（机械制造及其自动化专业论文）石材加工数控系统智能控制子系统研究开发.pdf

摘要 摘要 根据石材异型制品加工设备发展的实际需要，结合当前数控技术发展现状和 趋势，丌发出了一套面向模块化石材异型制品加工设备的经济型数控系统。系统 的7 r 发采用模块化的设计思路和全软件化的总体思想，尽可能的用软件来实现系 统的基本功能，并按照功能将系统划分为若干模块，实现了调试升级的便捷性和 多人丌发的协同性。系统的模拟仿真、故障诊断、软p l c 控制等智能控制模块是 开发的重点。 ( 1 ) 分析了模块化石材异型制品加工设备的加工运动特性及加工特点，针对性 的从硬软件两方面对系统的主框架进行了构造，能够满足石材加工的运动需求以 及环境需求，并完善了系统的功能框架。 ( 2 ) 针对石材异| ! l ! ! 制品加工设备主要加工平面的运动特点，设计了简单高效的 二维动念模拟仿真力法，结合由数控程序控制设备运动的流程，分析得出了仿真 实现原理，实现了仂真模块的多线程控制，以及与仿真有关数控程序的译码、参 数存储。运用v c + 十 ：具，建立了仿真模型，实现了由数控代码提取有效参数，并 最终实现二维仿真。 ( 3 ) 分析设备可能的故障原因及影响因素，用信息融合的方法实现了模块化石 材加工设备的智能化放障诊断功能。预先建立了故障信息库，分析了石材加工故 障逻辑关系，建立了放障诊断模型。通过对故障信息的分类、检测、关联处理， 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给出故障信息，从而 提高了检测的可靠性和系统的安全性。 ( 4 ) 对系统的逻辑控制功能进行了研究，研究了全软件p l c 的控制原理，结合 石材加工设备特殊的加工环境，以及要求经济实用的特点，用全软件化的方法实 现了系统的p l c 控制功能，减少了外部因素对系统稳定性的影响。 论文在构建的模块化石材异型制品加工数控系统平台上，进一步开发了模拟 仿真、故障诊断处强i 等智能模块，完善了设备的功能，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：模拟仿真：故障诊断：软p l c v a b s t r a c t ! ! ，! ! 苎! ! ! ! 1 2 * 皇! ! 苎! ! 苎。! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! = ! ! = ! = ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 自! ! ! ! ! s ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! e e ! ! 竹。* ! ! ! ! ! 苎皇 a b s t r a c t a c c o r d i n gt o t h e r e q u i r e m e n to fs p e c i a ls h a p e d s t o n em a c h i n i n ge q u i p m e n t ， e c o n o m i c a lc n cs y s t e mf o rs p e c i a l s h a p e d s t o n e m a c h i n i n gw a sd e v e l o p e d ，w h i c h c o u p l e dw i t ht h ep r e s e n ts t a t u sa n dd e v e l o p i n gt r e n do fc u r r e n tn u m e r i c a lc o n t r o l s y s t e m m o d u l a r i z a t i o na n ds o f t w a r ec n ct h e o r yw a sa p p l i e di nt h ed e v e l o p m e n to f t h e s y s t e m t h es y s t e m ，w h o s ef u n d a m e n t a lf u n c t i o n sw e r ea c h i e v e dm a i n l yb ys o f t w a r e ， w a sd i v i d e di n t om a n ym o d u l e s s ot h ea d v a n t a g e so fu p d a t i n ga n dd e b u g g i n gw e r e r e a l i z e d i n t e l l i g e n tc o n t r o lm o d u l e so fs i m u l a t i o n ，f a u l td i a g n o s i sa n ds o f t w a r e p l c w e r et h ek e y p o i n t si nt h ep r o c e s so fd e v e l o p i n g f h ec o n t e n to fs t u d yw a ss u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) f