石材切割组合锯机构设计

摘要

随着国家大力发展基础设施建设，国内石材产品的需求量逐年增多，同时国

民收入和审美观念的提高，也使得石材在家居装修中的应用也越来越多。这促进

了国内石材加工产业的快速发展，同时也要求能够满足不同工艺需要的石材加工

设备。在石材产品的制作过程中，石材毛料的切割是制作工艺中重要的一环，其

加工效率和切割质量的高低决定着企业的效益，而在许多中小型企业中，石材毛

料仍使用人工切割的方法，不仅效率低下，切割的质量也很难得到保证。为满足

中小型企业对石材切割设备的需求，本课题开发了一种新式的双锯头石材组合锯。

该石材组合锯以PLC为控制核心，以触摸屏作为人机交互的控制面板，以通

过变频器控制的电机作为驱动器件，能够实现对石材毛料的切条和切片处理，同

时，还能自由的切换手动或自动操作模式，设备运行状况的控制和显示都可以通

过控制面板实现，是一种适用于中小企业的自动化石材切割设备。

关键词:石材切割；双锯头;PLC

Abstract

Withtherapiddevelopmentofrealestateindustryandthe

constructionofnationalinfrastructure,thedemandofdomesticstone

productsisincreasingyearbyyear,andtheimprovementofpeople，s

livingstandardsandaestheticconcepts,makesstonematerialsinthe

applicationofhomedecorationmoreandmore,whichpromotestherapid

developmentofdomesticstoneprocessingtechnology,andalsorequiresto

meetdifferentprocessneedsofstoneprocessingequipment.Inthe

processingtechnologyofstone,thecuttingofwoolisanimportantpart,

itsefficiencyandqualitydirectlydeterminetheefficiencyof

enterprises,whileinmanysmallandmedium-sizedenterprises,stonewool

stillusemanualcuttingmethods,notonlylowefficiency,cuttingquality

isalsodifficulttogetguaranteed.Inordertomeettheneedsofsmall

andmedium-sizedenterprisesforstonecuttingequipment,anewtypeof

gantrydoublesawcuttingmachineisdevelopedinthispaper.

ThestonecuttingmachineregardsPLCasthecontrolcore,touch

screenasthecontrolpanelofhuman-computerinteraction,andmotoras

thedrivedevice,canrealizethecuttingandsliceprocessingofstone

material,atthesametime,itcanfreelyswitchthemanualorautomatic

operationmode,theoperationstatusandcontroloperationofthe

equipmentcanberealizedthroughthecontrolpanel,whichisakindof

automaticproductionequipmentsuitableforsmallandmedium-sizedstone

processingenterprises.

Keywords:StoneCutting;verticalfla:doublesaw;PLC

目录

摘要...................................................................1

Abstract.............................................................................................................................2

