（机械制造及其自动化专业论文）石材楼梯扶手型面高效加工技术及设备研发.pdf

摘要 摘要 鉴于典雅、华丽、耐用的大理石、花岗石广泛应用于大楼、礼堂、宾馆等场 所楼梯扶手的制作，因此，建筑装饰业急需高效、自动化的石材楼梯扶手加工技 术与设备，以解决主要依托手工与机械加工中效率低、质量不稳定的难题。 本文通过分析楼梯扶手型面结构特点和加工过程，采用集成创新方法，提出 了新型石材楼梯扶手加工技术，结合模块化设计方法和可重构技术思想，研发了 一种石材楼梯扶手高效、自动化加工的专用设备。 根据有限元理论，利用a n s y sw o r k b e n c he n v i r o n m e n t 分析软件，校核了设 备的关键部件一立柱的强度，确定了优化目标。然后，实施了多目标优化。经过 优化，减少了立柱的材料使用，改善了设备性能。 利用三坐标测量机，测绘了典型的大理石楼梯扶手，获得了截面数据和图像。 同时，根据曲线拟合原理，运用m a t l a b 软件中的曲线拟合工具箱，进行了多项式、 分段多项式及三次样条插值拟合。根据拟合要求，建立了楼梯扶手截面的型面模 型，为成形刀具的快速、精确化制造及数控加工奠定了基础。 根据正交实验的原理和方法，利用测力仪，测定了不同切削用量下的各切削 力，并做出了切削力与切削用量之间的趋势图。另外，利用m i n i t a b 软件进行了回 归分析，建立了各切削分力的数学模型。同时结合材料去除率，确定了最佳工艺 参数组合，对楼梯扶手加工工艺参数的制定，有重要的指导和借鉴意义。 通过本课题的研究，改进了楼梯扶手的加工工艺，建立了加工设备的三维模 型，优化了工艺参数，为石材楼梯扶手的高效、高光泽度、自动化加工，提供了 依据。 关键词大理石；高效加工；楼梯扶手；曲线拟合；工艺参数 a b s t r a c t a b s t r a c t i nv i e wo ft h ee l e g a n t , g o r g e o u s ，d u r a b l em a r b l e ，g r a n i t ew i d e l yu s e di n t h e h a n d r a i lp r o d u c t i o no fb u i l d i n g s ，a u d i t o r i u m s ，h o t e l sa n do t h e rp l a c e s ，t h e r e f o r e ，t h e a r c h i t c c t u r a id e c o r a t i o ni n d u s t r yi nu r g e n tn e e do fe f f i c i e n t ，a u t o m a t e ds t a i rr a i l i n go f s t o n ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n ti no r d e rt os o l v el o we f f i c i e n c y , q u a l i t y i n s t a b i l i t yp r o b l e m st h a ti sp r o c e s s e dm a i n l yr e l yo nm a n u a la n dm a c h i n e t h r o u g ht h ea n a l y s i so fh a n d r a i ls u r f a c es t r u c t u r ef e a t u r e sa n dp r o c e s s i n g ，t h e p r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo fn e ws t o n eh a n d r a i li sp r o p o s e dw i t l lt h em e t h o do fi n t e g r a t e d i n n o v a t i o n c o m b i n e dw i t ham o d u l a rd e s i g nm e t h o da n dr e c o n f i g u r a b l et e c h n o l o g i c a l i d e a s ，ak i n do fs t o n eh a n d r a i le f f i c i e n t , a u t o m a t i cp r o c e s s i n go fs p e c i a le q u i p m e n ti s d e v e l o p e d a c c o r d i n gt of i n i t ee l e m e n tt h e o r y , a n du s i n ga n s y sw o r k b e n c he n v i r o n m e n t s o f t w a r e ，t h ec o l u m n , w h i c hi st h ek e yc o m p o n e