石材板材智能化加工柔性制造系统研究（柔性石材生产设备厂家）

摘 要：基于石材板材智能化加工柔性制造系统为研究对象，综合各种先进制造技术和生产组织技术，指导石材加工企业实现从传统加工模式向智能制造模式转变。首先对被加工的石材特征进行扫描，然后对图形进行处理和数据采集，编制柔性加工工艺规程，对石材板材的加工系统进行柔性化改造；然后计算石材柔性加工工艺系统的工序能力，并在此基础上完成石材板材柔性制造系统设备的最佳布置方案；接着计算石材加工柔性装配线的最佳产出率，实现柔性装配线的重组和最佳配置。最后，建立整个流程过程的三维虚拟现实环境，指导石材企业加工，使石材的测量、设计、加工集于一体。该研究方法不仅解决了具体的石材加工问题，而且总结设计过程，提出一套切实可行、经济高效的石材智能化加工柔性制造系统，能够有效降低加工成本和提高生产效率。

关键词：石材板材；智能加工；FMS；柔性化改造

1 前 言

为了更好地利用原材料，提高板材测试技术和加工技术，将柔性制造系统引入到石材加工中，对板材加工用的CNC机床进行最佳布置，以及对柔性装配线进行重组和最佳配置，以实现在线测量和实时分割优化下料及数控加工，可以提高出材率，降低成本，提高加工效率，并且提高我国石材加工装备水平和加工技术。

目前国内石材行业设计和加工还比较落后，对石材加工和设计还停留在手工设计的水平上，手工分割、编号及手工填制工艺卡，影响加工进度和设计效果，不仅浪费大量人力和物力，而且设计效率低，石材利用率也低，造成石材资源极大的浪费。此外，国内石材加工装备也比较落后，还没有实现自动化和数控化。国外石材加工向着柔性制造系统方向发展，即采用计算机编程快速参数化设计，实现设计与加工智能化，能够适应市场个性化、多样化的需求，提高企业市场竞争力。柔性制造系统综合应用了成组技术、准时制技术、精益生产技术和计算机集成制造技术等先进技术，使机械制造领域登上一个新的台阶，在石材行业中具有重要应用价值和理论研究意义。但是，目前在我国石材加工中柔性制造系统的应用程度不高，尤其是CNC数控切割设备更是少见。为提高我国建筑石材加工设计科技水平，加速传统石材企业升级和改造，提高设计效率和加工效率，节约原材料，本文利用计算机辅助工程系统设计，使CNC加工机床、物料传输与存储系统、计算机控制系统以及石材加工过程的监控系统集成为一体，实现石材加工智能化。并通过研究石材加工集成系统，为我国今后石材加工柔性化改造建立软件和硬件基础，同时为石材加工系统迈向一个新台阶做好前期准备工作。该项目的研究有利于我国石材资源的合理利用，有利于石材的可持续发展及科技创新，有利于促进石材装备制造业的发展及石材工业的科技进步，其成果具有很高的理论价值和广泛的实际应用意义[1]。

2 智能化加工柔性制造系统介绍

柔性制造系统 (Flexible Manufacturing Systems，FMS)，是借助于自动化传输、装卸与存储和成组加工、处理与检测，同计算机控制系统组成的制造系统。而智能化加工柔性制造系统是自动化装备的计算机集成实现的一种方式，在管理程序的控制下具有加工一种或几种产品的生产能力，与传统柔性制造系统相比，智能化加工柔性制造系统拥有强大的数字化制造数据处理中心和运行状态检测系统。

柔性制造系统具有自动化程度高、适应性强等特点，尤其适用于多品种、中小批量生产。相对传统意义上的“刚性”生产线，柔性制造系统的优势体现在其灵活性上，以及对制造过程变化的适应性上，例如柔性制造系统能够适应系统外部的变化，当加工零件类型改变时，其能够快速适应新产品，反映了其良好的加工能力；同时，柔性制造系统还能很好的适应系统内部的变化，当有应急产品需要插单生产时，其能够快速做出调整，反映了其有良好的抗干扰能力[2]。

