（机械制造及其自动化专业论文）石材异型制品加工设备虚拟设计系统的研究与应用.pdf

摘要 摘要 随着建筑装饰行业和石材加工技术的发展，石材异型制品的品种越来越多， 需要的加工技术与设备也越来越多。石材行业迫切需要多功能的加工设备，同时 设备的功能部件可以更换。本文详细研究了石材异型制品加工设备设计的基本理 论，开发了石材异型制品加工设备虚拟设计系统m a c h i n ed e s i g n 。应用该虚拟设 计系统，石材机械企业生产石材加工设备时，可设计生产出相应的标准化、系列 化的功能部件，改变石材制品时，只需要更换某一个功能部件即可。因而可以缩 短生产制造周期，降低成本，提高质量，增强石材企业的市场竞争力。 本文首先研究了各种不同异型制品表面成形原理，建立了石材异型制品加工 设备运动学模型，并建立了石材异型制品加工设备的运动学图谱，给出了各种不 同图谱的运动重构的数目公式；提出了石材异型制品加工设备虚拟设计系统的总 体设计思想，建立了石材异型制品加工设备设计软件的总体结构，分析了系统各 个组成部分的功能，并给出了石材异型制品加工设备模块化设计流程，创建了一 个支持参数化设计和数据库信息传递的人机交互式虚拟设计系统m a c h i n e d e s i g n 。应用该虚拟设计系统开发石材异型制品加工设备需要经过概念设计、虚 拟详细设计、虚拟仿真、设备设计制造和虚拟设计系统应用等几个关键过程。 石材异型制品加工设备的概念设计包括市场调查和需求分析、设备运动学分 析和设计、各个运动部件的功能分析、结构分析、功能和结构的映射以及各个主 参数的确定等过程。本文研究了用户需求信息的收集和分析的方法；依据分解重 构的基本原理，在运动学分析的基础上对石材异型制品加工设备的功能进行了分 解，同时总结了各种石材异型制品加工设备的结构形式，列出了设备的系列树， 建立了设备功能结构模型；根据功能部件的基本概念，将石材异型制品加工设备 按功能域与结构域进行了从功能表达空间到结构表达空间的映射；采用优先数系 将纵系列设备主参数按标准公比和混合公比排列，确定了石材异型制品加工设备 的主参数和系列型谱。 石材异型制品加工设备的虚拟详细设计主要涉及设备的虚拟模块设计、虚拟 模块编码、虚拟设计中模块重构、虚拟模块接口分析及设计和虚拟变型设计等过 程。将s s 系列石材异型制品加工设备机械部分划分为运动模块、支撑模块、动 力模块、辅助模块和扩展模块等五大功能模块，并分别创建了各个模块的三维模 型；分析了模块包含的信息和特征，建立了详细的虚拟模块编码系统；在模块重 构过程中，定义了模块选择的策略；针对石材异型制品加工设备的接口，分析了 接口的特性、具体功能和结构，并给出了接口功能一结构的关系映射，建立了接 i 山东大学博十学位论文 口的编码机制和数据结构，为实现模块的自动集成做好了准备；在设备工作原理、 基本功麓定义不交的情况下，通过现有设备局部结构型式和尺寸的改变来满足不 同工作性能的需求，实现了产品的虚拟变型设计。 应用v n c 软件系统，对s s x 石材异型制品加工设备的虚拟模型进行了运动 学仿真，依据编制的加工球体的c n c 程序，验证了该设备的运动学特性，并给 出了位置曲线图；进行了动力学仿真和金刚石锯片切割石材的切削力实验研究， 给出了不同切削条件时的径向切削力和切向切削力值，建立了多自由度强迫振动 的动力学模型，计算出切削石材时使用的转速和锯片的激振频率，通过对$ s x 石材异型制品多功能加工设备结构静力学分析和模态分析，进行了该设备框架、 横梁和动力头等部件在动力头位于不同位置时的模态对比，得到了在容易共振区 域下的固有频率和模态，同时提出了设备的改进意见。 在石材异型制品加工设备虚拟设计系统的支持下，详细设计了三台数控石材 异型制品加工设备，分别为s s q 系列曲面加工设备、s s x 多功能数控石材加工 设备和单立柱s s d 系列石材异型制品加工设备，并在山东华兴机械( 集团) 股份有 限公司的支持下，生产了s s q 系列曲面加工设备和s s x 多功能数控石材加工设 备；本文从设计周期、设计成本和设计质量三个方面对虚拟设计与传统设计进行 了量化的对比分析，结果表明该虚拟设计系统的应用，可以缩短产品设计周规 4 0 、降低产品成本、提高产品质量和可靠性。 本课题得到山东省自然科学基金重点项目的资助( 项目编号：z 2 0 0 l f 0 3 ) 。 关键词：石材异型制品加工设备虚拟设计系统机械结构模块化 摘要 a b s t r a c t a l o n g 祈t ht h ed e v e l o p m e n to fa r c h i t e e t u r eo r n a m e n tv o c a t i o na n ds t o n e m a c h i n i n gt e c h n o l o g y , t h ev a r i e t yo fp r o f t l e ds m f a c es t o n e sa n di t sm a c h i n i n g t e c h n o l o g ya n de q u i p m e n t si n c r e a s eq u i c k l y t h e r e f o r et h es t o n e sm a c h i n ei n d u s u y e x i g e n t l yw a n t sm u l d f u n c t i o n a le q u i p m e n t sw h i c hf u n c t i o n a lp a r t sc a nb er e p l a c e d t h i sd i s s e r t a t i o na i m st od e v e l o pt h eb a d et h e o r yo ft h ed e s i g na n dt h ev i r t u a ld e s i g n s y s t e mo fp r o f t l e ds u l r