面向石材異型切割的數控系統研究

鄒志光

（廈門城市職業學院，廈門 361008）

近年來，石材因其質地好、物理化學性能好、美觀端莊等特點，得到了越來越廣泛的應用。隨著社會生活水平的大幅度提高，人們對石材產品的形狀要求越來越復雜化和多樣化，尺寸精度要求越來越高，石材加工個性化、多樣化、高端化趨勢明顯。橋式切石機作為目前應用最廣泛的石材加工設備，其自動化水平的高低直接影響石材加工的質量和效率。

雖然近年國內自主研發的用于石材加工的數控技術有了較快發展，但是國內橋式切石機的自動化程度依然較低，與國外先進水平相比還存在較大差距。特別是控制系統方面，國內基本上還處于探索階段，其自動化水平、開放性、經濟性以及可拓展性等方面存在明顯的不足，且缺少具有影響力的自主品牌[1-3]。特別是在福建省泉州一帶，石材資源豐富，石材加工企業眾多，但是總體自動化水平偏低，生產效率低下，無法滿足快速發展的細分領域和越來越多樣化的石材加工需求。

具體問題表現在以下幾個方面[4-7]。

（1）通過調研發現，目前橋式切石機的自動化程度低，編程主要以可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）手工編程為主，效率低下，且生產環境較差，越來越無法滿足靈活多變、個性化的市場需求，迫切需要提高石材加工的參數化、圖形化自動編程能力。

（2）有的石材加工企業為了提高橋切機的自動化水平，硬是將金屬加工領域的數控系統用于石材切石機的切割加工。一方面，金屬加工領域的數控系統的功能不符合石材的加工工藝，應該有的功能沒有，很多功能又不適用于石材加工，反而拖慢了系統運行速度；另一方面，工人操作十分不便。所以，迫切需要開發面向石材切割的專用人機交互界面。

（3）國外進口自帶先進數控系統的切石機，價格高昂，且使用難度較大。售后又較為麻煩，費用也高，普通企業難以承受。橋切機制造企業急需擁有自主知識產權的國產石材切割數控系統。

（4）目前，國內的自動編程方式大多以UG、SolidWorks等機械設計軟件為工具進行系統編程，再進行后處理實現。該方式效率較低，實現過程相對煩瑣，且對人員的技術水平要求較高。

（5）開放式數控系統是數控技術發展的必然趨勢。長期以來，數控系統開發企業和裝備制造企業是各自獨立開發產品，數控系統企業不斷豐富系統功能，但在石材加工等實際應用中并不一定需要龐大的系統功能支持。裝備制造企業和用戶積累有許多技術經驗，而這些經驗不可能與數控系統企業共享，故很難融入已有的數控系統。為充分滿足市場發展的需要，要求計算機數字控制機床（Computerised Numerical Control，CNC）進一步向開放式控制系統轉化。

（6）基于個人計算機（Personal Computer，PC）的純軟件開放式數控系統是新一代數控技術的發展方向?；赑C的數控系統能夠充分利用PC機不斷提高計算速度、不斷擴大存儲量和性能不斷優化的操作系統。純軟件化數控系統用軟件取代分散式硬件控制器，不僅降低了硬件系統的開發成本，也簡化了系統組成，提高了使用可靠性。

本文基于以上出發點，提出研究面向石材異型切割的基于PC的純軟件開放式數控系統的方法，對國內橋切機自動化水平的提高具有一定的參考意義。

1 技術關鍵及其解決辦法

實現面向石材異型切割的開放式數控系統的總體技術路線如圖1所示。

1.1 利用切石機進行石材異型切割的加工工藝研究

調研泉州、莆田一帶橋切機制造企業和石材加工企業，深入了解石材異型切割的加工工藝、生產人員的操作習慣和反饋的突出問題，并查閱相關資料，對比意大利等國外先進的數控系統，形成應用于石材切割的工藝指導。該項研究內容的關鍵是要深入了解石材加工行業常用的、特有的加工方式和加工參數，如切板、倒角、切槽、進給速度、進給深度等[8-11]。解決辦法是要先做好充分的準備，現場調研，再結合國外先進的數控系統進行對比、總結，盡量形成定量的數據分析。

1.2 基于PC的開放式數控系統的應用分析

面向現代數控系統的發展特點，分析基于PC的開放式數控系統的技術構成、軟件架構、兼容性和應用特征。研究開放式數控系統的結構與框架的優化設計，明確平臺開發的數據結構與信號傳輸特征，實現軟件基本框架的設計優化。結合實際數控系統、設備的開發需求，進行控制系統的設計開發。分析控制系統應用需求進行控制系統信號流程的優化，提高運算效率。

1.3 面向石材異型切割的數控系統架構搭建

對于該部分工作可充分利用純軟件開放式數控系統的模塊化特點，摒棄石材加工中不常用、不實用的用于金屬切削的諸多功能，進一步減小系統大小，提高系統的運行速度。

1.4 面向石材異型切割數控系統的UI及基本功能設計

根據石材異型切割工藝的要求，綜合分析現有某一型號的橋式切石機的機械結構和電氣原理，利用Soft Servo System公司提供的軟件開發工具包（Software Development Kit，SDK）二次開發技術，實現本數控系統的設計。該部分設計的關鍵之一是系統上層人機交互界面的設計。Soft Servo System公司的開發平臺源代碼使用的是VB 6.0語言。如果與源代碼保持一致，單單利用VB 6.0搭建該系統界面，那么實現按鈕切換、界面變化等操作的代碼就會相當冗長、復雜，勢必會給界面的搭建、修改與維護帶來相當大的麻煩。因此，可利用可擴展標記語言（Extensible Markup Language，XML）數據交換文件建立起Excel與VB 6.0的聯系，從而簡單地實現復雜的按鈕切換與界面變化。

