Научные основы инновационно-технологического развития камнеобрабатывающих производств

Москва  2018

М ИНИС Т Е РС ТВО НАУКИ И ВЫСШ ЕГО ОБ РА З О ВА Н И Я РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

ИНСТИТУТ ЭКОТЕХНОЛОГИЙ И ИНЖИНИРИНГА 
 
Кафедра литейных технологий и художественной обработки металлов

Посвящается 100-летнему юбилею Московской горной академии

Ю.А. Павлов

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ  
ИННОВАЦИОННО- 
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РАЗВИТИЯ  
КАМНЕОБРАБАТЫВАЮЩИХ  
ПРОИЗВОДСТВ

Монография

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета

УДК 681.3 
 
П12

Р е ц е н з е н т ы: 
д-р техн. наук, проф. В.Р. Ткач 
(ген. директор ОАО «Московский камнеобрабатывающий комбинат»); 

д-р техн. наук, проф. В.С. Коваленко

Павлов Ю.А.
П12  
Научные основы инновационно-технологического развития 
камнеобрабатывающих производств : монография / Ю.А. Павлов. – М. : Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 2018. – 620 с.
ISBN 978-5-906953-64-3
Определены основные тенденции развития мирового уровня индустрии камня 
и сформулированы задачи системной модернизации отечественной камнеобрабатывающей промышленности. 
Даны основы минералогии и петрографии. Приведены классификации и справочная 
информация о каменных материалах и изделиях. Изложены теоретические основы технологий обработки природных камней и искусственных материалов с использованием 
системного метода анализа физико-химических процессов при различных видах воздействий на обрабатываемый объект.
Рассмотрены научные принципы формирования технологической системы гибкого 
компьютеризированного камнеобрабатывающего производства. Классифицированы современные средства технологического оснащения гибкого автоматизированного камнеобрабатывающего производства. Сформулированы основные задачи роботизации камнеобрабатывающих производств. Изложены методические основы автоматизированного 
проектирования технологических процессов обработки природных камней с использованием системного принципа их построения в разных типах производства. 
Дано описание структурных схем и основных функций многоуровневой системы 
автоматизированного управления рабочими, технологическими и производственными 
процессами  предприятий камнеобрабатывающей отрасли промышленности. Обобщены методы и средства реализации систем автоматизированного управления технологическими процессами в гибких компьютерно-интегрированных камнеобрабатывающих 
производствах. 
Рассмотрены основные бизнес-процессы системы цифрового управления предприятиями и корпорациями, методы их моделирования и информационного обеспечения. 
Книга предназначена для инженерно-технических работников камнеобрабатывающих предприятий и может быть использована в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по направлениям 21.00.00 «Прикладная геология. Горное дело», 
22.00.00 «Технология материалов», 27.00.00 «Управление в технических системах», 
29.00.00 «Лёгкая промышленность».

