由于大理石、花崗巖等石材具有色澤鮮亮、耐磨、耐腐蝕等優點，建筑裝飾對石材的需求量日益增加。為滿足石材加工多樣化和復雜化的需求，五軸數控機床應用于復雜輪廓石材加工成為必然趨勢。然而，由于刀具和工藝的限制，加工金屬的數控系統并不能直接應用于石材加工。我國在石材加工領域數控技術的研發起步較晚，與國外先進技術水平相比，尚存在較大差距。因此，研發先進的具有自主知識產權的石材加工數控系統，對提高我國石材加工的技術水平有著十分重要的現實意義。
通過調研，結合用戶需求和石材加工工藝，并借鑒國
第一章 緒論
1.1 石材加工設備技術發展現狀
在我國，石材的加工和應用有著悠久的歷史。現如今，隨著房地產和建筑行業的迅速發展，外觀優美、經久耐用、風格典雅的石材飾品越來越受到人們的喜愛。花崗巖、大理石等石材裝飾產品廣泛應用于家庭、賓館、廣場等場合。隨著應用的廣泛，對石材產品的形狀要求也越來越復雜化和多樣化，加工精度要求也隨之不斷提高。然而，傳統的石材加工設備技術自動化程度低、人工依賴性強，加工過程中對人體健康危害性大，已不符合科學、循環、環保經濟的發展理念。因此，提高石材加工設備的自動化程度和加工精度是必然趨勢。
20 世紀中葉，在德國、意大利、美國等歐美發達國家，石材加工設備得到廣泛應用，促進了石材行業的快速發展。20 世紀 80 年代，意大利成為世界石材設備技術開發和制造的發達國家。20 世紀末，隨著石材產品的廣泛應用，我國開始自主研發石材加工設備，并取得了一定成效[1]。
1.1.1 國外石材加工設備技術發展概況
國外在石材加工設備領域起步較早，以意大利和德國為代表，其設備以高效率、高質量、先進的自動化程度代表著世界石材裝備行業先進的發展方向。尤其在把五軸數控技術應用于石材加工后，研發出了一系列先進的石材加工設備，操作方便、功能齊全。生產成本得到有效控制，提高了生產效率和產品質量，在國際市場占據著主導地位。把已經在金屬加工領域發展成熟的數控技術應用于石材加工是目前研發的主流方向，具有更好的人機交互功能，更高的自動化程度和加工精度，更多樣化的加工圖形等優點。
通過以下兩款國外先進設備的功能介紹，我們大致可以總結出國外石材加工設備發展的現狀[2]。
意大利 ISAC 公司生產的五軸石材橋切機，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。控制系統兼有繪圖軟件，其自帶的圖形庫可滿足大部分用戶需求，同時還可根據實際加工需求自定義加工圖形。功能強大的圖形編輯功能，可完成多個圖形的自動排布、干涉判斷及自動處理、軌跡顯示和移動旋轉等。另外，還具有視覺功能，對于大型板材加工時定位困難和不準等情況，可實現自動對刀和定位。大大提高了自動化和智能化程度，具有高效率、高精度和高可靠性等優點，在國內市場廣受好評。
德國的歐馬克公司研發的多軸聯動石材加工中心集拋磨、雕銑等多種功能于一體。不僅可以進行平面切割，同時還可以利用自動換刀功能進行立體雕銑。因此，能夠滿足對加工圖形輪廓日益復雜化和多樣化的要求，由于控制系統采用CNC 技術，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板的切割等石材產品[3]。
通過以上兩款國外先進的石材加工設備，我們從中可大致總結出石材加工機械發展的方向及主要特點[4]。
1. 石材加工設備向自動化、智能化方向發展。
2. 石材加工設備向高精度、高效率、低能耗、綠色環保方向發展。
3. 石材加工設備向開放性、可擴展性方向發展。
4. 多軸聯動，功能集約化。如五軸石材橋切機可集二維、三維加工能于一體。
1.1.2 國內石材加工設備技術發展概況
