（机械电子工程专业论文）面向石材异型制品的经济型数控系统的研究与开发.pdf

摘要 _ ii i 自l i l l _ l _ _ _ _ 摘要 根据石材异型制品加工高可靠性、高性价比、操作简单的需要。采用全软件 化数控的开发思想，提出并构建了数控系统的体系结构，采用面向对象和模块化 技术，开发了用于石材异型制品加工的计算机数控系统。 数控系统硬件部分主要由工控机、输入输出卡和步进电机组成，软件部分按 功能分为人机交互、插补与控制、模拟仿真和故障诊断等模块；利用消息机铝4 合 理的规划和组织了各模块之间的逻辑关系，并由此开发了系统的人机交互模块、 控制模块和智能故障诊断模块： ( 1 ) 人机交互模块 一 设计了简单、实用的人机交互界面，实现了加工代码的输入、编辑和设备操 作；根据数控加工的逻辑关系对误操作进行锁定，并及时地向用户反馈加工信息； 在图形编辑界面中利用基本图元的连接来实现不规则图形的快速输入和编辑，满 足了石材异型制品的多样化需求。 ( 2 ) 控制模块 用全软件化的方法实现了系统的主要控制功能，包括：插补和速度控制，急 停、回零、复位等各种开关量控制。采用多线程技术和多媒体定时器提高了系统 的实时性。 ( 3 ) 智能故障诊断模块 用信息融合的方法实现了智能化的故障诊断功能。特别是对金刚石串珠锯破 损的诊断通过对故障信息的分类、检测、关联处理和逻辑判断，系统能够自动 识别故障和对故障分级，并能够根据故障级别进行自动处理，从而提高了检测的 可靠性和系统的安全性。 论文构建并开发了一个较完整的用于石材异型制品加工的数控系统平台，能 够满足不同类型的石材异型制品加工要求，具有高效、实用、加工范围广和高性 价比的特点，适应了目前石材异型制品加工企业的生产要求，将会促进我国石材 加工与应用行业的发展。 关键词石材异型制品；软件化数控；人机交互；运动控制；故障诊断 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n s i d e r i n gt h er e q u i r e m e n t si nh i g hr e l i a b i l i t y , h i g hc o s tp e r f o r m a n c ea n d f a c i l i t yf o ro p e r a t i o ni nm a c h i n i n gs p e c i a l - s h a p e ds t o n e , t h ep a p e ri n t r o d u c e sa n d c o n s t r u c t st h ea r c h i t e c t u r eo ft h en cs y s t e mk 吲缸o ns o f 确a 1 cn ci d e o l o g y t h e c o m p u t e rn cs y s t e mf o rs p e c i a l s h a p e ds t o n ei sd e v e l o p e db a s e do no b j e c t - o r i e n t e d t e c h n o l o g ya n dm o d u l et e c h n o l o g y 1 1 地h a r d w a r ei nt h en cs y s t e mi sc o m i s t e do ft h ei p c ，i oc a r da n ds t e p p i n g m o t o f i t ss o f f w a r ei sd i v i d e di n t om o d u l 船w h i c hi n c l u d em a n - m a c h i n ei n t e r a c t i o n , i n t e r p o l a t i o na n dc o n t r o l ，s i m u l a t i o n , f a u l td i a g n o s i sa n ds oo n t h el o g i cr e l a t i o 璐l l i p b e t w e e nm o d u l e si s r a t i o n a l l yd e s i g n e da n do r g a n i z e d 、i t l lm e s s a g em e c h a n i s m m a n - m a c h i n em o d u l e ，n cc o n t r o lm o d u l e , i n t e l l i g e n tf a u l td i a g n o s i sm o d u l ea r e d e v e l o p e d ： ( 1 ) m a n - m a c h i n ei n t e r a c t i v em o d u l e t h ep a p e rd e s i g n sa s i m p l ep r a c t i c a lm a n - m a c h i n ei n t e r f a c e w i t hi t , w ec a l lc a r r