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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(guó)，石材的加工和應(yīng)用有著悠久的歷史。現(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(lái)越受到人們的喜愛(ài)。花崗巖、大理石等石材裝飾產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于家庭、賓館、廣場(chǎng)等場(chǎng)合。隨著應(yīng)用的廣泛，對(duì)石材產(chǎn)品的形狀要求也越來(lái)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(guò)程中對(duì)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(shì)。

20 世紀(jì)中葉，在德國(guó)、意大利、美國(guó)等歐美發(fā)達(dá)國(guó)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(kāi)發(fā)和制造的發(fā)達(dá)國(guó)家。20 世紀(jì)末，隨著石材產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，我國(guó)開(kāi)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(guó)外石材加工設(shè)備技術(shù)發(fā)展概況

國(guó)外在石材加工設(shè)備領(lǐng)域起步較早，以意大利和德國(guó)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(guó)際市場(chǎng)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(guò)以下兩款國(guó)外先進(jìn)設(shè)備的功能介紹，我們大致可以總結(jié)出國(guó)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。控制系統(tǒng)兼有繪圖軟件，其自帶的圖形庫(kù)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(jué)功能，對(duì)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(duì)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(guó)內(nèi)市場(chǎng)廣受好評(píng)。

德國(guó)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(duì)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(tái)板的切割等石材產(chǎn)品[3]。

通過(guò)以上兩款國(guó)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(kāi)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(guó)內(nèi)石材加工設(shè)備技術(shù)發(fā)展概況

我國(guó)從 20 世紀(jì) 90 年代已經(jīng)開(kāi)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(guò)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(duì)人口紅利優(yōu)勢(shì)丟失導(dǎo)致用工難以及環(huán)境污染等問(wèn)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(jí)，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(zhǎng)模式向集約生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)型。多年來(lái)，我國(guó)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(guó)家政策的利好和研發(fā)投入的不斷加大，國(guó)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(shì)，引進(jìn)消化吸收國(guó)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(guó)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(duì)完整的行業(yè)體系，在滿足國(guó)內(nèi)石材市場(chǎng)需求的同時(shí)已逐步走向國(guó)際市場(chǎng)[5]。

但是由于起步較晚，縱觀國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀，與國(guó)外相比，國(guó)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(kāi)發(fā)尚不完善；

3. 針對(duì)石材行業(yè)的繪圖軟件的研究與開(kāi)發(fā)，意大利等發(fā)達(dá)國(guó)家所開(kāi)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(kù)，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(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)簡(jiǎn)介

IEEE（美國(guó)電氣與電子工程師協(xié)會(huì)）把開(kāi)放式系統(tǒng)定義為：一個(gè)開(kāi)放式系統(tǒng)應(yīng)能在不同供應(yīng)商提供的不同平臺(tái)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(kāi)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(duì)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(tái)。

1.2.1 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的特征

20 世紀(jì) 80 年代，美國(guó)軍方首先提出了 NGC 計(jì)劃（Next GenerationWorkstation/Machine Controller）和開(kāi)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(chǎng)上占據(jù)著主導(dǎo)地位，開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)突出的特征有以下幾點(diǎn)：

1. 開(kāi)放性。開(kāi)放性是指具有平臺(tái)無(wú)關(guān)性，不受硬件和操作系統(tǒng)等平臺(tái)的限制，用戶可根據(jù)具體的實(shí)際情況對(duì)系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行重新配置，對(duì)人機(jī)交互界面進(jìn)行修改和擴(kuò)充。數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)放性讓功能開(kāi)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(duì)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(tái)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(wú)關(guān)，即使系統(tǒng)的功能模塊是由不同開(kāi)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(tái)，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(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)雖然有很強(qiáng)的開(kāi)放性，但也是在一定規(guī)范下的開(kāi)放，在開(kāi)發(fā)的過(guò)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(kāi)發(fā)語(yǔ)言和外部接口兩層含義。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能開(kāi)發(fā)時(shí)，使用的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言應(yīng)與底層代碼所采用的開(kāi)發(fā)語(yǔ)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，以保證其通用性[9]。

4. 二次開(kāi)發(fā)。根據(jù)實(shí)際需求，用戶可對(duì)數(shù)控系統(tǒng)功能進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。