УДК 681.3

 Ю.А. Павлов, 2018
ISBN 978-5-906953-64-3
 НИТУ «МИСиС», 2018

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение. Мировой уровень развития индустрии камня и задачи модернизации 
отечественной камнеобрабатывающей промышленности ...............................................5
Глава 1. Природные и искусственные каменные материалы ........................................14
1.1.Структура и общие физико-химические свойства материалов .............................14
1.2. Механические свойства материалов ........................................................................29
1.3. Минералогическое определение свойств и классификация цветных камней ....33
1.4. Петрографические и функциональные свойства облицовочно-декоративных 
камней .................................................................................................................................60
1.5. Свойства искусственных декоративно-облицовочных материалов .....................93
Глава 2. Системный анализ рабочих процессов в камнеобрабатыватывающем 
производстве .....................................................................................................................100
2.1. Научный метод анализа рабочих процессов и классификация методов 
обработки материалов ....................................................................................................100
2.2. Основы процессов петрургических производств .................................................114
2.3. Теоретические основы процесса обработки хрупких материалов .....................123
2.4. Виды и параметры процессов обработки природных камней абразивноалмазными инструментами ............................................................................................135
2.5. Ультразвуковые методы обработки материалов ...................................................152
2.6. Лазерная обработка материалов .............................................................................168
Глава 3. Основы физико-химических методов получения и улучшения свойств 
природных и искуственных камней ...............................................................................182
3.1. Процессы порошковой металлургии .....................................................................182
3.2. Процессы синтеза технических и ювелирных монокристаллов ........................197
3.3. Термическая и термохимическая обработка природных  
камней ...............................................................................................................................202
3.4. Процессы химической и химико-термической пропитки природных камней ...210
3.5. Процессы покрытий изделий из облицовочно-декоративных камней ..............215
Глава 4. Общие принципы построения технологической системы 
камнеобрабатывающего производства ...........................................................................222
4.1.Структура технологической системы камнеобрабатывающего производства 
и принципы её разработки .............................................................................................222
4.2. Требования к исходным материалам и технические условия на товарную 
продукции камнеобрабатывающего производства......................................................229
4.3. Классификация и анализ процессов формообразования изделий  
из различных материалов ...............................................................................................250
4.4. Классификация и характеристики технологического оборудования 
в камнеобрабатывающем производстве .......................................................................259
4.5.Инструментальное обеспечение камнеобрабатывающего производства ...........288
4.6.Технологическая оснастка камнеобрабатывающих станков и принципы 
её наладки .........................................................................................................................303
Глава 5. Технологическое оборудование в гибком автоматизированном 
камнеобрабатывающем производстве ............................................................................322
5.1. Классификация и характеристики автоматизированного  
камнеобрабатывающего оборудования .........................................................................322
5.2. Многоцелевые станки с ЧПУ и гибкие производственные модули...................327
5.3. Вспомогательное оборудование гибких производственных систем ..................334

5.4. Промышленные роботы и роботизированные технологические комплексы....344
5.5. Гибкие автоматизированные участки и автоматические линии .........................366
Глава 6. Принципы проектирования технологических процессов 
камнеобрабатывающего производства ...........................................................................374
6.1. Системный принцип построения технологических процессов  
в разных типах камнеобрабатывающего производства ..............................................374
6.2. Размерные технологические связи в процессе изготовления изделий 
из природных камней ......................................................................................................383
6.3. Методы выбора рациональных технологических режимов и нормирование 
процессов обработки камней .........................................................................................398
6.4. Методы оптимизации технологических процессов камнеобрабатывающего 
производства ....................................................................................................................414
6.5.Автоматизированные системы проектирования технологических процессов 
в камнеобрабатывающем производстве .......................................................................423
6.6. Специализированные программные комплексы CAD-CAM 
для камнеобрабатывающего производств ....................................................................437
Глава 7. Автоматизированные системы управления технологическими  
процессами камнеобрабатывающего производства......................................................451
7.1. Системы программного управления технологическим оборудованием 
в камнеобрабатывающем производстве .......................................................................451
7.2. Функциональный анализ систем ЧПУ технологическим оборудованием ........463
7.3. Сетевые структуры АСУТП обрабатывающих производств на базе 
программируемых логических контроллеров .............................................................472
7.4. Языки и инструментальные средства программирования ПЛК ........................477
7.5. Методика проектирования автоматизированной системы управления 
роботизированным технологическим комплексом .....................................................487
7.6. Автоматизированные системы оперативного планирования  
и диспетчерского управления технологическими процессами .................................496
Глава 8. Автоматизированные системы управления промышленными 
предприятиями .................................................................................................................504
8.1. Типовая структурная схема и функциональный анализ АСУП..........................504
8.2. Организация процесса планирования производства ...........................................514
8.3. Корпоративные информационно-управляющие производственные системы ..523
8.4. Виртуальные промышленные предприятия ..........................................................532
8.5. Методы моделирования процессов управления предприятиями .......................536
Глава 9. Принципы создания цифрового камнеобрабатывающего производства ....550
9.1. Анализ уровней автоматизации дискретных обрабатывающих производств ..550
9.2. Системные принципы организации и управления качеством продукции 
цифровых обрабатывающих производств ....................................................................563
9.3. Принципы формирования единой информационной среды цифрового 
обрабатывающего производства ....................................................................................569
9.4. Управление этапами жизненного цикла продукции цифрового 
обрабатывающего производства ....................................................................................574
9.5. Многоуровневая сетевая структура информационно-управляющей системы 
цифрового обрабатывающего производства ................................................................593
Заключение. Тенденции развития мировой индустрии камня ...................................606
Библиографический список .........................................................................................611