n t so ft h es p e c i a lp r o c e s s i n ge q u i p m e n t ， h a sb e e nc h e c k e db ys t r e n g t ht h e o r y , a n dt h e o p t i m i z a t i o no b j e c t i v e h a sb e e n d e t e r m i n e d t h e n ，am u l t i o b j e c t i v eh a sb e e no p t i m i z e d a f t e ro p t i m i z a t i o n ，t h ec o l u m n m a t e r i a lh a sb e e nr e d u c e da n de q u i p m e n tp e r f o r m a n c eh a sb e e ni m p r o v e d u s i n go f3 d c o o r d i n a t e sm e a s u r i n gm a c h i n et om a ps t a i rh a n d r a i lo fm a r b l e ，a n d c r o s s - s e c t i o nd a t a sa n di m a g e sa r eo b t a i n e d m e a n w h i l e ，a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo f c u r v ef i t t i n g ，u s i n gt h ec u r v ef i r i n gt o o l b o xo fm a t l a bs o f t w a r e ，t h em a p p i n gd a t ah a v e b e e nf i r e d b yp o l y n o m i a l ，p i e c e w i s ep o l y n o m i a l a n dc u b i c s p l i n ei n t e r p o l a t i o n p r i n c i p l e a c c o r d i n gt ot h ef i r i n gr e q u i r e m e n t s ，t h es u r f a c em o d e lo fh a n d r a i ls u r f a c e s e c t i o nh a sb e e ne s t a b l i s h e d ，a n dl a i dt h ef o u n d a t i o nf o rt h ef a s ta n dp r e c i s e m a n u f a c t u r i n go ff o r m i n gt o o l sa n dc n cm a c h i n i n g a c c o r d i n gt o t h ep r i n c i p l eo fo r t h o g o n a l e x p e r i m e n t sa n du s i n go f t h e d y n a m o m e t e r , e a c hc u t t i n gf o r c eh a sb e e nm e a s u r e da td i f f e r e n tc u r i n gp a r a m e t e r s ，a n d m a d e f i g u r e sb e t w e e nc u t t i n gf o r c er e s p e c t i v e l yw i t hc u r i n gp a r a m e t e r s i na d d i t i o n ， u s i n gr e g r e s s i o na n a l y s i so fm i n i t a bs o f t w a r e ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fe a c hc u t t i n g f o r c ei se s t a b l i s h e d c o m b i n e dw i t ht h er e m o v a lr a t eo fm a t e r i a l ，t h eb e s tc o m b i n a t i o n s o fp r o c e s sp a r a m e t e r sh a v e b e e nd e t e r m i n e d ，a n di th a v ei m p o r t a n tg u i d i n ga n d r e f e r e n c es i g n i f i c a n c ef o rd e v e l o p i n gt h ep r o c e s sp a r a m e t e r so ft h eh a