n d a c c e l e r a t i o nc u r v e so ft h ee n de f f e c t o ra n de a c hj o i n ta tt h et y p i c a lm o t i o ns t a t e ，w h i c h p r o v i d e st h eb a s i sf o rt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g na n dt h em o t i o nc o n t r o l ；t h es t a t i ca n d i i i 山东大学硕十学位论文 d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o l u m ns t r u c t u r e 、炳t ht h em o s tc o m p l e xf o r c ea n dl a r g e s t s i z ew e r ec a l c u l a t e du s i n ga n s y s s o f t w a r e ，u n d e r s t a n d i n gt h es t r e s s ，s t r a i nd i s t r i b u t i o n a n di t sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，p r o v i d i n gt h er e f e r e n c ef o rt h em o d i f i z a t i o na n d o p t i m i z a t i o no ft h ef e a t u r e s ，w h i c hl a i dt h ef o u n d a t i o nt oe n s u r et h ep r o c e s sp r e c i s i o n a n dt h eu s ep e r f o r m a n c eo ft h er o b o t i cs y s t e m s t h es t o n ec a r v i n gr o b o tt h a tt h ep r o j e c ts t u d i e di sa na d v a n c e de q u i p m e n ts u i t a b l e f o rc h i n at h r o u g hi n h e r i t a n c ea n di n n o v a t i o n , w h i c hw o u l df i l lt h eg a p si nt h ec a r v i n g r o b o ts y s t e mo ft h r e e d i m e n s i o n a ls t o n ec r a f t s ，c h a n g et h es t r u c t u r ea n dc u r r e n ts t a t u s o fo ft h es t o n ep r o d u c t i o ni n d u s t r y i t sa p p l i c a t i o nw i l le f f e c t i v e l ye x p a n dq u a l i t ya n d l e v e lo ft h es t o n e c a r v i n g p r o d u c t sa n de q u i p m e n t ，t h em a r k e ta n di n d u s t r y d e v e l o p m e n th a v eg o o dp r o s p e c t s t h es u b j e c ti ss u p p o r t e db yn a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fs