ВВЕДЕНИЕ 
Мировой уровень развития индустрии 
камня и задачи модернизации отечественной 
камнеобрабатывающей отрасли 
промышленности

Натуральный камень – природный материал, отличающийся высокими физико-механическими, эстетическими и стоимостными свойствами. По назначению и свойствам натуральные камни разделяются 
на ювелирные, поделочные, декоративно-облицовочные, дорожностроительные, технические. 
Камнеобработка – процесс механического, термического или химического воздействия на природный камень с целью придания ему 
необходимой формы, размера и фактуры [10, 41, 97]. Благодаря современным обрабатывающим технологиям, можно изготавливать из 
блочного природного камня готовую продукцию для строительства 
и облицовки зданий, всевозможные архитектурные детали (карнизы, 
колонны и др.), предметы интерьеров, монументальные сооружения 
и памятники, а также многие технические изделия: станины точных 
приборов, валки печатных машин и т.д.
Мировой уровень развития камнеобработки характеризуется ускоренным ростом объёмов добычи блочного камня и производства готовой продукции [113] (рис. В.1).

Рис. В.1. Мировой уровень и прогноз развития добычи  
и обработки блочного камня

Определились страны-лидеры в развитии промышленности добычи и обработки блочного камня (рис. В.2).

Рис. В.2. Страны – лидеры по обработке природного камня

Однако по объёму потребления изделий из природного камня распределение ведущих стран несколько иной: Китай, США, Италия, 
Индия, Испания, Германия и Южная Корея вместе используют более 
50 % мировой продукции камнеобработки. В мировом производстве 
оборудования и инструментов ведущее место занимает Италия, затем 
следуют такие страны, как США, Германия, Япония, Испания, Швейцария и Китай, которые совместно обеспечивают более 75 % объёма 
экспорта технологических средств мировой добычи, обработки и переработки природного камня.
Более 70 % от общего потребления изделий из камня приходится 
на строительную индустрию. За последние 10 лет мировая добыча и 
потребление природного камня возросли в 3 раза, достигнув в 2015 г. 
140 млн т блочной продукции и около 83 млн т готовых изделий, общая условная обработанная площадь которых превышает 2,1 млрд м2. 
Эти показатели значительно превышают темпы общего роста мировой экономики [113]. 
В последнее десятилетие сформировалось основное направление 
развития мировой индустрии природного камня, которое характеризует переход к интенсивному и высокотехнологичному этапу её роста 
и модернизации.

Для современной камнеобрабатывающей промышленности в ведущих в данной отрасли странах – производителях готовой продукции характерны следующие признаки: непрерывное расширение 
номенклатуры изделий и используемых видов камней, в том числе 
уникальных; улучшение дизайна, усложнение конструкции и повышение качества выпускаемых изделий; создание и внедрение новых 
эффективных производственных технологий на базе высокопроизводительного автоматизированного оборудования; интеграция с добывающими камни карьерами, с разработчиками и поставщиками 
технологического оборудования, оснастки и инструментов, а также 
с основными потребителями каменной продукции. Общий рост мирового производства продукции камнеобработки сопровождается изменением её структуры за счёт увеличения доли выпуска различных 
высококачественных видов дорожных покрытий, конструкционных 
(стеновых), сложных архитектурно-строительных, облицовочных и 
мемориальных изделий.
Глобализация добычи блоков и камнеобрабатывающей промышленности неизбежно связана с международной специализацией и становлением мирового рынка блочных камней, продукции камнеобработки и технологического оборудования [113] (рис. В.3).