目录..................................................................3

一、绪论..............................................................1

1.1研究背景......................................................1

1.2研究内容......................................................2

三.文献综述...........................................................2

2.1国外路面切割组合锯的发展现状................................2

2.2国内切割组合锯研究现状......................................4

2.3文献评述.....................................................5

三、石材切割锯总体设计方案............................................6

3.1切割锯简介...................................................6

3.2石材切割组合锯的设计准则....................................7

3.2.1机械结构设计要求..........................................7

3.2.2控制系统设计的流程.....................................8

3.3石材切割组合锯系统分析.......................................8

3.3.1石材切割组合锯的系统组成..............................8

3.3.2PLC在石材切割组合锯中的应用..........................8

3.3.3石材切割组合锯机械系统传动分析........................9

四、双锯头石材切割组合锯的结构设计..................................10

4.1双锯头石材切割组合锯结构初步设计............................10

4.2石材切割组合锯关键部件选型..................................13

4.2.1电动机和锯片..........................................13

4.2.2限位开关的选择........................................13

4.3硬件设计....................................................14

4.3.1控制系统的整体功能分析................................14

4.3.2控制系统分析..........................................14

4.3.3总体设计..............................................15

4.4PLC的选型流程...............................................16

4.5本章小结.....................................................17

五、总结与展望.......................................................18

致谢.................................................................20

参考文献.............................................................21

一、绪论

1.1研究背景

近几十年来，国际石材行业发展十分迅猛。自1990年统计以来，全球石材

生产总量和贸易总额每年均分别呈7.3%和9.2$的速度增长，明显高于其他行业,

整个石材行'业的发展明显快于全球经济的发展。

全球--体化推动了我国石材产业的发展。中国石材在国际石材市场」一所占的

份额口益增大。据不完全统计，近几年来我国石材行业的外贸一直保持高增长的

态势。作为我国两大石材出口基地，广东云浮和福建南安己占到全球石材贸易额

的15%以上。随着欧债危机的加剧，欧美等发达国家的石材消费将更加依赖中国

石材。中国石材已经全面超越传统的石材强国意大利和西班牙，成为全世界最大

的石材生产、消费和出口大国。中国石材市场的繁荣和石材需求的增加，使得国

际石材商纷纷投资中国。国内石材企业也整合资源，积极参与国内石材市场的竞

争，中国石材市场正朝着国际石材市场中心迈进，已经成为国际石材市场中不可

或缺的重要力量。在不久的将来，世界石材的生产与贸易中心将会从欧洲转到亚

洲的中国，中国石材国际贸易也逐渐成为世界石材业公认的晴雨表和风向标。邹

传胜表示，中国石材业已经走上现代石材业发展道路，发展方式开始转变，困扰

行业发展的滥采乱挖、污染环境问题已开始得到改善。预计“十二五”末，中国

石材进口额将达40亿美元，出口额达70亿美元，初步完成从石材大国向石材强

国的转变。在未来的市场上，石材行业的地位绝对不会低于今天，更有可能会遥

遥领先装修行业，成为热门装修首选。依照现在石材发展的趋势来看，它在未来

的地位必定是市场上一匹黑马。这也引起了国家有关部门的兴趣，并出台了相关

的支持政策。有了政府的参与，石材行业就有了更加坚韧的后盾。

由于经济的发展，人们对于建设方面的投入逐渐增加，石材成本低廉，用途

广泛，市场前景广阔，深受人们喜爱。然而现有的石材资源体积参差不齐，大多

需要进行多次裁切成特定的形状体积才能进行使用，石材切割机也就成为必不可

少的机械设备。现在使用的石材切割机大多为单锯切割，频繁更换石材切割机的

末端执行器将会耗费大量时间进行更换和调试工作。该设计为石材切割组合锯,

石材切割组合锯可以减少作业过程中的时间成本，提升作业效率。因此，该设计

在石材切割领域的应用前景十分广泛。

1.2研究内容

本文分析切割路径优化问题等来对组合锯进行优化。的国内外研究现状，大

部分学者针对不同类型的切割样板件以及不同类型的切割加工方式等，研究了对

应的切割路径优化算法。在此基础上，设计的石材切割锯的结构及关键部件的计

算选型，完成以PLC(可编程逻辑控制器)为控制核心的控制系统设计，说明HMI

触摸屏程序的设计思路等。

本课题的具体研究内容如下：

(1)通过对现有石材切割锯结构特点的分析，使用软件Solidworks以及CAD

完成了对双锯头石材切割锯的结构设计-，并结合二维图介绍了双锯头石材切割锯

的传动方式和工作过程。

(2)根据石材产品的实际生产要求，对电机及传动系统进行分析计算，然后

根据计算结果完成相关部件的选型.