y o u tt h ei n p u ta n de d i to ft h en cc o d ea n do p e r a t ee q u i p m e n t i tc a l ll o c kw r o n g o p e r a t i o n sb a s e do nt h el o g i c a lr e l a t i o n s h i p s o fn cn m c h i n i n ga n df e e db a c k m a c h i n i n gi n f o r m a t i o nt oo p e r a t o r i ng r a p h i ce d i ti n t e r f a c e ，t h ec o n n e c t i o no fb a s i c g r a p h i c se n t i t yi su s e dt or e a l i z e t h ef a s ti n p u ta n de d i to f i r r e g u l a rg r a p h i c s ，w h i c hf i l l s t h ed i v e r s i f i e dr e q u i r e m e n t si nm a c h i n i n gt h es p e c i a l s h a p e ds t o n e ( 2 ) n cc o n t r o lm o d u l e b ys o f t w a r em e t h o d ，t h em a i nc o n t r o lf u n c t i o n so ft h ec n cs y s t e mi sd e v e l o p e d ， w h i c hi n c l u d e st h ei n t e r p o l a t i o n , s p e e dc o n t r o la n ds w i t c h i n gv a l u ec o n t r o ls u c ha s u r g e n ts t o p ，b a c kt oz e r o ，r e s e ta n ds oo i lm u l t i - t h r e a d st e c h n o l o g ya n dm u l t i - m e d i a t i m e ra r eu s e dt oi m p r o v et h es y s t e m sr e a l - t i m ea b i l i t y ( 3 ) i n t e l l i g e n tf a u l td i a g n o s i sm o d u l e m i n t e l l i g e n tf a u l td i a g n o s i sf u n c t i o n s ，e s p e c i a l l yd i a m o n dw i r e s a w sb r o k e n ， a r ei m p l e m e n t e db yt h ei n f o r m a t i o n - a s s o c i a t e dm e t h o d b ys o r t i n g ，c h e c k i n g , a s s o c i a t i n ga n dj u d g i n gt h ef a u l ti n f o r m a t i o n , t h es y g e mc a l li d e n t i f ya n d 伊a d e n 摘要 d i f f e r e n tt r o u b l e sa u t o m a t i c a l l y t h e n , t h e s et r o u b l e sa r et r e a t e da u t o m a t i c a l l y a c c o r d i n gt og r a d a t i o no f t h ef a u l t , w h i c hi sa b l et oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo f t h ef a u l t d i a g n o s i sa n d t h es t a b i l i t yo f t h ec n cs y s t e m t h ep a p e rd e s i g n sa n dd e v e l o p sac o m p a r a t i v ep e r f e c tn cp l a t f o r mw h i c hc a n m e e tt h en e e d sf o rp r o c e s s i n gd i f f e r e n tk i n d so fs p e c i a l - s h a p e ds t o n e i th a st h e a d v a n t a g e s i n h i g he f f i c i e n c y , p r a c t i c a l