n d r a i l t h r o u g ht h er e s e a r c h ，t h eh a n d r a i lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yh a v e b e e ni m p r o v e d ，t h e i i i 山东大学硕十学位论文 3 dm o d e lo fp r o c e s s i n ge q u i p m e n th a sb e e ne s t a b l i s h e d ，a n dt h ep r o c e s sp a r a m e t e r so f p r o c e s s i n gh a n d r a i lh a v e b e e no p t i m i z e d ，a n di tp r o v i d e sab a s i sf o re f f i c i e n t ，h i e , h g l o s s ， a u t o m a t e dp r o c e s s i n go ft h es t o n eh a n d r a i l k e y w o r d sm a r b l e ；e f f i c i e mp r o c e s s i n g ；h a n d r a i l ；c u r v ef i r i n g ；p r o c e s sp a r a m e t e r s i v 第1 章绪论 暑皇量鼍置置置曼皇曼詈置量詈量詈皇皇皇皇曼! 詈量| 置曼昌! 曼詈詈置皇詈曼! 曼詈詈置| 量量皇置量置詈蔓曩量皇詈量量ii 鼍| 鲁鼍詈詈曼曼鲁_ 1 1 课题的研究背景 第1 章绪论 近年来，随着城市的旧城改造工程以及农村的城市化进程的加快，人们生活 水平不断提高，对建筑装饰的理念有许多个性化的追求，很多新型的复古式建筑 大量涌现。在复古式建筑物中，石材楼梯扶手由于美观大方、古朴自然以及坚实 耐用，因而，受到了人们的青睐，被广泛应用于各种场所，如市政大楼、宾馆、 博物馆、文化广场等建筑物的室内或室j , b t ，如图1 1 所示。 a ) 室外花岗石楼梯扶手b ) 室内大理石楼梯扶手 图1 1 石材楼梯扶手的应用场合 由于石材楼梯扶手应用越来越广泛，因而，可以预见石材楼梯扶手近些年的 市场前景会更加广阔，其需求量也必然会增大【2 】。另外，客户对石材楼梯扶手的要 求越来越个性化而且市场也对楼梯扶手的加工质量和效率提出了更高的要求。因 此，如何高效、合理的加工楼梯扶手，满足市场和客户的需求，实现社会的经济 效益和社会效益的双丰收，有着非常现实的意义。 为了满足市场以及客户的需求，我国先后从国j l - 弓i 进了很多生产设备，并且 也自行研发了许多加工设备。目前，大量多功能、智能化的加工设备在楼梯扶手 的生产加工中得到了应用【3 1 。在一定程度上，解决了楼梯扶手加工困难的问题，缓 解市场中供不应求的压力。 但是，由于引进的国j l - d l i 工设备以及国内研发的先进设备价格昂贵，所以并 没有。泛应用在楼梯扶手的加工中。目前大部分应用在楼梯扶手加工的设备依旧 落后，相应的在楼梯扶手的生产方面，存在着加工工艺不合理，设备操作繁琐， 山东大学硕十学位论文 工人劳动强度大的问题；另外，精加工使用的成形刀具制作周期长、精度差等， 造成了市场上加工楼梯扶手效率低，加工质量不稳定的局面。 因此，调研楼梯扶手的加工现状，改进其加工工艺，制定加工专用设备的方 案；同时探究如何提高楼梯扶手的成形刀具的制作效率和精度，优化加工工艺参 数，是实现楼梯扶手高效、高光泽度、自动化加工的必然途径，其研究成果可以 直接用来指导生产，提高石材楼梯扶手的加工效率和质量，具有重大的经济价值 和社会效益。 1 2 楼梯扶手的加工现状 1 2 1 加工工艺的研究现状 由于石材楼梯扶手自身的特殊性以及石材品种的复杂性，目前在行业内，没 有形成系统的、科学的加工工艺方案，制约着楼梯扶手生产效率的提高以及生产 规模的扩大。加工工艺方案的制定合理与否，直接影响加工的效率、质量以及生 产成本【4 】的高低。要制定合理的楼梯扶手加工工艺方案，必须综合考虑实际生产中 扶手的形状、尺寸要求，设备的具体功能以及刀具的切削方式、走刀路径等。 因此，研究楼梯扶手合理的加工工艺方案，是目前在加工设备、刀具性能暂 时没有大幅度提升的前提下，实现楼梯扶手高效加工的基础【5 】。 1 2 2 加工设备的研究现状 目前，楼梯扶手加工的机械设备种类繁多，一般异型制品的加工设备均可以 对楼梯扶手进行加工，而且加工设备一机多用，功能交叉【6 1 。那么按照设备的功能 多少，加工精度加工特点可分为普通异型石材加工设备、数控异型加工设备和特 种异型加工设备【7 埘。 ( 1 ) 普通异型石材加工设备主要分为单一功能的加工设备和仿型加工设备，如 弧形板磨边机、异型石材手扶磨抛机等； ( 2 ) 计算机数控加工设备主要包括加工非回转体类制品的数控铣床、数控金刚 石串珠锯以及数控加工中心等； 特种异型加工设备主要有高压水射流切割机、毛面花纹板的喷砂加工设备、 多功能手提式异型石材磨抛机等。 