(3)根据设计的机械结构和产品的要求，设计了以PLC为控制核心的控制系

统,实现对整个石材切割锯各个环节的控制。同时完成了HMI触摸屏面板以及PLC

与触摸屏之间的通信程序设计，实现触摸屏和PLC的实时通讯，以对石材切割

锯进行及时、有效的控制。

三.文献综述

2.1国外路面切割组合锯的发展现状

自人类文明出现以来，石材一直是一种重要的建筑材料，最早期的石材加工

一直是通过人工实现的，直到十九世纪石材加工机械才在欧洲出现。第二次世界

大战后，欧洲几乎成为废墟，大量建筑和基础设施需要重建，石材产品的需求量

非常大，这极大的而促进了世界石材加工机械的发展。美国、德国、意大利等传

统工业国迅速展开了行石材加工机械的设计研发，而其中，意大利凭借其地理优

势、低廉的价格和较先进的技术迅速占领石材市场，成为世界石材加工设备供应

商中的佼佼者。

COysu(2019)等昨者在解决刀具优化问题时，提出了一种把遗传算法与模

拟退火算法混合的方法。这种智能算法相结合的混合算法，虽然取得了不错的效

果，但是计算起来复杂度高，效率低，不适应快速生产加工的需求。作者DewilR

(2017)等在寻找不规则图案嵌套的金属板切割路径时，以总空走行程最小为目

2

标，区别于遵循一个切割图案必须一次完整切割的原则，可以采用先切割一个图

案的部分，再切割另外一个图案的部分，再将原来的图案完整切割的策略，以达

到时间最短的目的。将问题转化为特定约束的广义旅行商问题，生成一个初始可

行解并通过禁忌搜索框架里的内嵌图案局部转移实现问题的求解。

国外技术发展成熟，品牌众多，如德国玛利、日本明和公司和大旭建机、瑞

典富世华、德国威克路面切割机等产品。国外生产的大型切割机的共同特点是切

割方式丰富、设备操作性强，切割质量稳定，生产效率高，设备外型美观，做工

精致，同时切割机型号完备，适合多种切割需求。随着现代液压传动技术的发展，

他们生产的产品占到了切割市场份额的大部分，但组合锯的类型并不丰富。

与国外石材行业相比，我国石材加工产业起步较晚，直到上世纪七十年代才

逐步兴起，但是，随着改革开放后国民经济的迅猛发展，人们在解决温饱问题之

后，对生活的品质有了更高的渴求，再加上国内基础设施的大力发展和房地产行

业的崛起，石材加工机械产业迎来发展的黄金时期。目前，国内涌现了永晟达、

方圆机械、龙泰机械等石材加工设备生产厂商，也设计研发了一些价格合理、自

动化程度较高的设备，但是与国外进口的设备相比，仍然存在设备精度不高、技

术集成较少、难以实现更好的加工工艺等问题。

经过数十年的发展，国内企业也成功研制开发了一些较为成熟的石材切割设

备，较先进的如浙江衢州永晟达科技有限公司生产的YSD-QSQ红外线仝自动桥式

切割机系列。该机采用PLC可编程控制器作为其控制核心，通过触摸屏完成人机

交互的任务，同时还采用高精度的旋转编码器将旋转量实时反馈给控制核心，以

实现对位置的精准控制。此外，该机工作头最大可旋转360。，切割行程为3.2m,

最大桥身横移行程为2m,最大切割深度450mm。它利用红外线进行精准对刀，通

过变频技术控制走刀速度和切割锯片的旋转速度，另外，还能通过液压系统驱动

工作台旋转、切割锯头升降等，可实现全程自动化切割。但是单一圆锯片决定其

工作效率不会很高，而且要完成切条等操作还需要将石料翻转，正价了很多工作

量。

现在，随着第三次科技革命的影响日益深远，数控和微机技术大大促进了工

业设备的升级，各式工业装备的机电一体化和现代化程度越来越高，石材加工设

备也同样如此。另外，国外厂商广泛应用的石材设计加工软件大大提高了石材加

3

工的多样性，指明了石材加工装备的另一条发展方向。在这个过程中，意大利凭

借早期积累的优势和记忆求精的态度以及完善的服务依旧牢牢占据着石材加工

装备霸主的地位,其中的典型代表如Breton（成于1963年）、GaspaMenotti（成

于1956年）、Pedrini（成于1962年）、Simec（成于1969年）等，他们都能够制造、

提供全套大板加工机械。

2.2国内切割组合锯研究现状

切割锯优化问题，作为提升生产效率的一个重要环节，目前新型切割锯成果

较少。高伟增（2016）等作者在求解加工路径优化问题时，采用遗传算法，并对

加工路径进行遗传编码。以零件加工轨迹最短为目标，通过建非确定型的多项式

数学模型，将问题简化为点与点之间的问题来进行优化。最终通过计算机对含有