i t y , a p p l i e dw i d e r a n g e a n dh i g i ic o s t p e r f o r m a n c e , w h i c ha r ea d a p t a b l et ot h e c u r r e n ts p e c i a l - s h a p e ds t o n em a c h i n i n g e n t e r p r i s ea n da r ea b l et oa c c e l e r a t et h ed e v e l o p m e n to f s t o n ei n d u s t r y k e yw o r d ss p e c i a l - s h a p e ds t o n e ；s o f t w a r ec n c ；m a n - m a c h i n ei n t e r a c t i v e ：m o t i o n c o n t r o l ：f a u l td i a g n o s i s m 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，足本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注职引用的内容外，本沦文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位沦文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有天数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制了j 段 保存沦文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：虽导师签名：论文作者签名：盘蛔导师签名： 日期：2 凶生垒旦 第1 章绪论 i i 。 i i - _ - - l 第1 章绪论 1 1 石材异型制品及其加工设备 1 1 1 石材异型制品简介 天然石材具有质地坚硬、色彩缤纷、古朴典雅、耐磨损、耐腐蚀、无磁性、 受热变形小等特点【“。近年来，随着建筑装饰业和石材加工业的发展，各种花岗石、 大理石弧形、波浪形曲面装饰幕墙、柱体等石材异型制品的需求量日益增大另 外，石材由于受热时变形小、稳定性好等特点而广泛应用于精密机械基础件，精 密计量器具等方面。 石材异型制品可以理解为除矩形石材板材制品以外的所有其它石材制品。石 材异型制品的分类方式很多，被行业公认的主要是按制品的特点和加工方式进行 分类【2 l ： ( 1 ) 平面异型制品 指形状以二维图形为主的台板面制品，一般带有边缘花线。如卫生间面盆板、 厨房灶台板、花线条、拼花板材等。 ( 2 ) 曲面异型制品 指具有公共母线或对称中线的瞳面板材制品，如内外圆弧形、s 形或波浪形等 墙面、柱面用板材制品。 ( 3 ) 实体回转面制品 指具有对称中线的柱体制品，如圆柱、工艺花瓶、栏杆柱、扭纹柱，球体、 罗马柱、柱座等，加工设备具有回转工装。 ( 4 ) 雕刻制品 指没有对称中线以及具有复杂形面的异型制品，包括平面浮雕和立体雕刻， 如画框、透雕窗格、壁炉饰面、各种楼梯扶手、立体人像、动植物雕刻品等。平 面浮雕所需加工设备至少需要三维方向的运动：立体雕刻设备一般需采用激光扫 描器预先对制品模型迸行扫描，然后通过三维激光扫描软件将扫描后的图像直接 转换成c a m 加工程序，所需加工设备应具有四维方向的运动，一般应采用数控加 工中心加工。 1 1 2 石材异型制品的加工技术 随着数控技术、制造技术和计算机技术的发展，石材异型制品的加工已由传 统的手工作业发展为机械化、自动化的生产。石材异型制品的加工工艺不断改善， 新的加工技术也不断地涌现，最常见的有1 3 1 ： ( 1 ) 仿型技术 石材异型制品的仿形加工是利用机械或液压机构经一定的运动关系组合后， 使得被加工材料和制品模型具有输入、输出点坐标同步的关系，从而形成机构仿 型的一种机械加工方式。其原理是利用仿形仪作为检测和反馈元件，根据仿形指 的偏移量和其它相关参数计算出机床各坐标轴上的速度值，直接输出给伺服单元， 使仿形指保持规定的偏移量沿着模型表面作扫描运动。 ( 2 ) 数控加工技术 数控技术在是指用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方 法，现代的数控机床大多都采用计算机作为控制平台。数控技术和计算机辅助设 计与制造技术( c a d ，c a m ) 的发展，正在使传统的机械设计与制造方式发生根本 的变化。特别是现代化计算机数控机床，由于采用了计算机辅助数控编程，大大 缩短了产品的制造周期，提高了产品的竞争能力，具有明显的经济效益和广桶的 发展前景。 ( 3 ) 多功能数控加工中心 多功能数控加工中心是典型的集高新技术于一体的机械加工设备，具有高精 度、高速度、高效率和高自动化，且能适应多品种小批量生产的显著特点。从控 制系统方面来说，多维数控加工中心一般采用图形编程和模型扫摧两种方法来建 立制品造型程序【4 l 。从结构上说，这类设备通常是将多个普通数控加工设备的功能 集中于一台设备上。