h a n d o n gp r o v i n c e ( p r o j e c tn u m b e r ：2 0 0 9 z r b 0 19 j i ) k e y w o r d ss t o n e ；c r a f t s ；c a r v i n g ；r o b o t ；k i n e m a t i c s 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 1 1 1 市场背景 第1 章绪论 石雕艺术的发展记录了世晃文明的发展，从法国旧石器时代的野猪、圆雕裸女等 浮雕，到我国新时期时代的石刻人像，无不反映着人类文明的发展历程。石雕艺术是 时代、思想、观念与工艺技术的完美结晶n 1 。近年来，随着社会生产力的不断发展以 及人们物质文化生活水平和审美观念的不断提高，外形美观、结构复杂的各类石雕制 品在人们日常生活中的应用越来越广泛，市场前景非常乐观。目前人们对石雕制品的 需求，无论从加工技艺还是从生产规模上都出现前所未有的增长，不断对生产加工企 业提出新的挑战。就国内市场而言，消费主题主要是以城市建设为中心的建筑雕塑、 环境装饰雕塑、园林雕塑及纪念碑等巨型石雕制品，题材主要包括石柱、石桌、石椅、 花盆、喷泉、飞禽走兽、造型人物与城市雕塑等作品，国际市场则以家庭花园、公共 园林装饰用的石雕石刻，如动物、石凳、灯柱、喷泉、壁盆、壁炉等。随着东西方文 化交流的不断深入，审美观点融合的不断加强，我国石雕产业规模逐步扩大，工艺技 术日趋精湛，产品质量日益提高，呈现出强大的发展后劲。再加上丰富的劳动力资源， 为我国的石雕企业参与国际市场竞争创造了良好的发展机遇和挑战。 凭借丰富的石材资源和品种，我国已成为石材加工和出口大国。近年来，无论在 国内市场还是在国际市场上，外形奇异、款式复杂多变的石雕工艺品越来越受到人们 的青睐，尤其是以石柱、造型人物雕像为代表的立体雕刻制品正成为现代化城市建设 不可或缺的象征，需求量越来越大，外形美观、结构复杂、加工难度高的具有高附加 值的石雕制品是人们不断追求的目标乜1 。由于我国用于石材雕刻制品加工的技术与设 备与意大利等石材工业强国相比仍存在着一定差距，目前我国出口的石材产品主要以 荒料和价格较低的普通板材为主，甚至国内市场需要的部分附加值较高的高档板材和 石材异型工艺制品尚需国外进口，我国能够自主加工的附加值较高的石雕工艺艺术品 在国际市场的占有率很低，造成了我国石材资源价值的大量浪费，影响了我国企业利 山东大学硕+ 学仲论文 润及出口创汇值的提高。 1 1 2 技术背景 石雕工艺艺术品是所有石材产品中是种类最多的一类产品，属于石材异型制品的 一个大类，但其结构复杂程度、种类数量及其生产加工的工艺水平、难度又远远高于 其它类型的石材异型制品，尤其是目前结构尺寸大、形状复杂且市场需求量大的立体 雕刻制品对雕刻工具提出了更高的要求。石材雕刻工艺制品集审美观念、艺术思维与 工艺技术的集中体现，随着石雕制品工艺技术水平的发展逐渐落后于人们对石雕制品 审美观念、艺术思维的追求，传统的手工雕刻技艺逐渐暴露出了其劳动强度大、生产 效率低、加工周期长、雕刻精度差、总体成本高、难以实现批量化生产的问题，但随 着当前生产制造技术的不断升级，市场上也不断涌现出响应市场需求的各类石材雕刻 加工设备口引，主要包括数控加工中心和石材雕刻机两大类，但手工雕刻因其具有石 材雕刻机械无法复制的灵性，仍然在石材雕刻加工中占据着重要的地位。 由于石材雕刻产品小批量、订单式的生产特点，要求石材；蛔- x - 设变化备能够及时 应对市场需求的变化适应不同产品的加工。但是对于数控加工中心来说，目前市场上 专用于加工雕刻制品的数控加工中心难以加工具有复杂曲面的立体雕刻制品，且其结 构笨重、加工效率较低、生产成本高限制了数控加工设备在石材雕刻制品加工中的应 用。为了提高雕刻加工的生产率和制造精度所生产的石材雕刻机，适用于批量化的具 有复杂结构外形的尺寸较小的平面雕刻、浮雕等产品的加工，已不能满足人们对当前 对石雕艺术产品立体化、复杂化、大型化的追求。