i r s t l y ，t h em o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i c so fs h a p e d s t o n em a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n t w e r ea n a l y z e d f u r t h e r m o r e ，t h ef r a m e w o r ko fs y s t e mw a sb u i l tf r o mb o t hh a r d w a r e a n ds o f i w a r e ( 2 ) a c c o r d i n g t ot h em o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i c so f s h a p e d - s t o n e m a c h i n i n g e q u i p m e n t t h es i m p l eb u te f f i c i e n ts i m u l a t i o nm e t h o di np l a n ew a sd e s i g n e d t h et h e s i m u l a t i o nm o d e lw a sf o u n d e d ，t h ep r i n c i p l eo fs i m u l a t i o nw a sm a d es e n s eo f , t h e m u l t i t h r e a d i n gc o n t r o lo fs i m u l a t i o nm o d u l e sa n dt h ee n c o d i n go fc n cp r o g r a m s r e l a t i v et os i m u l a t i o nw e r ea c c o m p l i s h e d a n dv a l i dp a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e d w i t h v c + _ t o o l s ( 3 ) t h ep e r f o r m a n c eo fm o d u l a r i z e ds t o n e - m a c h i n i n ge q u i p m e n ti n t e l l ；g e n tf a u l t d i a g n o s i sw a sa c h i e v e da n dt h em e t h o do ff a u l ti n f o r m a t i o nc o l l e c t i o nw i a ；d e s i g n e d w i t ht h ea n a l y s i so ft h u l tm e c h a n i s ma n di n t e g r a t i o no fi n f o r m a t i o nm e t h o d 7 r i l e d a t a b a s eo ff a u l ti n f o r m a t i o nw a sb u i l tb e f o r e h a n d 1 r i l ef a u l tm o d e lw a sf o u n d e da f t e r a n a l y s i so ft h ef a u l tl o g i c i nt h a tc a s e ，t h es y s t e mc o u l di d e n t i f yt h ef a u l t sa n dc l a s s i f y t h e ma u t o m a t i c a l l yw i t ht h ed i s p o s a lf o rt h ec l a s s i f i c a t i o n ，t e s ta n da s s o c i a t i o no ff a u l t i n f o r m a t i o n t h e r e f o r e ，t h er e l i a b i l i t ya n ds a f e t yo f t h es y s t e mw a si m p r o v e d ( 4 ) 1 1 1 el o g i cc o n t r o lp e r f o r m a n c e so fs y s t e ma n dc o n t r o lm e t h o do fs o f t w a r ep i ，e c o n t r o lw e r es t u d i e d ，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 fs h a p e d s t o n e m a c h i n i n g e q u i p m e n t ，a n dt h ee c o n o m y , u t i l i t yd e m a n d ，t h ep l cc o n t r o lf u n c t i o no fs y s u ；m ，w h i c h i n c l u d e sm a n yk i n d so fl o g i cf u n c t i o n s ，w a sr e a l i z e dw i t hc o m p l e t es o f t w a r e “m e t h o d v l i 山尔大学硕十学何论文 鼍i l i _ t ! ! ! ! r t ! ! s ! ! 