2 第1 章绪论 1 2 3 加工刀具的研究现状 楼梯扶手的加工工具主要是金刚石工具，主要包括金刚石串珠绳、金刚石锯 片、以及成型刀具等。其中金刚石成型刀具在加工中最具典型性。目前，金刚石 成型刀具也已经广泛应用于石材的其他加工领域中，很多石材厂家，应用金刚石 成型刀具加工板材磨边、花线( 直位，弯位) 的造型，加工纽纹柱的纽纹，加工 罗马柱的罗马槽，加工圆柱的柱座、柱头，铣平面等等。 金刚石加工工具的优点：加工质量好、加工效率高，使加工成本减少，易于 加工工序实现，而且方便应用于机械化和自动化生产。 因此，楼梯扶手的加工质量是大部分是依靠金刚石加工工具保证的。而且， 国内外许多学者对金刚石刀具的磨损做了很多研究p 。4 1 ；但是，很多人忽略了由金 刚石刀具自身精度，造成加工质量不高的因素，尤其在成形刀具的制作精度、制 造周期对加工质量以及加工成本的影响方面，鲜有人进行研究。 1 2 4 工艺参数的研究现状 在楼梯扶手的加工过程中，由于石材品种繁多、地域差别较大，而且加工设 备、加工型面也各不相同。目前没有人系统的提出适用于任意石材型面的高效加 工的工艺参数。只是部分学者或者科研机构对具体的石材品种的最佳工艺参数进 行了研究。大连理工大学的李享德等人根据实验，系统的研究了花岗石物理性能 与最佳锯切参数直接的关系；福州大学的林辉，利用金刚石圆锯片锯切不同品种 的石材进行了研究，探究锯切工艺参数对能耗、锯耗及加工效率的影响；山东建 材学院的杨中喜等对芙蓉绿花岗石和平度白花岗石的加工进行了研究，找出了适 合芙蓉绿和平度白花岗石石材抛光的工艺参数；山东大学的黄波和郭波利用金刚 石成形刀具分别对齐鲁红、济南青以及石岛红品种进行了加工实验，探究了工艺 参数和切削力的关系；山东大学的郑春英利用金刚石圆盘锯对五莲花花岗石进行 了加工实验并找出了一定条件下的最佳工艺参数组合。 最佳的工艺参数可以提高生产中的加工效率，降低损耗，减少成本。因此， 研究楼梯扶手的加工工艺参数，可以间接的为企业的节能减排提供依据。 山东大学硕士学位论文 1 3 加工存在的主要问题 通过对现有石材楼梯扶手的市场调研，发现楼梯扶手加工方面还存在着一些 不足之处： ( 1 ) 加工工艺方面：工艺路线长而且没有科学的工艺方案匹配特定的楼梯扶手 截面形状、加工设备以及加工刀具，需要多次更换工具以及进行人工调整，严重 制约了影响了加工效率以及加工质量的提高； ( 2 ) 加工设备方面：或者选用功能单一的加工设备，需要多台设备组成生产线， 占地面积大；或者采用功能较多的数控加工中心，无法充分发挥加工中心的优势， 加工成本大。因此，需要专用的高效、自动化楼梯扶手加工设备，提高加工效率。 ( 3 ) 设备研发方面：缺少优化理论、技术指导。传统的设计方法开发周期长、 成本高，需要新的优化方法，指导楼梯扶手加工设备的设计及关键部件结构的优 化改进； ( 4 ) 加工工具方面：楼梯扶手的多样化和个性化，造成了成形刀具的制作的周 期长和精度差，也是影响楼梯扶手的加工效率和质量的一个方面，因此，需要对 成形刀具快速、精确制作的相关基础即楼梯扶手的截面图形进行研究； ( 5 ) 加工工艺参数理论指导方面：仅有成形刀具粗加工异型面制品时的工艺参 数优化，唯独缺少细加工工艺参数的优化，影响楼梯扶手的成形质量和效率； 1 4 课题研究的内容及意义 1 4 1 课题研究的主要内容 通过调研楼梯扶手加工的现状，可以看出，目前人们对楼梯扶手的高效加工 并没有系统、深入的进行研究。根据分析楼梯扶手加工存在的问题，结合石材异 型制品的加工技术【1 5 】，确定了楼梯扶手高效加工的关键在于加工设备的制造、加 工工艺方案的拟定、；n - r 刀具的快速精确制造、加工工艺参数的制定等综合方面 的提升。 因此，本课题主要围绕楼梯扶手高效加工的关键问题进行研究，为更好的满 足市场上多样化及客户个性化需求，提供一种可行的理论依据和解决方案，也为 石材异型制品的高效加工提供一种例证。具体研究内容如下： 4 第1 章绪论 ( 1 ) 调研石材市场上楼梯扶手的加工工艺，通过分析其存在的问题，提出一种 新型的加工技术，为楼梯扶手的高效加工奠定基础，为楼梯扶手的加工专用设备 的设计提供依据。 ( 2 ) 根据新型的加工工艺及楼梯扶手自身的特点，结合模块化设计，利用三维 设计软件p r o e ，建立楼梯扶手专用加工设备的三维模型，为提高楼梯扶手的加工 效率，减少工人的劳动强度提供依据，为楼梯扶手的高效、自动化生产奠定基础。 ( 3 ) 通过分析楼梯扶手专用加工设备，结合实际加工过程，确定设备的关键部 件，利用a n s y sw o r k b e n c h 软件对设备的关键部件进行结构优化及改进，为设备 的可靠性设计、性能改善提供保障；为减少设计误差、研发成本，缩短开发周期 提供一种可行的方案。 ( 4 ) 研究典型的楼梯扶手的截面图形，利用m a t l a b 软件建立楼梯扶手截面图形 的型面模型，为减少成形加工刀具的制作周期，提高加工刀具的制造精度奠定理 论基础，也为楼梯扶手的数控加工提供理论依据，。 ( 5 ) 借鉴前人粗加工异型面的实验方法，研究细加工时等余量铣削的实验，探 究切削力、工艺参数以及材料去除率等过程参量之间的关系，探寻其最佳工艺参 数，为楼梯扶手细加工时的高效工艺参数的制定提供借鉴。 