75个零件的样板进行仿真计算，得到了结果是初始值的85%,取得了比较不错的

效果c

刘会霞等作者在分层实体制造技术中，通过对切割路径空走行程数学模型的

分析，采用了分级规划的分步算法:首先通过改进最邻近算法确定轮廓边界的切

割起点，然后把已确定切割起点的路径优化问题转化为旅行商问题，最后采用蚁

群算法来进行问题的求解。通过最后结果分析可知，该算法明显缩短了切割路径

的空走行程，显著提高了制造效率。

路笃存（2018）在《龙门型双锯头石材切割机的开发研制》中提到该石材切

割机以PLC为控制核心，以触摸屏作为人机交互的控制面板，以通过变频器控制

的电机作为驱动器件，能够实现对石材毛料的切条和切片处理，同时，还能自由的

切换手动或自动操作模式,设备运行状况的控制和显示都可以通过控制面板实现,

是一种适用于中小企业的自动化石材切割设备。而当前国内市面上的石材切割设

备从结构上可以分为三种。第一种是单臂式圆盘切割机。其驱动电机、传动系统

和切割裾片都与横梁集成为一体，然后通过拖盘与柱相连，当拖盘带动横梁在柱

上上下移动时，就能够切割石材了。这种石材切割机的刚度和稳定性都比较差，

加工精度也比较低，通常只用于加工路边石、石材毛坯等。第二类是龙门式圆盘

切割机。其整个切割系统都安装在横梁中间位置上，而横梁安装在两个柱上，通

过横梁上下运动的方法来带动锯片切割石材。这种设备的刚度和可靠性较好，但

成本较高。第三类是桥式圆盘切割机。其横梁和两个柱是固定相连的，横梁上的

4

组合滑箱能驱动滑板上下左右运动，从而带动锯片在不同的位置切割石材。此类

产品结构简单、造价低，市面土的大多数设备都属于桥式圆盘切割机。第四类就

是切割锯。简单的人工使用的小型圆盘切割锯并不适用于钢铁厂,其普遍使用的

为大型圆盘切割锯，其结构较为复杂,往往由机械、液压、电气等多套系统组成，

自动化程度较高。本研究目的是为了设计出较大型的组合切割锯，拟解决其在应

用中发生的夹紧装置不动作、增速箱主轴损坏、锯头进给装置不动作、钢材切割

后切割面不垂直、现场粉尘浓度高等几个实际应用中的问题。

2.3文献评述

近年来，国内外对与路面组合切割锯关键技术方面的研究成果不太明显。田

静（2015）对国内外公路建设及验路面切割技术现状进行了介绍，对国内主要混

凝土切割机生产厂家进行了罗列，指出了国产佐路面切割机的发展方向，并对大

功率、全自动、无级变速进给的校路面切割机设计进行了分析：许国亮（2016）、

周（2017）设计了一种液压控制的自进式路面切割机，取代了在大切深时使用人

工推行的方式，提高了作业质量和作业效率；谢东朋（2018）花岗石薄型板材高

效加工关键技术与锯解设备设计研究中提到通过比较目前花岗石薄型板材加工

方法的优劣性,分析锯解和研磨过程中制约生产率以及加工质量的关键性技术问

题，进而针对以上问题对锯解以及研磨装备进行规划，重点对与加工质量和加工

效率密切相关的轴向力以及研磨轨迹进行分析。拱讨锯解过程中由于锯片的动态

不稳定性引发的轴向力以及轴向位移的计算,通过模态分析研究锯片的厚度、夹

紧比、转速以及直径对锯片动态性能的影响；研究正确的组织研磨过程所必须遵

守的原则,优化研磨运动轨迹；对薄型板材加工过程中存在的临界经济厚度进行

初步讨论。巢守美（2015）在我所了解的意大利石材加工机械（一）中提到中国石

材机械装备制造业,经历了引进、吸收、消化、自主发展、产品开发、不断创新

的过程,也取得了长足的进步，创造了举世瞩目的业绩。其中的部分领军企业，能

够紧贴市场前沿、注重技术研究、重视产品开发，在国内外市场上发挥着越来越

重要的作用。与此同时,一个不容忽视的现实是，中国石材机械的工艺、技术及其

应用，多数引进效仿自欧洲石材。路笃存（2018）在龙门型双锯头石材切割机的

开发研制中通过对石材切割机的研究发现在石材产品的制作过程中，石材毛料的

切割是制作工艺中重要的一环,其加工效率和切割质量的高低决定着企业的效益,

5

而在许多中小型企业中，石材毛料仍使用人工切割的方法,不仅效率低下，切割的

质量也很难得到保证。为满足中小型企业对石材切割设备的需求，本课题开发了

一种新式的龙门型双锯头石材切割机。

查阅资料主要特点如下：

(1)产品品种较齐全，福建华隆机械生产的QYK、2QYK、2QYKT、HKZS和HKYS

型号的，并且每个型号都有多种规格，其中整机功率从60kW左右到100多kW.

