石材板材智慧化加工柔性製造系統研究

摘 要：基於石材板材智慧化加工柔性製造系統為研究物件，綜合各種先進製造技術和生產組織技術，指導石材加工企業實現從傳統加工模式向智慧製造模式轉變。首先對被加工的石材特徵進行掃描，然後對圖形進行處理和資料採集，編制柔性加工工藝規程，對石材板材的加工系統進行柔性化改造；然後計算石材柔性加工工藝系統的工序能力，並在此基礎上完成石材板材柔性製造系統裝置的最佳佈置方案；接著計算石材加工柔性裝配線的最佳產出率，實現柔性裝配線的重組和最佳配置。最後，建立整個流程過程的三維虛擬現實環境，指導石材企業加工，使石材的測量、設計、加工集於一體。該研究方法不僅解決了具體的石材加工問題，而且總結設計過程，提出一套切實可行、經濟高效的石材智慧化加工柔性製造系統，能夠有效降低加工成本和提高生產效率。

關鍵詞：石材板材；智慧加工；FMS；柔性化改造

1 前 言

為了更好地利用原材料，提高板材測試技術和加工技術，將柔性製造系統引入到石材加工中，對板材加工用的CNC機床進行最佳佈置，以及對柔性裝配線進行重組和最佳配置，以實現線上測量和實時分割最佳化下料及數控加工，可以提高出材率，降低成本，提高加工效率，並且提高我國石材加工裝備水平和加工技術。

目前國內石材行業設計和加工還比較落後，對石材加工和設計還停留在手工設計的水平上，手工分割、編號及手工填制工藝卡，影響加工進度和設計效果，不僅浪費大量人力和物力，而且設計效率低，石材利用率也低，造成石材資源極大的浪費。此外，國內石材加工裝備也比較落後，還沒有實現自動化和數控化。國外石材加工向著柔性製造系統方向發展，即採用計算機程式設計快速引數化設計，實現設計與加工智慧化，能夠適應市場個性化、多樣化的需求，提高企業市場競爭力。柔性製造系統綜合應用了成組技術、準時制技術、精益生產技術和計算機整合製造技術等先進技術，使機械製造領域登上一個新的臺階，在石材行業中具有重要應用價值和理論研究意義。但是，目前在我國石材加工中柔性製造系統的應用程度不高，尤其是CNC數控切割裝置更是少見。為提高我國建築石材加工設計科技水平，加速傳統石材企業升級和改造，提高設計效率和加工效率，節約原材料，本文利用計算機輔助工程系統設計，使CNC加工機床、物料傳輸與儲存系統、計算機控制系統以及石材加工過程的監控系統整合為一體，實現石材加工智慧化。並透過研究石材加工整合系統，為我國今後石材加工柔性化改造建立軟體和硬體基礎，同時為石材加工系統邁向一個新臺階做好前期準備工作。該專案的研究有利於我國石材資源的合理利用，有利於石材的可持續發展及科技創新，有利於促進石材裝備製造業的發展及石材工業的科技進步，其成果具有很高的理論價值和廣泛的實際應用意義[1]。

2 智慧化加工柔性製造系統介紹

柔性製造系統 (Flexible Manufacturing Systems，FMS)，是藉助於自動化傳輸、裝卸與儲存和成組加工、處理與檢測，同計算機控制系統組成的製造系統。而智慧化加工柔性製造系統是自動化裝備的計算機整合實現的一種方式，在管理程式的控制下具有加工一種或幾種產品的生產能力，與傳統柔性製造系統相比，智慧化加工柔性製造系統擁有強大的數字化製造資料處理中心和執行狀態檢測系統。

柔性製造系統具有自動化程度高、適應性強等特點，尤其適用於多品種、中小批次生產。相對傳統意義上的“剛性”生產線，柔性製造系統的優勢體現在其靈活性上，以及對製造過程變化的適應性上，例如柔性製造系統能夠適應系統外部的變化，當加工零件型別改變時，其能夠快速適應新產品，反映了其良好的加工能力；同時，柔性製造系統還能很好的適應系統內部的變化，當有應急產品需要插單生產時，其能夠快速做出調整，反映了其有良好的抗干擾能力[2]。

柔性製造技術以靈捷製造為核心，在繼承和發展傳統制造技術的同時，綜合各種先進製造技術和生產組織技術，指導企業如何實現從傳統的製造模式向靈捷製造模式轉變，其由四個單元組成：加工/處理工作系統、物料傳輸與儲存系統、計算機控制系統和切削過程監控系統[3]。