章节结构安排： 第l 章：阐述现有石材市场上，楼梯扶手的加工背景以及加工技术现状，通 过调研、分析n i 中，存在的问题，探究楼梯扶手高效加工的关键以及本课题研 究的意义。 第2 章：根据典型的楼梯扶手的加工工艺流程，结合存在的问题，改进加工 工艺；同时，利用三维设计软件p r o e ，按照设计要求，结合模块化设计，建立楼 梯扶手加工专用设备的三维模型，为楼梯扶手的高效加工奠定基础。 第3 章：利用a n s y sw o r k b e n c h 软件，对楼梯扶手专用加工设备的关键部件 进行结构优化，期望改善设备的性能，减少设备的研发周期及成本。 第4 章：利用三维坐标机，测绘典型大理石楼梯扶手的截面图形，同时以m a t l a b 软件为工具对楼梯扶手截面数据进行曲线拟合，建立其截面的型面模型，为楼梯 扶手的成形刀具的快速、精确化制造以及数控加工奠定理论基础。 第5 章：以五莲花花岗石的加工为例，利用成形铣刀对其进行正交实验，探 s i 山东大学硕士学位论文 究其最佳工艺参数组合的方案，其研究方法及结论，对楼梯扶手细加工时工艺参 数的制定提供了依据和参考。 1 4 2 课题研究的意义 本课题是围绕石材楼梯扶手的加工进行研究的，通过调研楼梯扶手的加工现 状，分析其加工存在的问题，提出一种新型加工技术，建立楼梯扶手加工专用设 备的三维模型，并对其关键部件进行优化设计，同时研究楼梯扶手截面的型面模 型，探究细加工时的工艺参数的选择，为缩短楼梯扶手设备的研发周期，提高成 形刀具的制造精度以及楼梯扶手细加工时的工艺参数制定提供了依据，进而为楼 梯扶手的高效、高光洁度、自动化加工奠定了基础。 6 第2 章石材楼梯扶手加丁设备的设计 第2 章石材楼梯扶手加工设备的设计 本章通过调研石材市场上楼梯扶手的种类，分析典型楼梯扶手的加工工艺， 结合楼梯扶手自身的特点，提出一种新型的加工技术。在对工序集成及模块化设 计研究的基础上，借鉴其他行业设备的研究，对楼梯扶手加工设备进行总体方案 设计，然后，利用p r 0 e 三维设计软件，完成楼梯扶手加工专用设备的建模，为楼 梯扶手的高效加工奠定基础。 2 1 石材楼梯扶手截面形状的分类 通过调研石材市场，发现楼梯扶手的形状、图案各异，但是形成一定规模的、 具有典型截面形状，归纳起来大体有以下几种，如表2 1 所示。 表2 1 楼梯扶手截面形状分类 截面形状特征 椭圆形 。 单面弧形 n 截面由直线或 多弧形曲面形 曲线构成，基 本呈对称形式 复杂曲面 q ：_ - - 一 2 2 加工工艺的分析及改进 根据楼梯扶手市场需求状况，选择了一种比较典型的楼梯扶手为研究对象进 行调研分析，如图2 1 所示，其横截面是由曲线或与若干直线段构成的直线形楼梯 扶手，长度一般为9 0 0 1 3 0 0 m m ，最宽处不超过l o o m m ，长径比大约为1 0 。此类 直线型楼梯扶手在石材制品中属于花线制品，一般是通过铣刀进行单侧铣削加工 1 6 1 8 】。以下研究内容，主要以此类楼梯扶手为例进行分析讨论。 厂飞 图2 1 楼梯扶手横截面图 山东大学硕十学位论文 根据调研，大理石毛坯( 长x 宽x 高：1 2 0 0 m m 6 0 r a m x1 0 0 m m ) 加工至如 图2 1 所示的生产率计算卡如表2 2 所示。 8 表2 - 2 生产率计算卡 被加工 图号毛坯种类大理石 名称楼梯扶手毛坯重量 2 0 k g 零件 材料大理石硬度 h $ 3 5 5 5 加工名称 毛坯尺寸( r a m x m m x m m ) 6 0 1 0 0 x1 2 0 0 序 行程转速进给量 工时( m i n ) 号 工作名称数量机动辅助 ( m m )( r r a i n )( m m m i n )共计 时间时间 1 人工放置工件 10 50 5 2 粗加工侧面 1 2 0 02 5 0 04 0 033 3 停车 o 6o 6 4 人工换面、安装模具 22 5 粗加工侧面 1 2 0 02 5 0 04 0 033 6 停车，换半精加工刀具 0 6 1 21 8 7 半精加工侧面 1 2 0 03 0 0 06 0 022 8 停车 0 60 6 9 人工换面、安装模具 22 1 0 半精加工侧面 1 2 0 03 0 0 0 6 0 0 22 1 1 停车，换精加工刀具 0 61 21 8 1 2 精加工侧面 1 2 0 03 5 0 08 0 01 51 5 1 3 停车 0 6o 6 1 4 人工换面、安装模具 2 2 1 5 精加t 侧面 1 2 0 03 5 0 08 0 01 51 5 1 6 停车，换抛光刀具 o 61 21 8 1 7 抛光侧面 1 2 0 0 4 0 0 08 0 0 1 5 1 5 1 8 停车 0 60 6 1 9 人工换面、安装模具 22 2 0 抛光侧面 1 2 0 04 0 0 08 0 01 51 5 2 1 停车 0 6o 6 2 2 人工卸料 o 50 5 合计 3 3 4 由生产率计算卡，可以得到表2 3 ，及楼梯扶手具体的加工流程如图2 2 所示。 