设备的不同功能可以通过增加选配件来实现。 第1 章绪论 1 1 3 石材异型制品的加工设备 当前用于石材异型制品的加工设备种类繁多，有数控、液压和机械仿形等多 种结构形式，按照制品的形状和加工特点可分四类，如表1 1 示。 表1 1 石材异型制品加工设备分类 类型功能设备举例 可实现切割、成型、粗磨、细磨、抛光数控设备、 平面异型制品加工设备 一机完成机械一液压仿形设备 可实现自动从电脑控制到仿形加工或手仿形设备、 曲面异型制品加工设备 动加工机型数控成型设备 装有回转装置，工件可绕其轴线做回转数控车床、 实体回转面制品加工设备 运动液压仿形车床 将所要加工的图形和技术参数输入计算数控加工中心、 立体异型制品、雕刻设备 机进行编程，完成制品的加工数控铣床 ( 1 ) 平面异型制品加工设备 用于平面异型制品加工的设备通常配备一个工作平台，供安放和固定工件用， 刀具可沿x ，y ，z 三个方向运动，刀具轴线也可以摆动一定的角度。常用的有仿 形设备和数控设备【5 】 1 ) 仿形加工设备 平面异型制品的仿形加工是以制品模型为依据进行的一种机械加工方式，具 有输入、输出点坐标关系同步的特性。目前用于石材加工的仿形设备是利用机械 和液压等方式经一定的运动关系组合后形成的仿形机构，机械仿形多采用由平行 四边形机构组合而成的形式。模型与工件的比例一般为l ：1 。 2 ) 数控铣磨设备 数控铣床是专门加工非回转体制品的数控加工中心，其功能可以通过选配不 同的部件或装置而增加。 ( 2 ) 曲面异型制品加工设备 加工曲面异型制品的数控设备工作台固定或者是前后平移，刀具相对于工件 做x ，y ，z 方向进给运动。曲面异型石材制品成型加工形式很多，其中采用普通 的圆锯片或铣磨轮加工的方法是最经济方便的。 山东大学硕十学位论文 ( 3 ) 实体回转面加工设备 加工母线是直线或曲线的回转体类制品的设备至少需要控制四个方向的运 动，即工件的水平回转，动力头部件的x ，y ，z 方向平移等。这类设备用于加工 罗马柱、扭纹柱、花瓶、栏杆等具有对称中线的柱或球类等产品。常用的有数控 车床和仿形设备。 1 ) 数控车床 数控车床，其刀具只需具备在与回转体旋转轴线同一个平面内有两个呈正交 的运动关系即可。数控车床上一般不需配备激光扫描仿形器，因为一般的回转体 制品，使用设备上安装的图形设计软件即可满足编程需要。 2 ) 仿形加工设备 回转类工件仿形加工常采用液压仿形机构，液压仿形是将几个液压油缸和液 压阀组合形成液压仿形油路系统的一种加工方式。液压仿形设备加工过程可分为 两个阶段，即粗加工成型( 锯片完成) 和精细加工成型( 圆柱型铣刀完成) 。 ( 4 ) 立体异型制品、雕刻加工设备 一般来说，立体异型制品、雕刻制品空间造型都比较复杂，对所需加工设备 的要求也很高，多功能数控加工中心是加工这类制品的理想设备。这类设备可用 于楼梯扶手、工艺品、平面雕刻、壁炉、立体人像、动植物等雕刻品。 多功能数控加工中心，通常是指将多个普通数控加工中心的功能集中于一台 设备上，联合为组成式数控加工设备，一般都具有数控铣床、数控车床等设备的 加工功能，用来生产形状比较复杂的立体石材异型制品。它常采用图形编程和激 光模型扫描两种方法，建立制品造型等程序。 1 2 国内外石材异型制品加工设备的现状与发展趋势 1 2 1 石材异型制品加工设备的发展趋势 近年来，随着建筑装饰业和石材加工业的发展，石材异型制品开始大量应用 于建筑物、广场、家庭等场合的装饰，并向着高质量、艺术化、多样化的方向发 展。因此，市场对石材异型制品的种类、形状、精度和产品尺寸的要求愈来愈高、 第1 苹绪论 需求量也愈来愈大1 6 】。为满足这一需求，石材异型制品加工设备也在不断的发展， 其发展趋势主要有以下几个方面： ( 1 ) 设备品种越来越齐全 各种功能和档次的异型石材加工设备以及加工中心应有尽有，几乎所有形状 的石材制品都有相应的加工设备供选用，如意大利o m a g 公司生产的i d 8 6 系列 卧式液压仿形车床和o m a g 9 5t o p 型数控铣床，分别用于回转体和非回转体异型 石材的加- f i t i 舯。 ( 2 ) 设备性能及控制系统日臻完善，加工设备档次逐步提高 用于加工形状比较复杂的立体雕刻制品或画像的各种电脑程控雕刻设备，可 以选配激光扫描器，对预选制作的小型实体模型或画稿进行扫描，通过配备的专 用软件，将扫描结果转化为计算机认可的指令直接加工，不必进行琐碎的编程工 作f 9 】。 ( 3 ) 功能更完善、操作系统兼容性更好的数控加工中心的应用 加工中心是数控机床的一种加工中心的刀具库中有各种刀具可供加工者选 用，如切刀、铣刀、钻孔刀、锯片成型刀、雕刻刀、磨轮等，可完成切割、钻孔、 铣、磨、抛光等工序。如o m a g 公司制造的数控加工中心m i l l 5 型数控加工中心， 在加工中心的两侧分布着不同的刀具，这些刀具各有特点，根据加工需要选择刀 具。加工中心的编程主要利用c a d 在p c 机上绘图，然后用加工中心的专用软件 将图形转化成加工中心能识别的程序i 1 0 1 。 ( 4 ) 向全自动化、高效化方向发展 石材异型加工生产线除了单机设备的自动化外，主要通过配备自动输送系统， 将生产线连接成为一个整体，实现生产的连续自动化，提高了加工效率。 