由于大理石、花崗巖等石材具有色澤鮮亮、耐磨、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，建筑裝飾對石材的需求量日益增加。為滿足石材加工多樣化和復(fù)雜化的需求，五軸數(shù)控機(jī)床應(yīng)用于復(fù)雜輪廓石材加工成為必然趨勢。然而，由于刀具和工藝的限制，加工金屬的數(shù)控系統(tǒng)并不能直接應(yīng)用于石材加工。我國在石材加工領(lǐng)域數(shù)控技術(shù)的研發(fā)起步較晚，與國外先進(jìn)技術(shù)水平相比，尚存在較大差距。因此，研發(fā)先進(jìn)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的石材加工數(shù)控系統(tǒng)，對提高我國石材加工的技術(shù)水平有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。
通過調(diào)研，結(jié)合用戶需求和石材加工工藝，并借鑒國
第一章 緒論
1.1 石材加工設(shè)備技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
在我國，石材的加工和應(yīng)用有著悠久的歷史?，F(xiàn)如今，隨著房地產(chǎn)和建筑行業(yè)的迅速發(fā)展，外觀優(yōu)美、經(jīng)久耐用、風(fēng)格典雅的石材飾品越來越受到人們的喜愛?；◢弾r、大理石等石材裝飾產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于家庭、賓館、廣場等場合。隨著應(yīng)用的廣泛，對石材產(chǎn)品的形狀要求也越來越復(fù)雜化和多樣化，加工精度要求也隨之不斷提高。然而，傳統(tǒng)的石材加工設(shè)備技術(shù)自動(dòng)化程度低、人工依賴性強(qiáng)，加工過程中對人體健康危害性大，已不符合科學(xué)、循環(huán)、環(huán)保經(jīng)濟(jì)的發(fā)展理念。因此，提高石材加工設(shè)備的自動(dòng)化程度和加工精度是必然趨勢。
20 世紀(jì)中葉，在德國、意大利、美國等歐美發(fā)達(dá)國家，石材加工設(shè)備得到廣泛應(yīng)用，促進(jìn)了石材行業(yè)的快速發(fā)展。20 世紀(jì) 80 年代，意大利成為世界石材設(shè)備技術(shù)開發(fā)和制造的發(fā)達(dá)國家。20 世紀(jì)末，隨著石材產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，我國開始自主研發(fā)石材加工設(shè)備，并取得了一定成效[1]。
1.1.1 國外石材加工設(shè)備技術(shù)發(fā)展概況
國外在石材加工設(shè)備領(lǐng)域起步較早，以意大利和德國為代表，其設(shè)備以高效率、高質(zhì)量、先進(jìn)的自動(dòng)化程度代表著世界石材裝備行業(yè)先進(jìn)的發(fā)展方向。尤其在把五軸數(shù)控技術(shù)應(yīng)用于石材加工后，研發(fā)出了一系列先進(jìn)的石材加工設(shè)備，操作方便、功能齊全。生產(chǎn)成本得到有效控制，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，在國際市場占據(jù)著主導(dǎo)地位。把已經(jīng)在金屬加工領(lǐng)域發(fā)展成熟的數(shù)控技術(shù)應(yīng)用于石材加工是目前研發(fā)的主流方向，具有更好的人機(jī)交互功能，更高的自動(dòng)化程度和加工精度，更多樣化的加工圖形等優(yōu)點(diǎn)。
通過以下兩款國外先進(jìn)設(shè)備的功能介紹，我們大致可以總結(jié)出國外石材加工設(shè)備發(fā)展的現(xiàn)狀[2]。
意大利 ISAC 公司生產(chǎn)的五軸石材橋切機(jī)，如圖 1-1 所示，采用 CNC 控制，集切割和雕銑功能于一體，具有非常便捷的人機(jī)交互功能，能夠完成平面切、立體切、仿形和異形等加工功能?？刂葡到y(tǒng)兼有繪圖軟件，其自帶的圖形庫可滿足大部分用戶需求，同時(shí)還可根據(jù)實(shí)際加工需求自定義加工圖形。功能強(qiáng)大的圖形編輯功能，可完成多個(gè)圖形的自動(dòng)排布、干涉判斷及自動(dòng)處理、軌跡顯示和移動(dòng)旋轉(zhuǎn)等。另外，還具有視覺功能，對于大型板材加工時(shí)定位困難和不準(zhǔn)等情況，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對刀和定位。大大提高了自動(dòng)化和智能化程度，具有高效率、高精度和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)市場廣受好評。