(2)驱动动力多样化，具有电机、汽油机、柴油机多种形式。

(3)多数厂家都推出双刀切割，进一步提高切割效率。

(4)核心部件不能国产化，切割机所用的发动机都采用进口。

(5)控制系统不够完善，功率利用率不高，经济性差。

查阅了相关资料以后，收集相关数据，使用Solidworks,AutoCAD等软件设

计出组合锯，做出的切割组合锯应注意以下方面：

(1)使用高质量机体的金刚石锯片。

(2)重视安全和防护。

(3)计算机控制技术在产品设计中的使用。

(4)注重绿色节能环保设计。

三、石材切割锯总体设计方案

3.1切割锯简介

在切割锯是玻镁板设备全自动托辑传送、变频调速，胚料在传送台.上依次经

过去上下皮带锯床、皮料破碎、出料系统、去皮断块切割锯床，再经90度自动

转向系统，送入切片锯床进行成品切割。全程仅需一个人操作控制系统，只需要

将胚料搬运到入口，出口处由包装工人送料至包装机，大量节省转运时间和人工。

外墙保温模板设备采用的四边切割锯，是三台纵切割锯和五台横切割锯及裁板小

车组成。通过载板小车的纵向运行，实现纵向锯切，载板小车再横向运行，实现

横向600mm的锯切，从而把保温墙板锯成各种规格的成品板。图3-1是切割锯的

图片。

6

图3T切割锯图片

3.2石材切割组合锯的设计准则

本课题是基于对国内外现有石材切割锯的分析，根据石材加工市场的需求开

发的一种新型石材切割设备。其设计的基本原则是适用性与先进性并重、经济性

与稳定性并存。要既能满足国内市场对较实惠设备的需求，又能稳定高效地加工

出合格的产品，还要具备一定的先进性和多样性以适应市场需求的不断变化。研

发出的设备的总体要求是能够根据控制要求，最大限度的满足要加工的石材的设

计要求，而且在市场需求发生变化的时候，能够及时的通过更改设置参数等方式

满足市场需要，另一方面，作为一套工业设备，系统要能够稳定可靠的运行，同

时还要具有高性价比、操作简单、维护方便等特点。

3.2.1机械结构设计要求

本课题设计的双锯头石材切割组合锯要能够完成两种加工任务：

第一种:石材毛料的切片操作，双锯头在完成一次切割后横移一段距离，再

进行一次切割，如此反复直到将石材毛料的上表面加工完毕。

第二种:石材毛料的切条操作，双锯头在完成一次切割后竖直移动一段距离,

再进行一次切割，从而切出一个表面光滑的石条，竖直移动的距离即为切出的石

条的厚度。

7

在进行以上加工过程中，工作台进给速度在切割前后和切割中是不同的，从

而提高生产效率，提升加工的安全性。此外，机械结构的还要能够满足以下的基

本功能：

1,要保证竖直糜切口与石料底板垂直，水锯切口与石料底板行。

2.水、竖直两个切割头有各自单独的驱动、，专动系统，能够单独运动。

3.整体的机械结构应当就有较高的强度、较好的稳定性，同时还要考虑到维

护时的方便性。

322控制系统设计的流程

控制系统在设计时，一般会遵循一定的流程：

(D分析控制系统的应用领域、精度要求、工艺要求等，确定控制核心、要实

现的功能和设计目标。

(2)细化控制系统的技术参数，如：需要的10端口数量，可能需要的扩展模

块，系统的结构形式，控制系统的安装位置等。

(3)控制核心及其于展模块等的选型。

(5)根据系统的要求，应用编程软件对控制程序进行编写。

3.3石材切割组合锯系统分析

3.3.1石材切割组合锯的系统组成

根据熨际生产的需要，龙门型双锯头石材切割机由控制系统和机械系统两部

分组成。其中，控制系统包括:PLC、变频器、人机交互界面等；机械系统包括:

