鄒志光

（廈門城市職業(yè)學(xué)院，廈門 361008）

近年來，石材因其質(zhì)地好、物理化學(xué)性能好、美觀端莊等特點(diǎn)，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。隨著社會生活水平的大幅度提高，人們對石材產(chǎn)品的形狀要求越來越復(fù)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(jī)作為目前應(yīng)用最廣泛的石材加工設(shè)備，其自動化水平的高低直接影響石材加工的質(zhì)量和效率。

雖然近年國內(nèi)自主研發(fā)的用于石材加工的數(shù)控技術(shù)有了較快發(fā)展，但是國內(nèi)橋式切石機(jī)的自動化程度依然較低，與國外先進(jìn)水平相比還存在較大差距。特別是控制系統(tǒng)方面，國內(nèi)基本上還處于探索階段，其自動化水平、開放性、經(jīng)濟(jì)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(yè)眾多，但是總體自動化水平偏低，生產(chǎn)效率低下，無法滿足快速發(fā)展的細(xì)分領(lǐng)域和越來越多樣化的石材加工需求。

具體問題表現(xiàn)在以下幾個方面[4-7]。

（1）通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前橋式切石機(jī)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(chǎn)環(huán)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(shù)化、圖形化自動編程能力。

（2）有的石材加工企業(yè)為了提高橋切機(jī)的自動化水平，硬是將金屬加工領(lǐng)域的數(shù)控系統(tǒng)用于石材切石機(jī)的切割加工。一方面，金屬加工領(lǐng)域的數(shù)控系統(tǒng)的功能不符合石材的加工工藝，應(yīng)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(tǒng)運(yùn)行速度；另一方面，工人操作十分不便。所以，迫切需要開發(fā)面向石材切割的專用人機(jī)交互界面。

（3）國外進(jìn)口自帶先進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)的切石機(jī)，價格高昂，且使用難度較大。售后又較為麻煩，費(fèi)用也高，普通企業(yè)難以承受。橋切機(jī)制造企業(yè)急需擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)石材切割數(shù)控系統(tǒng)。

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

（5）開放式數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。長期以來，數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)企業(yè)和裝備制造企業(yè)是各自獨(dú)立開發(fā)產(chǎn)品，數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)不斷豐富系統(tǒng)功能，但在石材加工等實際應(yīng)用中并不一定需要龐大的系統(tǒng)功能支持。裝備制造企業(yè)和用戶積累有許多技術(shù)經(jīng)驗，而這些經(jīng)驗不可能與數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)共享，故很難融入已有的數(shù)控系統(tǒng)。為充分滿足市場發(fā)展的需要，要求計算機(jī)數(shù)字控制機(jī)床（Computerised Numerical Control，CNC）進(jìn)一步向開放式控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)化。

（6）基于個人計算機(jī)（Personal Computer，PC）的純軟件開放式數(shù)控系統(tǒng)是新一代數(shù)控技術(shù)的發(fā)展方向。基于PC的數(shù)控系統(tǒng)能夠充分利用PC機(jī)不斷提高計算速度、不斷擴(kuò)大存儲量和性能不斷優(yōu)化的操作系統(tǒng)。純軟件化數(shù)控系統(tǒng)用軟件取代分散式硬件控制器，不僅降低了硬件系統(tǒng)的開發(fā)成本，也簡化了系統(tǒng)組成，提高了使用可靠性。

本文基于以上出發(fā)點(diǎn)，提出研究面向石材異型切割的基于PC的純軟件開放式數(shù)控系統(tǒng)的方法，對國內(nèi)橋切機(jī)自動化水平的提高具有一定的參考意義。