Рис. В.3. Достигнутый уровень и прогноз мирового использования 
и торговли продукцией камнеобработки

Характерным признаком глобализации стало формирование инфраструктуры камнеобрабатывающей отрасли (создание мировой 
транспортной и складской системы, маркетинговой и сервисных 
служб, разработка международных стандартов и т.д.). Рынок природных камней и изделий из них представляет сейчас развитый бизнес 
во многих странах мира. Объём мирового рынка природного камня 
превышает 25 млрд долл. США (22,7 млрд евро), что сопоставимо с 
мировым рынком вооружений, на который работает огромное количество оборонных предприятий и компаний. 
Российская добывающая и камнеобрабатывающая промышленность в настоящее время по всем показателям практически не влияет 
на мировую индустрию камня [113]. Добыча блочного камня сократилась с 643 тыс. т в 1994 г. до 450 тыс. т в 2012 г. и продолжает снижаться в последние годы. Одновременно возрос импорт блоков камня 
с 15 тыс. т в 1994 г. до 98 тыс. т в 2012 г., а также импорт готовой продукции камнеобрабатывающих производств (рис. В.4).

Рис. В.4. Объёмы обработки, международной торговли  
и использования блочного камня в России

При среднем мировом уровне ежегодного потребления продукции 
камнеобработки, равном 202 м2 условной площади на 1000 жителей, 
достигающем в странах Европы максимального значения 2100 м2 на 
1000 жителей, в России этот показатель не превышает 12,7 м2 на 1000 

жителей [113]. Значительный рост потребности строительного сектора экономики страны в каменной продукции обеспечивается главным 
образом за счёт импорта готовой продукции. Отечественные предприятия, добывающие и обрабатывающие природный камень, теряют свою конкурентоспособность, которая определяется следующими 
факторами: качеством продукции и услуг; технологическим уровнем 
производства; наличием эффективной стратегии маркетинга и сбыта; 
уровнем квалификации персонала и менеджмента; налоговой средой, 
в которой действует предприятие; доступностью источников финансирования.
Важным фактором, ограничивающим использование природного 
камня в строительстве, стало быстрое расширение областей применения искусственных камней и керамических материалов с различными 
технологиями их производства [113] (рис. В.5).

Рис. В.5. Мировой уровень производства облицовочных плит 
из природных камней и искусственных материалов

Российские архитектурно-строительные компании стали чаще выбирать керамические облицовочные материалы и декоративно-художественные изделия из различных искусственных камней, принимая 

во внимание их высокие технические, технологические, эстетические 
и эксплуатационные свойства, а также более низкие цены в сравнении с природными камнями и изделиями из них.
В отечественной камнеобработке, как и в большинстве обрабатывающих отраслей промышленности, конкурентоспособность предприятий остаётся на низком уровне. Импорт сырья и продукции имеет всё больший удельный вес, а собственное производство растёт 
медленнее, чем в ведущих в этой отрасли странах мира. В то же время Россия имеет в нерудной горно-перерабатывающей промышленности большие потенциальные возможности [95, 97]: практически неограниченные минерально-сырьевые ресурсы, имеющиеся на 1,5 тыс. 
детально разведанных месторождениях природного камня с общим 
объёмом около 3 млрд м3, т.е. с потенциальной обеспеченностью запасами при существующем уровне добычи на период свыше 900 лет 
[77]; накопленный исторический опыт добычи, обработки и применения природного камня в архитектуре и строительстве, мемориальном, 
декоративно-прикладном искусстве и в меньшей степени – в промышленности; приход на рынок новых инвесторов, а также добывающих и обрабатывающих камень предприятий; улучшение структуры действующих предприятий, из которых более половины, являются 
компаниями типа «карьер-завод», а свыше одной трети – камнеобрабатывающими заводами с производственной мощностью от 1…2 тыс. 
м2 до 500…700 тыс. м2 условных изделий в год [99]; модернизация 
парка добывающего и камнеобрабатывающего оборудования за счёт 
импорта из ведущих стран – производителей, в частности из Италии, 
при этом общее количество современного технологического оборудования (срок действия до 5 лет) на предприятиях отрасли пока не 
превышает 15 % парка; освоение производства конкурентоспособных абразивно-алмазных инструментов практически всех типов и 
некоторых моделей камнеобрабатывающих станков на предприятиях 
разных отраслей промышленности (например, для гидроабразивной 
и лазерной резки); формирование отечественной научной школы технологии добычи и обработки камней, организации камнеобрабатывающих производств, а также подготовки квалифицированных специалистов для предприятий отрасли; начальные шаги по становлению 
самостоятельной камнеобрабатывающей отрасли промышленности 
посредством консолидации предприятий и финансовых организаций 
на основе создания холдинговых компаний, региональных ассоциа

