CN1075446A - 低温切割加工石材工艺及控制装置 - Google Patents

Abstract

一种低温切割加工石材工艺及控制装置，其加工 工艺是利用低温(包括超低温)液体喷射到刀具(主要 指金刚石刀具)和石材的局部切割区域，形成低温切 割状态，从而显著地改善石材的加工性能。其控制装 置由加工工具、能量传感器、温度传感器、加法器、调 节阀、低温液体发生器以及前馈控制器和反馈控制器 组成。该加工工艺及控制装置可广泛应用于大中型 石材加工厂，显著地提高刀具寿命，降低加工成本，提 高生产率并减少环境污染。

Description

本发明涉及低温切割加工石材工艺及控制装置。

花岗石、大理石等石材，是建筑行业广泛使用的高档建筑装饰材料，但由于其硬度极高，切割加工非常困难。目前一般加工效率很低，加工成本（包括刀具成本）很高，因此，为了提高石材切割加工效率，人们往往在石材切割加工的冷却液的改进方面采取措施。如发明专利申请号为89105921.0的“高效切割加工石材工艺”的中国专利，发明了一种冷却润滑液，这种冷却液是由雅致雾水葛、魔芋、水麻、萓麻、仙巴掌等五种植物的任一种植物的根或块茎，或罗望子、田菁、决明子等三种植物中的任一种植物的种子胚乳干粉，与NaOH或NaCO₃和清水（H₂O）按一定比例配方制成的。其不足是：它不是天然资源，原料少，难以满足大量的需求;它在石材的切割加工过程中，温度会升高，从而降低冷却效果，影响刀具寿命;用该冷却液切割加工石材，根据该石材加工工艺，仍污染环境。

低温加工技术是近来兴起的一门新技术，尽管世界许多国家（如日本、美国）已投入相当的人力、物力对此项技术进行了研究，然而由于对该项技术的理论基础、技术方案，特别是自动控制技术方案缺乏系统的研究，所以该项技术至今未进入工业性实用阶段，而是仅仅局限于对该技术的优点、效果和实验方法上。如新西兰的D.Bhattacharyya，M.N.Allen和S.J.Mander在PED-Vol.49/MD-Vol.27，Processing  and  Manufacturing  of  composite  Materials，ASME  1991上发表了题目为CRYOGENIC  MACHINING  OF  KEVIAR  COMPOSITES的文章，该文用实验方法研究了一种塑料的低温切割加工过程，其研究仅仅局限于实验方法，而对整个低温切割加工塑料的过程，特别是其自动控制过程，缺乏系统的研究。

本发明的目的在于针对现有石材切割加工工艺存在的不足，提出了一种低温切割加工石材工艺及控制装置，以实现低温切割加工石材过程的自动控制，提高刀具的耐磨性，延长刀具的寿命。

为了实现本发明的目的，其技术方案是：采用低温切割石材过程的控制装置实现本发明的加工工艺。该工艺包括加工工具的准备，用能量传感器测得电动机的功率，用温度传感器测得温度，反馈控制器的控制算法为比例积分微分算式。该控制装置是由加工工具、能量传感器、温度传感器，加法器、调节阀、低温液体发生器以及前馈控制器和反馈控制器等部件组成。其中，加法器为普通的算术加法运算;加工刀具、能量传感器、温度传感器、调节阀、低温液体发生器均为已有技术，且均已产品化，市场上均能购买;而前馈控制器及反馈控制器内部的控制算法，则由本发明的加工工艺中具体给出。

本发明的加工工艺为：

1.根据不同石材，确定其局部切割区域的最佳切割温度（Topt）的初始值。一般地，最佳切割温度是-190～-50℃，其精确值要依靠低温切割石材过程的控制装置，在石材加工厂的现场投运过程中，不断地由经验修正才能获得。

2.切割加工石材前，初始化局部切割区域的温度，形成最佳的切割状态。即切割加工石材前，将低温液体（液态氮或液态二氧化碳）喷射到切割刀具与即将被切割的石材相接触的局部切割区域，使局部切割区域的温度达到设定的最佳切割温度。

3.自动控制低温液体（液态氮或液态二氧化碳）的喷射流量，以维持最佳的切割温度，保持最佳的切割状态。由于切割加工石材过程中，刀具与石材磨擦将产生热量，且切割不同的石材或同一石材的不同位置，其磨擦产生热量的大小也不尽相同，这势必改变局部切割区域的温度，使之偏离最佳切割温度。为了维持最佳切割状态，必须改变低温液体的喷射流量，即自动控制低温液体的喷射流量。具体的喷射流量值由前馈控制器和反馈控制器内部的控制算法所求得的流量值相加获得。

（1）前馈控制器内部的控制算法为：

$q_1\left(k\right)=\frac{(1-\mathrm{\β})\left(\sqrt{{a_1}^2+4a_2(P_I\left(k\right)-\left(P_{\mathrm{Io}}\right)-a_I)}\right)}{{2a}_2}/(L+C(\mathrm{Topt}+T_b))---\left(1\right)$

