面向石材异型切割的数控系统研究

邹志光

（厦门城市职业学院，厦门 361008）

近年来，石材因其质地好、物理化学性能好、美观端庄等特点，得到了越来越广泛的应用。随着社会生活水平的大幅度提高，人们对石材产品的形状要求越来越复杂化和多样化，尺寸精度要求越来越高，石材加工个性化、多样化、高端化趋势明显。桥式切石机作为目前应用最广泛的石材加工设备，其自动化水平的高低直接影响石材加工的质量和效率。

虽然近年国内自主研发的用于石材加工的数控技术有了较快发展，但是国内桥式切石机的自动化程度依然较低，与国外先进水平相比还存在较大差距。特别是控制系统方面，国内基本上还处于探索阶段，其自动化水平、开放性、经济性以及可拓展性等方面存在明显的不足，且缺少具有影响力的自主品牌[1-3]。特别是在福建省泉州一带，石材资源丰富，石材加工企业众多，但是总体自动化水平偏低，生产效率低下，无法满足快速发展的细分领域和越来越多样化的石材加工需求。

具体问题表现在以下几个方面[4-7]。

（1）通过调研发现，目前桥式切石机的自动化程度低，编程主要以可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）手工编程为主，效率低下，且生产环境较差，越来越无法满足灵活多变、个性化的市场需求，迫切需要提高石材加工的参数化、图形化自动编程能力。

（2）有的石材加工企业为了提高桥切机的自动化水平，硬是将金属加工领域的数控系统用于石材切石机的切割加工。一方面，金属加工领域的数控系统的功能不符合石材的加工工艺，应该有的功能没有，很多功能又不适用于石材加工，反而拖慢了系统运行速度；另一方面，工人操作十分不便。所以，迫切需要开发面向石材切割的专用人机交互界面。

（3）国外进口自带先进数控系统的切石机，价格高昂，且使用难度较大。售后又较为麻烦，费用也高，普通企业难以承受。桥切机制造企业急需拥有自主知识产权的国产石材切割数控系统。

（4）目前，国内的自动编程方式大多以UG、SolidWorks等机械设计软件为工具进行系统编程，再进行后处理实现。该方式效率较低，实现过程相对烦琐，且对人员的技术水平要求较高。

（5）开放式数控系统是数控技术发展的必然趋势。长期以来，数控系统开发企业和装备制造企业是各自独立开发产品，数控系统企业不断丰富系统功能，但在石材加工等实际应用中并不一定需要庞大的系统功能支持。装备制造企业和用户积累有许多技术经验，而这些经验不可能与数控系统企业共享，故很难融入已有的数控系统。为充分满足市场发展的需要，要求计算机数字控制机床（Computerised Numerical Control，CNC）进一步向开放式控制系统转化。

（6）基于个人计算机（Personal Computer，PC）的纯软件开放式数控系统是新一代数控技术的发展方向。基于PC的数控系统能够充分利用PC机不断提高计算速度、不断扩大存储量和性能不断优化的操作系统。纯软件化数控系统用软件取代分散式硬件控制器，不仅降低了硬件系统的开发成本，也简化了系统组成，提高了使用可靠性。

本文基于以上出发点，提出研究面向石材异型切割的基于PC的纯软件开放式数控系统的方法，对国内桥切机自动化水平的提高具有一定的参考意义。

1 技术关键及其解决办法

实现面向石材异型切割的开放式数控系统的总体技术路线如图1所示。

1.1 利用切石机进行石材异型切割的加工工艺研究

调研泉州、莆田一带桥切机制造企业和石材加工企业，深入了解石材异型切割的加工工艺、生产人员的操作习惯和反馈的突出问题，并查阅相关资料，对比意大利等国外先进的数控系统，形成应用于石材切割的工艺指导。该项研究内容的关键是要深入了解石材加工行业常用的、特有的加工方式和加工参数，如切板、倒角、切槽、进给速度、进给深度等[8-11]。解决办法是要先做好充分的准备，现场调研，再结合国外先进的数控系统进行对比、总结，尽量形成定量的数据分析。

1.2 基于PC的开放式数控系统的应用分析

面向现代数控系统的发展特点，分析基于PC的开放式数控系统的技术构成、软件架构、兼容性和应用特征。研究开放式数控系统的结构与框架的优化设计，明确平台开发的数据结构与信号传输特征，实现软件基本框架的设计优化。结合实际数控系统、设备的开发需求，进行控制系统的设计开发。分析控制系统应用需求进行控制系统信号流程的优化，提高运算效率。

1.3 面向石材异型切割的数控系统架构搭建

对于该部分工作可充分利用纯软件开放式数控系统的模块化特点，摒弃石材加工中不常用、不实用的用于金属切削的诸多功能，进一步减小系统大小，提高系统的运行速度。

1.4 面向石材异型切割数控系统的UI及基本功能设计

根据石材异型切割工艺的要求，综合分析现有某一型号的桥式切石机的机械结构和电气原理，利用Soft Servo System公司提供的软件开发工具包（Software Development Kit，SDK）二次开发技术，实现本数控系统的设计。该部分设计的关键之一是系统上层人机交互界面的设计。Soft Servo System公司的开发平台源代码使用的是VB 6.0语言。如果与源代码保持一致，单单利用VB 6.0搭建该系统界面，那么实现按钮切换、界面变化等操作的代码就会相当冗长、复杂，势必会给界面的搭建、修改与维护带来相当大的麻烦。因此，可利用可扩展标记语言（Extensible Markup Language，XML）数据交换文件建立起Excel与VB 6.0的联系，从而简单地实现复杂的按钮切换与界面变化。

