（机械制造及其自动化专业论文）石材异型制品复合加工工艺及设备研究.pdf

摘要 摘要 石材产业结构调整步伐的加快促使我国石材行业进行资源整合、产品升级等 一系列改革，企业也向着多品种、小批量、订单式的生产模式转变。本文将复合 加工技术应用于石材异型制品加工中进行系统研究。 运用成组技术研究石材异型制品加工单元，包括产品组及设备组。从工艺相 似性的角度出发，利用生产流程分析法进行石材异型制品产品组的建立。将同组 产品设备按照设备间的相关度进行成组，与产品组共同组成生产中的加工单元。 根据剩余矩形算法研究制品在工作台上的布局，即制品的排样优化问题。 研究石材异型制品的形面特征，通过提取制品的形面特征形成特征工序。采 用有向图法与矩阵计算相结合的方法确定各特征工序间先后顺序，形成完整的工 艺路线。明确石材异型制品复合加工工艺方案的研究内容，以生产成本、加工质 量、生产效率、利润率为评价指标，建立石材异型制品的多目标工艺方案评价体 系。采用层次分析法构造工艺方案的数学评价模型，应用加权算法决定各评价指 标间的重要程度。 根据制品功能需求及尺寸范围确定复合加工设备的功能及参数。遵循模块化 设计原则，运用模块化方法构建石材异型制品复合加工设备的功能模块，进行复 合加工设备总体方案设计及加工中心整机的模态分析。分析回转工作台主轴的力 学性能，为进行结构设计做理论依据。 以石材异型制品复合加工中心为实验设备、蝶形圆锯片为加工工具、台面板 为加工对象进行实验研究。通过实验研究并经过理论分析和计算，得出了碟形圆 锯片所适宜的加工曲率半径与锯切深度以及刀具自身结构尺寸的匹配关系。 关键词石材；异型制品；复合加工；工艺；设备 a b s t r a c t w l t ht h e c e l e r a t i o no fs t o n ei n d u s t r ys t r u c t u r ea d j u s t m e n t ，t h es t o n e i n d u s t r yi n o wc o u l l 仃y1 a r r y m go u tas e r i e so f r e f o r m si n c l u d i n gr e s o u r c ei n t e g r a t i o n ，p r o d u c t u p g r a d i n g ，a n ds oo n a tt h es a m et i m e ，s t o n ec o m p a n i e sc h a n g et h e i rp r o d u c t i o n p a t t e m st om u l t i - v a r i e t y , s m a l l - b a t c ha n do r d e rf o r m t r e n d s t h i s p a p e ra p p l i e s c o m b i n e dm a c h i n i n gt e c h n o l o g yi ns t o n ep r o c e s s i n gt oc a r r y o n a s y s t e m a t i cs t u “ b yu s m gg r o u pt e c h n o l o g y , m a c h i n i n gu n i t f o rs t o n e p r o d u c t sw h i c hi n c l u d e s p r o d u c t 胁1 l va n de q u i p m e n tf a m i l yc a nb e r e s e a r c h e d f r o mt h e p e r s p e c t i v eo f p r o c e s ss l m a r i t y , p r o d u c tf a m i l yf o rs p e c i a ls h a p e ds t o n ep r o d u c t sw i t hp r o d u c tf l o w a n a l y s l sm e t h o di se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h ec o r r e l a t i o nb e t w e e n a l lt h ee q u i p m e n t s ， t h ee q u l p m 伽f a m i l yc a i lb ee s t a b l i s h e d w h i c hc o n s t i t u t e s t h em a c h i n i n gu n i tw i t h p r o d u c tf a m i l y t h e nt h ep r o b l e mt h a tt h el a y o u to f s p e c i a ls h a p e ds t o n ep r o d u c t so nt h e w o r kt a b l el sr e s e a r c h e d ，a c c o r d i n gt ot h es u r p l u s r e c t a n g u l a ra l g o r i t l l r l l b ys t u d i y i n go nf e a t u r e so fs t o n ep r o d u c t s ，t h ef e a t u r ep r o c e s si sd r a w n c o m b i n i n g d l g r a p ha n dm a t r i xm e t h o d st o g e t h e rt h es e q u e n c ea m o n g a l lt h e 诧a 眦p r o c e s sc a i lb e d e t e r n l l n e d t h e nc o n s t i t u t eaw h o l ep r o c e s s r o u t e t a k i n gc o s t ，q u a l i t y , e f f i c i e n c ya n d p m t i a 8t a r g e t s ，am u l t i o b j e c t i v ep r o c e s s p l a n n i n gf o rs t o n ep r o d u c t si se s t a b l i s h e da n d am a t h e m a t i c sm o d e lf o rp r o c e s s i n gp l a n n i n gi s c r e a t e db ya n a l y t i ch i e 眦h yp r o c e s s a n dt h e1 m p o r t a n c ea m o n g e v a l u a t i o ni n d e x