锯片传动系统、双锯头滑台横向移动系统、双锯头竖直移动系统、工作台纵向移

动系统等。

3.3.2PLC在石材切割组合锯中的应用

PLC即可编程逻辑控制器，是一种广泛应用于工业现场的控制核心，具有体

积小、功能全、柔性高、适应性强等特点，同时还具有较高的可靠性和自诊断能

力。它是针对工业生产中自动化设备的特点和需要，按照传统的通过继电器对设

备进行控制的思想设计的，它依托集成电路、徽型计算机以及通讯技术的发展成

果，结合计算机的优势和现场操作人员的水和技能，将传统控制思想转化为一种

以梯形图为基本组成的编程方式。PLC具有以下的优势；

1.环境适应性强。PLC是针对工业现场设计的，具有极强的环境适应性，可

8

以在温度范围0-60°C、相对湿度5-95%的范围内正常工作，同时PLC还具有较

强的抗干扰能力，能在工业现场噪音、振动、粉尘等较重的情况下稳定的工作。

2.可靠性和自诊断能力较高。PLC控制器内部的工作情况、各个10口的状

态以及通讯状况都可以查询和显示，同时还可以诊断程序语句中的语法错误、异

常的通讯情况以及工业现场控制点的故障等。

3.相对Java、c、CH等高级编程语言来说，编程语言简单。一般情况下PLC

采用梯形图进行编程，只要能读懂相应的程序说明书即可进行编程，上手容易、

功能直观、修改方便。

4.柔性强。PLC适用于众多的工业产品和场合中，具有较强的柔性，只要

对控制程序进行修改，就能实现不同的动作。

在本设计的双锯头石材切割组合锯的控制系统中,PLC主要负责通过自身10

端口发出脉冲控制石材切割组合锯的六个驱动电机（两个锯片驱动电机、一个双

锯头滑台横向移动驱动电机、两个双锯头竖直移动驱动电机以及一个工作台纵向

移动驱动电机）和控制电机转速的变频器，按照控制程序的要求，对各个电机的

运行方向和速度进行实时控制，从而完成加工任务。

333石材切割组合锯机械系统传动分析

对于中小型机械来说一般采用双锯式结构，而非桥式结构，双锯结构具有刚

度大，结构稳定性好，精度较高的特点。同时，由于工作台可以移动，装卸工件

也比较方便。

机械结构的另一个重要组成部分是传动系统，典型的传动系统有齿轮传动、

蜗轮蜗杆传动、齿轮齿条传动、丝杠螺母传动、芍传动、链传动等。从传动距离

上看，齿轮传动只适用于近距离传动，而其他传动方式的传动距离较远；从传动

的空间性上说，带传动和链传动主要是同一面上的传动，而齿轮传动、蜗轮蜗杆

传动等则可以实现空间上运动方向的改变。在本课题开发的龙门型双锯头石材切

割机中，各传动系统都要求较长距离的传动，其中工作台动系统、双锯头水和竖

直移动系统都要求将电机的转动转化为其他相关部件的动，而齿轮齿条传动、丝

杠螺母传动都可以实现这一要求。

9

四、双锯头石材切割组合锯的结构设计

4.1双锯头石材切割组合锯结构初步设计

经过前面章节对所要开发石材切割组合锯设计要求和原则以及所能实现相

应功能的机构的分析，并确了各个部分的主要的机械结构，最终设计的双锯头石

材切割组合锯的机械系统的结构如下图所示：

2545678910II

1.横梁2.皮带3.锯片驱动电机4.锯头传动轴5.锯头滑板

6.锯片驱动电机7.联轴器、8.糜头传动轴9.糜头糜片10.丝杠

11.丝杠驱动电机12.进给减速箱13.柱14.工作台驱动电机15.减速机

16.减速机底座17.工作台导轨18.工作台19.工作台底座20.滚轮支撑座21.滚轮

图4T装配体主视图

10

(a)

(b)