表2 3 扶手加工设备主要加工数据 性能指标 值 装夹固定次数次数 工件转换次数次数 所需模具件数 加工时间，加工m i n 辅助加工时间，辅助r a i n 加工效率m i n 件 4 4 4 1 6 1 7 4 3 3 4 第2 章石材楼梯扶手加t 设备的设计 舭i 巨m 巫h 叵掴l 图2 - 2 石材楼梯扶手主要加工流程 由图2 2 所示的加工流程，可以看出其加工工艺为：选择石材坯料材质一坯料 的粗磨一细磨一精磨一抛光一清洗一检验一入库。 从表2 3 以及图2 2 可以看出，楼梯扶手的装夹、转换次数较多，工人劳动强 度较大，加工工艺流程较为繁琐，必然导致加工效率不高，影响加工精度的稳定 性。根据楼梯扶手在长度方向的尺寸相对于宽度及高度较大的特点，采用工序集 成( 即粗加工、半精加工、精加工、抛光等工序集成在一起对楼梯扶手进行加工) ， 其加工主要流程为图2 3 所示。 图2 - 3 运用工序集成的主要加工流程 将图2 2 以及图2 3 对比可以看出，运用工序集成，楼梯扶手的加工装夹次数 减少，加工流程缩短，工人劳动强度也相应的减少，那么必能提高生产效率，降 低生产成本【1 9 之0 1 。 通过以上分析，可以确定改进后的楼梯扶手加工流程的工艺方案为：选择石 材坯料材质一坯料的工序集成加工( 粗磨、细磨、精磨、抛光) 一清洗一检验一 入库。 2 3 设备的设计要求及功能模块划分 2 3 1 设计原则 根据调研分析，楼梯扶手加工设备的设计应满足的基本原则： ( 1 ) 设备应具备较多的功能，适应性强，能够方便适应常见截面形状楼梯扶手 9 山东大学硕十学位论文 的自动化加工； ( 2 ) 设备应方便操作，容易掌握，易于实现楼梯扶手的自动化加工，减少工人 劳动强度； ( 3 ) 在满足力n - r - 功能的前提下，结构应当简便，部件的材料应符合标准化、系 列化、通用化，便于设计与维护，降低生产成本； ( 4 ) 造型美观大方，符合人机工程学要求； 根据上述设计原则，在保证设备的性能要求的情况下，考虑楼梯扶手设备设 计的成本，包括材料、加工制造费用，提高使用经济效益；考虑人机关系，保证 操作的方便、省力，解决使用维护中的问题【2 l 】。 2 3 2 设计指标 根据调研楼梯扶手的加工现状以及国内外楼梯扶手加工设备的技术参数，初 步确定，研发的楼梯扶手加工设备应该满足，如表2 4 所示的基本性能要求及技术 参数。 表2 - 4 楼梯扶手加工设备基本性能要求 基本性能要求规格参数 加j 二尺寸 设备最大形体尺寸 电机参数 适用加工制品 适用加工材质 喷淋系统 润滑系统 控制系统 2 0 0 0 m mx2 0 0 m mx3 0 0 m m 7 0 0 0 m mx2 0 0 0 m m 2 0 0 0 m m 主电机最大功率不超过2 0 k w 石材异型制品 天然大理石、花岗石、人造石等材质 喷淋器流量可调。 自动集中润滑系统 加工过程采用自动化加工 2 3 3 功能模块规划 改进后的加工工艺方案确定后，那么加工过程中刀具与工件的相对运动也就 被随之确定，而机床运动功能模块的分配是由多方面因素决定的，一般是在满足 性能要求的同时，以设备操作、维护方便，有利于提高加工效率和质量为原则。 石材楼梯扶手的加工关键是型面的成型加工，需要成形刀具相对于工件，水 平方向、竖直方向和前后方向( 简称x 、y 、z 方向) 运动，那么相应的设备应具 备x 、y 、z 三个方向的运动部件，以满足其加工要求。 为了快速响应市场，降低产品开发成本，缩短开发周期，便于设计、生产、 l o 第2 章石材楼梯扶手加下设备的设计 组织、使用及维护，机械部分采用模块化设计 2 2 。2 引。通过功能和运动分析，参考 其他石材异型制品的加工设备，可设计出设备的整个功能体系，其中包括设备的 功能、功能元、功能模块以及各功能模块对应的实现部件等【2 5 1 ，如图2 - 4 所示。 回围困围困 r 医函习网田 运动部 件：实现 刀其与工 件相对 运动 轴进给运动h y 轴运动模块h 受直托扳 t 竺竺r e 竺竺广l = 竺 一 辅助部件：控制润滑i 篱鲰nl 图2 - 4 专用加工设备功能分解 综上所述，楼梯扶手加工设备分为六大功能模块结构：支撑框架模块、输送 带模块、竖直托板模块、水平托板模块和动力头模块、辅助模块。 ( 1 ) 支撑框架模块 支撑模块主要包括对动力模块、输送带模块等其他模块的主要部件起到支撑 作用，并连接其他部件，使其成为一个整体，保证它们在工作过程中保持准确的 相对位置和运动关系。 ( 2 ) 输送带模块 输送带模块主要由驱动输送带运动的进给电机和其自身组成的工作台，共同 完成对待加工工件的x 向进给。 ( 3 ) 竖直托板模块 竖直托板模块主要是由燕尾槽以及丝杠螺母机构组成，主要功能完成主电机 相对于待加工工件的y 向的进给运动。 ( 4 ) 水平托板模块 水平托板模块主要由侧板、滑槽等机构组成，主要功能完成待加工工件相对 于主电动机的z 向进给运动。 山东大学硕士学位论文 ( 5 ) 动力头模块 动力头模块主要由主电动机和刀具组成，主要功能通过主电机为加工刀具， 提供动力源，完成对待加工工件的加工过程。 ( 6 ) 辅助模块 辅助模块主要由控制系统、冷却润滑系统等组成，辅助加工自动化进行，确 保加工的高效性。 