f a c e s t o n e sm a c h i n i n ge q u i p m e n t u s i n gt h i sv i r t u a ld e s i g n s y s t e mf o rd e v e l o p i n g = o n e sm a c h i n i n ge q u i p m e n t , s e r i a ls t a n d a r d i z e df u n c t i o n a lp a r t s w i l lb ep r o d u c e d a st h ee q u i p m e n ti sc h a n g e d ，t h e yc a nd on o t h i n gb u tr e p l a c es o m eo f t h ef u n c t i o n a lp a r t s a sar e s u l tt h i sv i r t u a ld e s i g ns y s t e mc a ns h o r t e nt h ep r o d u c t i o n c y c l e ，r e d u c et h ec o s t , a n d 勖t h a n c et h eq u a l i t yo ft h ep r o f i l e ds u r f a c es t o n e sm a c h i n i n g e q u i p m e n t t h es t o n ee q u i p m e n te n t e r p r i s ew i l lw i ni nt h em a r k e tc o m p e t i t i o n t h es u r f a c ep r o f i l e dp r i n c i p l eo fd i f f e r e n tp r o f i l e ds u r f a c es t o n e si s f i r s t l y r e s e a r c h e d t h ek i n e m a t i c sm o d e lo ft h ep r o f i l e ds u r f a c es t o n e sm a c h i n i n ge q u i p m e n t s i se s t a b l i s h e d t h ek i n e m a d c s s p e c t r u ma n dt h ef o r m u l ao ft h em o v i n gp a r t s r e e o n s t i t u t i o no ft h ee q u i p m e n t sa 船a l s op r e s e n t e d t h i sd i s s e r t a t i o np u t sf o r w a r dt h e d e s i g nf r a m e w o r ko ft h ev i r t u a ld e s i g ns y s t e m m a c h i n ed e s i g n ，a n de s t a b l i s h e st h e s 自m c t u r eo ft h es o f t w a r ef o rd e s i g n i n gt h ep r o f i l e ds u r f a c es l o n e sm a c h i n i n g e q u i p m e n t t h ef u n c t i o n so ft h ed i f f e r e n t p a r t so ft h ed e s i g ns y s t e ma 托a n a l y z e d a n dt h e m o d u h r i z a t i o nd e s i g nf l o w o ft h ep r o f t l e ds u r f a c e 髓o n e sm a c h i n i n ge q u i p m e n ti s p r e s e n t e d f i n a l l y t h eh u m a n - e o m p u t e xi n t e r a c t i o nv l r t u u id e s i g n s y s t e m c a l l e d m a c h i n ed e s i g n w h i c hs u s t a i n st h ep a r a m e t r i cd e s i g nt e c h n o l o g ya n dt h ed a t a b a s e i n f o r m a t i o ni sm a d eo u t i tn e e d ss u c hp i v o t a lp r o c e s st od e s i g np r o f i l e ds u r f a c es t o n e s m a c h i n i n ge q u i p m e n tu s i n gt h i sv i r t u a ld e s i g ns y s t e m ，s u c ha sc o n c e p t i o nd e s i g n ， v i r t u a ld e t a i ld e s i g n ，v i r t u a ls i m u l a t i o n ，t h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo ft h ee q u i p m e n t a n dt h ea p p l i c a t i o no ft h ev i r t u a ld e s i g ns y s t e m t h ec o n c e p t i o nd e s i