（机械制造及其自动化专业论文）面向石材制品的复合加工理论及应用研究.pdf

d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o rt h ea p p l i c a t i o no f m a s t e r sd e g r e eo f e n g i n e e r i n g s t u d yo nt h e o r ya n da p p l i c a t i o n so f c o m b i n e dm a c h i n i n gf o rs t o n ep r o d u c t s c a n d i d a t e ：l i uy a n g s p e c i a l t y ：m e c h a n i c a lm a n u f a c a r i n ga n d a u t o m a t i o n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f w a n g z h i p r o f z h a n gj i n s h e n g s h a n d o n gu n i v e r s i t y a p r i l2 4 t h ，2 0 1 0 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 垒i 邀 日期：丝绝：生尘兰 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：啦导师签名：乏鳖日 目录 目录 摘要一v a b s t r a c t v i i 第1 章绪论1 1 1 课题的研究目的和意义l 1 2 国内外石材复合加工技术研究现状2 1 2 1 石材制品复合加工设备的研究现状2 1 2 2 石材制品加工工艺的研究现状4 1 3 复合加工理论涉及关键技术发展综述5 1 3 1 工艺方案优化方法综述5 1 3 2 模块化产品平台设计技术研究发展现状6 1 4 课题的研究内容以及章节结构7 第2 章面向石材制品的复合加工理论内涵以及体系结构9 2 1 石材异型制品加工技术概述9 2 1 1 石材异型制品常规加工技术介绍9 2 1 2 石材制品复合加工关键技术1 0 2 2 面向石材制品的复合加工理论体系及其内涵一1 2 2 2 1 面向石材制品的复合加工理论体系结构1 2 2 2 2 面向石材制品的复合加工理论的定义1 2 2 2 3 面向石材制品的复合加工理论的特征1 3 2 2 4 面向石材制品的复合加工理论体系框架1 4 2 3 石材制品复合加工工艺的研究1 6 2 3 1 典型异型制品加工工艺分析1 6 2 3 2 石材制品复合加工工艺方案的评价体系2 1 2 3 3 特征加工数学模型的建立2 3 2 3 4 工艺方案的多目标优化问题2 5 2 4 石材制品复合加工设备功能结构研究。2 7 2 4 1 用户对异型制品需求分析2 7 2 4 2 异型制品对设备功能的需求分析2 9 2 4 3 复合加工设备的结构特点和技术要求2 9 2 4 4 加工设备的运动功能复合方案设计3 2 2 4 5 复合加工设备整机结构规划以及设计目标3 2 2 5 复杂异型制品加工工具复合方案3 4 2 6 本章小结3 5 第3 章台面异型制品工艺创新以及工艺方案优化研究3 7 山东大学硕十学位论文 3 1 台面异型制品加工工艺研究3 7 3 1 1 台面板制品简介3 7 3 1 2 制品加工原理分析3 8 3 2 二维曲线边缘复合加工工艺研究4 0 3 2 1 椭圆孔加工机理研究4 0 3 2 2 锯片的创新设计4 3 3 3 卫生间台面板工艺方案优化4 4 3 3 1 基于遗传算法的多加工方案组合优化4 5 3 3 2 工艺路线以及参数优化的规划4 9 3 3 3 工艺编排以及加工时问控制5 2 3 4 本章小结5 3 第4 章石材制品复合加工设备模块化产品族研究5 5 4 1 石材制品复合加工设备模块化设计的研究5 5 4 1 1 模块化设计的必要性5 5 4 1 2 模块的划分原则5 5 4 1 3 模块化设计的规划5 6 4 1 4 石材制品复合加工设备产品族的模块化实现5 7 4 2 伺服传动系统的研究6 0 4 2 1 传动系统总体布局的设计6 l 4 2 2 进给系统伺服电机的选择6 2 4 3 本章小结6 4 第5 章复合加工设备动力系统实现与动态特性研究6 5 5 1 复合动力系统主轴速度匹配性研究与结构设计。6 5 5 1 1 复合主轴速度匹配性设计研究6 5 5 1 2 动力系统方案选择6 6 5 1 3 复合动力系统的结构设计6 7 5 2 动力头部件的动力学分析6 8 5 2 1 振动分析基础6 8 5 2 2 有限元模型的建立6 9 5 2 3 模态分析与临界转速的确定7 0 5 3 本章小结7 2 结论与展望7 3 参考文献7 5 攻读硕士学位期间发表的学术论文及获奖情况7 9 致谢8 1 c o n t e n t s c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) 。