因此，高灵活性、高精度、高效率 及高适应性的多功能数控雕刻设备的缺乏，成为限制我国石材生产加工企业提高利 润、增加产品附加值的瓶颈。因此，研究开发能够适应现代石材雕刻制品；n n - r 需求， 费用低、柔性好、操作灵活的替代设备已成为必然趋势。 工业机器人随着计算机技术、机械电子技术、传感器技术等技术的应运而生，正 在改变着人类传统的生产或生活方式，工业机器人作为最典型且最先进的机电一体化 数字化装备，应用范围广泛【5 l 。用于石材雕刻制品加工的机器人的出现不仅能够显著 提高石雕制品的产量与质量，而且对提高劳动生产率，减少资源能源浪费，降低生产 资本及减轻劳动强度，保障人身安全有着十分重要的意义嘲。目前，国外已经出现的 2 第1 章绪论 石材雕刻机器人，如瑞典的a b b 、日本的f a n u c 、德国的k u k a 、美国的a d e p tt e c h n o l o g y 以及意大利的c o m a u 工业机器人已经成为其所在地区的支柱性企业，并形成了国际品 牌，可以通过更换不同的机械手终端，实现各种不同的切削、铣削或雕刻加工功能， 与传统的多维数控加工中心相比，机器人终端机械手上的加工刀具，可以进行三维空 间任意位置和姿态的定位与转换，灵活性与准确性要远胜于多维数控加工中心，且其 结构尺寸更加紧凑，加工空间更加广阔。 我国工业机器人的发展虽然已有2 0 余年的发展历史，取得了某些关键技术的突 破，但与西方工业发达国家相比，我国的机器人企业具有数量少，规模小特点。我国 生产工业机器人比较知名的企业包括沈阳新松机器人自动化股份有限公司、首钢莫托 曼机器人有限公司等。随着我国社会生产力的不断发展及工业企业自动化水平的不断 提高，我国的机器人生产制造业面临着市场需求巨大的机遇，同时也承受着来自国外 机器人企业的竞争压力，研究开发适应我国工业发展状况特点的机器人是我们抓住这 个历史机遇、实现工业现代化、紧追历史前进步伐的主要途径。因此，研究开发用于 石材雕刻的机器人适应了现代石材雕刻技术发展的需要，同时也抓住了工业机器人技 术发展的机遇，可有效提高生产效率、降低生产成本、缩短制造周期、实现批量化生 产以及满足人们对石雕艺术的不断追求，是转变我国石材产品创汇方式、实现石材经 济由粗放型向集约型发展、有效利用我国石材资源及增强我国石雕产品在国内外市场 上竞争力的重要途径。 1 2 石材雕刻制品类型和加工工艺分类 石材工艺制品是指除矩形板材制品以外的其它所有石材制品，石材工艺制品种类 繁多、形式多样，因此，其分类方式也很多，被行业公认的主要是按制品的特点和加 工方式进行分类，主要包括平面异型制品、曲面异型制品、实体回转面制品以及雕刻 制品等四大类心1 。 雕刻制品是指没有对称中线且具有复杂形面的异型制品，是雕、刻、塑三种加工 工艺技术的结晶，如画框、透雕窗格、壁炉饰面、楼梯扶手、立体人像、动植物雕刻 品等。按照加工工艺的不同，石雕制品通常可分为线雕、影雕、浮雕、圆雕、镂雕以 及透雕等六大种类。其中线雕、影雕、浮雕等平面雕刻制品，如图卜l 所示，所需加 3 山尔大学硕十学位论文 工设备至少x 、y 、z 三个方向的轴向运动及其联动；圆雕就是通常所说的立体雕刻制 品，属于多方位、多角度欣赏的三维立体雕刻，如图卜2 所示，需要从六个面进行全 方位的雕刻加工，所需加工设备一般应满足六轴运动且任意三轴联动的要求，现代化 的石材数控加工中心通常只能完成尺寸小且外形简单的平面雕刻制品2 11 ：“，目前对于 外形复杂、结构尺寸较大的三维立体雕刻的主要加工方式仍以人工雕刻为主：而对于 透雕、镂雕制品，比如古代石匠雕刻的口含龙珠的龙。龙珠既剥离于原石材，又比龙 口大，且在龙嘴中滚动而不滑出，这种雕刻现在想用机械雕刻还有一定难度。 ( a ) 石材线雕( b ) 石材影雕( c ) 石材浮雕 图1 1 石材平面雕刻制品 ( a ) 人物雕像( b ) 动物雕像 图卜2 石材圆雕制品 本课题所研究的石材雕刻机器人主要是针对市场上结构尺寸大、外形复杂、市场 需求量且能够实现机械化生产的石材雕刻工艺制品而设计的，主要包括： ( 1 ) 平面石雕包括线雕、影雕、浮雕等三大类，比如镜框、透雕窗格、刻字 牌匾、石刻画等。 ( 2 ) 立体石雕。主要是指以上分类中的圆雕，比如立体人像、动植物雕像、雕 刻柱头等。 石材雕刻的工艺一般为：石料选择、整形一坯料加工、整形一雕刻制品的型面成 第1 章绪论 曼曼曼量曼笪舅曼曼量皇笪曼曼曼i i i i , , 量詈皇曼量量曼 形加工一人工辅助加工( 根据需要) 一抛光加工一细磨一精磨一人工辅助加工一制品 组装清洗一防护、验收。根据石材雕刻制品的外形特点，各类石雕制品的成型工艺 所需设备的运动功能要求如表1 1 所示。 表1 - 1 雕刻加工设备运动学图谱 水平面 妊 母线点轨迹法 雕刻制 雕刻铣刀 品加工 雕刻 侧面雕 参房 导线曲线 异型 轨迹法 刻制品 雕刻铣刀 加工 母线点 制品 曲线 轨迹法。 立体雕 器。 母线点 刻制品雕刻铣刀 导线 加工 1 2 1 石材雕刻加工方法 石雕制品按照加工方式来划分，则可分为手工雕刻制品、半机械化雕刻制品、机 械化雕刻制品及特种加工雕刻制品。手工雕刻制品锤凿等最原始的工具加工出来的产 品，所需劳动强度大、加工效率低，但加工出来的雕刻制品具有其他加工方法所不具 各的灵性；半机械化雕刻制品是指人们用电磨头或气凿加工完成的产品，其加工效率 明显提高，但加工过程中产生的大量石粉或金刚石粉会对人体健康产生极大地伤害； 现代化石材雕刻机的诞生为实现石材雕刻制品的机械化加工奠定了基础，能够显著提 高加工效率，改善工人的工作环境，改善他们的生活质量，但与此同时，生产成本也 明显提高。 除了以上三种传统的加工方法外，当前用于石材雕刻加工的还包括激光雕刻、超 声波雕刻、化学蚀刻以及高压水射流雕刻等特种加工方法。石材雕刻虽然已有很长的 历史，但石材激光雕刻技术产业方兴未艾，发展迅速，由于激光加工过程受到激光聚 焦焦点位置的影响，目前常用的激光雕刻加工技术只能用于加工平面比较平整的材 料；超声波雕刻加工面积不够大，而且工具头磨损较大，所以生产率较低且加工效 山东大学硕十学伊论文 率较低。石材化学蚀刻技术，能够完成石材装饰板面各种文字或花纹的图案蚀刻，但 雕刻效果难以控制，且污染严重；高压水射流加工目前常用于石材制品的线切割，用 于立体雕刻的高压水射流控制技术复杂，其关键技术尚未成熟，需进一步深入研究发 展。用于石材雕刻的各种加工方法比较如表1 2 所示。 表1 - 2 石材雕刻常见加工方法的比较 雕刻方法雕刻原理雕刻工具雕刻精度雕刻效率适用范围 手工雕刻 物理剥离 刀、凿低低 通用 半机械化雕刻物理剥离电气动刀、凿较低较低 通用 机械化雕刻物理剥离 金刚石刀具 高较高 简单立雕 激光雕刻热熔气化激光刀较高高平面雕刻 特 金刚石颗粒悬浮液 种 超声波雕刻成型剥离 及雕刻模具 高低浮雕 雕 刻 化学蚀刻化学腐蚀化学液低高平面雕刻 高压水射流高速冲击磨料高压水较低 中 线雕 1 2 2 石材雕刻常见加工设备 我国最早的石材雕刻制品出现在新石器时代，发展至今，石材雕刻加工技术也发 生了翻天覆地的变化。从最初的手工作坊到近代的半机械化作业，现代的机械化作业， 再到当代的数控雕刻与特种加工，石材雕刻加工设备也随着现代制造技术的不断发展 而不断推陈出现。在当前的制造环境中，传统的手工作业、半机械化作业已经远远不 能满足人们对石材雕刻制品的需求。因此，将传统的雕刻加工工艺与现代化的生产制 造技术相结合已成为进行现代化的石材雕刻加工的必然趋势。代表现代生产加工技术 的数控机床、c n c 石材加工中能够代替人工完成石材雕刻制品的加工，但其在加工 过程中略显笨重、加工效率较低；数控雕刻机的出现，克服了传统的c n c 数控设备 转速较低、应用不灵活、性价比较低的缺点，在当代的石材雕刻加工中有着不可替代 的作用，但其只能完成浮雕或简单立体雕刻制品的加工。随着人们对石材雕刻制品的 大型化、复杂化、艺术化的追求，加之当前市场上专门用于加工石材立体雕刻制品的 设备很少。因此，国内企业迫切需要功能齐全、灵活性好、加工效率高、生产和加工 成本低、适用于外形结构复杂且结构尺寸较大的石材立体雕刻制品加工设备，目前常 用的石材雕刻加工设备如表1 3 所示。 