它的解決原理為界面及菜單的變化與所點擊的按鈕（包括所在的層級）呈現出一一對應的關系。為了清晰、方便地表示該一一對應的關系，對每一個層級下的每個按鈕進行命名，如C1、C2、C11-1等，同時對每個子界面亦作唯一的標識，如1、2、3等，最后將這些按鈕、菜單、子界面名字、標識及其之間的對應關系清晰、直觀地在Excel中羅列出來[12]。編輯好Excel中的界面信息后，利用Excel宏程序將其轉化成XML文件，并保存在系統指定文件夾下。隨后，用VB程序讀取XML文件的內容，并將根據子界面標識和按鈕上顯示的內容呈現界面，即可實現菜單與子界面的正確切換，編輯方便，更改簡單。

1.5 鋸片的偏置補償及刀具軌跡自動優化研究

鑒于鋸片刀具和機床各軸偏置結構的影響，從文件中導入的圖形數據并不能直接用于實際加工，即數控系統控制點的軌跡與實際鋸片切削的軌跡是不一樣的，所以需要對導入的圖形數據進行后置處理才能加工出正確的圖形。這里的關鍵點包括圖元連接處坐標點的處理，坐標軸偏置的處理，考慮走刀路徑、冷卻液噴射方向的軌跡優化等[13]。以圖元連接處坐標點的處理為例，因為鋸片存在一定的半徑和厚度，所以在兩個圖元的連接處可能會產生過切的現象（圖2中AB即為過切長度）。但是，并不是每個圖元連接處都會產生過切，如果對所有的圖元連接點都進行坐標點的過切處理，反而會造成某些點欠切的情況，需要人工額外處理，顯然不當。所以，對于該部分圖元連接點坐標，需要進行兩方面處理：一是是否需要進行過切處理的判斷；二是對需要處理的坐標點進行處理。對于過切處理的判斷，可沿著圖元的伸展方向在指定的微小距離內取一點，然后判斷該點是否在圖形內部。如果在內部，則需要處理，否則不需要處理，如圖3所示。判斷點是否在圖形內部的問題，可采用一般轉角法的改進算法[14]。

1.6 參數化自動編程研究實現

采用參數化自動加工控制，即對具有相似幾何特征但尺寸不同的同一類進行編程時，只需要修改零件的尺寸參數，通過預先編寫好的宏程序實現自動編程。用戶只需要輸入加工參數，即可完成程序的生成和整個加工過程。

1.7 自定義圖形自動編程研究與實現

本文以VB 6.0為開發環境，以ServoWorks CNC為開發平臺，結合系統的自定義宏程序功能，實現石材異型切割自定義圖形的自動編程。它的基本思想是每個圖形都是由若干數量的相同或者不同的圖元組成，而相同圖元中也只是坐標參數不同，因此可將每種圖元寫成帶形式參數的宏程序保存[15-18]。順序加工圖形中每個圖元時，依次自動調用相應宏程序，即可實現圖形化自動編程。圖形化編程的基本原理如圖4所示。

為降低系統對操作人員水平的要求，增強系統的適應性、靈活性及可操作性，自動編程模塊還允許用戶對圖形進行編輯，包括圖形的移動、旋轉、自定義加工順序等。綜上，圖形自動化編程的實現流程為首先導入計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）圖形，接著對圖形進行編輯和數據處理，然后生成G代碼主程序，最后自動執行圖形的加工。

2 特色與創新之處

（1）采用開放式的數控系統，方便用戶針對不同的功能需求進行二次開發，以便實現系統的更新、升級，可拓展性強。除了支持數控上層軟件的用戶定制外，它更深入的開放性還體現在支持運動控制策略的用戶定制。

（2）采用基于PC的純軟件型的數控系統，能夠充分利用PC不斷提高計算速度、不斷擴大存儲量和不斷優化操作系統的性能，實現切石機控制中的運動軌跡控制和開關量的邏輯控制。因此，本項目不需要任何運動控制卡或者專用芯片，所有運算都在通用計算機的中央處理器（Central Processing Unit，CPU）上完成，充分發揮了目前CPU的超高速、超精確的運算能力。隨著CPU的速度和性能的提高，軟件運動控制系統的速度和性能也隨之提高。此項目的執行可以不受專用硬件的制約，大大降低了產品成本。從用戶角度看，它的性價比高，開放性強，部署簡單，維護成本低。

（3）利用圖形化、參數化自動編程思想，將AutoCAD繪圖軟件的圖形交換文件（Drawing Exchange File，DXF）數據導入數控系統，再根據加工工藝要求設計一系列的判斷和處理算法，實現“只要能畫出，就能加工出”的自定義圖形的自動編程和自動加工[19]。

（4）進行鋸片的偏置補償算法研究和刀具軌跡路徑的自定義設置及自動生成的研究。

3 結語

文章提出解決制約石材加工行業自動化水平的控制系統問題，采用基于PC的純軟件開放式數控系統進行二次開發，研制專用于石材異型切割的數控系統，并在刀具偏置補償和軌跡優化的基礎上實現參數化、圖形化的自動編程。該數控系統具有功能靈活、擴展性強、不受專用硬件制約、性價比高等特點。系統的研究及實現將極大提高石材加工的自動化水平和加工精度，滿足現代越來越多樣化、個性化、定制化的石材加工需求，并且能夠改善工人的工作環境，提高工作效率，幫助企業降低用人成本，加快新產品的開發和升級，提高企業的經濟效益。這對于加快福建省制造業轉型升級，提升我國石材裝備的市場競爭力，具有重要的現實意義。