g no ft h e p r o f i l e d s u r f a c es t o n e s m a c h i n i n ge q u i p m e n t i n c l u d e ss u c hp r o c e s s 猫m a r k e ti n v e s f i n g a f i o na n dr e q u i r e m e n ta n a l y s i s k i n e m a t i c s a n a l y s i sa n dd e s i g no ft h ee q u i p m e n t ，t h ef u n c t i o na n a l y s i so fv a r i o u sm o v i n gp a r t s ， s n u c u r ea n a l y s i s ，t h em a p p i n go ft h ef u n c t i o na n ds t r u c t u r e ，t h ee n a c t m e n to ft h em a i n p a r a m e t e ro ft h ee q u i p m e n te t e t h i sd i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e st h em e t h o do fc o l l e c t i o n a n da n a l y s i so ft h ec o n s u n l e r r e q u i r e m e n ti n f o r m a t i o n u s i n gt h ep r i n c i p l eo f i 山东大学博士学位论文 d e c o m p o s i t i o na n dr e c o n s t i t u t i o n ，t h ef u n c t i o n so fp r o f i l e ds u r f a c es t o n e sm a c h i n i n g e q u i p m e n t sa r ed e c o m p o s e db a s e do nt h ek i n e m a t i c sa n a l y s i s s e v e r a ls t r u c t u r et y p e so f p r o f i l e ds u r f a c es t o n e sm a c h i n i n ge q u i p m e n t sa r es u m m e du p ，a n dt h es e r i a lt r e eo ft h e e q u i p m e n t si sf i s m d s ot h ef u n c t i o ns t r u c t u r em o d e lo ft h ee q u i p m e n t si se s t a b l i s h e d b a s e do nt h eb a s i cc o n c e p to ff u n c t i o n a lp a r t s ，t h em a p p i n gf o rt h ef u n c t i o ne x p r e s s i n g s p a c et ot h es t r u c t u r ee x p r e s s i n gs p a c eo fp r o f i l e ds u r f a c es t o n e sm a c h i n i n ge q u i p m e n t s i sp r e c e d e da c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o nd o m a i na n dt h es l l a c t u r ed o m a i n 髓em a i n p a r a m e t e ra n dt h es e r i a ls h a p e ds p e c t r u mo ft h ep r o f i l e ds u r f a c es t o n e sm a c h i n i n g e q u i p m e n ta r ec o n f h - m e da c c o r d i n gt ot h ep d o r i 哆n u m b e rs e r i e s 皿ev i r t u a ld e t a i ld e s i g no ft h ep r o f d e ds u r f a c es t o n e sm a c h i n i n ge q u i p m e n t p r i m a r i l yi n c l u d e ss u c hp r o c e s s 勰t h ev i r t u a lm o d u l ed e s i g no ft h ee q u i p m e n t s v i r t i l a l m o d u l ec o d i n g ，a n dt h em o d u l er e c o n s t i t n t i o nd u r i n gt h ev i r t u a ld e s i g n ，t h ev i r t u a l m o d u l ei n t e r f a c ea n a l y s i sa 8w e l l 懿d e s i g n 。