曼 t h u s ，t h ee f f e c tf r o me x t e r i o rw i l lb er e d u c e d b a s e do nn cs y s t e mp l a t f o r mo f m o d u l a r i z e ds p e c i a l s h a p e d s t o n em a c h i c i n g t h e i n t e l l i g e n tm o d u l e s ，i n c l u d i n gs i m u l a t i o n a n df a u l t d i a g n o s i s ，w e r ed e v e l o p e d ， p e r f o r m a n c e so fe q u i p m e n tw e r ep r o m o t e d ，w h i c hm e tt h en e e d so fs p e c i a l s h a p e d s t o n em a c h i n i n g e n t e r p r i s e s ，a n dw i l lp r o p e lt h em a c h i n i n ga n da p p l i c a t i o no f s t o n e s k e yw o r d s ：s p e c i a ls h a p e d 。s t o n e ；s o f t w a r e c n c ；s i m u l a t i o n ：f a u l td i a g n o s i s s o f i w a r c - p l c v l 丌 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何j e 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t 匡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。 论文作者签韶：要拭望e t 期：翌z 上：羔玉 关于学位论文使用授权的声明 本人完全j 7 解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向旧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 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他 复制手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：互丛噩导师签名 日飘h n 订 期：地：兰 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 石材异型制品及其加工设备 1 1 1 石材异型制品的定义及应用 石材异型制品，一般泛指除矩形板材外的石材制品的总称。常见有弧形板、 曲边板、花线、多面体、截面柱、罗马柱、圆柱、椭圆柱、空心圆柱及杜座、各 种服务台和工艺雕刻品等，从这个角度讲，花岗石结构件、墓碑石、各种墙体的 勒脚石、墙面石、墙角石及门框石、门头和凉亭石、牌坊、花廊架、花台、栏杆 等也属石材异型制品。 近年来，随着科学技术的发展以及人们对大自然的崇尚，石材制品以其天然 的华丽色彩和物理性能使其在建筑装饰、精细加工、精密检测、生活用具、艺术 制品等方面得到大量应用，尤其是在建筑装饰上得到广泛的应用f l 】。 石材在生活用品方面也有广泛的用途，可以做成石桌、石凳、茶几、卫生间 沈台、壁炉文具、烟具、灯具、花笳、花瓶等。也可以做成家具，给人以典雅和 富丽章争之感。石材异型制品也可以像木材、陶瓷、玻璃的应用一样，做成非常 美丽的工艺品。 目前，石材异型制品主要应用于建筑装饰上，在世界各国已经成为建筑装饰业 的主流，但由于世界各国的历史文化的不同，在建筑装饰的表现手法上也体现出 地域的不同。形成了各种风格，其中欧式、拉美、中式代表了当今建筑装饰的主 流和方向。随着住宅、环境工程向中、高档水平发展，近年来，建筑装饰业对高 档次石材制品的需求量不断增加，对石材的异型产品、建筑雕塑、拼花雕刻、各 类复杂美观的曲面、柱面乃至石制家具等都提出了新的需求【2 】： ( 1 ) 加工质量要求越来越高。随着人们生活水平的提高，人们对石材制品的艺 术性和观赏性提出了更高的要求，因此对石材制品的加工质量要求越来越高，朝 着大规模应用方向发展。 ( 2 ) 花色、品种爱求越来越多。要适应人们审美观点的更新，追求艺术使石材 异型产品在装饰石材中所占的比例逐步提高。