ций и развития элементов собственной инфраструктуры; практически 
неограниченная область использования конечной продукции в связи 
с ростом объёма строительства крупных общественных объектов и 
элитного частного жилья [94, 98, 107].
Чтобы не отставать от среднего мирового уровня развития, объёмы добычи блоков природного камня и изготовления из них изделий должно непрерывно увеличиваться в среднем на 7,5…8 % в год. 
Такие темпы в перспективе до 2030 г. обеспечиваются, прежде всего, 
за счёт динамичного развития этой отрасли промышленности в азиатских странах: в Китае, Индии, а также в Иране, Египте и других 
странах. В условиях российской экономики решить эту проблему 
можно только посредством перехода к интенсивному типу развития 
на основе инновационных и перспективных цифровых технологий. 
Актуальной стала разработка системных принципов комплексной автоматизации отечественного камнеобрабатывающего производства с 
целью повышения производительности труда, снижения себестоимости и обеспечения мирового уровня качества продукции [73].
Для достижения поставленной цели требуется решить ряд практических задач развития этой производственной отрасли:
– значительное увеличение объёма промышленного освоения разведанных месторождений природных камней для замены многих импортных аналогов;
– расширение номенклатуры и качества выпускаемых изделий, обладающих спросом на внутреннем и мировом рынках; 
– широкое внедрение передовых технологий обработки каменных 
материалов как природных, так и искусственных; 
– комплексное использование минерального сырья и сокращение 
потерь посредством утилизации отходов добычи блочных камней и 
камнеобработки; 
– разработка и организация производства на машиностроительных 
предприятиях современного камнеобрабатывающего оборудования, 
не уступающего зарубежным моделям;
– экономия трудовых, материальных, энергетических и финансовых ресурсов при применении эффективных гибких автоматизированных производственных систем, проектируемых с учётом разновидностей камней, номенклатуры и объёма выпускаемых изделий на 
конкретных предприятиях;

– разработка нормативных документов для выпускаемой продукции, технологических и производственных процессов с использованием цифровых систем управления; 
– широкое внедрение современных информационных технологий 
на всех стадиях жизненного цикла выпускаемой предприятиями продукции. 
Исходным этапом системной модернизации отечественной отрасли добычи и обработки природных камней стал научный анализ технологической среды и разработка автоматизированных методов проектирования её объектов и процессов. Чтобы использовать системные 
принципы технологического обеспечения камнеобрабатывающего 
производства, необходимо анализировать функциональные связи 
между их основными компонентами, образующими иерархическую 
структуру следующего вида: материалы – заготовки – изделия – рабочие процессы – процессы формообразования – технологические процессы – технологическая система – производственный процесс (организационные формы) – ресурсы предприятия (текущее планирование 
и управление) – стратегия развития предприятия и корпорации. Эффективность камнеобрабатывающего производства определяется высоким уровнем развития всех звеньев этой цепочки, а также их гибкими взаимосвязями с использованием информационных технологий 
[65, 73].
Модернизация камнеобрабатывающего производства предусматривает переход от отдельных единиц технологического оборудования к гибким производственным системам с компьютерным 
управлением. Такая системная модернизация должна быть связана 
не только с расширением состава исходных материалов, номенклатуры изделий, освоением новых технологических процессов получения заготовок и изготовления деталей на оборудовании с цифровым управлением, но и с совершенствованием организационных 
форм их комплексного использования, оперативного управления 
процессами производства, планирования ресурсов и эффективного 
менеджмента стратегией развития предприятия [99]. Эффективные 
процессы организации и управления камнеобрабатывающими предприятиями интенсивно смещаются в область высоких информационных технологий, характерных для цифровых интеллектуальных или 
так называемых «умных» производств. Широкому применению современных информационных технологий в камнеобрабатывающем