新型石材雕刻制品加工设备开发

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  1 概述

  随着社会经济的发展,人们的审美观不断改变,越来越崇尚自然,作为天然装饰工艺材料的石材制品的应用得到迅猛发展。天然石材以其华丽的色彩、稳定的物理化学性能和良好的加工性能在建筑装饰、工艺制品、生活器具等方面得到大量应用。

  石材雕刻类制品尤其是用于室内装饰的浮雕、刻画、画框、透雕窗格、壁炉饰面等精细雕刻制品的发展尤为迅速,向着艺术化、高档化、规模化应用方向发展,同时,石质艺术雕刻制品的应用也已成为现代城市建筑中景观的重要组成部分,其应用量成为展现城市文化品位的重要标志。

  目前,市场上专门用于加工平面雕刻制品的设备很少,大都是采用手工雕刻,工作效率低、质量不稳定且劳动强度大。计算机数控技术的发展为石材雕刻制品的自动化高效加工奠定了基础,数控加工中心在平面雕刻制品加工中的应用,实现了石雕制品的机械化、自动化生产,且效率较高,但是,数控加工中心的价格和加工成本太高,一般企业难以接受。因此,国内企业迫切的需要功能多、价格和加工成本低、效率高的经济实用型平面雕刻制品数控加工设备。

  2 设备结构方案设计

  针对国内经济实用型平面雕刻制品数控加工设备的需求情况,我们拟开发平面雕刻制品专用加工设备,使其能高效率、高精度的加工平面雕刻制品,又具有较宽的适应面,本身或通过增减附件而具有其他用途,以提高其利用率。

  2.1设备的功能、运动分析

  平面雕刻制品的加工工艺一般为:石料选择→(模型制作)→坯料加工→平面雕刻制品的型面成形加工→(抛光加工)→制品组装→清洗、防护、验收。

  雕刻制品常用的加工设备有两种:一是仿形加工设备;二是计算机数控加工设备。仿形加工一般是控制触头与靠模模型直接接触,当触头沿着模型上的轮廓运动时,刀具与触头同步运动,把模型上的轮廓复制到工件上,对于比较精细的雕刻制品的复杂型面难以加工。况且,仿形加工设备需要制作与加工对象一致或成比例的模型,模型的制作和管理较麻烦。计算机数控技术在雕刻制品加工设备上的应用,实现了雕刻设备的自动化控制与加工,通过计算机扫描的方式输入制品信息,不需制作模型即可方便快捷的进行雕刻制品的加工。

  雕刻制品的自动化加工关键是其型面的成形加工,需要由计算机数控系统控制设备运动,使加工工具相对于工件在水平方向、竖直方向和前后方向(简称为X、Y、Z方向)的插补联动运动,以满足其加工要求。为便于设计、制造,设备的机械部分采用模块化设计。通过对雕刻制品加工的功能需求、运动和设备的结构分析,可设计出设备的子功能、功能元及其相互关系的功能分解体系,如图1所示。

  图1 功能分解关系图

  2.2 设备结构方案设计

  通过设备的功能、运动和结构分析,根据图1 所示关系,该设备可以划分为五个功能模块,如图2所示。

  图2 各模块的实现部件

  根据上述分析,将设备的五大功能模块结构化为:双立柱框架模块、水平托板模块、竖直托板模块、动力头模块和工作台模块,其中的动力头模块的主运动采用电主轴驱动。通过各功能模块的标准接口连接组装,即可实现雕刻制品加工功能的设备,如图3所示。

  设备由双立柱与固定式横梁组成设备的双立柱框架结构(3),板材(6)通过真空吸盘(7)固定在工作台(8)上,动力头(4)固定在竖直拖板(1)上,电主轴带动雕刻刀(5)作主运动,实现制品的加工。水平拖板(2)装在由两根圆柱导轨组成的横梁上,由步进电机带动作横向运动,实现了刀具的X向进给运动;竖直拖板与水平拖板通过竖向圆柱导轨相连,由步进电机带动作上下运动,从而实现了刀具的Y向进给运动;工作台由步进电机带动作纵向运动,实现了工件的Z向进给运动。

  图3 平面雕刻制品加工设备结构简图

  1-竖直托板模块 2-水平托板模块 3-双立柱框架模块 4-动力头模块

 5-雕刻刀 6-工件 7-真空吸盘 8-工作台模块

  根据常用制品的规格参数,结合设备的整体结构以及各模块的参数,确定了设备的规格参数,见表1。

  2.3设备控制系统

  设备的控制系统采用计算机控制实现X、Y、Z三个方向的进给运动及三坐标的伺服联动。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)采用模块化设计技术,通过功能、运动分析,将平面石材雕刻制品加工设备结构划分为双立柱框架模块、水平托板模块、竖直托板模块、动力头模块和工作台模块五大功能模块,按照模块进行设计、制造,便于设计、生产组织及使用、维护。

  (2)设备采用双立柱、龙门框架式结构,设备刚度高。主要部件采用焊接件,工艺性好,制造成本低,结构紧凑,具有较高的性能价格比。

  (3)设备动力头模块的主运动采用电主轴驱动可方便进行浮雕、刻画、画框、透雕等大部分平面雕刻制品的高效加工。

  (4)设备的计算机数控系统实现了加工信息的自动输入与处理,简化了操作,提高了编制制品模型程序的效率和准确度。控制采用先进、实用、宜人、自动化程度高。

  (5)设备各功能模块均设有标准接口,可通过更换不同的功能模块实现设备功能的拓展,达到一机多能的要求。

  参考文献

  1 贾延林.模块化设计.北京:机械工业出版社,2003

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