v a b s t r a c t v i i c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n 1 1 1r e s e a r c hp u r p o s ea n dm e a n i n g 1 1 2o v e r v i e wo fc o m b i n e dm a c h i n i n gt e c h n o l o g y 2 1 2 1o v e r v i e wo fc o m b i n e dm a c h i n i n ge q u i p m e n t 2 1 2 2o v e r v i e wo fs t o n ep r o d u c t sp r o c e s s i n g 4 1 3o v e r v i e wo ft h ek e yt e h n o l o g i e so fc o m b i n e dm a c h i n i n gt e c h n o l o g y 5 1 ：；1o v e r v i e wo f p r o c e s so p t i m i z a t i o n 5 1 3 2r e s e a r c hs t a t u so fm o d u l a r d e s i g no fs p e c i a ls h a p e ds t o n e sm a c h i n i n g e q u i p m e n t 6 1 4s u m m a r ya n dc o m e m s 7 c h a p t e r2c o n n o t a t i v em e a n i n ga n d a r c h i t e c t u r eo fc o m b i n e dm a c h i n i n gt h e o r yf o r s t o n ep r o d u c t s 9 2 1o v e r v i e wo fs p e c i a ls h a p e ds t o n e sp r o c e s s i n g 9 2 1 1c o n v e n t i o n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yf o rs p e c i a ls h a p e ds t o n e s 9 2 1 21 1 l ek e yt e h n o l o g i e sf o rc o m b i n e dm a c h i n i n gt e c h n o l o g y 一10 2 2c o n n o t a t i v em e a n i n ga n da r c h i t e c t u r eo fc o m b i n e dm a c h i n i n gt h e o r yf o rs t o n e p r o d u c t s 1 2 2 2 1a r c h i t e c t u r eo f c o m b i n e dm a c h i n i n gt h e o r yf o rs t o n ep r o d u c t s 1 2 2 2 2c o n n o t a t i v em e a n i n go fc o m b i n e dm a c h i n i n gt h e o r yf o rs t o n ep r o d u c t s 12 2 2 3f e a t u r e so f c o m b i n e dm a c h i n i n gt h e o r yf o rs t o n ep r o d u c t s 1 3 2 2 4t h ec o n s t i t u t i o no f c o m b i n e dm a c h i n i n gt h e o r yf o rs t o n ep r o d u c t s 1 4 2 3r e s e a r c ho nc o m b i n e dp r o c e s s i n gt h e o r yf o rs t o n ep r o d u c t s l6 2 3 1p r o c e s s i n go f t y p i c a ls p e c i a ls h a p e ds t o n e s 一1 6 2 3 2t h ep r o c e s ss c h e m ee v a l u a t i o ns y s t e mf o rs p e c i a ls h a p e ds t o n e s 2 1 2 3 3e s t a b l i s h m e n to f m a t h e m a t i c a lm o d e lf o rf e a t u r ep r o c e s s i n g 2 3 2 3 4m u l t i o b j e c t i v er u n n e ro p t i m i z a t i o no f m a c h i n i n gs c h e m e 一2 5 2 4f u n c t i o n a la n ds t r u c t u r a la n a l y s i so fs p e c i a ls h a p e ds t o n e sm a c h i n i n g e q u i p m e n t 2 7 2 4 1a c q u i s i t i o na n dt r a n s f e ro f u s e r s n e e d s 一2 7 2 4 2f u n c t i o n a la n a l y s i so fs p e c i a ls h a p e ds t o n e sm a c h i n i n ge q u i p m e n t 2 9 2 4 3f u n c t i o nf e a t u r e sa n dt e c h n o l o g yr e q u i r e m e n t so fm a c h i n i n ge q u i p m e n t2 9 2 4 4s c h e m ed e s i g nf o rf u n c t i o no fm a c h i n i n ge q u i p m e n t 3 2 2 4 5p l a n n i n ga n dd e s i g no b o e c t sf o rm a c h i n i n ge q u i p m e n t 3 2 2 