在经济发达地区和一些大城市，为 山东人学硕十学位论文 了美化居室或居住环境，人们往往选择石材异型制品来点缀、修饰居住环境，而 在一些高级建筑物的装饰上更显现出多品种、艺术化的特点。 ( 3 ) 石材异型制t 恼不断的应用于新的领域。由于天然石材的耐磨、耐酸碱和高 的热稳定性及其良好的物理特性，使其在精密测量仪器、电子设备、精密设备和 化学器皿等方面代替r 其他的材料应用于独特的领域。 ( 4 ) 石材制品与小材、合成轻质材料等组合应用形成的异型制品的发展趋势越 来越明显。 ( 5 ) 包括各种石雕、城市装饰石、环境石等会大大发展，导致对异型石材的需 求也将迅猛增加，异l ! ! 石材的应用将会成为一种流行时尚，而且将来的应用领域 会不断拓宽。 i i 2 石材异型制品的分类 石材异型制品按：1 j | j 品的特点和加工方式一般分为【3 | 【4 】： ( 1 ) 平面异型制t i j i指形状以二维图形为主的台板面制品，一般带有边缘花 线，如卫生问面瓮板、厨房灶台板、花线条、拼花板材等。 ( 2 ) 曲面异型制 指具有公共母线或对称中线的曲面板材制品，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、柱帽、柱础等，加工设备具有回转工装。 ( 4 ) 雕刻制品指没有对称中线、具有复杂形状的异型制品，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。 1 1 3 石材异型制品的加工设备 随着数控技术，i 制造技术和计算机技术的发展，石材异型制品的加工己由传 统的手工作业发展为机械化，自动化的生产【5 1 。目前最常见的石材异型制品加工设 备有以下几种： 第1 章绪论 a ! ! ! ! ! ! 皇! ! ! ! ! 兰! ! 詈! ! 鬯苎! ! ! ! ! ! ! ! ! s ! ! 目! ! ! ! ! ! ! ! ! ! g ! ! ! 自! ! e ! ! ! ! ! ! ! s ! ! ! e ! e ! ! 鲤学! ! ! ! ! 詈 ( 1 ) 单一功能的肌工设备 专门用于生产某一种类型的石材异型制品。以各种各样的国产设备为主，如花 线条加工设备、圆弧板加工设备、台面板加工设备、柱体加工设备。 ( 2 ) 仿型加工设备 目前用于石材异世制品的仿形机构有机械和液压等方式。机械仿形机构多采 用由平行四边形机构组合而成的结构形式，液压仿形则是将几个液压油缸和液压 阀组合形成液压仿形油路系统。如卧式液压仿形车床，立式液压仿形车床等。 ( 3 ) 数控加工设备 1 ) 数控车床 加工母线是曲线的回转体类制品设备，这类设备的刀具只需具备两个呈难交 关系的运动方向，这两个运动方向与回转体的旋转轴线同处一个平面内。数控车 床专门用于加工罗马柱、扭纹柱、花瓶、栏杆等母线是任意曲线和直线的柱类产 品或球类等产品。 2 ) 数控铣床 数控铣床是专门加工非回转体制品的数控设备，大多可以进行浮雕加工。 3 ) 数控会刚石串珠锯 数控会刚石串珠锯是使用柔性刀具加工石材异型制品的数控加工设备，适合 加工各种异型制品，如内外曲面板材、大型罗马柱等【6 】。大多配备数控系统：2 3 轴数控用束加工等截面的石材异型制品。4 5 轴数控可加工非等截面的石材异型 制品。加工花岗石制品的成本相对较高，但在花岗石矿山丌采中的效果非常好。 ( 4 ) 多功能加工中心 多功能数控加 。中心通常是指将多个普通数控设备的功能集中于体，并带 有刀库的数控加工设备。可用来生产各种常见或形状比较复杂的异型产品。设备 功能可以通过增减配件进行拓展。 ( 5 ) 其他异型加工设备 1 ) 高压水射流切割机 高压水射流技术是以高压水射流或磨料射流为切割手段的石材加工技术。这 是一种刀具简单、无粉尘污染、低噪音、切口狭窄的切割技术。在石材行业，它 主要用于石材拼花板材的加工，各种平板类石材标志的加工，而且产品批量大， 山东人学硕十学位论文 精度高 。 2 ) 毛面花纹板的喷砂加工设备 这种类型的设备采用喷砂毛面加工原理，在石质板材表面上喷砂加工出各种 花纹图案，并可批量! 匕产。 3 ) 多功能手提异型石材切割、磨抛机 多功能手提式界慢石材切割机是用于加工边型为直线或曲线的便携式切割成 型机【8 j 。 这些加工设备的功能以及可加工的石材异型制品的样式见表i - i ： 表1 - 1f i 材异刑制品加i 设备分类 类删功能设备举例 可实现切割、成型、粗磨、细磨、抛光数控设备、 平面异删制鼎加j ：致备 一机完成机械一液压仿形设备 可实现自动从电脑控制剑仿形加 或手 仿形改备、 曲面异删制品加l ：敬各 动加i ：机型数控成删设备 装有同转装置，l ：件可绕其轴线做同转数控乍床、 实体同转而制晶加 殴备 运动液压仿形午床 将所要加i ：的图形乖技术参数输入计算 数控加 。中心、 立体异刖制黼、雕刻发备 机进行编程，完成制品的加数控铷。床 1 2 课题提出的背景及意义 近年来，随着建筑装饰业和石材加工业的发展，石材异型制品应用越来越广 泛，并向着高质量、艺术化、多样化的方向发展。在此需求下，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【9 l ： ( i ) 设备品种越隶越齐全。 ( 2 ) 设备性能及控制系统同臻完善，档次逐步提高。 ( 3 ) 向全自动化、高效化方向发展。 制品发展与设备之i 日j 的矛盾主要为： ( 1 ) 设备加工的质量难以满足饰面的质量要求，且自动化程度低、材料利用率 低，环境友好性差。 ( 2 ) 多助能数控枷工中心等高档加工设备价格太高，性能价格比离石材企业的 第1 章绪论 期望差距较大 ( 3 ) 异型制品艺术化发展的趋势不断提出新的要求，研发工作量大；制品种类 繁多，批量小，生产组织困难。 我国虽然是石栩资源十分丰富的国家，但我国的石材加工技术尤其在异型石 材加工方面与先进目家相比仍存在较大的差距。在石材加工技术和装备上相对于 德国、意大利等发达 日家还比较落后，至今未能形成成熟的加工技术 l0 1 。 所以我国石材加 业迫切需要多功能、效率高、投资小的适合我国囡情的自 动化加工设备以及与之相关的加工工艺技术。由于多功能c n c 数控加工中心价格昂 贵，普通企业难以接受，而单功能生产设备劳动强度大、生产效率低，很难满足 石材异型制品的加工要求，因而急需歼发适合我国国情的投资小、见效快、实用 性强、通用性好、质培稳定的石材加工成型设备】， 为解决制品发展与设备之间的矛盾，山东大学建材与建设机械研究中心经过 调研，改变了石材异，l ! 制品加工设备研发与生产思路，将模块化设计技术、可重 构思想以及集成技术引入石材异型制品加工设备研发和生产组织，设计了新的模 块化石材加工设备。 而现有数控系统邝分采用了传统的单片机控制，在开放性、经济性及操作性 等方面存在着不足，不能适合现代加工的需求，因此就需要结合山东大学建材与 建设机械研究中心丁f 发的模块化石材异型制品加工设备，开发新的与之配套的数 控系统。系统应能完成各种石材异型制品的加工，具有良好的人机界面，操作简 单、易学易用，具韵较高的可靠性和较低的开发成本，是一套经济型、实用型的 数控系统。目前系统的丌发已经能够完成基本的译码、加工功能，本文所研究的， 是在此基础上的完善，即系统的智能控制模块的研究与开发。 1 3 本章小结 首先对石材异型制品进行了定义和分类，介绍了石材异型制品的加工技术和 加工设备，包括仿形发备、数控设备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；阐述了课题的背景和课题提出的意 义。 山尔人学硕十。孚1 市论文 e ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! e ! ! ! ! _ ! ! ! ! e ! 目e ! ! ! e ! ! ! ! ! s ! ! 量i l l m l i ii l l 通过上面的介绍与分析可以得出以下结论： ( 1 ) 数控化和智能化足提高石材加工质量和加工效率，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t 锗的应用越柬越广泛，需求量越束越大，加工质量的要求也越 来越高，因而急需刀+ 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j 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。 6 第2 章系统的总体殴计 第2 章系统的总体设计 2 1 石材加工需求分析 2 1 1 模块化石材异型制品加工设备分析 ( 1 ) 平面异型制 舢口工设备分析 平面异型制品j 。嵯是二维平面曲线构成的台板面制品，其型面大多由成型工 具实现。加工时工具的上下运动实现打孔加工和边缘曲线加工，工作台的前后运 动和加工工具的左右运动实现平面二维曲线的插补运动【1 2 l 。因此，加工平面异型制 品需要x 、y 、z 三个轴向的运动，其中x 、y 轴联动，即三轴二联动。如图2 - l 所示。 幽2 1 平面异璎制晶加j ：设备 ( 2 ) 曲面及回转体异型制品加工设备分析 曲面异型制品的4 孚点是具有公共的二维母线，加工时需要两个轴做平面内的 插补运动，每插补完一次。轴向进给一次，移动到下个平面进行下一次插补运动。 加工原理以及制品加工设备如图2 2 、2 - 3 所示。 山尔人学颈十学停论文 石材内 鲥2 - 2 曲面异础制品加i 原理 a ) ni ：内曲面 b ) 加一【外曲面 图2 - 3 曲面异型制品加工 实体回转面制品加工主要是靠加工对象的自身旋转和水平面内刀具的进给运 动实现加工的。每加工完一个平面，需要刀具沿竖直方向移动一段距离，加工下 个平面。因此，实体回转面制品需要工作台的转动，以及x 、z 轴方向上的进给 运动，即三轴二联动运动。如图2 - 4 所示。 图2 - 4 同转面( 球体) 加r 第2 章系统的总体没计 因此，平面及皿i 转面异型制品加工时，需要y 、z 方向上的联动以及x 方向 上的进给运动，即三轴二联动。 ( 3 ) 平面浮雕制品加工设备分析 浮雕雕刻不但需j 嵯在水平面内做两个轴的插补运动，还需要在竖直方向上做 插补运动，以体现出深浅的变化。因此，浮雕雕刻需要x 、y 、z 三个轴联动，即 三轴三联动。如图2 5 所示。 幽2 5 雕刻制品加i ：i 5 备 综上所述，平面、曲面、回转体异型制品的加工需求比较简单，三轴二联动 就可以满足要求，刖刎制品加工相对复杂，对设备和数控系统的要求都比较高。 