我國從 20 世紀 90 年代已經開始自主研發石材加工機械設備。然而由于起步較晚，早期所研發的加工設備在實際的加工過程中，粉塵大、噪聲污染嚴重，嚴重威脅操作工人的身心健康；材料浪費嚴重、高耗低能，不符合可持續發展要求。面對人口紅利優勢丟失導致用工難以及環境污染等問題，傳統發展方式已不適應當前時代要求。因此，我們必須進行產業升級，走綠色環保和可持續發展道路，實現傳統粗放式的增長模式向集約生產方式轉型。多年來，我國石材加工設備技術的發展經歷了一個模仿、引進消化吸收和自主創新相結合的發展歷程。隨著國家政策的利好和研發投入的不斷加大，國內出現了一大批優秀的石材設備制造企業，如山東華興、廈門銀華、福建盛達、莆田華隆等企業結合自身優勢，引進消化吸收國外先進技術，自主研發出比較先進的石材加工設備，并得到廣泛的應用。我國已具備石材加工設備自主研發和創新的能力，在產品結構和工藝技術水平等方面都日趨完善，形成了相對完整的行業體系，在滿足國內石材市場需求的同時已逐步走向國際市場[5]。
但是由于起步較晚，縱觀國內發展現狀，與國外相比，國內石材加工設備與加工技術尚存在一定的差距，主要有以下幾點：
1. 自主研發的用于石材加工領域的數控系統幾乎是空白；
2. 復雜曲面和立體加工的自動編程軟件的研究與開發尚不完善；
3. 針對石材行業的繪圖軟件的研究與開發，意大利等發達國家所開發的繪圖軟件，可以直接與控制系統建立連接，不但有強大的圖形庫，還可以根據用戶需求自定義圖形，并且有非常強大的圖形編輯功能，如軌跡修改和顯示、自動最優排布、自動干涉判斷和處理等。
1.2 ServoWorks 開放式數控系統簡介
IEEE（美國電氣與電子工程師協會）把開放式系統定義為：一個開放式系統應能在不同供應商提供的不同平臺之上有效地運行各種應用系統，可以與其他應用系統相互操作[6]。但是與傳統封閉式數控系統相比，所謂的“開放性”是指數控系統具有高度模塊化的結構，機床生產廠商可以根據實際具體的功能需求，對系統的功能模塊進行重組、修改和擴充等，從而在有限時間內迅速建立起一個可重構的系統平臺。
1.2.1 開放式數控系統的特征
20 世紀 80 年代，美國軍方首先提出了 NGC 計劃（Next GenerationWorkstation/Machine Controller）和開放式系統體系結構標準SOSAS（Standards ofOpen System Architecture For Control within Automation System）[7]。發展至今，已成為數控系統發展的主流方向，在市場上占據著主導地位，開放式數控系統突出的特征有以下幾點：
1. 開放性。開放性是指具有平臺無關性，不受硬件和操作系統等平臺的限制，用戶可根據具體的實際情況對系統平臺進行重新配置，對人機交互界面進行修改和擴充。數控系統的開放性讓功能開發更加靈活，大大提高了系統的柔性。既可以兼容特定軟件擴充系統功能，又可以有選擇的舍棄一些功能模塊以適應特定的功能要求。
2. 模塊化。模塊化包含兩層含義：一是功能模塊化，用戶可根據實際需求有選擇的對功能模塊進行重組；二個是體系結構模塊化，內部算法是相互獨立的、可替換的，各功能的實現不會因此而受到限制。模塊化特點可使得控制器具有兩大特性。一是可互操作性，系統平臺利用標準化接口和統一的通信協議，可以不受限制的運行不同的功能模塊。二是可移植性，系統內部算法和軟件功能與硬件設備無關，即使系統的功能模塊是由不同開發商提供，只要采用統一的數據格式、設備接口和控制機理，就可以根據實際需求自由配置硬件平臺，并不影響系統功能模塊的正常運行，因此可以給用戶較大的選擇配置空間，降低了生產成本[8 ]。
3. 標準化。開放式數控系統雖然有很強的開放性，但也是在一定規范下的開放，在開發的過程當中需要制定一個統一的標準。所謂的標準化包括開發語言和外部接口兩層含義。對系統進行功能開發時，使用的開發語言應與底層代碼所采用的開發語言保持一致；外部接口包括 NC/PLC 編程接口、通訊接口等應符合行業標準或國際標準，以保證其通用性[9]。
4. 二次開發。根據實際需求，用戶可對數控系統功能進行二次開發。
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