1 2 2 国内石材异型制品加工设备的特点及研究现状 近年来，我国的石材异型制品加工业取得了较大的发展，石材异型制品加工 设备的功能越来越多、用途越来越广，智能化和自动化的程度也越来越高嘲。例如， 建新机械厂研制成功的数控绳锯( 金刚石串珠锯) ，结束了我国此类设备依赖进口 的局面，标志着我国在石材加工设备方面又提高到一个新水平【4 1 ：在山东镁矿研制 山东大学硕十学位论文 成功的多功能d q s - 4 0 0 桥式切机，锯片移动采用了先进的变频调速技术，不仅应 用范围广，而且还能提高工作效率嘲；温州方圆石材有限公司研制成功的系列石材 异型制品加工设备，能够加工花岗石圆型空心柱、八角型石柱、石柱帽等大型石 材异型产品及各类石材装饰图案，为石材异型制品生产设备的进一步国产化提供 了经验。 虽然我国的石材异型制品加工业取得了较大的进步，但在加工质量、加工效 率和加工成本等方面与国际先进水平仍存在较大差距，至今未能形成成熟的加工 技术。随着对石材制品的品种和质量要求愈来愈高的局面，我国石材加工业迫切 需要多功能、效率高、投资小的适合我国国情的自动化加工设备以及与之相关的 加工工艺和技术。由于多功能o n c 数控加工中心价格昂贵，普通企业难以接受， 而单功能机生产设备劳动强度大，生产效率低，难于满足石材异型制品的加工要 求，因而急需开发适合我国国情的投资小、见效快、实用性强、通用性好、质量 稳定的石材异型制品加工设备，而开发与之配套的开放式数控系统成为了其中的 关键【1 ”。 从市场分析看，高、中档的数控系统基本上被国外的数控系统占领，而国内 的数控系统则以经济型为主。由于石材加工的进给速度和加工精度要求较低，完 全能够通过使用经济型数控系统实现，因此，经济型数控系统在这一领域能够得 到很好的应用。 经济型数控系统具有结构简单、价格便宜的特点，非常适合中小型企业，是 目前我国应用最广的数控系统，具有广阔的市场前景【1 2 】因此，为了满足我国建 筑业和石材加工业的需求，我们应努力开拓，以经济型数控系统作为突破口，研 制出适合我国国情的新型石材异型加工设备，提高我国在国际石材市场上的竞争 力。 1 3 开放式数控系统的结构体系 近年来，随着计算机技术的快速发展，产生了基于p c 的数控系统( p c - n c ) 。 所谓p c - n c ，是指在p c 机硬件平台和操作系统的基础上，通过应用软件和硬件插 卡来实现系统功能的数控系统。 第l 苹绪论 目前，p c - n c 的结构主要有三种：p c 嵌入n c 、n c 嵌入p c 和全软件化 n c 1 3 - 1 5 l 。 ( 1 ) p c 嵌入n c 这种结构主要为一些大的c n c 控制器制造商所采用。其做法就是在传统的 c n c 中提供p c 前端接口，使其具有p c 化的人机界面，能够集成应用程序、网络 接口等。如华中科技大学研发的华中i 型数控系统，采用通用p c 作为硬件平台、 d o s 及其支持软件作为软件平台的开放式体系结构尽管这类系统已经具备了开 放式系统的部分特点，并可根据用户需求进行系统配置，但由于数控系统的开放 性仅限于p c 部分，而专用的数控部分仍处于封闭结构，且其运行在d o s 操作系 统下，使得p c 机的潜力未能充分发挥，系统的功能和柔性也受到了限制n 6 1 。 ( 2 ) n c 嵌入p c 这种结构是将运动控制板或整个c n c 单元( 包括集成的p l c ) 插入到计算机 的扩展槽中。p c 机作非实时处理，实时控制由c n c 单元或运动控制板来承担 如美国d e l t at a u 公司根据n g c 和o m a c 等协议开发的p m a c ( p r o g r a m m a b l em u l t i - a x e sc o n t r o l l e r ) 开放式数控系统，该系统采用了p c 机加 p m a c 开放式多轴运动控制卡的构成方式，获得了良好的应用效果f 1 7 】 ( 3 ) 全软件化n c 全软件化数控是基于开放式数控系统理论的一种新型数控系统。其基本思想 认为数控系统的实现完全是一种标准的应用程序，而不是包含许多插件板的硬件 系统。它是数控系统硬件功能的软件化实现，同时也是一种高度开放的结构体系 s t j g l 。 1 4 课题内容安排 本课题为适应我国石材异型制品加工业的需要，为s s 系列石材异型制品加工 设备( 见表i - 2 ) 开发经济型数控系统，内容包括以下几个方面； ( 1 ) 根据石材异型制品加工高可靠性、高性价比、操作简单的特殊需要，确 立系统的开发思想和开发原则，分别对数控系统的硬件体系和软件体系进行总体 设计。 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 设计和开发数控系统的人机交互模块，包括图形编辑、机床控制、模拟 仿真等人机交互界面。 ( 3 ) 设计数控系统的控制模块，实现系统的主要控制功能，包括急停、回零、 复位、冷却水开关、夹具开关以及插补和速度控制等。 ( 4 ) 设计和实现智能故障诊断模块：分析石材加工过程和数控系统的故障信 息并对其按级别分类，实现系统对故障信号的检测、特征提取和诊断，最终能够 根据故障级别对故障进行自动处理。 