考虑到实际的加工需嘤和系统成本，我们把系统定位到加工相对简单的一f 面异型 制品、曲面异型制6 f ，和凹转体异型制品的加工，相应地对系统的控制需求满足三 轴二联动即可。 2 1 2 石材加工的特点分析 石材加工与金属加工不同，有它自己的特点： ( 1 ) 石材硬度高、脆性大，加工过程切削力大、一般进给速度较慢。 ( 2 ) 由于材质不同，板材在加工过程中更易产生粉尘，这就对加工设备的密封 性有更高的要求。 ( 3 ) 石材与刀具接触面大，产生的切削热量大，需大量冷却液冷却，石材加工 主要以水做为冷却液，所以石材现场具有湿度高的特点。 9 山东人学硕十学付论文 ( 4 ) 石材生产厂房冬冷夏热，石材加工环境温差大。 ( 5 ) 石材资源一般远离市区，企业大都处于电网末端，石材锯机功率比较大， 频繁启动容易造成电m 不稳。 ( 6 ) 石材加工过利中，会产生强烈的振动以及噪声，干扰源，包括电网污染、 电磁干扰等也会复杂多变。 针对石材加工的以上特点，石材加工数控系统的硬软件部分必然要做出针对 性的设计，以能够满足石材加工设备的需要。 2 2 设计思想 2 2 1 功能设计 数控系统的控制对象是石材加工设备，实现各类石材异型制品的加工，通过 对石材加工的需求分析，控制系统应满足的功能需求如下； ( 1 ) 需要步进电机驱动三个轴运动，其中需要两个轴联动，并控制主轴电机的 启停和转速。 ( 2 ) 数控系统可以读取编制好的n c 代码，也可以通过图形编辑系统绘制图形， 自动生成n c 代码。 ( 3 ) 为保证n c 代码格式和逻辑的币确性，对n c 程序有语法检查功能。 ( 4 ) 具有多种加工控制方式，如自动控制、手动控制、m d i 控制、手轮控制等。 ( 5 ) 对编制好的n c 代码进行刀具轨迹的模拟，以确定加工轨迹的f 确性。 ( 6 ) 对系统产生的故障有自诊断功能，根据故障等级的不同，产生相应的提示 或报警。 ( 7 ) 对因故障产生的断点进行保存并恢复。 具体的功能流秸如图2 - 6 所示： 0 第2 章系统的总体设计 2 2 2 性能设计 图2 - 6 基本功能流稃图 针对石材加工的特点，系统除满足一般的加工功能需求外，在性能上还要具 有以下特点： ( 1 ) 系统具有高可靠性和抗干扰能力 通过对石材加 ：环境的分析，在系统开发初期，必须把环境因素考虑进去， 通过一系列措施，把来自环境的干扰降低到最低点。 ( 2 ) 系统的专用性，经济性和实用性 石材加工相对予传统加工具有独特的特点，石材设备的数控系统也和传统数 控系统有所区别。旮发计过程中，要充分考虑到石材加工设备的特点，设计出适 合石材加工特点的数控系统。 在中国，石材摇 1 = 劳动力成本比较低，因此系统要尽可能降低成本，提高实 用性，这样爿。能具有宽争力。 ( 3 ) 系统操作简单方便，易学易用 石材设备操作人员大多文化程度不高，对复杂的操作难以胜任。针对这种特 点，系统界面的简单，明了就显的异常重要。把相对复杂的功能交给程序去完成， 实现系统的智能化。用户只需通过简单培训，即可熟练应用【1 3 】【1 4 1 。 ( 4 ) 系统的模块化设计 系统丌发过程q ，把功能相对独立的部分划分成若干模块，开发各模块时建立 单独的工程，然后建立相对的测试工程对每个模块进行测试。当测试毫无问题后， 可以将各个独立的模块工程组合起来。这样设计的优点就是，便于发现编程过程 中存在的问题，修改疗便。同时对各模块功能的更新和升级也非常方便l i 州。 自：人中硕 学何论文 ( 5 ) 完善的故障渗断功能 由于前面所述石材加工的冷热温差大、粉尘多、振动以及电网不稳等特点， 所以系统要有完善的f 9 能故障诊断功能，以便系统发生故障时，能够及时发现故 障并予以排除，防i 七造成人员以及设备的损坏，避免不必要的损失。 2 3 总体设计 2 3 1 数控系统硬件部分的设计 根据上面的功能；屠求以及设计思想，系统采取开环控制，三个轴向采用步进 电机驱动。系统主要控制设备是工业控制计算机，为了减小环境对设备的影响， 利用软件来实现逻辑控制，硬件只需采用高可靠性的工业控制机( i p c ) + i 0 卡 的结构，i ，o 卡固定存工业控制机的插槽中，利用工控机的良好的外围屏蔽，采用 工控机的稳定电源，避免了通讯不流畅和电源不稳所带来的故障。数控软件系统 基于w i n d o w s 环境，通过i o 设备控制步进电机、主轴电机以及手轮。系统 的总体如图2 7 所示： 幽2 7 系统的总体设计 由于石材加工的环境特殊，应尽量避免来自环境的干扰，把传统数控靠硬件 来实现的功能放到软件中去实现( 如插补，p l c ) ，计算机和电机及其驱动设备之间 只有一个接口【旧1 。! o 此同时应对硬件采取必要的防护措施，如应将工控机置入密 封的控制柜中，力求达到外围屏蔽与防潮、防粉尘等效果；信号线全采用会属屏 蔽，以防电磁干扰；接地线尽量粗，以降低电位差。输入输出信号均有光耦合加 以隔离，以提高信号的输送准确性，防止外界干扰。 第2 章系统的总体设计 ( 1 ) 硬件系统总体设计 硬件的构架方式采用i p c + i 幻卡的形式，i 0 卡就是前面提到的软硬件接口设 备，它被安装在工控机的p c i 插槽内，将来自工控机的指令转换成输出的脉冲信 号。