5s c h e m ed e s i g n i n gf o rs p e c i a ls h a p e ds t o n e s 3 4 2 6s u m m a r y 3 5 c h a p t e r3t h ei n n o v a t i o np r o c e s sf o rs p e c i a ls h a p e db o a r da n ds t u d yo np r o c e s s i n g o p t i m i z a t i o n 3 7 i i i 山东大学硕十学位论文 3 1r e s e a r c ho np r o c e s s i n gf o rs p e c i a ls h a p e db o a r d 3 7 3 1 1i n t r o d u c t i o no fs p e c i a ls h a p e db o a r d 3 7 3 1 2i n t r o d u c t i o no f p r o c e s s i n gt h e o r yf o rs p e c i a ls h a p e db o a r d 3 8 3 2r e s e a r c ho nc o m b i n e dp r o c e s s i n gf o rt w o - d i m e n s i o n a lc u r v e 4 0 3 2 1r e s e a r c ho np r o c e s s i n gm e c h a n i s mf o re l l i p t i c a lh o l e 4 0 ：；2 2i n n o v a t i o nd e s i g no ns a w 4 3 3 3p r o c e s s i n go p t i m i z a t i o nf o rs p e c i a ls h a p e db o a r d 4 4 3 3 1s t u d yo np r o c e s s i n go p t i m i z a t i o nb a s e do ng e n e t i ca l g o r i t h m 4 5 3 3 2s t u d yo np r o c e s ss e q u e n c ea n dp r o c e s s i n go p t i m i z a t i o n 4 9 ：；：；3p r o c e s ss e q u e n c ea n dt i m ec o n t r o l 5 2 3 4s u m m a r y 5 3 c h a p t e r4r e s e a r c ho ns t r u c t u r eo fm a c h i n i n ge q u i p m e n t 5 5 4 1r e s e a r c ho nm o d u l a r d e s i g nt e c h n o l o g yo fs t o n e sm a c h i n i n ge q u i p m e n t 5 5 4 1 1n e c e s s i t yo fm o d u l a rd e s i g n 5 5 4 1 2p r i n c i p l e so fm o d u l e sd i v i s i o n 5 5 4 1 3p l a no fm o d u l a rd e s i g n ! ；6 4 1 4a p p l i c a t i o no fm o d u l a rd e s i g nf o rc o m b i n e dm a c h i n i n ge q u i p m e n t 5 7 4 2r e s e a r c ho ns e r v od r i v es y s t e m 6 0 4 2 1d e s i g no ns t r u c t u r a ll a y o u to fs e r v od r i v es y s t e m 6 1 4 2 2s e l e c t i o no fs e r v om o t o 6 2 4 3s u m m a r y 6 4 c h a p t e r5r e s e a r c ho ns p i n d l eu n i to fc o m b i n e dm a c h i n i n ge q u i p m e n ta n dd y n a m i c p e r f o r m a n c e 6 5 5 1s t u d yo ns p e e dm a t c h i n gp e r f o r m a n c eo fs p i n d l eu n i ta n ds t r u c t u r a ld e s i g n 一6 5 5 1 1s t u d yo ns p e e dm a t c h i n gp e r f o r m a n c es p i n d l eu n i t 6 5 5 1 2s c h e m ed e s i g nf o rs p i n d l eu n i t 6 6 5 1 3s t r u c t u r a ld e s i g nf o rs p i n d l eu n i t 6 7 1 ；2r e s e a r c ho nd y n a m i cp e r f c l r m a n c eo fs p i n d l eu n i t 6 8 5 2 1i n t r o d u c t i o no f v i b r a t i o n a n a l y s i s 6 8 5 2 2e s t a b l i s h m e n to f c a em o d e l 6 9 5 2 3m o d a la n a l y s i sa n dc r i t i c a ls p e e ds t u d y 7 0 1 ；3s u m m a r y 7 2 c o n c l u s i o n s 7 3 r e f e r e n c e s 7 5 p u b l i s h e dp a p e r sa n dp a r t i c i p a t i n gr e s e a r c hp r o j e c t s 7 9 a c k n o w l e d g e m e n t s 8 1 i v 摘要 摘要 石材制品需求量同益增多，并呈现多品种小批量的发展趋势。