加工/處理工作系統，負責毛坯件的整理、清洗、加工和檢驗任務，可由多臺CNC數控加工機床組成。每臺CNC機床均會配備有裝卸用的機械手臂，以及刀具的自我檢測系統，可以極大的解放人工操作，做到少人甚至無人監護，節約工時，並使工件加工質量可控。

計算機控制系統是柔性製造系統的大腦，主要負責柔性製造系統在加工、運輸過程和自我檢測的資料收集和資料處理，具體工作主要有：生成工件的工藝加工路線，對整批次生產時排產加工計劃，模擬工件加工的過程，編寫加工程式並進行模擬，監視和控制加工單元和運輸單元。

物料傳輸與儲存系統主要負責工件和夾具的運輸與儲存，一般由智慧搬運機器人、自動導引運輸小車、工件裝卸站、物料儲存裝置和物料運輸裝置等組成。運輸系統的執行指令來自計算機控制系統的資料處理中心，並且其工作狀態一直受監控系統的監視。自動化立體倉庫主要由貨架、堆垛機和控制與管理系統組成，可以同時儲存加工工件的成品和半成品，以及刀具和工裝。與普通的倉庫相比，自動化立體倉庫除了實現自動化，還具有較高的柔性和控制水平，能夠實時與資料庫連線，向其提供準確的庫存資訊，以實現智慧化管理。

柔性製造技術不僅是一門先進的製造技術，還是一門生產組織技術。製造技術水平的提高，可使企業的產品增加更多附加價值；生產組織技術的靈活運用，可以最佳化企業的資源配置，提高製造過程的整體效益[4]。

3 智慧化石材加工系統的設計

3.1 最優裝置佈置

本文設計的智慧化石材柔性加工中心能實現從荒料加工到板材磨拋，再到規格板加工，實現石材加工、石材搬運、廢料綜合處理、工具最佳化選擇和計算機控制一體化的全智慧加工生產線。

本加工中心的石材加工的步驟為：荒料切割完畢後，由自動分割器對毛板進行分割，並由傳送帶輸送到立體化倉庫中，由板材輸送機把毛板輸送石材生產磨拋線。對磨削拋光後的板材進行掃描處理，自動貼上標籤，並經傳送輥道輸送到立體化倉庫中。

該系統包含三臺CNC機床，分別為數控切機（荒料加工）、數控磨機（板材磨拋）和數控雕刻機（規格板加工），分別標註為裝置1、裝置2、裝置3。機床的加工資料如表1所示。

表1 進/出卡 （單位：件）

由表1進/出卡資訊表可知，1號機床總進入量為0件，總輸出量為40件；2號機床總進入量為55件，總輸出量為20件，離線輸出35件；3號機床總輸入量為45件，總輸出量為40件，離線輸出5件。據此可作出該系統的進出比率表，如表2所示。

表2 進/出比率表

按照進/出比率從低到高進行排列機床裝置的順序，得出的就是最佳排列順序。根據表2的比率表可知，該智慧化柔性製造系統的CNC加工裝置應該按照下列順序排列：先是1號機床，然後是3號機床，最後是2號機床。即便是成組工藝中的零件加工工序相似，但依然會有一定的差別，所以會有一些迴流現象的產生，和中途離線輸出的狀況。但是按照上述排序的結果，能夠產生最少的迴流現象，且能較好的平衡各裝置的進/出總量，提高了加工效率的同時，也降低了個別CNC機床因疲勞工作出故障的機率。

最終的柔性製造系統裝置的最佳排序如圖1所示。

圖1 柔性製造系統裝置的最佳排序圖

3.2 現場佈置圖

現場佈置圖根據圖1所示的裝置最佳排序進行設計，最終佈置形式如圖2所示。把柔性製造系統中的3臺CNC機床按照主線一字排列，其中的物料傳輸系統採用傳送帶，如果遇到兩條傳送帶有交叉時，將其中一條進行垂直穿越處理。同時，將可程式設計的計算機系統以模組的形式放在佈置圖的一角，將自動檢測、監視系統安放在CNC機床上（圖中未顯示）。