a n dt h ev i r t u a lv a r i a n td e s i g ne t c t h e m a c h i n ep a r t so ft h es ss e r i e sp r o f i l e ds u r f a c es t o n e sm a c h i n i n ge q u i p m e n ta r e c o n s t i t u t e db yf i v ef u n c t i o nm o d u l e sa sm o v i n gm o d u l e ，s u p p o r t i n gm o d u l e ，p o w e r i n g m o d u l e a u x i l i a r ym o d u l ea n de x t e n d i n gm o d u l e t h et h r e ed i m e n s i o nm o d e l so ft h e s e f i v em o d u l e sa r ee s t a b l i s h e dr e s p e c t i v e l yb a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ei n f o r m a t i o na n d f e a t u r ei n s i d et h em o d u l e ，t h ed e t a i l e dv i r t u a lm o d u l ec o d i n gs y s t e mi se s t a b l i s h e d d u r i n gt h er e c o n s t i t u t i o no ft h ev i r t u a lm o d u l e ，t h es t r a t e g yo ft h em o d u l es e l e c t i o ni s d e f i n e d t h ec h a r a c t e r i s t i c d e t a i lf u n c t i o na n ds t r u c t u r eo ft h ep r o f i l e ds u r f a c es t o n e s m a c h i n i n ge q u i p m e n ti n t e r f a c ea r ea n a l y z e d ，a n dt h ef u n c t i o n s f f u c t 珊er e l a t i o n a l m a p p i n go ft h ei n t e r f a c ei sp r e s e n t e d t h ec o d i n gm e c h a n i s ma n dd a t as t r u c t u r eo ft h e i n t e r f a c ea e s t a b l i s h e d a n da l lo ft h e ma r ep r e p a r e df o rt h ea u t o m a t e dm o d u l e i n t e g r a t i o n t h ev i r t u a lv a r i a n td e s i g ni sr e a l i z e dt os a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fd i f f e r e n t w o r k i n gp e r f o r m a n c et h r o t i g ht h ea l t e r a t i o no fl o c a ls m m t u r et y p ea n dt h ed i m e n s i o no f e x i s t e de q u i p m e n ta st h ew o r k i n gp f i n c i p l ea n db a s i cf u n c t i o nd e f i n i t i o na r eu n a l t e r e d 田地k i n e m a t i c ss i m u l a t i o nf o rt h ev i r t u a lm o d e lo ft h ep r o f i l e ds u r f a c es t o n e s m a c h i n i n ge q u i p m e n ti sp r o c e s s e db yu s i n gv n cs o f t w a r e b a s e do nt h ec n cp r o g r a m f o rm a c h i n i n gt h es t o n es p h e r e ，t h ek i n e m a t i c sc h a r a c t e r i s t i co ft h i se q u i p m e n ti s v a l i d a t e d a n dt h ep o s i t i o ng r a p ho ft h i sm a c h i n i n gp r o c e s si s p r e s e n t e d d u r i n g d y n a m i c ss i m u l a t i o np r o c e s s ，t h ec u t t i n gf o r c ee x p e r i m e n ti sc a r r i e do u ta su s i n gt h e d i a m o n ds a wb l a d et oc u ts t o n e ，a n dt h er a d i a la n dt a n g e n t i a lc u t t i n gf o r c e sh a sb e e n g i v e n t h em u l t i d e g r e eo ff r e e d o mf o r c e do s c i l l a t i o nd y n a m i c sm o d e lh a se s t a b l i s h e d t h cr o