由于缺乏相关 复合加工技术支撑，在单块加工的生产模式下，传统的工艺方案和设备功能都没 有实现对石材资源的最大化利用，反而限制了效率的提高，增加了成本。虽然国 内外已有多家企业能够生产多功能复合加工中心，但对复合加工理论及其相关技 术的研究和推广仍显不足。本文从理论体系构建、工艺特征建模、工艺方案优化、 模块化产品族设计以及关键零部件匹配性设计等几方面对石材制品的复合加工理 论进行了系统的研究。 通过分析传统石材加工理论与技术的不足，确定面向石材制品的复合加工理 论体系的研究目标、研究内容和关键技术。从结构、功能和实现过程三个层面对 其进行定义，并从工艺和设备上总结该理论体系的特征，构建包括支撑理论和主 体理论在内的理论体系框架。 建立基于制品特征加工的数学模型，分析工艺方案的众多影响因素，确定最 高效率、最低成本和最高质量为制品加工方案优化原则，构造由加工质量、加工 种类和加工链长度组成的目标函数并提出约束条件，赋予两者明确的物理意义。 采用多目标遗传算法来直接寻找工艺方案的最优解集，通过并行处理多个目标的 方法优化工艺方案，建立适合石材行业生产特点的方案优化评价体系。同时，规 划采用遗传算法进行工艺路线和工艺参数优化的技术路线，确定各自目标函数及 其物理意义。针对用量较大的卫生间台面制品进行工艺创新，研究二维边缘曲线 的高效加工工艺，提出了以锯代铣的3 n 3 ：方案，优化锯缝尺寸，得出内切椭圆最 佳尺寸。 研究国内外石材加工设备的结构、功能特点，结合对国内市场石材制品的需 求分析，确定复合加工设备产品族的功能参数范围。应用模块化设计方法对设备 产品族进行规划，拟定多套复合加工设备的配置方案，为系列化产品的研发奠定 基础。通过设计传动系统总体布局、研究伺服电机负载惯量及扭矩的计算准则和 动力系统主轴速度匹配性，为系列化复合加工设备的关键部件选型提供理论参考。 对动力系统进行了模态分析，为下一步进行的加工试验提供工艺参数选择依据。 从市场需求出发，提出适合国内石材行业生产应用特点的复合加工理论体系， 通过对生产特点和规律的研究，达到优化加工过程并降低能耗的目的。这种从工 艺编排、加工机理等内因入手改进的方法，是实现石材行业高效率、低成本生产 目标最根本的发展策略。 山东省科技发展计划资助项目( 2 0 0 7 g g l 0 0 0 4 0 0 8 ) 。 关键词石材；复合加工；组合工艺优化；台面板；产品族 v a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed e m a n df o rs t o n e p r o d u c t si si n c r e a s i n g i tp r e s e n t sm u l t i v a r i e t y a n d s m a l l - b a t c ht r e n d a st h el a c ko fc o m b i n e dm a c h i n i n gt e c h n o l o g ys u p p o r t ，c o n s e r v a t i v e p r o c e s ss c h e m ea n de q u i p m e n tc a n tm a x i m i z et h es t o n er e s o u r c e s ，o nt h ec o n t r a r y , i t l i m i t st h ee f f i c i e n c yg a i n sa n di n c r e a s e sc o s t so nas i n g l ep r o d u c t i o nm o d e a l t h o u g h m a n ye n t e r p r i s e sa th o m ea n da b r o a dh a v eb e e na b l et op r o d u c em u l t i - f u n c t i o n a l c o m b i n e dm a c h i n ec e n t e r , b u tr e s e a r c ha n de x t e n s i o no nc o m b i n e dm a c h i n i n g t e c h n o l o g ya n dt h ek e yt e c h n o l o g i e sa r es t i l li n s u f f i c i e n t s y s t e m a t i cr e s e a r c h e dt h e c o m b i n e dm a c h i n i n gt e c h n o l o g yo nt h e o r e t i c a ls y s t e mc o n s t r u c t i o n ，p r o c e s sf e a t u r e m o d e l i n g ，p r o c e s ss c h e m eo p t i m i z a t i o n , m o d u l a r i z e dp r o d u c tf a m i l yd e s i g n ，a n dt h e k e yp a r t