2 4 设备的方案设计 2 4 1 总体方案布局 l a ) 专用加工设备主视图 土齐7 、。睡n 函诓阿n n 一 1 r 下鼍；一勺尸，! r ? r 笥产一| b ) 专用加工设备俯视图 1 输送带模块；2 竖直托板模块；3 水平托板模块： 4 一动力模块；5 一支撑模块：6 - 铣刀：7 工件： 图2 5 石材楼梯扶手专用加工机床简图 设备的总体布局如图2 5 所示。本设备采用卧式布局形式 2 6 】，主要由支撑模 块5 作为基本的支撑框架，工件7 依靠自身重力放置在工作台上，动力头模块4 固定在竖直托板模块2 上，同时带动铣刀6 作主运动，实现楼梯扶手的加工。输 送带模块l 带动工件，实现工件的x 向进给运动，创新的把传统加工楼梯扶手的固 定式工作台转变为可以自动进给的工作台，方便流水线作业，有利于批量生产； 1 2 第2 章石材楼梯扶手加t 设备的设计 竖直拖板模块2 带动动力头模块4 作上下移动，从而实现了刀具的y 向进给运动； 人工调节水平托板模块3 可以实现工件的z 向进给运动。 2 4 2 主要部件的设计 ( 1 ) 支撑框架的设计 根据经济性能原则，设备的床身支撑模块主要采用标准件，利用角钢焊接件， 大大降低了设备的的成本，方便设备的制造： 根据人机工程学要求，为了减轻工人劳动强度，防止人体容易疲劳，按照2 0 0 0 年国民体质监测公报，中国成年男性平均身高1 6 9 7 m m ，成年女性平均身高 1 5 8 6 m m ，以及结合相同加工设备，支撑框架工作台高度定为7 6 0 m m 。 ( 2 ) 输送带的选取 输送带在设备上承载待加工工件的进给运动，缓冲加工时所产生的振动，并 且还是加工中的工作台。因此，输送带的选型具有很关键的作用。 目前，市场上现有输送带类型很多，为了适应加工过程中的环境，要求传送 带具有防水，防锈，容易清理。所以，选取了适用于石材、陶瓷等加工行业的专 用输送带。 为了更好对输送带进行选型，需要对输送带的工况进行受力分析，以免选择 型号过大，造成浪费或者过小，造成不能承受负荷，减少带的使用寿命，从而影 响生产的效率和设备的使用周期。 根据输送带负载状况，如示意图2 - 6 所示，按照参考文献 2 7 中的经验公式 ( 2 1 ) ： 磊= 鲁嚣+ 三q v 2 u c t 篙( 2 - 1 12e1 ) ” 2 vp “a +。口+ 7 乞一带既不发生打滑又不发生疲劳破坏时的许用功率( ； u 一带与带轮间的摩擦系数； 口一小带轮包角( r a d ) ； 旷带的单位长度质量( k g m ) ； ，一带的圆周速度( m s ) ； l ij 东大学硕+ 学位论文 图2 - 6 带传动受力示意图 由式( 2 1 ) 可知， e = 鲁篙畦q v 2 u ae 旷”- + 1 = 丽6 6 0 两e0 。4 s - 1 + 吉。4 2 。1 2 。4 5 石两e 0 4 5 ”- 1 ( 2 - 2 )2 i 而两+ j u 4 孤u u 1 石两 ) = 2 0 1 埘 根据式( 2 - 2 ) ，可以求得带的有效拉力及最大拉力疋、互，见式( 2 - 3 ) 、( 2 - 4 ) 。 疋= 2 r 而e a - 1 = 2 z e 0 4 5 可厅- - 1 = 2 4 5 肌 ( 2 3 ) 矿h 口p 0 4 5 x 互= 乓南= 2 4 5 x 旁巧书2 4 州( 2 - 4 ) 考虑楼梯扶手的尺寸，取输送带长度9 8 0 0 m m ，则强度仃= 3 2 4 0 0 9 8 0 0 n m m = 3 3 ，按照输送带材料为p v c ( 聚氯乙烯) ，厚度为2 m m 的强度为8n m m ， 取安全系数为2 ，许用强度【仃】= 4 n r m n ，所以选用带厚为2 m m 的带厚，满足性能 要求。 ( 3 ) 动力头模块的设计 动力头是在整个加工运动中的主运动，直接影响加工质量的主要因素。由于 在加工过程中会有振动，会造成加工质量的不稳定，因此，如何更好的安排、放 置动力头的位置，设计动力头模块的结构，是提高加工质量的的关键。 按照加工刀具与加工工件的相对运动，要求动力装置在固定安装之前，可以 前后、左右移动，以便调整位置，方便维护。那么将动力头模块设计成独立模块， 成单立柱形式，同时为了调整刀具与待加工工件的位置，可以将主电机安装在燕 尾导轨上，然后，一并安装在支撑立柱上，具体的结构如图2 7 所示。 1 4 第2 章石材楼梯扶手加 ：设备的设计 1 支架；2 立柱；3 燕尾槽导轨：4 主电机； 图2 7 动力头模块设计 根据各通过各功能模块的标准接口连接组装，即可组成具有楼梯扶手加工功 能的设备，其p r o e 建立的三维效果图如图2 - 8 所示。 