1 5 课题提出的意义 为满足市场的需求，山东省建材与建设机械研究中心与山东石材工业协会在 吸收国外同类产品优点的基础上，结合多年研制石材异型制品加工设备经验，共 同设计开发了s s 系列石材异型制品数控加工设备( 如表l - 2 所示) 。该设备加工 规格大、范围广，性价比优于国外同类设备。本课题的主要内容就是开发与该系 列设备配套的新型数控系统。 表l _ 2s s 系列石材异型制品加工设备 设备代码全称加工范围 加工任意曲率的内外曲面，碑石，花线等 s s q 数控石材曲面加工设备 石材制品，尤其是适于加工石材幕墙用巨 型曲面，同时可做数控桥式切机用。 s s t 数控石材异型台面加工设备适于各种异型台面板材内外边缘花线的 铣、磨、抛光加工，并可加工各种孔 适于加工各种球体、柱座、柱帽，锥体、 s s w 数控石材多功能加工设备 碑石、花线，还可以加工任意曲率的内外 曲面板材，尤其适于加工巨型球体、曲面。 s s c数控金刚石串珠锯 适于各种异型面加工，进行荒料整形，切 割大型板材。 用于各种小规格石材实心柱体的成型与 s y z 石材异型柱体成套加工设各磨光加工，例如各种栏杆柱、工艺瓶、螺 旋柱等异型回转体 s s h 数控石材回转面加工设备加工各种石材回转面板材，尤其适于加工 各种异型回转面，回转面母线可为曲线。 s s g数控干挂板材沟槽加工设备加工干挂板材沟槽 与传统的石材加工系统相比，该数控系统具有高效、实用、加工范围广等特 点，与国外同类产品相比也具有较高的性价比。本课题的产业化实施，可为我国 第l 章绪论 广大的石材加工企业提供高效、经济，实用的石材异型制品自动化加工设备，从 而促进我国石材加工与应用行业的发展。 1 6 本章小结 本章首先阐述了课题背景，从石材异型制品的定义与分类出发，介绍了石材 异型制品的加工技术和加工设备，包括仿形设备、数控机床和多功能数控加工中 心等；然后概述了国内外石材异型制品加工设备的现状和发展趋势以及开放式数 控系统的结构体系；最后介绍了课题的内容安排和课题提出的意义。 通过上面的介绍与分析可以得出以下结论： ( 1 ) 数控化和智能化是提高石材加工质量，加工效率、扩大石材设备加工范 围的重要手段，也是石材异型制品加工设备的重要发展方向。 ( 2 ) 石材异型制品的应用越来越广泛，需求量越来越大，加工质量的要求也 越来越高，因而急需开发适合于我国国情的投资小、见效快、实用性强、通用性 好、质量稳定的加工设备。 ( 3 ) 国内的石材异型制品加工设备与国际先进水平还有较大差距，结合目前 国内石材加工企业的需求特点和现有技术水平。走经济化数控的道路是目前国内 石材异型制品加工业的主要发展方向。 9 第2 章石材异型制品数控加工系统的需求分析 2 1 石材异型制品加工对数控系统的性能要求 石材加工业作为机加工业的一个分支，近几年得到迅速发展，其在加工技术、 加工机理方面与机加工业密切相关，因而机加工业的技术更新与发展也带动了石 材加工业的发展，其中数控技术在保证高速、高效、高精度的产品加工方面起着 关键作用2 0 】。 面向石材异型制品加工的经济型数控系统除了具备一般数控系统的一些共性 外，还有其自身的一些需求和特点： ，ir ( 1 ) 操作的简易性要求 通常，石材加工企业的操作员工计算机水平相对较低，因此，异型石材数控 系统在设计时应充分考虑面向大众化的实际需要，要做到界面友好、功能实用、 简单易学，通过系统提示和系统帮助来减少误操作。用户只需经过简单培训，即 可熟练操作使用【2 ”。 ( 2 ) 功能的实用性要求 用于石材加工的数控系统的在功能上有一些特殊的要求，例如，由于石材异 型制品的形状多种多样，因此需要实现不规则图形的快速输入和编辑；能为不同 类型的石料加工设备提供开放式的辅助功能；由于石料在加工过程中会出现破损 或断裂的情况，因此在故障诊断模块中需要采取针对性的检测和处理方法。 ( 3 ) 可靠性与稳定性要求 石材加工的现场环境通常比较恶劣，加工现场温度过高或过低、高湿度、高 粉尘污染、强烈的振动与噪声以及干扰源( 电网污染、电磁干扰) 复杂多变，这 些均对数控系统的可靠性与稳定性造成极大威胁吲。 因此，为适应恶劣的工作环境，控制主机应能连续无故障工作几千小时；同 时，在产品设计阶段应充分考虑并提高系统的可靠性与稳定性，还需要提高系统 的自诊断功能，以便系统发生故障时，能够及时发现故障并予以排除。 ( 4 ) 抗干扰性要求 第2 章石材异犁制品数控加下系统需求分析 石材加工现场的外部环境干扰往往也比较严重，因此需要采取相应的措施来 提高系统的抗干扰性。 在硬件方面，应将控制主机置入控制柜中，达到屏蔽电磁干扰与防潮、防粉 尘等目的；信号线应采用金属屏蔽线，接地线尽量粗，以降低电位差。输入输出 信号需采取隔离措施，防止外界干扰。 在软件设计上，应提高软件的健壮性、运行稳定性，能够保障软件准确、长 时间的运行。另外，软件应具有自诊断功能，并且同硬件相联系，能够对故障做 出及时准确的诊断和处理。 ( 5 ) 实时性要求 石材异型制品加工通常是用于建筑或者装饰，对尺寸的精度要求不是十分严 格；另一方面，石材的硬度通常要比金属低，物理结构相对松散，对加工精度和 表面质量的要求相对于金属加工要低一些，对加工设备的实时控制要求也可以低 一些。 