sm a t c h i n gp e r f o r m a n c e b ya n a l y z i n gt h ed e f i c i e n c yo ft r a d i t i o n a lc o m b i n e dm a c h i n i n gt e c h n o l o g ya n dt h e k e yt e c h n o l o g i e s ，d e t e r m i n et h eo b j e c t i v e s ，c o n t e n t sa n dk e yt e c h n o l o g i e sf o ras y s t e m o fc o m b i n e dm a c h i n i n gt e c h n o l o g yo ns t o n e p r o d u c t s r e p r e s e n tt h e c o m b i n e d m a c h i n i n gt e c h n o l o g y f r o mt h es t r u c t u r e ，f u n c t i o na n di m p l e m e n t a t i o n p r o c e s s ； s u m m a r i z et h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et h e o r e t i c a ls y s t e mf r o mp r o c e s sa n de q u i p m e n t ； b u i l dt h ef r a m e w o r ki n c l u d i n gs u p p o r t i n ga n dm a i nt h e o r y b u i l dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lb a s e do ns h a p e dp r o d u c t sm a c h i n i n g ，a n a l y z et h e f a c t o r st h a ti n f l u e n c ep r o c e s ss c h e m e ，d e t e r m i n et h em o s te f f i c i e n t ，l o w e s tc o s ta n d h i g h e s tq u a l i t yf o rp r i n c i p l eo nc o m b i n e do p t i m i z a t i o no fp r o d u c t sm a c h i n i n gs c h e m e ， s t r u c t u r et h eo b j e c t i v ef u n c t i o nc o m p o s i t i o nb ym a c h i n i n gq u a l i t y , m a c h i n i n gt y p e sa n d m a c h i n i n gc h a i nl e n g t h ，p r o p o s ec o n s t r a i n t sa n dg i v eb o t hac l e a rp h y s i c a lm e a n i n g l o o kf o rt h eo p t i m a ls o l u t i o ns e to fp r o c e s ss c h e m et h r o u g hm u l t i - o b j e c t i v eg e n e t i c a l g o r i t h m o p t i m i z ep r o c e s ss c h e m eb yd e a l i n gw i t hm u l t i p l et a r g e t si np a r a l l e l ； c o n s t r u c ta ne v a l u a t i o ns y s t e mo p t i m i z a t i o nf o rc h a r a c t e r i s t i c so fs t o n ei n d u s t r i a l p r o d u c t i o n m e a n w h i l e ，s t u d yo nt e c h n i c a lr o u t eo fo p t i m i z i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sa n d p r o c e s sr o u t eu s i n gg e n e t i ca l g o r i t h m s d e t e r m i n e e a c ho b j e c t i v ef u n c t i o na n di t s p h y 7 s i c a lm e a n i n g a p p l yp r o c e s si n n o v a t i o n o ns p e c i a ls h a p e db o a r d ，r e s e a r c h e f f i c i e n c yc u r v eo ft w o d i m e n s i o n a le d g em a c h i n i n gp r o c e s s ，c o n s t r u c tm a c h i n i n g s c h e m et h a tu s es a w i n gi n s t e a do fm i l l i n g s t u d yo nt h es t r u c t u r e ，f e a t u