6 第1 章绪论 表1 - 3 常用石材雕刻设备 雕刻加工设备雕刻方式雕刻精度雕刻效率适用范围雕刻规模 刀、凿等人工凿击低，但有灵性 低通用 小规模生产 电气动刀、凿 半机械化加工较低，有灵性较低通用小规模生产 数控机床、c n c机械化加工 高 由 小型立体雕刻批量生产 雕刻机机械化加工 高较高浮雕 批量生产 雕刻机器人机械化加工高高大型立体雕刻批量生产 工业机器人已经有了几十年的发展历史，目前正大踏步快速向前发展。瑞典、日 本、美国、德国等发达国家的机器人技术处于遥遥领先的地位。我国的工业机器人技 术经过二十几年的发展历程，也己形成了初具规模的研究单位和生产企业，并以前所 未有的速度向前发展，如国内的新松机器人。用于石材雕刻加工的工业机器人一石材 雕刻机器人，已经出现在国际市场上，如k u k a 公司的r o b o - s t o n e 系列石材雕刻机器 人，采用关节型机器人的结构形式，以机械手的形式控制末端执行器实现对石材立体 雕刻制品的加工，但目前在我国国内尚没有研究单位或生产企业进行石材雕刻机器人 的研究工作。 因此研究开发用于石材工艺品雕刻加工的立体雕刻机器人成为形势所需n0 1 2 1 ，其 可有效提高生产效率，缩短制造周期，实现批量化生产。随着我国工业企业自动化水 平的不断提高，工业机器人技术的不断成熟以及石材雕刻工艺制品市场需求的不断扩 大，给石材雕刻机器人的研究和开发提供了巨大机遇和发展空间。然而机遇也意味着 挑战，目前全球各大工业机器人供应商都已大力开拓中国市场，依靠自身优势，提高 自主创新，寻求发展道路，也是中国工业机器人生产企业在激烈市场竞争中需面对的 问题。 1 3 项目概要及研究意义 根据国内对雕刻设备的迫切需要，设计性能先进的石材立体工艺制品雕刻机器 人，是目前石材雕刻市场的急需产品。虽然现在数控加工设备已经发展的比较成熟， 但仍存在着一些问题和不足。目前石材雕刻工艺制品的雕刻，其中平面雕刻可以用加 工中心，立体雕刻可以采用四轴五轴石材加工中心进行雕刻。虽然如此，立体雕刻大 部分还是采用人工雕刻。使用加工中心进行雕刻，加工中心多为四轴联动以后的运动 7 山东大学硕十学1 青论文 方式，即便这样也不能保证刀具垂直于加工面，使其不具有良好的加工效果。虽然人 工雕刻相对效率较低，生产成本高，但是相对于加工中心，人工雕刻可以使雕刻纹路 自然平滑富有自然感。而加工中心雕刻使得轨迹生硬不足以表现出文化气息，没有人 工雕刻所雕刻出来的有灵性。 人工雕刻有着加工中心、雕刻机所不具备的优点，但人工雕刻在加工效率和生产 成本上又不及数控设备。而雕刻机器人有可能实现两者优点的潜力，首先雕刻机器人 是通过计算机控制以电机为驱动进行加工，其效率高成本相对较低；另一方面，可以 通过计算机控制，对雕刻机器人进行程序设计和控制设计从而使其模仿手工雕刻的路 径和力度从而使雕刻的工艺制品有人文气息。 现代企业在保证产品质量的前提下提高生产效率是稳定发展的保障，因此在石材 雕刻领域由于石材工艺制品雕刻机器人的优点，石材工艺制品雕刻机器人已成为石材 雕刻设备的必然发展趋势。 近年来，我国石材工业快速发展。作为石材深加工的石雕刻与石制工艺品工业， 是提高产品附加值、扩大出口创汇的重要组成部分之一，也得到了蓬勃发展。特别是 近几年来发展尤为迅速，呈现连年增长的趋势，其出口增长率高于其它石材产品。这 些年，我国石刻品出口创汇额，基本上是占全国石材产品出口总额的三分之一左右， 而且还有上升趋势，已成为石材产品出口的一个重要方面，石刻制品已出口到5 0 多 个国家和地区。 本课题所研制的石材立体工艺制品雕刻机器人，将填补国内石材工艺品立体雕刻 机器人的空白，改变石材行业的生产结构和现状。其推广应用，必将有效拓展我国石 材制品和石材雕刻设备的质量和档次，其市场和产业化发展前景十分广阔。 1 4 课题研究主要内容及章节结构 目前国内对石材工艺制品雕刻机器人相关技术还少有研究。