由石材异型加工设备运动分析可知，设备做三轴两联动运动，同时主轴电机 作定角速度的转动，i 硒卡提供至少四组脉冲的输出信号，输出信号通过电机 的控制器驱动电机转动。结合石材加工的特点，在满足加工要求的前提下，以经 济实用为原则，采用j r 环控制，三个轴向丝杠靠步进电机驱动。如图2 - 8 所示。 刚主控计靴悃 重e hh 巫习 i ip c 总线 ： li ，。卡 幽2 8 埂r l 系统结构 ( 2 ) i 0 卡的选择 i 0 卡采用北京双诺测控技术有限公司提供的a c 6 6 5 2 卡，该卡是款低价格通 用光电隔离i 0 板，具何1 6 路输入、1 6 路输出。采用p c i 总线支持即插即用、无需地 址跳线。采用大规模可编程门阵列设计，提高可靠性【2 0 】【2 l 】。 a c 6 6 5 2 支持5 - 2 4 伏输入，同时输出为集电极开路输出( o c 输出，输出芯片：6 n 3 3 或t i l l1 3 ) ，输出驱功电流大于3 0 毫安，可以方便的驱动小型继电器、l e d 等负载。 响应时间见表2 一l 、2 - 2 。 表2 1i 0 卡的输入性能 表2 - 2i 0 譬的输出性能 i 电平变化响戍时间( us ) 高一 低 2 5 低 高 1 0 0 山尔人产硕十学何论文 石材加工的特点足切削力大，进给速度慢，响应时间要求不很严格，一般在 i o t a s 左右，此控制卡的响应时间完全符合我们的要求。 ( 3 ) 电机的选择 为保证数控设备的加工质量，驱动元件应满足如下要求：调速范围宽且有良 好的稳定性。低速酬嵯求速度平稳；负载特性硬；反应速度快：可频繁的启、停 及换向等f 2 拼。 步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机是目前常用的驱动元件，本 系统选用步进电机f ：为数控系统的驱动元件，因为步进电机具有快速启停，精确 步进，误差不会长期积累及能直接接受数字信号的特点，目前经济型数控机床大 都用它作为伺服执行r 单元。步进电机是靠脉冲电源来驱动的，并必须以一定的相 序加到电机的各相绕组上才能按规律运转，本系统中采用软件方法分配脉冲代替 硬件的脉冲分配器，它能降低系统成本并且减少驱动环节给系统带来的不可靠因 素，系统的电机驱动系统如图2 - 9 所示。 匾卜霍 怔帐i 酗2 - 9 电机驱动系统示意幽 ( 4 ) 检测装置的选择 本系统为自动化加工系统，其故障信号的类型比较复杂。因此，检测足够量 的能反映系统状念的信号对诊断来说是至关重要的。对于本设备来说，为了保证 其安全、可靠地运行，经过分析，我们选择了振动信号、电压信号、电流信号、 压力信号作为设备运行状态的特征信号【2 3 j 【2 4 i 。并做必要的处理( 如对各种信号进行 滤波、电信号转换、放大衰减、硬件线路的抗干扰等) 。具体传感器以及配套硬件 的选择，在第四章进行详细论述。 2 3 2 数控系统软件部分的设计 数控系统的功能糸虻是把数控编程语言( n c 代码) 识别成系统认识的语言，然后 经过插补，伺服驱动把系统的指令转换成驱动电机所需要的电信号，完成设备各 轴的运动，具体流在如图2 1 0 所示： 第2 争系统的总体设计 甄j ： 控扭i 幽2 1 0 系统工作流稃图 在流程图中，图形编辑部分完成图形数掘源的生成与数控指令的生成；程序 检查部分负责完成对数控指令的检验，如果数控代码正确，即可执行下一步任务， 如果代码有误，则返旧图形编辑部分重新编译：插补部分将根据无格式错误的加 工代码生成具体的插补程序；p l c 控制部分对设备的丌关量进行控制；加工过程 中如果出现故障系统将会自动进行故障处理。 由上面的分析，根据功能需求把系统划分为图形编辑模块、自动编程模块、 语法检查模块、插补模块、模拟仿真模块、断点保存模块、p l c 控制模块和故障 诊断模块等，如图2 ，】1 所示。 ( 二疆巫亟) 一一!i，。，一一 数控系统软件 翮隰 圈网圈圈圜隧朗 幽2 - 1 1 软r i ：系统的模块划分 i j i 尔人+ 7 硕十7 ：何论文 1 1 1 1 1 ( 1 ) 图形编辑模块 图形编辑模块类似于 a u t o c a d 系统，可以实现对二维图形的绘制，并带有常 用的图形编辑功能，可以实现平面图形的绘制及编辑功能。 ( 2 ) 自动编程模块 对图形编辑模块绘制的图形迸行工艺分析，确定工艺加工方式和走刀路线， 将信息转化成n c 代码。 ( 3 ) 语法编译模块 语法编译模块功能有两部分，第一部分就是对已有的n c 代码查错，包括词法 检查和语法检查，第二部分就是对n c 代码的解释和编译，生成插补模块识别的信 息。 ( 簪) 模拟仿真模块 仿真模块和插补模块是并行存在的，它的功能是检验来自语法编译模块的信 息。运用模拟走刀的方式，判定加工指令是否正确。本模块是二维仿真，主要是 检查平面内的走刀路线是否符合预计要求。 ( 勃插补模块 接受经过语法编译模块检查无误并提取了的加工信息，实现直线，圆弧的插 补加工功能。 ( 6 ) 断点保存模块 在出现工控机死机和控制电路短路等故障时，实时对加工状态进行保存，当 排除故障后，再读取先前保存的状念。从当前点继续加工。 ( 7 ) p l c 模块 p l c 模块的功能即连接上位机与下位机，实现对开关量的控制等功能。 ( 8 ) 故障渗断模块 故障诊断模块通过各类传感器实时收集数据，并对数据进行分析，与故障库 中的信息迸行对照，在c f f t 显示器上进行故障显示。