式①中，K-第k拍的加工时刻，

q₁（k）-第k拍时前馈控制求得的流量值，

P_I（k）-第k拍时加工工具的电动机输入功率，由能量传感器测得，

P_IO-加工工具的电动机空转时的输入功率，由能量传感器测得，

L-单位低温液体汽化所需的热量，

c-低温液体气化成气体后的比热，

Topt-设定的局部切割区域的最佳切割温度，由加工工艺第1步确定，

T_b-低温液体的沸点，

β-常系数，其取值范围为1%～3%，

α₁，α₂也为常系数，其值由下面式子求得：

式②、③中，Pc（i）（1≤i≤k）-第i拍时加工工具的切割功率，由实验方法离线获得;而P_I（i）（1≤i≤k），PI（o）的含义与式①相同。

（2）反馈控制器内部的控制算法为常规的PID算式，它由下式给出：

q₂(k)=Kp[e(k)+ (T)/(T_I)

e(i)+ (T_D)/(T) (e(k)-e(k-1))] ④

其中

e（i）＝Tm（i）-Topt

（1≤i≤k）⑤

e（o）＝0

式④、⑤中，

q_z（k）-第k拍时反馈控制器求得的流量值，

Tm（i）（1≤i≤k）-第i拍时局部切割区域的温度，由温度传感器测得，

T-采样周期，即第i拍到第i+1拍的间隔时间，

Topt-含义与式①同，

K_P，T_I，T_D-分别为比例、积分、微分因子，其取值范围分别为K_P＝1～1.25，T_I＝30～100，T_D＝5～30。

（3）由算式①和④便得到具体的喷射流量值为：

q（k）＝q₁（k）+q₂（k）⑥

式⑥中，q（k）-第k拍时需控制的低温液体的喷射流量值。

本发明的优点和积极效果在于：

1.在低温切割加工石材的过程中，由于低温液体不断地喷射到局部切割区域，因此低温液体不仅充当着冷却润滑液，保护刀具不因摩擦发热而被烧坏，而且因为金刚石刀具在低温下具有更高的机械特性和耐磨性，所以它还在持续地改变刀具的机械性能，提高刀具的耐磨性。

2.低温切割加工石材，可大大地降低昂贵的金刚石刀具的成本;同时由于刀具耐磨性的提高，因而可以大大地提高切割用量，从而显著地提高生产率。

3.低温液体的生产原料十分丰富，生产原理也比较简单，如液态氮是由大自然中的空气经液化分离后获得的，因而其造价低廉，且适合大批量生产;同时，低温液体对操作人员无毒，对环境无污染。

附图为本发明技术解决方案方框图。图中，1-加工工具;2-能量传感器;3-前馈控制器;4-局部切割区域，它是指加工刀具与石材接触区的小区域;5-温度传感器;6-反馈控制器;7-加法器;8-调节阀;9-低温液体发生器。

实施例1：结合附图说明低温切割加工石材工艺的具体实现。实质上，低温切割加工石材的过程是一个由工业计算机和工业仪表来实现的前馈-反馈过程控制系统。该系统中，被调量为局部切割区域的温度，调节量为低温液体（液态氮或液态二氮化碳）的喷射流量，而电动加工工具的能量信号则被视为可测的干扰信号。系统的具体调节过程为：一方面，将温度传感器采集到的局部切割区域的温度与反馈控制器内设定的最佳切割温度比较，当其偏离最佳切割温度时，则通过反馈控制器内的控制算法和加法器来调节低温液体的喷射流量，以维持最佳切割状态;而另一方面，一旦测得干扰信号（电动加工工具能量）发生变化，则直接通过前馈控制器内的控制算法和加法器超前调节低温液体的喷射流量，以维持最佳切割状态。这里，前馈控制器和反馈控制器内部的控制算法为本发明的加工工艺中的算式①和算式④。

实施例2：利用闽日牌手动切割机和两片闽日牌切割刀具，分别以清水和低温液态氮作冷却液切割加工同样数量的花岗石。结果表明，沿刀具直径方向，以清水为冷却液的刀具磨损量为0.53mm，而以液态氮作冷却液的刀具磨损量仅为0.10mm。因此，低温切割下的刀具耐用度是常规切割方式（清水作冷却液）下刀具耐用度的5倍以上。

Claims (2)

1、一种低温切割加工石材的工艺，包括加工工具的准备，用能量传感器测得电动机功率，用温度传感器测得温度，反馈控制器的控制算法为比例积分微分算式，其特征在于：

(1)确定其局部切割区域的最佳切割温度的初始值，该温度的初始值为-190～-50℃；

(2)切割加工石材前，将低温液体喷射到切割刀具与被切割的石材接触的局部切割区域，使该区域的温度达到设定的最佳切割温度；

(3)通过前馈控制器和反馈控制器的控制算法分别自动求出各自的低温液体喷射流量值q₁(k)，q₂(k)，然后相加，控制调节阀调节低温液体的流量，维持切割区域的最佳切割温度，前馈控制器的控制算法由下式确定： $q_1\left(k\right)=\frac{(1-\mathrm{\β})(\sqrt{{a_1}^2+{4a}_2(P_I\left(k\right)-\left(P_{\mathrm{Io}}\right)}-a_I)}{{2a}_2}/(L+C(\mathrm{Topt}+T_b))---\left(1\right)$

式①中，K-第k拍加工时刻，

q₁(k)-第k拍时前馈控制求得的流量值，

P_I(k)-第k拍时加工工具的电动机输入功率，由能量传感器测得，

P_IO-加工工具的电动机空转时的输入功率，由能量传感器测得，

L-单位低温液体汽化所需的热量，

c-低温液体气化成气体后的比热，

Topt-设定的局部切割区域的最佳切割温度，由加工工艺第1步确定，

T_b-低温液体的沸点，

β-常系数，其取值范围为1%～3%，

α₁，α₂也为常系数，其值由下面式子求得：

式②、③中，

Po(i)--第i拍时加工工具的切割功率，(1≤i≤k)

P_I(i)--第i拍时加工工具电动机输入功率，

P_IO--加工工具电动机空转时的输入功率。

2、根据权利要求1所述的低温切割加工石材的工艺，其特征在于所用低温液体为液态氮或液态二氧化碳。