本课题主要研究内容 是主要包括： ( 1 ) 调研、分析国内外知名工业机器人技术，系统分析其结构特点、运动学及 动力学特性，总结适合于工艺品雕刻的机器人结构形式和总体布局方案； ( 2 ) 对机器人进行结构方面的详细设计，主要包括机器人立柱及其传动系统， 第1 辛绪论 曼笪曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼舅量曼曼暑曼曼曼曼置曼曼曼量舅量曼皇舅皇曼曼曼曼曼量曼曼曼! 皇曼曼曼曼曼曼皇鼍曼曼置量曼量曼曼曼曼寰曼皇曼lil | 皇曼皇皇量曼蔓曼曼曼曼曼曼皇 4 r 机器人的每个自由度的结构设计及驱动设计，末端执行器的动力设计及接口设计， 危古 奇； ( 3 ) 从理论上确定i p + 4 r + i r 结构类型雕刻机器人加工系统的运动学坐标转换矩 阵，引入a d a m s 进行运动轨迹仿真和动力学分析。 论文结构安排如下： 第1 章：主要介绍课题的研究背景，阐述工业机器人的研究现状和发展趋势，分 析石材雕刻机器人研究的必要性； 第2 章：对石材雕刻机器人所适用的加工产品进行了系统分析，确定本课题所研 究的石材雕刻机器人系统的自由度数目、结构布置形式、驱动方式等，完成石材雕刻 机器人系统总体设计方案； 第3 章：依据石材雕刻机器人系统的总体设计方案，完成了机器人系统立柱结构、 回转工作台及腕部的传动系统设计及分析计算，确定了关键零部件的选型； 第4 章：运用d - h 参数法确定石材雕刻机器人系统各个零部件的局部坐标系，建 立石材雕刻机器人的运动学数学模型，通过s o l i d w o r k s 软件对石材雕刻机器人进行 了三维建模，且运用a d a m s 对建立的石材雕刻机器人三维模型进行在极端工况下运动 学和动力学仿真； 第5 章：主要对其立柱结构进行静态刚度分析、静态位移误差分析、应力分析及 模态分析，以p a r a s o l i d 的格式导入到a n s y s 有限元软件中，通过静态分析得出立柱 的应力分布及变形状况，并通过动态分析得到立柱的模态参数得到立柱的模态参数， 掌握立柱的动态性能。 9 第2 章石材雕刻机器人机械系统方案设计 曼笪曼曼曼量量曼曼曼舅曼曼邑皇量曼曼曼曼曼量曼曼曼舅 i i 舅 第2 章石材雕刻机器人机械系统方案设计 石材雕刻机器人的机械系统是整个机器人系统的基础部件，是实现机器人系统工 作过程的执行部件。机器人系统的设计不同于数控机床、加工中心等自动化专用设备 的设计，加工领域、加工任务及加工产品的不同决定了机器人在机械系统的结构设计 上存在较大差异。石材雕刻机器人机械系统的设计是整个机器人系统设计的一个重要 内容，其设计结果的好坏直接决定了机器人系统的使用性能，分析计算机器人机械系 统的最终目的是根据机器人工作任务的不同确定机器人结构的自由度数目、结构布置 形式、驱动方式、定位精度等。本章内容主要针对石材雕刻机器人的使用范围对石材 雕刻机器人机械系统的自由度数目、结构布置形式等进行了分析研究，并最终形成石 材雕刻机器人系统的总体设计方案。 2 1 系统分析 随着石材制品在建筑装饰、工艺制品等领域的应用日趋广泛，当今社会，石材制 品正向着高档化、艺术化、复杂化及多样化方向发展，且需求量越来越大，产品质量 要求越来越高。目前出现在我国市场上的石材制品主要包括平面异型制品、曲面异型 制品、回转体制品以及雕刻制品等四大类，雕刻制品又分为平面雕刻制品和立体雕刻 制品两种不同的形式。目前石材制品中的前三类产品及雕刻制品中的平面雕刻制品都 能通过雕刻机或复合加工中心来完成，而雕刻制品中的立体雕刻石材制品对加工设备 的要求特别高，不仅要求加工设备的数控联动轴数较多，而且数控编程也比较困难。 尤其是对于结构尺寸较大的立体雕刻石材制品，传动的加工设备已经不能满足其加工 要求。本课题所研究的石材雕刻机器人主要是针对市场上需求量大，结构复杂的大型 立体雕刻石材异型制品而设计的。 