1 技術(shù)關(guān)鍵及其解決辦法

實現(xiàn)面向石材異型切割的開放式數(shù)控系統(tǒng)的總體技術(shù)路線如圖1所示。

1.1 利用切石機(jī)進(jìn)行石材異型切割的加工工藝研究

調(diào)研泉州、莆田一帶橋切機(jī)制造企業(yè)和石材加工企業(yè)，深入了解石材異型切割的加工工藝、生產(chǎn)人員的操作習(xí)慣和反饋的突出問題，并查閱相關(guān)資料，對比意大利等國外先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)，形成應(yīng)用于石材切割的工藝指導(dǎo)。該項研究內(nèi)容的關(guān)鍵是要深入了解石材加工行業(yè)常用的、特有的加工方式和加工參數(shù)，如切板、倒角、切槽、進(jìn)給速度、進(jìn)給深度等[8-11]。解決辦法是要先做好充分的準(zhǔn)備，現(xiàn)場調(diào)研，再結(jié)合國外先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行對比、總結(jié)，盡量形成定量的數(shù)據(jù)分析。

1.2 基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用分析

面向現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)，分析基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)構(gòu)成、軟件架構(gòu)、兼容性和應(yīng)用特征。研究開放式數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與框架的優(yōu)化設(shè)計，明確平臺開發(fā)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與信號傳輸特征，實現(xiàn)軟件基本框架的設(shè)計優(yōu)化。結(jié)合實際數(shù)控系統(tǒng)、設(shè)備的開發(fā)需求，進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)。分析控制系統(tǒng)應(yīng)用需求進(jìn)行控制系統(tǒng)信號流程的優(yōu)化，提高運(yùn)算效率。

1.3 面向石材異型切割的數(shù)控系統(tǒng)架構(gòu)搭建

對于該部分工作可充分利用純軟件開放式數(shù)控系統(tǒng)的模塊化特點(diǎn)，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(jìn)一步減小系統(tǒng)大小，提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度。

1.4 面向石材異型切割數(shù)控系統(tǒng)的UI及基本功能設(shè)計

根據(jù)石材異型切割工藝的要求，綜合分析現(xiàn)有某一型號的橋式切石機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣原理，利用Soft Servo System公司提供的軟件開發(fā)工具包（Software Development Kit，SDK）二次開發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)本數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計。該部分設(shè)計的關(guān)鍵之一是系統(tǒng)上層人機(jī)交互界面的設(shè)計。Soft Servo System公司的開發(fā)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(tǒng)界面，那么實現(xiàn)按鈕切換、界面變化等操作的代碼就會相當(dāng)冗長、復(fù)雜，勢必會給界面的搭建、修改與維護(hù)帶來相當(dāng)大的麻煩。因此，可利用可擴(kuò)展標(biāo)記語言（Extensible Markup Language，XML）數(shù)據(jù)交換文件建立起Excel與VB 6.0的聯(lián)系，從而簡單地實現(xiàn)復(fù)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(diǎn)擊的按鈕（包括所在的層級）呈現(xiàn)出一一對應(yīng)的關(guān)系。為了清晰、方便地表示該一一對應(yīng)的關(guān)系，對每一個層級下的每個按鈕進(jìn)行命名，如C1、C2、C11-1等，同時對每個子界面亦作唯一的標(biāo)識，如1、2、3等，最后將這些按鈕、菜單、子界面名字、標(biāo)識及其之間的對應(yīng)關(guān)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?qū)⑵滢D(zhuǎn)化成XML文件，并保存在系統(tǒng)指定文件夾下。隨后，用VB程序讀取XML文件的內(nèi)容，并將根據(jù)子界面標(biāo)識和按鈕上顯示的內(nèi)容呈現(xiàn)界面，即可實現(xiàn)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(bǔ)償及刀具軌跡自動優(yōu)化研究

