模块化石材异型制品加工设备开发

模块化石材异型制品加工设备山东省石材工程技术研究中心，济南250061摘要：在分析石材异型制品的市场现状的基础上，针对当前国内石材装饰行业对经济实用型多功能石材异型制品加工设备的需求，应用模块化设计技术，通过功能运动分析，将设备划分为包括双立柱框架、水平动力头、水平托板、回转式工作台等在内的10个功能模块，结合可重构思想研制开发了石材异型制品加工系列设备。该系列设备以双立柱和单立柱各一种设备为基型，通过动力头模块和工作台模块的互换、重构，即可得到不同功能的石材异型制品加工设备，可加工平面、曲面、浮雕、立体雕刻制品等大部分石材异型制品。关键词：石材加工设备模块化重构1概述近几十年来，随着建筑装饰业的发展以及人们对大自然的崇尚，石材以其天然华丽的饰面效果、稳定的物理化学性能和良好的加工性能在建筑装饰、生活用具、艺术制品等方面得到大量应用，且用量越来越大，并向着高档化、艺术化方向发展，需求的个性化趋势也越来越明显，规格品种数量越来越多。这就迫使石材加工企业的生产模式和设备必须具有足够的柔性和敏捷性，能尽快地改变品种，更新设计，缩短生产周期，减少生产成本，提高产品质量和服务质量，以在激烈的市场竞争中站稳脚跟。而市场上现有的加工设备中，即使是功能相对齐全的数控加工中心也因加工成本太高而无法满足用户的需求，这就使得石材异型制品市场的多品种需求和生产设备无法满足要求的矛盾越来越突出。因此，国内迫切的需要多功能、低成本、适用面广的计算机数控加工设备，以适应石材异型制品的生产模式，在最短的交货期内以最低的成本、最高的质量满足用户的需求，提高在市场上的竞争能力。2设备结构方案设计针对国内对多功能石材异型制品加工设备的需求，我们拟开发模块化石材异型制品加工设备。将模块化设计技术、可重构思想引入石材异型制品加工设备研发和生产组织，通过模块化技术实现设备的快速设计、制造；通过模块的重构实现设备的多功能、多用途。2.1设备的功能、运动分析石材异型制品通常是指除矩形规则板材制品以外的其它所有石材制品，主要包括：（1）平面异型制品，如卫生间面盆板、厨房灶台板等；（2）曲面异型制品，如S形或波浪形等墙面用板材制品；（3）实体回转面制品，如圆柱、工艺花瓶等；（4）雕刻制品，包括平面浮雕和立体雕刻，如画框、透雕窗格等。2.1.1设备的功能、运动分析石材异型制品的加工工艺一般为：石料选择→坯料加工→制品的型面成形加工→抛磨加工→清洗、防护、验收。石材异型制品加工的关键是其型面的成形加工，分析各种制品的型面构成，如表1所示：表1各种制品的型面分析及运动分析制品种类型面构成及运动分析平面异型制品主要是二维平面曲线构成的台板面制品，其型面大多由成型工具实现。加工时工具的上下运动实现打孔加工和边缘曲线的加工，工作台的前后运动和加工工具的左右运动实现平面二维曲线的插补运动曲面异型制品主要是具有公共母线或对称中线的曲面板材制品，型面的加工大多由锯片实现。加工时刀具的上下运动和工作台的前后运动实现母线的插补运动，刀具的左右运动实现进给运动实体回转面制品主要是具有对称中线的柱体制品，型面的加工大多由锯片实现。靠工件自身的回转运动和刀具水平方向、竖直方向的进给运动实现加工平面浮雕主要是形状复杂的台板面制品，型面的加工大多由雕刻刀实现。刀具的上下、左右方向以及工作台前后方向的插补运动相结合实现加工立体雕刻主要是形状复杂的立体制品，型面的加工大多由雕刻刀实现。工件的回转、刀具的左右、上下方向的运动以及动力头YOZ平面内的摆动四轴联动实现加工注：X——左右方向；Y——前后方向；Z——竖直方向；由表1归纳可知，对于一般的石材异型制品，如平面、曲面异型制品，设备所需要的总功能为：刀具的X向、Y向、工作台Z向三轴方向的插补运动；对于实体回转面制品，设备的工作台要有回转功能；而对于立体雕刻制品，还需动力头在YOZ平面内的摆动。2.1.2设备的功能分解由石材异型制品需求的个性化发展趋势不难看出，其生产特点为多品种、小批量、订单式生产，且工期紧、竞争激烈。为了适应这一生产特点，石材加工设备在高效率、高质量的完成制品加工的基础上，还需要实现一机多能，使得企业在保证产品质量且最大限度的满足用户的个性化需求的同时，能够有效组织大规模、多品种的生产，获取最佳的经济效益。而市场上现有的设备却无法满足这一要求。为此，我们以模块化设计技术为指导来进行模块化多功能石材异型制品加工设备的开发。模块化设计方法从解决石材异型制品品种、规格多样化与石材加工企业的生产周期、生产成本之间的矛盾出发，通过自上而下的设计模式，实现了设备的快速设计，通过模块的不同组合，实现了设备的多功能，从而增强了企业对石材异型制品的个性化需求的快速响应能力，提高了企业的市场竞争力。