本课题所研究的石材雕刻机器人主要用于立体雕刻石材制品的加工，可以完成各 种轴对称或不对称，规则或不规则的立体雕刻制品，例如立体人物雕像、动植物工艺 雕刻品等，石材雕刻机器人系统主要技术指标包括： ( 1 ) 能够完成对天然大理石、花岗石、人造石、陶瓷、玻璃等各种不同的硬脆 山东大学硕十学位论文 材料的加工； ( 2 ) 能够完成对人物雕像制品，动物雕像等结构浮在的立体雕刻异型制品的加 工，加工尺寸范围最大可达1 0 0 0 m m x1 0 0 0 m m 2 0 0 0 m m ； ( 3 ) 具有雕刻、锯、铣、抛光等多种加工方式的选择，能以多种不同的加工方 式完成石材异型制品的加工； ( 4 ) 动态性能好，能够保证机器人系统在加工过程中具有较高的加工稳定性及 产品加工质量，满足产品加工质量的要求； ( 4 ) 保证金刚石刀具在加工过程中垂直于立体雕刻制品的表面进行加工，以提 高产品的表面质量，并保证系统的定位精度为0 1r r a n ； ( 5 ) 可靠性与稳定性高，能够适应各种恶劣环境，且操作与维护简便。 2 2 总体方案设计 机械设备的模块化分析与研究不仅有利于加快设备的研发速度，降低生产成本， 而且易于形成标准化的设备开发模式，有利于设备的可重构设计，是现代化机械设备 设计的重要内容之一n 们。因此，对石材雕刻机器人进行模块化划分研究有着非常重要 的意义。 根据功能独立原则、典型部件原则、基础件原则、可扩充性原则等加工设备模块 化划分的基本原则及石材雕刻机器人的加工特点对其机械系统进行模块化划分，主要 分为以下五个基本模块： ( 1 ) 运动模块实现石材雕刻机器人的加工工具相对于被加工工件x 、y 、z 方 向平移运动及绕x 轴、y 轴、z 轴的旋转运动的零部件模块； ( 2 ) 动力模块实现加工工具的主轴旋转运动、运动模块的进给运动的驱动系 统模块； ( 3 ) 支撑模块连接固定各个运动模块、动力模块并保持器相对位置及相对运 动关系的基础构件模块； ( 4 ) 辅助模块辅助石材雕刻机器人进行安全、高效生产的结构部件模块，比 如冷却润滑系统、安全防护罩系统等； ( 5 ) 扩展模块为实现设备的升级而预留的供扩展模块的空间。 1 2 第2 章石材雕刻机器人机械系统方案设计 本课题所研究的石材雕刻机器人机械系统部分的总体设计方案如图2 1 所示。 图2 - 1 石材雕刻机器人的总体方案设计 2 3 运动模块的方案设计 2 3 1 自由度数目的确定 根据立体雕刻石材制品的结构特点，在其加工过程中，石材雕刻机器人的加工工 具必须满足与所加工表面相互垂直的条件，因此要求石材雕刻机器人的运动模块应该 能够以实现各种不同的所有位姿运动，据此，建立石材雕刻机器人的加工过程运动图 谱，如图2 2 所示。 x x 、y 、z - - n i i 具沿x 、y 、z 轴的位移运动；a 、c 一加工工具绕x 、z 轴的旋转运动 图2 - 2 石材雕刻机器人的运动图谱 自由度数目是石材雕刻机器人的一个重要技术参数，是决定机器人末端加工工具 在三维空间中位姿状态的一个重要因素n 。本课题所研究的石材雕刻机器人主要是针 山东大学硕+ 学位论文 对最大结构尺寸为1 0 0 0 m m 1 0 0 0 m m x 2 0 0 0 m m 的大型立体雕刻石材异型制品而设计 的，所以最终确定石材雕刻机器人的自由度数目为6 个。 2 3 2 结构形式的确定 石材雕刻机器人是由一系列的操作臂通过不同的运动副连接而成的，机器人常用 的运动副主要包括移动副( p r i s m a t i cj o i n t ) 和旋转副( r e v o l u t ej o i n t ) ，并以 p 表示移动副，r 表示旋转副。 按照用于确定机器人末端执行器参考点位置的臂部关节沿坐标轴的运动形式组 合，即按照不同的p 与r 的组合，机器人的机构形式主要包括以下几种口7 3 1 1 ： ( 1 ) 直角坐标型直角坐标型机器人用于控制机器人末端执行器位置的关节副 均为移动关节副，关节移动方向互相垂直，结构形式类似于数控机床的坐标轴形式。 这种类型的机器人，虽然结构刚度较好，但其结构庞大，加工范围小，其结构简图如 图2 - 3 所示。 图2 - 3 直角坐标型机器人结构简图及工作空间 ( 2 ) 圆柱坐标型圆柱坐标型机器人用于控制机器人末端执行器位置的关节副 为一个转动关节和两个移动关节，工作空间为中空的圆柱体形状。