德國的歐馬克公司研發(fā)的多軸聯(lián)動(dòng)石材加工中心集拋磨、雕銑等多種功能于一體。不僅可以進(jìn)行平面切割，同時(shí)還可以利用自動(dòng)換刀功能進(jìn)行立體雕銑。因此，能夠滿足對加工圖形輪廓日益復(fù)雜化和多樣化的要求，由于控制系統(tǒng)采用CNC 技術(shù)，其加工精度和加工效率也能夠得到有效保證。廣泛用于佛像雕刻、羅馬柱加工和家庭廚房臺板的切割等石材產(chǎn)品[3]。
通過以上兩款國外先進(jìn)的石材加工設(shè)備，我們從中可大致總結(jié)出石材加工機(jī)械發(fā)展的方向及主要特點(diǎn)[4]。
1. 石材加工設(shè)備向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。
2. 石材加工設(shè)備向高精度、高效率、低能耗、綠色環(huán)保方向發(fā)展。
3. 石材加工設(shè)備向開放性、可擴(kuò)展性方向發(fā)展。
4. 多軸聯(lián)動(dòng)，功能集約化。如五軸石材橋切機(jī)可集二維、三維加工能于一體。
1.1.2 國內(nèi)石材加工設(shè)備技術(shù)發(fā)展概況
我國從 20 世紀(jì) 90 年代已經(jīng)開始自主研發(fā)石材加工機(jī)械設(shè)備。然而由于起步較晚，早期所研發(fā)的加工設(shè)備在實(shí)際的加工過程中，粉塵大、噪聲污染嚴(yán)重，嚴(yán)重威脅操作工人的身心健康；材料浪費(fèi)嚴(yán)重、高耗低能，不符合可持續(xù)發(fā)展要求。面對人口紅利優(yōu)勢丟失導(dǎo)致用工難以及環(huán)境污染等問題，傳統(tǒng)發(fā)展方式已不適應(yīng)當(dāng)前時(shí)代要求。因此，我們必須進(jìn)行產(chǎn)業(yè)升級，走綠色環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展道路，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)粗放式的增長模式向集約生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)型。多年來，我國石材加工設(shè)備技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)模仿、引進(jìn)消化吸收和自主創(chuàng)新相結(jié)合的發(fā)展歷程。隨著國家政策的利好和研發(fā)投入的不斷加大，國內(nèi)出現(xiàn)了一大批優(yōu)秀的石材設(shè)備制造企業(yè)，如山東華興、廈門銀華、福建盛達(dá)、莆田華隆等企業(yè)結(jié)合自身優(yōu)勢，引進(jìn)消化吸收國外先進(jìn)技術(shù)，自主研發(fā)出比較先進(jìn)的石材加工設(shè)備，并得到廣泛的應(yīng)用。我國已具備石材加工設(shè)備自主研發(fā)和創(chuàng)新的能力，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工藝技術(shù)水平等方面都日趨完善，形成了相對完整的行業(yè)體系，在滿足國內(nèi)石材市場需求的同時(shí)已逐步走向國際市場[5]。
但是由于起步較晚，縱觀國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀，與國外相比，國內(nèi)石材加工設(shè)備與加工技術(shù)尚存在一定的差距，主要有以下幾點(diǎn)：
1. 自主研發(fā)的用于石材加工領(lǐng)域的數(shù)控系統(tǒng)幾乎是空白；
2. 復(fù)雜曲面和立體加工的自動(dòng)編程軟件的研究與開發(fā)尚不完善；
3. 針對石材行業(yè)的繪圖軟件的研究與開發(fā)，意大利等發(fā)達(dá)國家所開發(fā)的繪圖軟件，可以直接與控制系統(tǒng)建立連接，不但有強(qiáng)大的圖形庫，還可以根據(jù)用戶需求自定義圖形，并且有非常強(qiáng)大的圖形編輯功能，如軌跡修改和顯示、自動(dòng)最優(yōu)排布、自動(dòng)干涉判斷和處理等。