2 2s s 系列石材异型制品加工设备的运动分析 本课题的主要内容是开发与s s 系列石材异型制品加工设备( 见表1 2 ) 配套 的新型数控系统。要进行系统的开发，首先要弄清楚该系列设备的结构和运动特 点，石材异型制品的加工特点及其成型原理的相似性决定了加工设备的布局形式 和结构组成也具有相似性。 图2 1 给出了s s 系列设备的结构布局：其中，立柱( 1 2 ) 、( 2 3 ) 与横梁( 1 9 ) 组成龙门式框架结构，板材( 7 ) 通过真空吸盘( 8 ) 固定在工作台( 3 ) 上，主运 动系统固定在竖拖板( 2 0 ) 上，主电机( 1 8 ) 通过v 带( 9 ) 带动安装在轴承座 ( 2 1 ) 上的刀具( 2 2 ) 作主运动。竖拖板( 2 0 ) 与横拖板( 1 6 ) 通过竖向圆柱导 轨相连，由步进电机( 1 3 ) 通过减速器( 1 4 ) 、丝杠( 1 5 ) 带动沿竖向圆柱导轨作 上下运动；横拖板( 1 6 ) 装在横梁由两根圆柱导轨( 1 9 ) 组成的横梁上，由步进 电机( 1 1 ) 经减速器( 1 0 ) 、丝杠( 1 7 ) 带动作横向运动；工作台( 3 ) 通过滚轮 ( 2 ) 支承在导轨( 1 ) 上，由步进电机( 6 ) 通过减速器( 4 ) 、丝杠( 5 ) 带动其 作纵向移动。 图2 - 1s s 系统设备结构示意图 1 导轨2 滚轮3 工作台4 、1 0 、1 4 - 减速器5 、1 5 、1 7 丝杠6 、1 1 、1 3 步进电机7 - 板材8 - 真空 吸盘9 - v 带1 2 、2 3 立柱1 6 - 横拖板1 8 主电机1 9 - 圆柱导轨2 0 竖拖板2 l 轴承座2 2 一刀具 s s 系列设备包括三个轴向运动，每个运动轴由步进电机驱动实现开环控制， 两轴之间应能实现联动；通过更换不同类型的刀具可完成铣、磨、抛光加工，能 够实现任意内外曲面的加工和多种立体石材异型制品的加工；将加工设备机械系 统的部件按功能分类，构成功能模块，在实际的加工中可通过更换相应的功能部 件来实现不同的加工，从而大大提高了机床的应用范围】刚。 2 3s s 系列石材异型制品加工设备对数控系统的功能要求 s s 系列石材异型制品加工设备的主要功能是在数控系统的控制下，通过机械 系统完成各种异型台面、回转体及其它不规则制品的加工。面对品种繁多的石材 异型制品，如何实现数控系统的功能是关键。数控系统的功能设计既要考虑针对 性，又要兼顾通用性。 下面对数控系统进行功能要求分析，它应包括以下几个主要模块【2 5 - 2 7 ： ( 1 ) 人机交互模块 该模块是在用户的配合下，利用各种交互设备完成系统的操作，包括工作模 式的选择和用户程序的输入、调试、运行和管理等；c n c 系统则适时针对用户的 侣仃侣伯 纠趁勰 第2 章石材异型制品数控加t 系统需求分析 操作，进行信息的反馈，向用户提供系统运行状态，提供错误和警告信息。 针对石材加工要求多样化和操作员工计算机水平不高的特点，人机交互界的 设计需要以操作的简易性和功能的实用性为目标，能够实现复杂的图形输入；在 用户操作过程中应适时地给予用户提示，并对误操作进行锁定 ( 2 ) 机床控制模块 该模块是数控系统的核心，它主要包括插补控制、速度控制和开关量控制。 插补控制根据信息预处理给出的希望轨迹和从反馈接口获取的实际轨迹信 息，实时生成机床各坐标的移动指令：应包括直线插补和圆弧插补两种插补方式。 速度控制根据插补运算的结果实现对机床主轴转速和进给速度的实时控制。 开关量控制实现系统中开关量( 如主轴开关、冷却液开关等) 的逻辑控制， 按p l c 的原理控制机床的逻辑运动。 ( 3 ) 动态显示模块 该模块需能够实时显示加工过程中刀具的运动轨迹、各运动部件的动态坐标 值和系统的运行状态等信息，使操作者随时了解系统和机床的运行状况。 ( 4 ) 故障诊断模块 该模块与相关传感器配合，对故障信号进行检测和特征提取，对机床的加工 过程和有关动作进行监视，防止某些错误动作的发生和故障蔓延，并对系统发生 的故障进行实时的诊断和处理，设计中需考虑到石材加工过程中出现的特殊故障 ( 如石料破损等) 。 2 4 本章小结 本章分析了石材异型制品数控加工设备的性能需求，并对s s 系列石材异型 制品加工设备的结构、运动和功能进行了分析通过分析得出以下结论： ( 1 ) 面向石材异型制品加工的数控系统除了需要满足数控系统的一般要求， 还需要满足操作简单、高可靠性、高抗干扰性等特殊要求。 ( 2 ) s s 系列石材异型制品加工设备的布局形式和结构组成具有相似性，这 山东大学硕十学位论文 为系统的模块化设计提供了可能性。 ( 3 ) 系统按功能主要分为人机交互、机床控制、动态显示和故障诊断等模块。 针对石材加工的要求特点，系统的功能以操作的简易性和实用性为目标，需要能 够实现不规则图形的快速输入和编辑；能为不同类型的石料加工设备提供开放式 的辅助功能；需要对石材加工中出现的特殊故障( 如石料破损等) 进行针对性的 诊断和处理。 1 4 第3 章石材异刑制品数控加工系统的总体设计 第3 章石材异型制品数控加工系统的总体设计 3 1 系统的总体规划和设计 3 1 1 系统的开发思想 根据上章对石材异型制品数控加工系统，特别是与它配套的专用数控系统的 需求分析可以看出，石材异型制品的加工有其自身的特点和要求。