图2 8 楼梯扶手加工专用设备 2 4 3 设备主要参数的拟定 表2 5 设备的主要规格和技术参数 主要规格技术参数 ：【作台长度m m 工作台高度m m 有效加工长度m m 外形尺寸( 长宽高) r a m 刀具转速r p m 进给电机功率k w 进给速度m m i n 主电机数台 土电机l u - j 芷e m m 主电机功率k w 总功率k w 2 6 0 0 7 5 0 8 5 0 2 2 0 0 4 0 0 0 1 2 0 0 x1 1 0 0 15 0 0 4 5 0 0 0 5 5 0 2 1 4 6 0 0 4 1 6 1 8 1 5 山东大学硕+ 学位论文 根据楼梯扶手设备的设计原则以及表2 - 4 所示的基本性能要求，参照常用制品 的规格参数，结合加工工艺设备具体结构设计的计算，同时依据建筑结构载荷规 范( g b 5 0 0 0 9 ) ，中国建材行业标准( j c 2 0 2 9 2 ) ，石材加工用金刚石磨具标准 ( j b 5 2 0 5 1 9 9 1 ) 等，确定了楼梯扶手设备的主要规格和技术参数，见表2 5 。 2 5 生产效率的比较 在同一加工条件下，根据拟定的设备主要参数，结合现有加工设备加工楼梯 扶手的具体数据，采用工序集成，加工相同毛坯( 长x 宽高：1 2 0 0 m m 6 0 m m x 1 0 0 m m ) 的大理石至同一形状( 如图2 1 所示) ，得出生产率计算卡如表2 - 6 所示。 1 6 表2 - 6 生产率计算卡 被加工 图号毛坯种类大理石 名称楼梯扶手 毛坏重量 2 0 k g 零件 材料大理石硬度 h $ 3 5 5 5 加工名称 毛坯尺寸( m m m m m m ) 6 0 1 0 0 1 2 0 0 序 工作名称 数量 行程 转速 进给量 工时( m i n ) 机动辅助 号 ( r a m )( r r a i n )( m m m i n )共计 时间时间 1 人工放置工件 1 50 5o 5 2 粗加工侧面 1 2 0 02 5 0 0 6 0 0 3 半精加工侧面 1 2 0 03 0 0 06 0 0 4 精加工侧面 1 2 0 03 5 0 06 0 0 55 5 抛光侧面 1 2 0 04 0 0 06 0 0 6 停车 0 6 0 6 7 人工换面、安装模具 22 8 粗加工侧面 1 2 0 02 5 0 06 0 0 9 半精加工侧面 1 2 0 03 0 0 06 0 0 55 1 0 精加工侧面 1 2 0 03 5 0 06 0 0 1l 抛光侧面 1 2 0 04 0 0 06 0 0 1 2 停车o 60 6 1 3 人工卸料 o 50 5 合计 1 4 2 表2 7 加工专用设备主要加t 数据 性能指标值 装夹固定次数次数 工件转换次数次数 所需模具件数 加工时间t 加工m i n 辅助加工时间t 辅助m i n 加工效率m i n 件 1 0 4 2 9 5 第2 罩石材楼梯扶手加t 设器的设计 表2 7 给出了大理石楼梯扶手加工的主要数据，通过与表2 3 的对比，可以看 出，在同样的加工条件下，加工相同毛坯( 长x 宽x 高：1 2 0 0 m m 6 0 r a m 1 0 0 m m ) 的大理石，采用工序集成，工件的转换、装夹固定次数比传统工艺加工时，各减 少3 次，加工效率约为原来的3 5 倍，那么相应的工人劳动强度、加工成本会大幅 度降低，加工质量会有很大程度的提高。 2 6 本章小结 ( 1 ) 通过市场调研与理论分析，采用工序集成，优化了现有的加工工艺路线， 减少了辅助时间，提高了加工效率：同时减少了加工过程中人工调整次数，减少 了人为因素的影响，改善了加工质量，也减轻了工人的劳动强度。 ( 2 ) 采用模块化设计，通过功能、运动分析，将设备结构划分为支撑框架模块、 水平传送带模块、竖直托板模块、水平托板模块、动力头模块和辅助模块，便于 设备的设计、生产以及维护；同时改变了现有设备的功能单一的缺陷，使一台加 工设备具有从粗加工到成品的功能集成的优点，缩小占地面积，便于批量生产， 提高效率，降低成本。 ( 3 ) 通过模块划分，利用三维软件p r o e ，建立了楼梯扶手专用加工设备的三 维模型，为进一步关键部件的结构优化奠定了基础。 ( 4 ) 主要部件采用焊接件，工艺性好，具有良好的经济性，降低了制造成本； 输送带模块采用高强度p v c 聚氯乙烯树脂做工作台面，使用方便、可靠，同时解 决了台面的防锈难题。 1 7 第3 章加下设备的关键部件优化 第3 章加工设备的关键部件优化 由于楼梯扶手加工设备动力头模块的稳定性直接影响加工质量，因此，动力 头模块是楼梯扶手加工的关键。另外，支撑动力头模块的关键部件是立柱，其强 度和稳定性，直接影响到动力头模块的稳定性，所以，立柱也就成为整个加工设 备的关键部件。 在结构的设计阶段，立柱是基于经验设计，没有定量考虑其强度、结构尺寸 的匹配。那么尺寸选择的过大或较小，可能会造成材料浪费或者结构强度不足， 进而造成设备发挥不到最优性能。 近些年，随着a n s y s 软件中的c a d c a e 协同优化平台a n s y sw o r k b e n c h e n v i r o n m e n t ( 下简称“a w e ”) 为基础的优化方法，广泛应用在机床、大型船舱、 汽车、压力容器、手机 2 8 - 3 2 等关键部件的结构优化，为本课题的研究提供了借鉴 和依据。因此，本章基于有限元a w e 软件，结合立柱的工况，对其进行结构优化， 期望提高立柱的强度，减少材料使用，以及改善设备的性能。 3 1a n s y sw o r k b e n c h 的应用 a n s y sw o r k b e n c h 是