當所加工的石材尺寸、形狀等有所改變時，只需按照上述方法進行重組CNC機床即可實現。

圖2 柔性製造系統現場佈置圖

4 智慧化石材裝配線的設計

4.1 繪製裝配優先圖

根據石材加工的結構圖和優先約束條件，用圖示的方法表達裝配元流程的順序圖。表3即為某石材加工的裝配元作業內容。

表3 石材加工的裝配元作業內容

根據表3中的石材加工的裝配元作業內容，可繪製出石材加工裝配的優先圖，如圖3所示。

圖3 石材加工的裝配優先圖

4.2 計算裝配元的階位值

階位值，又稱為分級位置權重，在裝配線平衡問題中應用較為普遍。其定義為每個裝配元的階位值等於從該裝配元開始直到最終裝配元之間所經歷的所有裝配元作業時間的總和，即[3]：

式中 為裝配元階位值，為裝配元作業時間，單位為min，為經歷的裝配元個數。

據此，對石材加工的6個裝配元的階位值進行計算。在計算求得各個裝配元的階位值之後，對其進行排序，排序的準則是：降序排序。最後，將各裝配元的階位值和排列順序填入表格，如表4所示：

表4 石材加工各裝配元階位值的計算

4.3 分配工作站

在柔性製造系統中，將在一個生產節拍內相互聯絡的裝配元組成的單元稱之為工作站。而在進行分配工作站時，應遵循以下原則[5]：

1、為了保證石材加工裝配時的先後順序，應當先行分配先行作業，然後分配後繼作業；

2、對裝配順序無特殊要求的裝配元，應當先分配階位值較大者；

3、如若按照上述兩原則分配到站內的裝配元的累計工作時間超過了柔性製造系統規定的生產節拍，則要將其捨棄，理應分配到下一個工作站。如下一工作站也不滿足要求，則以此類推，直至全部分配完畢。最終的工作站分配如表5所示：

表5 石材加工各裝配元工作站分配

如表5可知，三個工作站的累計工作時間分別為0.35h、0.3h、0.4h，均小於生產節拍要求的0.5h；並且每個工作站的工作時間分配基本均勻。在沒有改變原有裝配元作業內容的前提下，僅僅調整了傳輸帶長和每個工作站的裝配元分配，即實現了石材加工裝配線的最佳配置。

5 總結

本文把智慧化加工柔性製造系統應用到石材加工裝置中，同時實現硬體和軟體的結合，具有較高自動化、智慧化、整合化水平的新技術，由此可以實現石材加工數控化。由此可以合理地利用我國的石材資源，有利於石材的可持續發展和環境保護，提高石材工業科技水平，其成果可以廣泛應用於石材加工企業。同時利用該加工系統還可以對其它材料如各種瓷磚、玻璃、木材等建築裝飾材料進行最佳化設計和加工。在我國有上萬家石材廠企業及裝飾公司，因此該研究具有廣闊的應用前景和明顯的經濟效益和社會效益[6]。

2018年中國石材產量達到15000萬平方米，成為世界第一石材大國。如果透過最佳化下料，提高出材率5%，每平方米按平均價格為200元，即可以增加1.5億元產值。由此可見，透過對石材的最佳化製造系統和加工可以帶來巨大的經濟效益和社會效益。同時在我國石材裝備還是以機械傳動為主，缺少自動控制系統和相應的軟體。透過本文的研究，可以促進石材加工裝置轉型和提高，同時提升我國石材加工水平，促進經濟發展。

參考文獻:

[1] 齊鳳蓮. 花崗岩銑削刀具加工效能的系統研究[D]. 東北大學. 2015.

[2] 劉鳴，陳端毓. 具備智慧製造特徵的柔性製造系統建設[J]. 電子技術與軟體工程. 2019(17)：116-117.

[3] 沈向東. 柔性製造技術[M]. 北京：機械工業出版社，2013.

[4] 趙民，單戈. 智慧製造引領石材未來發展[J]. 石材，2019,11:7-9+29.

[5] 張修路，都業天，趙民. 石材羅馬柱的三維建模和有限元分析[J]. 石材，2020,05：8-9+23.

[6] 侯建華. 中國石材綠色礦山建設進入快車道——《石材行業綠色礦山建設規範》行業標準在北京透過審議[J]. 石材，2020,02:1.

作者簡介：

張修路，男，山東菏澤人，漢族，博士在讀，工程師，研究方向為結構的有限元模擬分析、智慧製造；

趙民，男，遼寧瀋陽人，漢族，博士，教授，中國石材工業協會專家。

楊志鍵

陳蜂雲

此文原創首發《石材》2020年12期，經作者授權在石材範兒轉載。