柔性制造技术以灵捷制造为核心，在继承和发展传统制造技术的同时，综合各种先进制造技术和生产组织技术，指导企业如何实现从传统的制造模式向灵捷制造模式转变，其由四个单元组成：加工/处理工作系统、物料传输与存储系统、计算机控制系统和切削过程监控系统[3]。

加工/处理工作系统，负责毛坯件的整理、清洗、加工和检验任务，可由多台CNC数控加工机床组成。每台CNC机床均会配备有装卸用的机械手臂，以及刀具的自我检测系统，可以极大的解放人工操作，做到少人甚至无人监护，节约工时，并使工件加工质量可控。

计算机控制系统是柔性制造系统的大脑，主要负责柔性制造系统在加工、运输过程和自我检测的数据收集和数据处理，具体工作主要有：生成工件的工艺加工路线，对整批量生产时排产加工计划，仿真工件加工的过程，编写加工程序并进行模拟，监视和控制加工单元和运输单元。

物料传输与存储系统主要负责工件和夹具的运输与存储，一般由智能搬运机器人、自动导引运输小车、工件装卸站、物料存储装置和物料运输装置等组成。运输系统的执行指令来自计算机控制系统的数据处理中心，并且其工作状态一直受监控系统的监视。自动化立体仓库主要由货架、堆垛机和控制与管理系统组成，可以同时存储加工工件的成品和半成品，以及刀具和工装。与普通的仓库相比，自动化立体仓库除了实现自动化，还具有较高的柔性和控制水平，能够实时与数据库连接，向其提供准确的库存信息，以实现智能化管理。

柔性制造技术不仅是一门先进的制造技术，还是一门生产组织技术。制造技术水平的提高，可使企业的产品增加更多附加价值；生产组织技术的灵活运用，可以优化企业的资源配置，提高制造过程的整体效益[4]。

3 智能化石材加工系统的设计

3.1 最优设备布置

本文设计的智能化石材柔性加工中心能实现从荒料加工到板材磨抛，再到规格板加工，实现石材加工、石材搬运、废料综合处理、工具优化选择和计算机控制一体化的全智能加工生产线。

本加工中心的石材加工的步骤为：荒料切割完毕后，由自动分割器对毛板进行分割，并由传送带输送到立体化仓库中，由板材输送机把毛板输送石材生产磨抛线。对磨削抛光后的板材进行扫描处理，自动贴上标签，并经传送辊道输送到立体化仓库中。

该系统包含三台CNC机床，分别为数控切机（荒料加工）、数控磨机（板材磨抛）和数控雕刻机（规格板加工），分别标注为设备1、设备2、设备3。机床的加工数据如表1所示。

表1 进/出卡 （单位：件）

由表1进/出卡信息表可知，1号机床总进入量为0件，总输出量为40件；2号机床总进入量为55件，总输出量为20件，离线输出35件；3号机床总输入量为45件，总输出量为40件，离线输出5件。据此可作出该系统的进出比率表，如表2所示。

表2 进/出比率表

按照进/出比率从低到高进行排列机床设备的顺序，得出的就是最佳排列顺序。根据表2的比率表可知，该智能化柔性制造系统的CNC加工设备应该按照下列顺序排列：先是1号机床，然后是3号机床，最后是2号机床。即便是成组工艺中的零件加工工序相似，但依然会有一定的差别，所以会有一些回流现象的产生，和中途离线输出的状况。但是按照上述排序的结果，能够产生最少的回流现象，且能较好的平衡各设备的进/出总量，提高了加工效率的同时，也降低了个别CNC机床因疲劳工作出故障的概率。

最终的柔性制造系统设备的最佳排序如图1所示。

图1 柔性制造系统设备的最佳排序图

3.2 现场布置图

现场布置图根据图1所示的设备最佳排序进行设计，最终布置形式如图2所示。把柔性制造系统中的3台CNC机床按照主线一字排列，其中的物料传输系统采用传送带，如果遇到两条传送带有交叉时，将其中一条进行垂直穿越处理。同时，将可编程的计算机系统以模块的形式放在布置图的一角，将自动检测、监视系统安放在CNC机床上（图中未显示）。