t a t i o n a ls p e e da n dt h es a wb l a d ee x c i t a t i o n 丘e q u e n c ya r ec a l c u l a t e d 研m i v 摘要 m o d a l i t yc o n l r a s tw h e nt h ep o w e rp a r t sa r el o c a t e do nt h ed i f f e r e n tp o s i t i o ni sp r o c e s s e d t h r o u g ht h es l r u c t a r es t a t i ca n a l y s i sa n dt h em o d a l i t ya n a l y s i so ft h es s xp r o f i l e d s u r f a c es t o n e sm a c h i n i n ge q u i p m e n t t h en a t u r a lf r e q u e n c ya n dt h em o d a l i t yu n d e rt h e e a s yr e s o l l a n c er e g i o na r co b t a i n e d , a n dt h ee q u i p m e n ti m p r o v e m e n tc o m d l e n ti s b m g m g f o r w a r da tt h e $ a n l et i m e u s i n gt h ev i r t u a ld e s i g ns y s t e mf o r t h ep r o f i l e ds u r f a c e s t o n e sm a c h i n i n g e q u i p m e n t , t h r e et y p e so fc h cp r o f i l e ds u r f a c es t o n e sm a c h i n i n ge q u i p m e n t , s s q c u r v e ds t o n es u r f a c e m a c h i n i n ge q u i p m e n t , s s xm u l t i f u n c t i o n a lc n cs t o n e s m a c h i n i n ge q u i p m e n ta n dt h es s ds i n g l ef r a m ep r o f i l e ds u r f a c es t o n e sm a c h i n i n g e q u i p m e n ta r ed e v e l o p e d s s qc u r v e ds t o n es u r f a c em a c h i n i n ge q u i p m e n ta n ds s x m u i t i f u u c f i o n a lc n cs t o n e sm a c h i n i n ge q u i p m e n ta r em a n u f a c t m e di nt h es h a n d o n g h u a x i n gm a c h i n el i m i t e dc o m p a n y a tt h es a m et i m e ，t h ed e s i g nc y c l e ，d e s i g nc o s t a n dd e s i g n q u a l i t yo ft h e v i r t u a ld e s i g na n dl r a d i t i o n a ld e s i g na t ea n a l y z e d q u a n t i t a t i v e l yi nt h ed i s s e r t a t i o n t h ea n a l y s i sr e s u l ti n d i c a t e st h ev k t a a ld e s i g ns y s t e m c a l ls h o r t e np r o d u c td e s i g nc y c l e4 0 ，r e d u c et h ep r o d u c t i o nc o s ta n de n h a n c et h e p r o d u c t i o nq u a l i t ya n dr e l i a b i l i t y t h i sd i s s e r t a t i o ni ss u p p o r t e db ys h a n d o n gn a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ( t h r o u g h g r a n tz 2 0 0 1 f 0 3 ) k e yw o r d s ：p r o f i l e ds u r f a c es t o n e sm a c h i n i n ge q u i p m e n t , v i r t u a ld e s i g ns y s t e m ， m a c h i n es t r u c t u r em o d u l a r i z a t i o n v 山东大学博十学位论文 口的编码机制和数据结构，为实现模块的自动集成做好了准备；在设备工作原理、 基本功麓定义不交的情况下，通过现有设备局部结构型式和尺寸的改变来满足不 同工作性能的需求，实现了产品的虚拟变型设计。 