模块化设计技术应用于石材异型制品加工设备，是在对各种石材异型制品，如平面异型制品、曲面异型制品等，进行型面及加工运动分析的基础上，得到设备所要完成的总功能，对总功能进行划分并设计出一系列功能模块，通过不同的功能模块的选择和组合，可以得到不同功能的加工设备。在上述的制品型面分析中我们得到了设备的总功能，对总功能进行分解及模块划分如图1所示：图1设备的功能分解与模块划分2.2设备结构方案设计采用模块化设计技术，从需求分解开始，将得到的总功能再逐步分解成各级分功能、功能元后，需要与适合的结构相互映射，并经过方案的优选、经济和技术分析后确定最终结构。由设备的功能运动分析得到，设备可以划分为五个功能模块，参考其他石材异型制品加工设备，规划出模块的实现部件如图2所示：图2各模块的实现部件综上所述，整个设备系列可细分为以下功能模块：双立柱框架、单立柱框架、水平托板、竖直托板、水平动力头、竖直动力头、雕刻动力头、平移式工作台、回转式工作台、平移＋回转式工作台。以其中的单立柱框架和双立柱框架为基型，通过拼接不同的功能模块即可得到不同功能的加工设备。以小规格回转体制品加工设备为例，我们将双立柱框架、水平托板、竖直托板、竖直动力头和平移＋回转式工作台进行组合，即可得到小规格回转体制品加工设备。图3为该设备的结构示意图。图3小规格回转体制品加工设备结构简图1－水平托板模块2－竖直托板模块3－双立柱框架模块4－动力头模块5－工件6－工作台模块7－锯片2.3石材异型制品加工设备的快速构成我们在上文所进行的模块化设计的基础上，结合可重构思想来指导设备的开发，通过不同的功能模块的重构来得到不同功能的加工设备。以图3所示的小规格回转体制品加工设备为基型，对不同的功能模块进行组合，得到系列石材异型制品加工设备及其组成模块如下：（1）平面异型制品加工设备＝双立柱框架＋水平托板＋竖直托板＋竖直动力头＋平移式工作台；（如图4所示）（2）曲面异型制品加工设备＝双立柱框架＋水平托板＋竖直托板＋水平动力头＋平移式工作台；（3）平面雕刻制品加工设备＝双立柱框架＋水平托板＋竖直托板＋雕刻动力头＋平移式工作台；（4）小规格回转体制品加工设备＝双立柱框架＋水平托板＋竖直托板＋竖直动力头＋平移&回转式工作台；（5）立体雕刻制品加工设备＝单立柱框架＋水平托板＋竖直托板＋雕刻动力头＋回转式工作台；（6）大规格回转体制品加工设备＝单立柱框架＋水平托板＋竖直托板＋水平动力头＋回转式工作台。…………图4平面异型制品加工设备及其加工制品2.4设备的控制方式设备的控制系统采用计算机控制实现加工所需的运动，对于一般的加工，只需实现X、Y、Z三个方向的进给运动和三坐标的伺服联动，对于复杂加工，如立体雕刻等，还需实现工作台的回转和动力头的摆动。设备加工信息可以通过激光扫描器（实物模型）、扫描仪（效果图）扫描输入，也可由CAD图形信息输入，建立制品模型信息，再通过图像、图形处理软件完成加工信息的处理。3结论（1）根据石材异型制品的加工需求，通过功能运动分析，应用模块化设计技术，将设备结构划分为双立柱框架、水平托板、竖直托板、水平动力头和平移式工作台等十余个功能模块，各模块间设置统一、标准的接口。（2）根据可重构技术的思想，在设备的功能模块划分的基础上，以双立柱框架和单立柱框架为设备基型，通过各种形式的动力头模块和工作台模块等功能模块的重构，可以得到平面、曲面、回转面和雕刻等异型制品的加工设备。（3）新型石材异型制品加工设备可按照模块设计、生产，增加功能模块或改变设备功能模块的位置即可实现设备功能的变更，有效解决了石材异型制品的市场多品种需求和生产设备功能之间的矛盾，适应了生产需求。（4）用户的一次性投资的一种基型构成的设备可加工目前市场需求的大部分石材异型制品，显著减少了设备投资和投产周期，并有效提高了石材异型制品加工设备的利用率。参考文献1贾延林．模块化设计．北京：机械工业出版社，20032You-TernTsai．Thedevelopmentofmodular–baseddesigninconsideringtechnologycomplexity．EuropeanJofOperationResearch，1999,19:pp.692-7033张进生，王志，朱志远．石材曲面制品集成制造技术研究与开发．机电一体化，2002(5)4廖原时，谭金华，高峰．异型石材．北京：中国建材工业出版社，19995王经坤，张进生，艾兴.模块化功能部件的概念模型及其应用.机械设计与制造工程，2002（1）