r e so fs t o n em a c h i n ea th o m ea n da b r o a d a n a l y z e d o m e s t i cm a r k e td e m a n df o rs t o n ep r o d u c t s d e t e r m i n et h es c o p eo fc o m b i n e d m a c h i n i n ge q u i p m e n tp r o d u c tf a m i l yf u n c t i o np a r a m e t e r s d e v e l o ps e v e r a ls e t so f c o m b i n e dm a c h i n i n ge q u i p m e n tc o n f i g u r a t i o n sb yp l a n n i n gt h ee q u i p m e n tp r o d u c t f a m i l yu s i n gm o d u l a rt e c h n o l o g ya n de s t a b l i s haf o u n d a t i o nf o rt h er e s e a r c ho fs e r i e s p r o d u c t s p r o v i d eat h e o r e t i c a lr e f e r e n c ef o rt h er e s e a r c h o ns e r i e so fc o m b i n e d m a c h i n i n g e q u i p m e n tk e yp a r t ss e l e c t i o n ，t h r o u g hd e s i g n i n gt r a n s m i s s i o ns t r u c t u r e ， r e s e a r c h i n gs e r v om o t o ri n e r t i a ，t h et o r q u el o a dc a l c u l a t i o nc r i t e r i a a n dm a t c h i n g v l i a b s t r a c t s p i n d l es p e e dp o w e rs y s t e m a n a l y z e m o d a lo ft h ep o w e rs y s t e ma n dp r o v i d e p a r a m e t e r st ot e s tf o rt h en e x ts t e po fm a c h i n i n g p r o p o s eat h e o r ys y s t e mo fc o m b i n e dm a c h i n i n ga p p l y i n gf o rt h ec h a r a c t e r i s t i c so f d o m e s t i cs t o n ei n d u s t r y , b a s e do nt h em a r k e td e m a n d s t u d yo nt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n d r e g u l a t i o n o fp r o d u c t i o nt oa c h i e v e o p t i m i z i n gp r o c e s s a n d r e d u c i n ge n e r g y c o n s u m p t i o n t h i si m p r o v i n gm e t h o dc o m e sf r o mp r o c e s sp l a n n i n ga n dm a c h i n i n g m e c h a n i s m ，w h i c hi st h em o s tf u n d a m e n t a ld e v e l o p m e n ts t r a t e g yt o r e a l i z eh i g h e f f i c i e n c ya n dl o w c o s tp r o d u c t i o nt a r g e t si nt h es t o n ei n d u s t r y t h ep a p e ri ss u p p o r t e db ys c i e n c ea n dt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tp l a n n i n go f s h a n d o n gp r o v i n c e ( 2 0 0 7 g g 10 0 0 4 0 0 8 ) k e yw o r d ss t o n ep r o d u c t ；c o m b i n e dm a c h i n i n g ；c o m b i n e dp r o c e s so p t i m i z a t i o n ； s p e c i a ls h a p e db o a r d ；p r o d u c tf a m i l y v i i i 第1 章绪论 1 1 课题的研究目的和意义 第1 章绪论 随着建筑装饰业的发展，石材以其天然华丽的饰面效果、稳定的物理化学性 能在生活装饰各方面得到大量应用，需求量越来越大，随处都体现出天然石材制 品的功能和美学作用，其中以高附加值的石材异型制品市场前景尤为广阔。国际 市场对石材制品需求量也日益增大，我国凭借丰富的石材品种及储量资源，已成 为世界最大的石材贸易国。2 0 0 9 年在金融危机的影响下，中国石材贸易进出口合