应用v n c 软件系统，对s s x 石材异型制品加工设备的虚拟模型进行了运动 学仿真，依据编制的加工球体的c n c 程序，验证了该设备的运动学特性，并给 出了位置曲线图；进行了动力学仿真和金刚石锯片切割石材的切削力实验研究， 给出了不同切削条件时的径向切削力和切向切削力值，建立了多自由度强迫振动 的动力学模型，计算出切削石材时使用的转速和锯片的激振频率，通过对$ s x 石材异型制品多功能加工设备结构静力学分析和模态分析，进行了该设备框架、 横梁和动力头等部件在动力头位于不同位置时的模态对比，得到了在容易共振区 域下的固有频率和模态，同时提出了设备的改进意见。 在石材异型制品加工设备虚拟设计系统的支持下，详细设计了三台数控石材 异型制品加工设备，分别为s s q 系列曲面加工设备、s s x 多功能数控石材加工 设备和单立柱s s d 系列石材异型制品加工设备，并在山东华兴机械( 集团) 股份有 限公司的支持下，生产了s s q 系列曲面加工设备和s s x 多功能数控石材加工设 备；本文从设计周期、设计成本和设计质量三个方面对虚拟设计与传统设计进行 了量化的对比分析，结果表明该虚拟设计系统的应用，可以缩短产品设计周规 4 0 、降低产品成本、提高产品质量和可靠性。 本课题得到山东省自然科学基金重点项目的资助( 项目编号：z 2 0 0 l f 0 3 ) 。 关键词：石材异型制品加工设备虚拟设计系统机械结构模块化 摘要 m o d a l i t yc o n l r a s tw h e nt h ep o w e rp a r t sa r el o c a t e do nt h ed i f f e r e n tp o s i t i o ni sp r o c e s s e d t h r o u g ht h es l r u c t a r es t a t i ca n a l y s i sa n dt h em o d a l i t ya n a l y s i so ft h es s xp r o f i l e d s u r f a c es t o n e sm a c h i n i n ge q u i p m e n t t h en a t u r a lf r e q u e n c ya n dt h em o d a l i t yu n d e rt h e e a s yr e s o l l a n c er e g i o na r co b t a i n e d , a n dt h ee q u i p m e n ti m p r o v e m e n tc o m d l e n ti s b m g m g f o r w a r da tt h e $ a n l et i m e u s i n gt h ev i r t u a ld e s i g ns y s t e mf o r t h ep r o f i l e ds u r f a c e s t o n e sm a c h i n i n g e q u i p m e n t , t h r e et y p e so fc h cp r o f i l e ds u r f a c es t o n e sm a c h i n i n ge q u i p m e n t , s s q c u r v e ds t o n es u r f a c e m a c h i n i n ge q u i p m e n t , s s xm u l t i f u n c t i o n a lc n cs t o n e s m a c h i n i n ge q u i p m e n ta n dt h es s ds i n g l ef r a m ep r o f i l e ds u r f a c es t o n e sm a c h i n i n g e q u i p m e n ta r ed e v e l o p e d s s qc u r v e ds t o n es u r f a c em a c h i n i n ge q u i p m e n ta n ds s x m u i t i f u u c f i o n a lc n cs t o n e sm a c h i n i n ge q u i p m e n ta r em a n u f a c t m e di nt h es h a n d o n g h u a x i n gm a c h i n el i m i t e dc o m p a n y a tt h es a m et i m e ，t h ed e s i g nc y c l e ，d e s i g nc o s t a n dd e s i g n q u a l i t yo ft h e v i r t u a ld e s i g na n dl r a d i t i o n a ld e s i g na t ea n a l y z e d q u a n t i t a t i v e l yi nt h ed i s s e r t a t i o n t h ea n a l y s i sr e s u l ti n d i c a t e st h ev k t a a ld e s i g ns y s t e m c a l ls h o r t e np r o d u c td e s i g nc y c l e4 0 ，r e d u c et h ep r o d u c t i o nc o s ta n de n h a n c et h e p r o d u c t i o nq u a l i t ya n dr e l i a b i l i t y t h i sd i s s e r t a t i o ni ss u p p o r t e db ys h a n d o n gn a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ( t h r o u g h g r a n tz 2 0 0 1 f 0 3 ) k e yw o r d s ：p r o f i l e ds u r f a c es t o n e sm a c h i n i n ge q u i p m e n t , v i r t u a ld e s i g ns y s t e m ， m a c h i n es t r u c t u r em o d u l a r i z a t i o n v 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的与意义 激烈的市场竞争，迫使石材加工行业生产多样化的制品来满足快速多变的市 场需求。