1.2 ServoWorks 開放式數(shù)控系統(tǒng)簡介
IEEE（美國電氣與電子工程師協(xié)會(huì)）把開放式系統(tǒng)定義為：一個(gè)開放式系統(tǒng)應(yīng)能在不同供應(yīng)商提供的不同平臺之上有效地運(yùn)行各種應(yīng)用系統(tǒng)，可以與其他應(yīng)用系統(tǒng)相互操作[6]。但是與傳統(tǒng)封閉式數(shù)控系統(tǒng)相比，所謂的“開放性”是指數(shù)控系統(tǒng)具有高度模塊化的結(jié)構(gòu)，機(jī)床生產(chǎn)廠商可以根據(jù)實(shí)際具體的功能需求，對系統(tǒng)的功能模塊進(jìn)行重組、修改和擴(kuò)充等，從而在有限時(shí)間內(nèi)迅速建立起一個(gè)可重構(gòu)的系統(tǒng)平臺。
1.2.1 開放式數(shù)控系統(tǒng)的特征
20 世紀(jì) 80 年代，美國軍方首先提出了 NGC 計(jì)劃（Next GenerationWorkstation/Machine Controller）和開放式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)SOSAS（Standards ofOpen System Architecture For Control within Automation System）[7]。發(fā)展至今，已成為數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主流方向，在市場上占據(jù)著主導(dǎo)地位，開放式數(shù)控系統(tǒng)突出的特征有以下幾點(diǎn)：
1. 開放性。開放性是指具有平臺無關(guān)性，不受硬件和操作系統(tǒng)等平臺的限制，用戶可根據(jù)具體的實(shí)際情況對系統(tǒng)平臺進(jìn)行重新配置，對人機(jī)交互界面進(jìn)行修改和擴(kuò)充。數(shù)控系統(tǒng)的開放性讓功能開發(fā)更加靈活，大大提高了系統(tǒng)的柔性。既可以兼容特定軟件擴(kuò)充系統(tǒng)功能，又可以有選擇的舍棄一些功能模塊以適應(yīng)特定的功能要求。
2. 模塊化。模塊化包含兩層含義：一是功能模塊化，用戶可根據(jù)實(shí)際需求有選擇的對功能模塊進(jìn)行重組；二個(gè)是體系結(jié)構(gòu)模塊化，內(nèi)部算法是相互獨(dú)立的、可替換的，各功能的實(shí)現(xiàn)不會(huì)因此而受到限制。模塊化特點(diǎn)可使得控制器具有兩大特性。一是可互操作性，系統(tǒng)平臺利用標(biāo)準(zhǔn)化接口和統(tǒng)一的通信協(xié)議，可以不受限制的運(yùn)行不同的功能模塊。二是可移植性，系統(tǒng)內(nèi)部算法和軟件功能與硬件設(shè)備無關(guān)，即使系統(tǒng)的功能模塊是由不同開發(fā)商提供，只要采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式、設(shè)備接口和控制機(jī)理，就可以根據(jù)實(shí)際需求自由配置硬件平臺，并不影響系統(tǒng)功能模塊的正常運(yùn)行，因此可以給用戶較大的選擇配置空間，降低了生產(chǎn)成本[8 ]。
3. 標(biāo)準(zhǔn)化。開放式數(shù)控系統(tǒng)雖然有很強(qiáng)的開放性，但也是在一定規(guī)范下的開放，在開發(fā)的過程當(dāng)中需要制定一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。所謂的標(biāo)準(zhǔn)化包括開發(fā)語言和外部接口兩層含義。對系統(tǒng)進(jìn)行功能開發(fā)時(shí)，使用的開發(fā)語言應(yīng)與底層代碼所采用的開發(fā)語言保持一致；外部接口包括 NC/PLC 編程接口、通訊接口等應(yīng)符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或國際標(biāo)準(zhǔn)，以保證其通用性[9]。
4. 二次開發(fā)。根據(jù)實(shí)際需求，用戶可對數(shù)控系統(tǒng)功能進(jìn)行二次開發(fā)。
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