11

（c）

图4-2三视图

石材切割机的水移动系统和锯片传动系统如图4-1所示，各部分组成为：

1.双锯头台的水移动系统，主要包括1横梁、10丝杠螺母传动系统、11丝

杠驱动电机和12进给减速器几个部分，主要负责双锯头台在切割前和切割完成

后的水移动。

2.糜片传动系统，包括锯头锯片传动系统和锯头锯片传动系统，锯头传动

系统主要由3锯片驱动电机、8带轮（图3-2）、2皮带、4锯头传动轴和10糜头

锯片（图3-2）组成。锯头传动系统主要包括6锯片驱动电机、7联轴器、8锯

头传动轴和9锯头锯片。锯片传动系统是完成切割任务的执行部分。

1.配电箱2.拖链3.驱动电机4分油器5.减速机6.丝杠7.切滑台

12

8.带轮9.切割轴连接盘10.锯头糜片11.齿条12.工作台底座13.齿轮

图4-3装配体左视图

石材切割组合锯的垂直移动系统和工作台移动系统如图4-3所示，其组成如下。

1.双锯头台的竖直移动系统，以锯头台为例。主要包括3锯头台驱动电机、

5进给减速机、6丝杠螺母传动系统和7切滑台四个部分，主要负责锯头台在竖

直方向的移动。

2.工作台移动系统，主要由18工作台（图3-1）、17工作台导轨（图3-1）、

20滚轮支撑座（图3-1）、21滚轮（图3-1）、11齿条、12工作台底座、13齿轮

组成，主要完成加工过程中带着石材做直线运动，以完成切割。

4.2石材切割组合锯关键部件选型

4.2.1电动机和锯片

本系统主要用到的结构部件包括电动机，减速机，同步带，传动轴和锯片C

其中电动机是系统的驱动设备，锯片是切割任务的执行部件，选择合适的驱动电

机和锯片能够在提高切割效率的同时，保证产品质量，对■机械系统的好坏起着决

定性的作用。

具体参数为；

外径:D=400mm,内径:d=50mm,宽度:b=8mm,齿数:Z=35。选用金刚石切

割片。石材切割机机械系统中用到了6个电机，分别为双锯头滑台横向移动电机,

工作台纵向移动电机，锯头滑台和锯头滑台竖直移动电机，锯片和锯片驱动电机。

其中，双锯头滑台横向移动电机、锯头滑台和锯头滑台竖直移动电机选用的是杭

州誉球机械有限公司的0.75KW电机，额定转鬼1380r/min,具体型号为

Y2-80M2-4;工作台纵向移动电机选用的是聊城市晨业电机有限公司的1.5KW电

机，额定转速1400r/min,具体型号为YE2-9054;锯片和锯片驱动电机选用

的是聊城市晨业电机有限公司的15KW电机，额定转速1460r/iniiio

4.2.2限位开关的选择

限位开关是机器反馈系统的一部分，其作用是将机械某一部件的位置信号转

换为电信号输送给控制核心，是一种工业设备上常用的主令电器。限位开关按照

工作原理的不同可分为机械式限位开关和接近式限位开关，机械式限位开关又可

以分为按钮式、旋转式、微动式和组合式四种，接近式限位开关可分为霍尔式、

13

电容式、超声波式、电磁式等。机械式限位开关主要被用来控制系统活动部件的

位置，使活动部件在到达某一处后不再运动或者是向相反方向移动等。接近式限

位开关除了能够实现位移限制外，还可用于检测速度、检测零件尺寸、控制液面

位置等。由于它具有非接触式触发、响应速度快、检测距离可调、产生信号稳定、

工作可靠、寿命较长，重复定位的精度较高等特点，在数控机床、印刷。食品包

装等轻工业中应用比较广泛。

4.3硬件设计

4.3.1控制系统的整体功能分析

控制系统需要完成的功能有：

（1）能够对各个电机实现分别控制，可以方便实现对电机的任意操作。

（2）在自动运行的过程中，能够按照指定要求一步一步完成做工内容。

（3）能够实时调整石材加「的厚度和宽度，满足不同型号石材产品加「的需

求，同时能够调整加工台的运行速度，从而根据石材类型不同调整加工速度，以

使锯片能够使用更长的时间。

（4）能够对自动叨割和手动切割模式进行切换，具有复位以及随停随起功

能，同时添加急停按钮，保证加工过程的安全。

（5）能通过实时监测锯片驱动电机的电流，进而判断是否处于切割石材状

态，然后对工作台运行速度进行控制。

4.3.2控制系统分析

早期的控制系统实现机械设备的自动化多依靠单纯的多种类型继电器或者

使用单片机等微型控制板来实现控制。单纯的使用继电器一般通过多个继电器的

联合使用来实现机械自动化设备的顺序动作的完成，这种控制方法虽然成本相对

低廉，可是为了实现相对复杂的控制，需要大量的线路实现串并联，保证整体控

制系统的安全，这就给整个控制系统的安装以及后期的维护带来巨大的麻烦和困

难。

使用单片机实现控制的优点是体积特别小、功能比较强同时扩展方便，这使

得单片机在智能家居、工业和服务机器人以及产品检测等领域应用极其广泛。然

而虽然单片机可方便集成，功能强大，可是本课题设计的双锯头石材切割组合锯

是对石材进行加工，机器本身在工作工程中除了具有巨大的震动外还有产生大量

14

的石粉等，这对单片机控制系统的工作会产生巨大的影响。同时单片机的编程语

言需要专门的高级语言程序或者汇编语言，对控制系统的开发的计算机软件功能

要求较高，不利于后期使用者自行调试和维护，从而造成该设备使用体验不好，

不利于市场推广。

随着自动控制理论以及微电子技术的趋于成熟，可编程逻辑控制港(PLC)