当所加工的石材尺寸、形状等有所改变时，只需按照上述方法进行重组CNC机床即可实现。

图2 柔性制造系统现场布置图

4 智能化石材装配线的设计

4.1 绘制装配优先图

根据石材加工的结构图和优先约束条件，用图示的方法表达装配元流程的顺序图。表3即为某石材加工的装配元作业内容。

表3 石材加工的装配元作业内容

根据表3中的石材加工的装配元作业内容，可绘制出石材加工装配的优先图，如图3所示。

图3 石材加工的装配优先图

4.2 计算装配元的阶位值

阶位值，又称为分级位置权重，在装配线平衡问题中应用较为普遍。其定义为每个装配元的阶位值等于从该装配元开始直到最终装配元之间所经历的所有装配元作业时间的总和，即[3]：

式中 为装配元阶位值，为装配元作业时间，单位为min，为经历的装配元个数。

据此，对石材加工的6个装配元的阶位值进行计算。在计算求得各个装配元的阶位值之后，对其进行排序，排序的准则是：降序排序。最后，将各装配元的阶位值和排列顺序填入表格，如表4所示：

表4 石材加工各装配元阶位值的计算

4.3 分配工作站

在柔性制造系统中，将在一个生产节拍内相互联系的装配元组成的单元称之为工作站。而在进行分配工作站时，应遵循以下原则[5]：

1、为了保证石材加工装配时的先后顺序，应当先行分配先行作业，然后分配后继作业；

2、对装配顺序无特殊要求的装配元，应当先分配阶位值较大者；

3、如若按照上述两原则分配到站内的装配元的累计工作时间超过了柔性制造系统规定的生产节拍，则要将其舍弃，理应分配到下一个工作站。如下一工作站也不满足要求，则以此类推，直至全部分配完毕。最终的工作站分配如表5所示：

表5 石材加工各装配元工作站分配

如表5可知，三个工作站的累计工作时间分别为0.35h、0.3h、0.4h，均小于生产节拍要求的0.5h；并且每个工作站的工作时间分配基本均匀。在没有改变原有装配元作业内容的前提下，仅仅调整了传输带长和每个工作站的装配元分配，即实现了石材加工装配线的最佳配置。

5 总结

本文把智能化加工柔性制造系统应用到石材加工设备中，同时实现硬件和软件的结合，具有较高自动化、智能化、集成化水平的新技术，由此可以实现石材加工数控化。由此可以合理地利用我国的石材资源，有利于石材的可持续发展和环境保护，提高石材工业科技水平，其成果可以广泛应用于石材加工企业。同时利用该加工系统还可以对其它材料如各种瓷砖、玻璃、木材等建筑装饰材料进行优化设计和加工。在我国有上万家石材厂企业及装饰公司，因此该研究具有广阔的应用前景和明显的经济效益和社会效益[6]。

2018年中国石材产量达到15000万平方米，成为世界第一石材大国。如果通过优化下料，提高出材率5%，每平方米按平均价格为200元，即可以增加1.5亿元产值。由此可见，通过对石材的优化制造系统和加工可以带来巨大的经济效益和社会效益。同时在我国石材装备还是以机械传动为主，缺少自动控制系统和相应的软件。通过本文的研究，可以促进石材加工设备转型和提高，同时提升我国石材加工水平，促进经济发展。

参考文献:

[1] 齐凤莲. 花岗岩铣削刀具加工效能的系统研究[D]. 东北大学. 2015.

[2] 刘鸣，陈端毓. 具备智能制造特征的柔性制造系统建设[J]. 电子技术与软件工程. 2019(17)：116-117.

[3] 沈向东. 柔性制造技术[M]. 北京：机械工业出版社，2013.

[4] 赵民，单戈. 智能制造引领石材未来发展[J]. 石材，2019,11:7-9 29.

[5] 张修路，都业天，赵民. 石材罗马柱的三维建模和有限元分析[J]. 石材，2020,05：8-9 23.

[6] 侯建华. 中国石材绿色矿山建设进入快车道——《石材行业绿色矿山建设规范》行业标准在北京通过审议[J]. 石材，2020,02:1.

作者简介：

张修路，男，山东菏泽人，汉族，博士在读，工程师，研究方向为结构的有限元仿真分析、智能制造；

赵民，男，辽宁沈阳人，汉族，博士，教授，中国石材工业协会专家。

杨志键

陈蜂云

此文原创首发《石材》2020年12期，经作者授权在石材范儿转载。