指示故障发生的位置，并根 据故障的等级进行提示、报警或停机等操作。 6 第2 章系统的总体设计 2 4 本章小结 对各类石材异型制品加工设备运动特点进行了详细的分析，总结出石材异型 制品加工设备运动的共同特点。结合石材加工的特点，对数控系统控制提出了具 体要求，并埘数控系统进行了规划，内容包括： ( 1 ) 根据石材设备的控制需求，对数控系统的功能需求、性能需求进行丫分析， 总结出了数控系统的蹬计思想，对系统进行了总体的规划和设计。 ( 2 ) 在数控系统设计思想的指导下，对数控系统的硬件部分进行了详细的设 计，并对各种硬件的选择进行了详细的描述。 ( 3 ) 对数控系统运行的流程作了详细的规划，运用模块化设计的思想按照功能 把数控系统软件划分为若干模块，并对各个模块的功能进行了详细的解释。 第3 章模拟仿真功能的实现 第3 章模拟仿真功雒的实现 3 1 模拟仿真的作用 数控加工过程模拟仿真是随着计算机技术、c a d 技术及计算机图形学等技术的 发展而发展起来的，尤其是计算机硬件的迅速发展，为计算机仿真提供了强大的 硬件平台。对加工过程进行仿真，主要是利用计算机图形学的手段，在计算机上 模拟出加工走刀和零件切削的全过程，直接观察在切削过程中可能遇到的问题， 并反复调试修改刀位轨迹及相应的n c 程序，直到得到满意的结果。 对石材加工设备来说，数控加工过程仿真与加工试切相比，具有以下优点【2 5 1 ： ( 1 ) 在时间上可以大大缩短生产周期。仿真模拟利用计算机图形学的手段，在 计算机计算速度和图形显示速度的保证下，对加工全过程进行观察，其所用时间 大大短于实际试切所胴时间，而且减少试切石材材料的浪费，从而降低i 生产成 本，提高了生产效率。 ( 2 ) 在安全上能戌时、有效地反馈各种错误信息，有效预测加工程序与过程的 可靠性，可以避免数控设备损毁造成重大损失的危险。在设备上进行试切操作时， 一旦加工过程发生耐f 撞，有可能损坏昂贵的数控设备，而在计算机上进行仿真则 没有这种危险存在，操作者可以通过观察及早发现问题。 ( 3 ) 在实际设备上试切时，由于板材的切削只能从头开始，顺序进行，往往难 以直接从某个中间位置开始切削，对某些关键位置的加工情况也无法观察，而采 用n c 加工仿真方式， 1 0 可以选择各种观察方向，对零件关键加工位置进行多次局 部的加工模拟观察。 ( 4 ) 采用数控加工过程仿真方式，可以更方便地修改刀位轨迹及相应的n c 程序， 一旦发现问题可以马上返回修改，使用方便快捷。 在工业发达的国家，计算机仿真技术在制造业中的应用己有近3 0 多年的历史。 随着计算机技术的进一步发展和数控机床的普及，c a d c a m 技术发展迅速，给传统 的制造业带来了一场【 大的革命。从设计到加工的全过程，应用计算机进行数字 信息处理，使传统彼此分离的设计和制造过程实现了高度的统一，减少了中问的 山东人学硕+ 学忙论文 人为环节，节约了生产成本，降低了工人的劳动强度。使生产效率提高了几倍甚 至几十倍，缩短了产帚丌发周期，提高了产品质量。 山东大学建材与建设机械研究中心开发的模块化石材异型制品加工设备，是 为了满足石材异型制t l f - 加工的需要而丌发的新型、高效加工设备。为满足建筑装 饰业和石材加工业中4 i 材异型制品的应用广泛、高质量、艺术化、多样化的发展 趋势，与之配套的数控系统中，仿真模块是一个重要的组成模块。 3 2 仿真模块的总体设计 对模块化石材加【数控系统来说，模拟仿真模块是一个重要组成，其主要目 的是检验数控加工翟t ! 序编制的j 下确性，检验加工刀具的运动轨迹的合理性以及在 实际加工过程中提供直观的图形显示。程序编好以后，先进行加工仿真模拟显示， 无误后才能进行正式加工。在加工仿真时，系统不发出控制脉冲，系统各坐标轴 不运动，其余同实际加工完全一致。 在仿真过程中，通过加工过程预览，实现数控加工程序的图形显示，可以直 观地了解整体情况，对于不符合加工工艺要求的地方，可以返回进行修改。而动 态模拟仿真不仅显示j j 工的轨迹，也显示加工过程中刀具运行的轨迹，如下刀、 抬刀等。同时，在动态模拟仿真的过程中，可以完全像实际运行一样作暂停加工、 继续加工和单段加工等控制，仿真的加工速度也可以进行调整。加工仿真还可以 在实际加工过程中提供直观的图形显示【2 6 1 。 在模拟仿真模块的开发中，将其分为五个子功能模块，如图3 - l 所示。其中， 对数控加工程序的图形显示可进行放大、缩小、移动、找回等图形显示操作；对 刀具轨迹的动念仿真- 叮进行开始加工、暂停加工、停止加工等加工控制操作；仿 真信息显示主要是对“前工件坐标、机床坐标的动态显示，如同实际加工时加工 状念的提示。仿真参数是仿真速度的设定和对显示属性的一些设置，这里的仿真 速度不同于指令速度。 模拟仿真模块执行时，调入数控加工程序，进行分析之后，将程序所描述的 加工图形以合适的比例显示出来，实现对加工的预览，使用户看到整个图形的概 貌，用户还可通过放大、缩小、移动、找回等图形显示操作对细节进行观察。在 第3 章税拟仿直功能的实现 i l l l l h i i 进行动态仿真时，系统根据数控加工程序从起刀点丌始模拟刀具加工过程进行走 刀，刀具的抬刀、下刀用不同于加工轨迹线颜色的线条显示，便于用户观察加工