被研究开发出来，它以微处理器为核心，可以实现复杂的逻辑控制，是结合微机

理论与自动化技术而产生的专门用在工业现场的控制器件。PLC是从工业控制的

技术实践中诞生的,通用性和灵活度极高，同时还具有较强的稳定性和极高的可

靠性，而且其编程相对简单、维护也比较方便，用户不需要学习太多的计算机编

程语言，使用梯形图等逻辑编辑语言即可完成整个控制系统的软件编写，入门快

速简单，非常方便工厂技术人员对控制系统进行后期检查和维护，也可以根据整

个控制过程中的需求随时改变T艺参数以完善控制系统，是专门为「业控制设计

的优良的控制系统核心。

4.3.3总体设计

根据控制系统的功能可知，在本设计中PLC需要控制各个电机以一定的速率

独或同时运转，从而实现双锯头切割滑台的水运动和纵向进给，以及工作台带动

石材的移动。为了保证控制系统的灵活性和可操作性，采用人机交互技术，使得

操作者可以通过触摸屏对石材切割过程进行实时监控，同时还可以根据市场要求,

通过对相关参数的及时修改加工不同材质、不同规格的石材，或者通过对产品质

量的分析对机器进行参数修正，从而提高加工效率和产品的质量。

本课题开发的双锯头石材切割机的控制系统所使用的PLC模块包括:通讯模

块、数字量输入/输出模块、模拟量输入/输出模块等。通讯模块主要负责PLC

与触摸屏之间的信息交互，以及时的对机器的实时控制；数字量输入/输出模块主

要是负责开关信号的采集和输出，从而使PLC接收到相应的信号或控制相应部件

执行程序规定的操作;模拟量输入/输出模块主要是用来调节变频器输出的频率，

进而实现对工作台电机的速度的调节。

整个控制系统的过程是:触摸屏通过通讯模块将控制指令传输给PLC,经过

位控模块的识别，产生并输出一定数量或一定频率的脉冲，经过伺服驱动器驱动

电机执行相应运动。本课题研究的双锯头石材切割组合锯的人机交互系统采用的

15

是触摸屏，通过触摸屏能实现实时监控各个电机的运转状态、进行相关参数的设

定、切换手动模式进行手动加工、故障信息的及时报警和显示等。控制系统硬件

配置框图如图4-3。

图4-3控制系统硬件配置框图

4.4PLC的选型流程

PLC经过数十年的发展，出现了很多优秀的品牌，比较知名有德国的西门子、

欧姆龙，日本的三菱、松下，国内的台达等。各个品牌的PLC,其指令系统、编

程方法有较大的差异，而即便是同一品牌的PLC,其结构、容量、指令系统、适

用场合也并不全然相同。选用适合的PLC,能够提高控制系统的性价比，从而控

制生产成本。选择PLC时不仅要考虑控制系统当前的需要，还应考虑到产品为适

应未来的市场所可能做得技术升级和功能扩展。

通常PLC选型的流程如下：

1.选择合适的机型。PLC选型的基本要求是:在功能可以满足系统现在和将

来可能的要求的情况下，选择性能最可靠、性价比最高的机型。对丁工艺流程固

定、工作环境较好的机器，一般选择整体式的PLC,而对于工作环境较恶劣的机

器，一般选择模块式PLC,以方便后期维护更换。

2.选择合适的存储器类型和容量。PLC中的存储器主要用来储存用户程序和

运行过程中产生的数据，PLC中的存储器主要有:随机存取存储器(RAM)、只读

存储器(ROM)、可电擦除存储器(EPROM、EEPROM)三种类型。随机存取存储器

16

又叫读/写存储器，它是易失存储器，也就是说其中的信息在失电后会被清除。

在实际使用中，通常会为其配备一个锂电池，以保护其中的用户程序和某些数据。

只读存储器中的内容只能读取而不可以改写，其中的内容不会因失电而清除，所

以通常被用来存储PLC的系统程序。可电擦除存储器兼有ROM的不易失性和RAM

的随机存取性，通常会配备一个编程器以方便对用户程序的修改。

在PLC的容量上，小型PLC的存储空间通常在6KB以下，主要用在教学场

合；中型PLC的最大存储能力可以达到64KB,适用于较简单的中小型设备;大型

PLC的最大存储空间可达上兆字节，主要用于控制系统复杂、控制量较多的大型

设备。

2.选择合适的输出类型。PLC的输出方式有晶体管和继电器两种，不同的输出方

式在驱动负载、响应时间和使用寿命上都有所不同。由于继电器是机械元件，其

寿命受负载容量的影响，随着负载容量的增加，继电溶寿命急剧减少，而晶体管

是电子原件，实际可用年限远超继电器，且受使月强度的影响较小，所以继电器

型PLC的寿命比晶体管型PLC要短。另一方面，继电器型PLC响应时间为10〜

20ms,而晶体管型PLC响应时间约为0.2〜0.53，其响应速度更快。但是，晶

体管型PLC的负载类型只能是直流，而继电器输出类型PLC直流和交流负载都可

以接。通常情况下，继电器型PLC适用于控制接触线圈、中间继电器、指示灯

等触发频率较低的元件，晶体管型PLC适合用于控制固态继电器等需要的响应速

度较快、使用频率较高的场合。

图4-4PLC实物图

4.5本章小结

本章详细介绍了双锯头石材切割组合锯控制系统硬件部分的设计过程，包括

17

最初的控制系统分析，各个主要部件的选型，控制系统电路设计等。根据双锯头

石材切割组合锯的功能要求，在分析了现有的控制技术的基础上，重点介绍了

PLC控制系统的组成，10口的分配，PLC的选型流程等，并据此选取了合适的

PLC作为控制系统的控制核心，同时，对变频器和控制面板进行了介绍和选定。

之后对控制系统电路的设计进行了详尽的说明，包括重要元件的选择依据以及设

计的主要电路图等。所选用的硬件基本上都是工业设备中常用的器件，具有典型

性，其稳定性和可靠性已经经过了十几年甚至几十年的检验，在工业控制领域应

用广泛。

五、总结与展望

本文设计了一种新式的双锯头石材切割组合锯，面向的应用场景是石材毛料

的初加工。针对现在国内市场上中小型石材切割组合锯智能化水不高、工作效率

较低的情况，设计生产了一种采具有两个锯头的石材切割组合锯，能在保证加_