因此，我们把 “针对石材异型制品的加工特点，在保证加工要求的前提下尽可能的降低系统成 本”作为数控系统开发的思想。 我们根据数控系统开发思想，采用基于p c 的全软件化结构来构建数控系统， 理由如下： ( 1 ) 本系统是为s s 系列设备服务的，要求数控系统能够应用于不同的设备 采用全软件化的体系结构能够更方便的进行数控系统的模块化设计，可通过模块 的增减和调配来实现不同的功能，能够很好的满足s s 系列设备的系统配套工作的 要求。 ( 2 ) 针对石材加工设备操作员工的计算机水平相对较低的特点，石材加工设 备在界面友好性以及操作简易性方面有着更高的要求，全软件化的体系结构能够 充分利用p c 机丰富的软件资源来满足这一要求。而且，利用软件的方法还可以对 按钮和菜单加入提示和锁定功能( 当用户误操作时，系统可以根据逻辑关系自动 锁定按钮，使操作无效并给予提示) 这样，不仅提高了系统的友好性，而且还能 够降低误操作。 ( 3 ) 从经济性和开放性方面考虑，选用全软件化的体系结构也是最合适的。 全软件化数控系统把传统数控系统的各项功能，如；用户加工代码的解释、运动 轨迹插补和开关量控制等均用软件模块来实现，而硬件部分仅是插在p c 机扩展槽 中的f o 卡，显然，这种体系结构的硬件成本是最低的。由于石材加工时的进给速 度较低，这种结构完全能够满足石材加工的实时性要求。全软件化的数控系统还 能够迅速吸收计算机技术的最新成果，具有良好的开放性和可扩展性，可方便地 山东大学硕十学位论文 采用新的控制算法，也易于实现设备和操作系统的更新换代t 2 8 - 3 0 。 3 1 2 系统的开发原则 我们根据开发思想确定了数控系统的开发原则，包括以下几个方面： ( 1 ) 系统要具有开放性 本系统是为s s 系列石材异型制品加工设备服务的，应满足不同设备的需求， 因此，对数控系统的开放性有着明确的要求。 开放式的数控系统能够充分利用通用p c 的资源，通过软件的设定来满足不同 控制轴数和联动轴数设备的要求，从而实现多档次和多品种设备的开发 3 1 - 3 3 】。 ( 2 ) 系统要实现模块化 机床的模块化设计是指将机床上同一功能的单元，设计成具有不同用途或性 能的、可以互换选用的模块，以更好的满足用户需要的一种设计方法【3 4 1 1 3 5 1 。 s s 系列石材异型制品加工设备的结构和功能均比较相似，这为数控系统的模 块化设计提供了可能。通过模块化设计，数控系统可根据用户的不同需求，通过 增减或调整功能模块来构成需要的产品，从而大大提高了系统的应用范围。 ( 3 ) 系统要有较强的可靠性和抗干扰性 由于石材加工的加工现场环境通常比较恶劣，外部干扰往往也比较严重，因 此，在产品设计阶段应充分考虑并提高系统的可靠性与稳定性。 ( 4 ) 系统要兼顾经济性和实用性 经济型数控系统具有结构简单、价格便宜的特点，石材加工实时性要求较低 的特点使得经济型数控系统在这一领域能够得到很好的应用。采用合理的结构方 式既能够保证加工要求又能够降低成本，从而为数控系统的产业化实施打下基础。 3 1 3 系统的总体设计 根据数控系统的开发思想和原则，我们采用基于p c 的全软件化的结构方式来 构建整个系统，将数控系统的所有子系统全部集中到一个通用的平台上，所有功 能均由计算机和数控软件来实现，从而彻底消除各予系统的冗余硬件以及各子系 1 6 第3 章石材异型制品数控加工系统的总体设计 统间的硬件接口和通讯线路，有效地简化软件接口及软件结构，不仅达到经济实 用的目的，还能保证系统具有良好的开放性。 数控系统的软件部分全部装在p c 机中，而硬件部分仅是插在p c 机扩展槽中 的v o 卡它能提供给用户最大的选择和灵活性，而且能降低数控系统的硬件成本。 在本数控系统中，系统的输入是g 代码，主要包括加工指令和控制指令，系 统的输出是机床的各种运动，其总体结构如图3 1 所示： 图3 - 1 数控系统结构示意图 我们选用w m d o w s 2 0 0 0 下的v i s u a lc + 斗6 0 作为开发工具，基于面向对象技术 对系统进行模块化的设计：将系统按功能划分为人机交互、机床控制、动态显示 和故障诊断等几个主要模块；将c n c 系统的各主要功能，如代码解释、插补和速 度控制等，均用软件模块来实现；各模块的功能开发、接口设定及相互间的调用 关系均以提高模块的独立性、内聚性为标准，尽量减少模块问的耦合性。 本系统采用这种体系结构。不仅能够方便用户、降低成本，而且还能提高系 统地开放性与可扩展性。但由于全软件化数控系统的软件开发量大，而且控制系 统是运行在非实时的操作系统上，系统实时性的处理就成了重点和难点，这些都 是我们开发设计过程中主要解决的问题，将在后面的章节中介绍。 3 2 系统硬件体系结构的总体设计 数控系统的硬件结构体系在保证高速、高效、高精度的完成产品的加工方面 起着关键作用，因而其硬件的构成与设计相当重要由于本系统的控制部分为全 软件化的设计，因此系统的硬件设计要相对简单一些，主要包括硬件结构设计和 主控计算机、f o 卡、电机的选择。 ( 1 ) 数控系统的硬件结构设计 根据石材加工业的特点与本课题所要完成的实际控制功能要求，本系统的总 1 7 体硬件结构设计主要从开放性和可靠性的角度来考虑，硬件的