为满足石材异型制品生产企业对柔性生产设备的要求，石材设备厂家正 在大力发展面向用户的快速响应设计与制作技术，采用虚拟设计技术进行模块化 设计，按用户制品要求和生产纲领要求，为用户量体裁衣，设计适应性强、无冗 余功能的中小型、价格便宜的加工装备。因此适时快速地为石材生产行业提供先 进优质的技术装备是摆在中国石材机械生产企业的艰巨任务 1 1 。 石材异型制品花样繁多、特征复杂，采用单一设备加工石材异型制品既不现 实，也不经济，因而多功能的快速加工设备的开发日益提上议事日程。普通的机 械产品设计，通常先根据产品的功能要求翻设计出产品的大致结构、轮廓以及主 要构件，然后再考虑有关强度、成本、可加工性等因素逐步细化设计棚。整个石 材异型制品加工设备设计是一个逐步细化、求精及循环迭代的过程【4 】，是一个设 计约束不断分解、传播与满足的过程，大致可分为概念设计、结构设计和详细设 计三个阶段 5 】。这种分阶段的设计过程体现了一种自项向下的设计思想，设计要 求和设计信息自顶向下传递，当一个阶段的设计和细化完成后，设计活动转入下 一个阶段继续进行。 在机械产品盼设计阶段应用虚拟设计技术，改变传统思路的束缚，建立以模 块化功能部件或组件为基本产品结构单元的数据库，既克服传统概念设计中将产 品结构按层次化模型分解过于细化使得重构系统困难的问题，又克服传统虚拟设 计软件产品不能进行自项向下( t o p d o w n ) 设计睁田、只能实现产品零部件详细 设计的难题。结合石材异型制品加工设备的设计过程，建立全相关设备模型和必 要的实例库，实现石材异型制品加工设备虚拟设计系统的理论框架和设计系统， 进行模块化功能部件或组件建模、通过功一构映射创建详细的结构模型 9 - 1 1 】，可 有效地改变目前的石材机械产品设计方法，大大缩短石材机械产品开发研制的周 期，节省大量人力和财力，并能提高石材机械产品设计的复杂程度和产品开发的 成功率、稳定性和精度，因而具有广阔的应用前景和较大的理论和实际意义。 1 2 石材异型制品加工设备的现状及存在的问题 天然石材具有质感好、外观庄重、机械及物理化学性能良好( 如耐压、耐磨 及耐腐蚀) 等优点，自古以来就成为一种优良的建筑材料。在古代，石材的加工 完全是靠手工操作完成。直到1 9 世纪，欧洲才出现了第一台用于加工石材的机 l 山东大学博士学何论文 械，这给石材加工行业带来了一场革命，从此，石材加工开始从手工操作向机械 化方向发展1 2 1 。近3 0 年来，我国石材开采与加工业的持续发展推动了我国石材 制造业的兴旺。目前，我国石材机械制造业已初具规模，各种用途的石材机械应 运而生。并且随着近年来建筑、装饰业的发展，各种品种、规格的石材制品需求 量迅速增加，也刺激了石材加工设备的发膨协1 4 1 。 1 2 1 石材异型制品加工设备 石材异型制品可以理解为除矩形石材板材制品以外的所有其它石材制品。石 材异型制品的分类方式很多，被行业公认的主要是按制品的特点和加工方式进行 分类 1 5 , 1 日： ( 1 ) 平面异型制品 指形状以二维图形为主的台板面制品，一般带有边缘花线。如卫生间恧盆扳、 厨房灶台板、花线条、拼花板材等。 ( 2 ) 曲面异型制品 指具有公共母线或对称中线的曲面板材制品，如内外圆弧形、s 形或波浪形 等墙面、柱面用板材制品。 ( 3 ) 实体回转类制品 指具有对称中线的柱体制品，如圆柱、工艺花瓶、栏杆柱、扭纹柱、球体、 罗马柱、柱基等，加工设备具有回转工装。 ( 4 ) 立体异型和雕刻制品 指没有对称中线以及具有复杂形面的异型制品，包括平面浮雕和立体雕刻， 如画框、透雕窗格、壁炉饰面、各种楼梯扶手、立体人像、动植物雕刻品等。平 面浮雕所需加工设备至少需要三维方向的运动；立体雕刻设备一般需采用激光扫 描器预先对制品模型进行扫描，然后通过三维激光扫描软件将扫描后的图像直接 转换成c a m 加工程序，所需加工设备应具有四维方向的运动，一般应采用数控 加工中心加工。 1 2 1 1 石材异型制品的加工技术 随着数控技术、制造技术和计算机技术的发展，石材异型制品的加工已由传 统的手工作业发展为机械化、自动化的生产。石材异型制品的加工工艺不断改善， 新的加工技术也不断地涌现，最常见的有： ( 1 ) 仿形技术 石材异型制品的仿形加工是利用机械或液压机构经一定的运动关系组合后， 使得被加工材料和制品模型具有输入、输出点坐标同步的关系，从而形成机构仿 形的一种机械加工方式。其原理是利用仿形仪作为检测和反馈元件，根据仿形指 2 第l 辛绪论 的偏移量和其它相关参数计算出机床各坐标轴上的速度值，直接输出给伺服单 元，使仿形指保持规定的偏移量沿着模型表面作扫描运动。 ( 2 ) 多功能数控加工技术 一 多功能数控加工技术是典型的集高新技术于一体的石材加工技术，具有高精 度、高速度、高效率和高自动化的显著特点，且能适应多品种小批量生产。从控 制系统方面来说，多轴数控加工中心一般采用图形编程和模型扫描两种方法来建 立制品造型程序【1 7 】；从结构上说，这类设备通常是将多个普通数控加工设备的功 能集中于一台设备上，设备的不同功能可以通过增加选配件来实现。 1 2 1 2 石材异型制品的加工设备 当前用于石材异型制品的加工设备种类繁多，有数控、液压和机械仿形等多 种结构形式，按照制品的形状和加工特点可分四类，如表1 1 示。 表1 1 石材异型制品加工设备分类 类型功