该类型的机器人结 构简单，运动精度高，控制简单，应用较为广泛，但其末端执行器不能到达离主体太 近的位置。其结构图如图2 - 4 所示。 1 4 图2 - 4 圆柱坐标型机器人结构简图及工作空间 ( 3 ) 球坐标型球坐标型机器人用于控制机器人末端执行器位置的关节副为两 第2 章石材雕刻机器人机械系统方案设计 个转动关节和一个移动关节，工作空间为中空的球体形状。该类型的机器人结构紧凑， 灵活性高，但具有控制复杂，运动精度低的劣势，其结构图如图2 5 所示。 图2 5 圆柱坐标型机器人结构简图及工作空间 ( 4 ) 关节坐标型关节坐标型机器人用于控制机器人末端执行器位置的关节副 均为移动关节，工作空间也为中空的球体形状。该类型的机器人运动更加灵活，工作 空间更大，是目前应用最为广泛的机器人结构形式，其结构图如图2 6 所示。 图2 - 6 关节坐标型机器人结构简图及工作空间 经过对以上不同结构形式及其国内外知名工业机器人的结构特点分析，根据石材 雕刻机器人所加工雕刻制品的外形特点，机器人末端执行器需要以各种不同的方向姿 态到达半径为5 0 0 r a m ，高度为2 0 0 0 n a n 圆柱体内的任意位置，因此机器人结构至少需 要五个自由度。由于所需机器人的加工范围较大，为实现机器人的末端执行器能够以 任意姿态到达工作空间的任意位置，同时兼顾机器人结构简单，控制方便的设计原则， 经综合考虑后将机器人分为立柱、操作机和工作台三部分。自由度分配为：立柱部分 设有一个使操作机完成上下运动的的移动自由度，操作机部分包括大臂的摆动、小臂 的摆动和腕部的俯仰运动及旋转运动四个旋转自由度，工作台设有一个能够完成工件 分度旋转的旋转自由度。其中立柱的一个移动自由度和操作机的前两个转动自由度共 同实现了控制机器人末端执行器位置的功能，而操作机的后两个自由度能够控制末端 执行器在工作空间中的以任意姿态进行工作。而工作台的旋转自由度能够有效增加机 器人的工作空间，使机器人的结构尺寸变得更加灵活、方便。因此，最终确定石材雕 刻机器人的结构形式为1 p 4 r + i r 的形式，并最终形成了两个较为合理地结构方案。 ( 1 ) 操作机竖直安装在立柱上，上下摆动。由立柱增加操作机竖直平面的加工 1 5 i jj 东犬学硕十学何论文 i i i i o 曼曼曼曼! 曼皇量曼曼曼曼曼量曼曼曼曼量量寰量曼曼鼍量蔓曼曼皇舅曼曼量皇鼍量皇曼曼曼曼 范围，操作机与立柱共同保证竖直面的加工，工作台旋转保证机器人的工作面为立体 形状。 ( 2 ) 操作机水平安装在立柱上，机器人左右摆动，由机器人和立柱共同保证机 器人的工作面为立体形状。工作台旋转保证机器人的加工方式更为灵活。 方案一的设计虽然可以完成立体加工，但丧失了机器人加工的灵活性，立体雕刻 轮廓复杂，使加工过程变得复杂，违背了雕刻机器人的设计原则。方案二虽然使立柱 所承受的载荷变得更加复杂，但是立柱和操作机两者的运动就能保证机器人加工面为 一个立体形状，灵活好，使复杂的立体雕刻轮廓的加工变得简单。因此，在本课题的 研究中石材雕刻机器人的结构形式选择了方案二，其结构形式如图2 7 所示。 2 3 3 工作空间的确定 图2 - 7 石材雕刻机器人的结构形式 机器人的工作空间是指机器人的最大工作范围，是指机器人的末端执行器的参考 点所能到达的最大空间n 纠引。工作空间是机器人的的重要性能指标，直接决定了机器 人结构的结构形式和结构尺寸，是机器人设计过程中所要研究的重要内容。 通过单因素变量法，即在其他关节都固定的情况下，使某一关节在其变动范围内 变动，用几何作图法即能确定其工作空间的部分边界；然后固定该关节，使其他关节 在其动作范围内变化，又会得到其工作空间的部分边界；通过反复运用此方法便可得 到机器人的整个工作空间。按照各个关节的转动范围得到，操作机所确定的工作空间 及整个机器人的工作空间分别如图2 8 所示。 1 6 叫ll 第2 章石材雕刻机器人机械系统方案设计 、 ； | j c ， ( a ) 机器人在水平面内的工作空间( b ) 机器人的立体工作空间 图2 - 8 石材雕刻机器人系统的工作空间 为了实现石材雕刻机器人对