鑒于鋸片刀具和機(jī)床各軸偏置結(jié)構(gòu)的影響，從文件中導(dǎo)入的圖形數(shù)據(jù)并不能直接用于實際加工，即數(shù)控系統(tǒng)控制點(diǎn)的軌跡與實際鋸片切削的軌跡是不一樣的，所以需要對導(dǎo)入的圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行后置處理才能加工出正確的圖形。這里的關(guān)鍵點(diǎn)包括圖元連接處坐標(biāo)點(diǎn)的處理，坐標(biāo)軸偏置的處理，考慮走刀路徑、冷卻液噴射方向的軌跡優(yōu)化等[13]。以圖元連接處坐標(biāo)點(diǎn)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(chǎn)生過切的現(xiàn)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(chǎn)生過切，如果對所有的圖元連接點(diǎn)都進(jìn)行坐標(biāo)點(diǎn)的過切處理，反而會造成某些點(diǎn)欠切的情況，需要人工額外處理，顯然不當(dāng)。所以，對于該部分圖元連接點(diǎn)坐標(biāo)，需要進(jìn)行兩方面處理：一是是否需要進(jìn)行過切處理的判斷；二是對需要處理的坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)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(nèi)取一點(diǎn)，然后判斷該點(diǎn)是否在圖形內(nèi)部。如果在內(nèi)部，則需要處理，否則不需要處理，如圖3所示。判斷點(diǎn)是否在圖形內(nèi)部的問題，可采用一般轉(zhuǎn)角法的改進(jìn)算法[14]。

1.6 參數(shù)化自動編程研究實現(xiàn)

采用參數(shù)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(jìn)行編程時，只需要修改零件的尺寸參數(shù)，通過預(yù)先編寫好的宏程序?qū)崿F(xiàn)自動編程。用戶只需要輸入加工參數(shù)，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(xiàn)

本文以VB 6.0為開發(fā)環(huán)境，以ServoWorks CNC為開發(fā)平臺，結(jié)合系統(tǒng)的自定義宏程序功能，實現(xiàn)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(shù)量的相同或者不同的圖元組成，而相同圖元中也只是坐標(biāo)參數(shù)不同，因此可將每種圖元寫成帶形式參數(shù)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(diào)用相應(yīng)宏程序，即可實現(xiàn)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(tǒng)對操作人員水平的要求，增強(qiáng)系統(tǒng)的適應(yīng)性、靈活性及可操作性，自動編程模塊還允許用戶對圖形進(jìn)行編輯，包括圖形的移動、旋轉(zhuǎn)、自定義加工順序等。綜上，圖形自動化編程的實現(xiàn)流程為首先導(dǎo)入計算機(jī)輔助設(shè)計（Computer Aided Design，CAD）圖形，接著對圖形進(jìn)行編輯和數(shù)據(jù)處理，然后生成G代碼主程序，最后自動執(zhí)行圖形的加工。

2 特色與創(chuàng)新之處

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

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

（3）利用圖形化、參數(shù)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(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)控系統(tǒng)，再根據(jù)加工工藝要求設(shè)計一系列的判斷和處理算法，實現(xiàn)“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(jìn)行鋸片的偏置補(bǔ)償算法研究和刀具軌跡路徑的自定義設(shè)置及自動生成的研究。

3 結(jié)語

文章提出解決制約石材加工行業(yè)自動化水平的控制系統(tǒng)問題，采用基于PC的純軟件開放式數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)，研制專用于石材異型切割的數(shù)控系統(tǒng)，并在刀具偏置補(bǔ)償和軌跡優(yōu)化的基礎(chǔ)上實現(xiàn)參數(shù)化、圖形化的自動編程。該數(shù)控系統(tǒng)具有功能靈活、擴(kuò)展性強(qiáng)、不受專用硬件制約、性價比高等特點(diǎn)。系統(tǒng)的研究及實現(xiàn)將極大提高石材加工的自動化水平和加工精度，滿足現(xiàn)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(huán)境，提高工作效率，幫助企業(yè)降低用人成本，加快新產(chǎn)品的開發(fā)和升級，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。這對于加快福建省制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，提升我國石材裝備的市場競爭力，具有重要的現(xiàn)實意義。