它的解决原理为界面及菜单的变化与所点击的按钮（包括所在的层级）呈现出一一对应的关系。为了清晰、方便地表示该一一对应的关系，对每一个层级下的每个按钮进行命名，如C1、C2、C11-1等，同时对每个子界面亦作唯一的标识，如1、2、3等，最后将这些按钮、菜单、子界面名字、标识及其之间的对应关系清晰、直观地在Excel中罗列出来[12]。编辑好Excel中的界面信息后，利用Excel宏程序将其转化成XML文件，并保存在系统指定文件夹下。随后，用VB程序读取XML文件的内容，并将根据子界面标识和按钮上显示的内容呈现界面，即可实现菜单与子界面的正确切换，编辑方便，更改简单。

1.5 锯片的偏置补偿及刀具轨迹自动优化研究

鉴于锯片刀具和机床各轴偏置结构的影响，从文件中导入的图形数据并不能直接用于实际加工，即数控系统控制点的轨迹与实际锯片切削的轨迹是不一样的，所以需要对导入的图形数据进行后置处理才能加工出正确的图形。这里的关键点包括图元连接处坐标点的处理，坐标轴偏置的处理，考虑走刀路径、冷却液喷射方向的轨迹优化等[13]。以图元连接处坐标点的处理为例，因为锯片存在一定的半径和厚度，所以在两个图元的连接处可能会产生过切的现象（图2中AB即为过切长度）。但是，并不是每个图元连接处都会产生过切，如果对所有的图元连接点都进行坐标点的过切处理，反而会造成某些点欠切的情况，需要人工额外处理，显然不当。所以，对于该部分图元连接点坐标，需要进行两方面处理：一是是否需要进行过切处理的判断；二是对需要处理的坐标点进行处理。对于过切处理的判断，可沿着图元的伸展方向在指定的微小距离内取一点，然后判断该点是否在图形内部。如果在内部，则需要处理，否则不需要处理，如图3所示。判断点是否在图形内部的问题，可采用一般转角法的改进算法[14]。

1.6 参数化自动编程研究实现

采用参数化自动加工控制，即对具有相似几何特征但尺寸不同的同一类进行编程时，只需要修改零件的尺寸参数，通过预先编写好的宏程序实现自动编程。用户只需要输入加工参数，即可完成程序的生成和整个加工过程。

1.7 自定义图形自动编程研究与实现

本文以VB 6.0为开发环境，以ServoWorks CNC为开发平台，结合系统的自定义宏程序功能，实现石材异型切割自定义图形的自动编程。它的基本思想是每个图形都是由若干数量的相同或者不同的图元组成，而相同图元中也只是坐标参数不同，因此可将每种图元写成带形式参数的宏程序保存[15-18]。顺序加工图形中每个图元时，依次自动调用相应宏程序，即可实现图形化自动编程。图形化编程的基本原理如图4所示。

为降低系统对操作人员水平的要求，增强系统的适应性、灵活性及可操作性，自动编程模块还允许用户对图形进行编辑，包括图形的移动、旋转、自定义加工顺序等。综上，图形自动化编程的实现流程为首先导入计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）图形，接着对图形进行编辑和数据处理，然后生成G代码主程序，最后自动执行图形的加工。

2 特色与创新之处

（1）采用开放式的数控系统，方便用户针对不同的功能需求进行二次开发，以便实现系统的更新、升级，可拓展性强。除了支持数控上层软件的用户定制外，它更深入的开放性还体现在支持运动控制策略的用户定制。

（2）采用基于PC的纯软件型的数控系统，能够充分利用PC不断提高计算速度、不断扩大存储量和不断优化操作系统的性能，实现切石机控制中的运动轨迹控制和开关量的逻辑控制。因此，本项目不需要任何运动控制卡或者专用芯片，所有运算都在通用计算机的中央处理器（Central Processing Unit，CPU）上完成，充分发挥了目前CPU的超高速、超精确的运算能力。随着CPU的速度和性能的提高，软件运动控制系统的速度和性能也随之提高。此项目的执行可以不受专用硬件的制约，大大降低了产品成本。从用户角度看，它的性价比高，开放性强，部署简单，维护成本低。

（3）利用图形化、参数化自动编程思想，将AutoCAD绘图软件的图形交换文件（Drawing Exchange File，DXF）数据导入数控系统，再根据加工工艺要求设计一系列的判断和处理算法，实现“只要能画出，就能加工出”的自定义图形的自动编程和自动加工[19]。

（4）进行锯片的偏置补偿算法研究和刀具轨迹路径的自定义设置及自动生成的研究。

3 结语

文章提出解决制约石材加工行业自动化水平的控制系统问题，采用基于PC的纯软件开放式数控系统进行二次开发，研制专用于石材异型切割的数控系统，并在刀具偏置补偿和轨迹优化的基础上实现参数化、图形化的自动编程。该数控系统具有功能灵活、扩展性强、不受专用硬件制约、性价比高等特点。系统的研究及实现将极大提高石材加工的自动化水平和加工精度，满足现代越来越多样化、个性化、定制化的石材加工需求，并且能够改善工人的工作环境，提高工作效率，帮助企业降低用人成本，加快新产品的开发和升级，提高企业的经济效益。这对于加快福建省制造业转型升级，提升我国石材装备的市场竞争力，具有重要的现实意义。