五軸聯(lián)動(dòng)石材水刀切割專用數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)的背景和意義
在中國(guó)制造 2025 的大環(huán)境下，為了快速促進(jìn)制造業(yè)產(chǎn)業(yè)化升級(jí)，朝著“互聯(lián)網(wǎng)+”的發(fā)展趨勢(shì)，將信息化和工業(yè)化進(jìn)行融合
在中國(guó)制造 2025 的大環(huán)境下，為了快速促進(jìn)制造業(yè)產(chǎn)業(yè)化升級(jí)，朝著“互聯(lián)網(wǎng)+”的發(fā)展趨勢(shì)，將信息化和工業(yè)化進(jìn)行融合，把重點(diǎn)放在開發(fā)新一代科技信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)，如高檔數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人結(jié)構(gòu)機(jī)床、航空航天制造業(yè)、先進(jìn)軌道交通和電力裝備、新型材料、生物醫(yī)療器械裝備及農(nóng)業(yè)器械裝備等[1]。參與制定泉州制造 2025 規(guī)劃及市級(jí)“燎原計(jì)劃”重大關(guān)鍵技術(shù)解決方案有工業(yè)機(jī)器人控制器開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化，高性能交流伺服驅(qū)動(dòng)及電機(jī)的研制與跨行業(yè)示范應(yīng)用以及國(guó)產(chǎn)數(shù)控技術(shù)在熱熔膠器涂布復(fù)合機(jī)的應(yīng)用、節(jié)能伺服系統(tǒng)在制鞋業(yè)行業(yè)的應(yīng)用、衛(wèi)生用品多軸同步張力控制系統(tǒng)的研制與應(yīng)用、高精度柔性折彎?rùn)C(jī)專用數(shù)控系統(tǒng)研發(fā)與推廣應(yīng)用、高性能數(shù)控激光設(shè)備的研發(fā)與推廣應(yīng)用、石材專用數(shù)控設(shè)備的研發(fā)與實(shí)踐應(yīng)用推廣等國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)與示范應(yīng)用。數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化及智能化是傳統(tǒng)制造業(yè)進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級(jí)的主要考慮方向，也是制造業(yè)未來發(fā)展的一個(gè)必然趨勢(shì)[2]。從“數(shù)代”到“智能一代”，泉州華中科技大學(xué)智能制造研究院作為泉州市政府培養(yǎng)的重點(diǎn)企業(yè)，也將努力為實(shí)施“中國(guó)制造2025”強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。 近年來，隨著“超高壓數(shù)控水切割機(jī)床”技術(shù)的不斷更新和完善，數(shù)控水切割機(jī)床在市場(chǎng)上已逐漸推廣和應(yīng)用。水切割是利用水（純水或是加磨料的水）噴射的動(dòng)能對(duì)工件進(jìn)行加工，它可以對(duì)反光型材料、復(fù)合型材料、化學(xué)纖維、熱敏感型材料及玻璃陶瓷等材料進(jìn)行加工；水刀切割相比于激光切割、電火花切割等切割方式有以下一些優(yōu)點(diǎn)：是一種冷態(tài)切割，切割面沒有熱變形；水切割在加工過程中沒有發(fā)生材料的化學(xué)變化，即不影響切割材料物理性質(zhì)；切割工件表面清潔且環(huán)保等[3]。對(duì)于三軸的水切割數(shù)控系統(tǒng)，由于能量梯度和水的聚焦發(fā)散作用，切面越深時(shí)（距噴嘴越遠(yuǎn)時(shí)），水切割能力就會(huì)越差，所切割出的切割面與工件表面經(jīng)常就會(huì)不垂直，切割面如圖1.1 所示，雖然可以通過提高水的能量或是降低水切割的速度可以減低部分不垂直度，但是大部分水刀切割石材產(chǎn)品都用于石材水刀拼花（即石材工件與石材工件鑲嵌的過程，不同顏色或不同形狀也可以都相同的石材工件），這就需要切割面有一定的傾斜度，以更好的鑲嵌，使邊緣的拼縫小且美觀大方。這些都是三軸水切割數(shù)控系統(tǒng)機(jī)床無法完成的。為了解決切割不垂直度的問題，五軸聯(lián)動(dòng)的水切割數(shù)控機(jī)床概念就被提了出來，它的基本原理是：在原有三個(gè)直線軸 X、Y、Z 的基礎(chǔ)上再加兩個(gè)擺動(dòng)軸 A、B 或 A、C 或 B、C，來實(shí)現(xiàn)水刀刀頭向任意方向的擺動(dòng)，并用 RTCP（Realtime Transport Control Protocol）技術(shù)，將控制點(diǎn)定在刀具的中心點(diǎn)，通過實(shí)時(shí)刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償確保刀具的中心點(diǎn)沿著指定的路徑移動(dòng)[4]。從而使水切割產(chǎn)品達(dá)到無斜度切面或形成指定角度的切面。
CAD/CAM/CNC 技術(shù)是計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息技術(shù)與現(xiàn)代設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造相結(jié)合的產(chǎn)物，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造具有自動(dòng)化、集成化的關(guān)鍵技術(shù)[5]。在現(xiàn)有的 CAD/CAM（UG、
Solid Works、Auto CAD、Pro/Engineer、CATIA、CAXA、Master CAM 等）大型商業(yè)化軟件中，其中 UG、CAXA 等軟件都已經(jīng)發(fā)展的比較成熟，但是這些大型的商業(yè)化軟件對(duì)于一些中小型企業(yè)存在以下問題：
（1）比較昂貴；
（2）功能強(qiáng)大導(dǎo)致操作比較繁瑣復(fù)雜，對(duì)操作工人技術(shù)要求比較高。
因此，本文擬開發(fā)一套適用于中小型企業(yè)的、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的 CAD/CAM 一體化的五軸聯(lián)動(dòng)水切割數(shù)控系統(tǒng)。本課題是在華中八型數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過對(duì)軟硬件平臺(tái)的擴(kuò)充與完善，構(gòu)建專用數(shù)控裝置及軟硬件開發(fā)平臺(tái)，在石材水刀加工類方向，進(jìn)行具有交互式圖形化編程系統(tǒng)的專用數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)，即實(shí)現(xiàn)由二維圖形（如.dxf 文件）生成五軸數(shù)控加工 G 代碼直接驅(qū)動(dòng)水切割機(jī)床軸的運(yùn)動(dòng)。這對(duì)于推廣國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的市場(chǎng)占有率具有很大的積極作用[6]。研究 CAD/CAM 一體化的五軸聯(lián)動(dòng)水切割專用數(shù)控系統(tǒng)作為泉州制造 2025 規(guī)劃中專用數(shù)控系統(tǒng)的研究專項(xiàng)之一，若研制成功將有利于國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)形成完整的產(chǎn)品系列與產(chǎn)業(yè)鏈，將有效的降低了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的成本，減少了產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到投產(chǎn)的時(shí)間（即開發(fā)周期），減少了廢品率，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，減輕了勞動(dòng)者的勞動(dòng)強(qiáng)度及提高了勞動(dòng)者的創(chuàng)造力等[7]，進(jìn)而提升國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的整體競(jìng)爭(zhēng)力，減少對(duì)國(guó)外關(guān)鍵技術(shù)與產(chǎn)品的依賴，加快國(guó)內(nèi)機(jī)械產(chǎn)品及產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級(jí)和增加機(jī)械行業(yè)整體的技術(shù)儲(chǔ)備，有利于整個(gè)制造業(yè)的發(fā)展。
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