e si sd e t e r m i n e d b yw e i 出i n ga l g o 珊h n a c c o r d i n gt ot h es t o n ep r o d u c t sm a r k e td e m a n d s ，t h e 矗m c t i o na i l dp a r a m e t e r sf o r c o m b l n e d e q u i p m e n tc a nb ed e t e r m i n e d f o l l o w i n gt h em o d u l a rd e s i g n i n gp r i n c i p a l s ， c o m b l n e dm a c h i n i n ge q u i p m e n tf u n c t i o nm o d e lf o rs t o n e p r o d u c t si sd e s i g n e da 1 1 dt h e o v e r a 儿p l a nc a na l s ob ep r o j e c t e d a n a l y z et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fr o t a r y 讪l e s p l 删ea n dt a k et h er e s u l t sa st h e o r e t i c a lb a s i sf o ri t ss t r u c t u r e d e s i g n y a k ec o m b i n e dm a c h i n i n gc e n t e ra se q u i p m e n t ，d i s cc i r c u l a rs a wb l a d e 嬲t o o la n d 吼o n eb o a r da s c u t t i n go b j e c tf o r a l l e x p e r i m e n t t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa u l d c a l c u l a t i o n , b a s e do ne x p e r i m e n t s ，w eg e tt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea p p r o p r i a t e c u t t i n gr a d i u sa n dt h ec u t t i n gd e p t h ，a sw e l la st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h er e a s o n a b l e c u t t i n gr a d i u sa n dt h es t r u c t u r es i z eo f d i s cc i r c u i a rs a wb l a d e 1 ( 唧o r d ss t 。n e ；s p e c i a ls h a p e dp r o d u c t s ；c 。m b i n e d m a c h i n i n g ；p r o c e s s i n g ；e q u i p m e n t i i i 第1 章绪论 1 1 课题提出背景和意义 第1 章绪论 石材是人类历史上最古老的建筑用料，从古石器时代人类就已经开始使用石 器，石材行业的不断发展使其从简单的建筑用料到室内装饰再到工艺品、美术品 等，都体现着石材应用的广泛性。尤其是进入二十一世纪后，随着经济的发展以 及消费水平的增长，石材以其庄重的外观、良好的物理化学性能成为室内外装饰 装修及景观设计的最佳选择，其产量、消费量都大幅提高。“十一五期间，我国 石材行业更是克服了各种困难保持稳定，按照我国石材工业十二五发展规划纲 要 1 1 ，在“十二五”计划期间，大力发展石材行业，以“由大变强”为目标，实 现我国规模以上石材企业产量超过7 亿m 2 。 我国目前是世界上最大的石材贸易国，石材产、销量及进出口贸易额都在逐 年增加。然而在看到我国石材行业蓬勃发展的同时也要分析存在的问题，我国石 材行业起步较晚，整体水平还处于一个低级阶段，主要以低端产品为主，造成石 材异型制品的附加值较低，企业相应的利润率也较低，中国石材企业能够进入世 界顶尖石材企业行列的更是少之又少。同时我国石材行业也存在着自身的特点， 石材品种较多、花样繁多，有些标准没有统一的规定等，大多数石材设备功能单 一、可调性差，从而不能达到加工要求，进一步使得企业无法适应市场需求，不 能在行业竞争中占据一席之地。综合国内石材行业的发展状况我国石材行业主要 存在着以下问题： ( 1 ) 制品未能合理分组加工，生产模式落后； ( 2 ) 加工设备多功能性及自动化程度低，运动功能的实现依赖于人工操作； ( 3 ) 石材企业生产中加工工艺流程繁冗，辅助时间长； ( 4 ) 人力资源投入过大，生产周期长，且以简单的机械加工为主，效率低。 石材的品种在不断增加，样式也丰富多样化，这就使得石材异型制品向着多 品种、小批量、订单式、艺术化、高质量、工期紧的方向发展。生产方式的转变 使得石材行业面临着更高的要求，体现在企业的生产过程中对加工对象、加工设 备、加工工艺、加工方法的要求。 1 山东大学硕+ 学位论文 1 2 加工对象现状分析 复合加工技术的研究对象为异型制品，石材异型制品一般泛指除矩形板材外 石材制品的总称。石材异型制品种类繁多，外形也多样化，分类依据的不同造成 种类划分的不同。目前石材异型制品常用的分类依据有三种方式，一是以加工特 点为依据；二是以制品横截面形状为依据；第三种方式是结合石材异型制品自身 的结构特点与加工方式进行分类。这些分类方式主要考虑了制品的外形特点，没 有从制品的加工工艺方面去划分，也就没有考虑到企业具体加工时如何根据加工 需求进行产品组的划分。 1 2 1 石材异型制品产品组研究 成组技术以事物之间的继承性与相似性为基础，将生产技术、生产组织、生 产管理融合到产品的加工过程，通过一定的分类方法将它们归并成组( 族) 。然后 针对同组相似事物的共性问题，找出解决这一类问题的方法，节约时间与成本。 成组技术中用于产品组划分的方法2 1 主要有以下三种： 目测法，由人通过对图纸或实物的观察，依据经验分选出相似的产品进行组 的划分。因此带有明显的个人主观性与片面性，且分类方法比较粗略，一般用于 要求较低的产品。 生产流程分析法，通过分析全部被加工的产品的工艺路线，利用一定的方法 识别各制品间存在的相似的工序，从工艺相似性的角度划分出产品组。由于是从 工序的相似性出发，因此在产品的加工过程中尤为适用。 编码分类法，利用成熟的产品分类编码系统对产品进行特征分析及特征的编 码，将产品的相关信息按照所采用的编码系统规则转化为代码，再按照代码的特 点进行分类。采用编码系统的方式决定了编码分类方法的复杂性，计算工作量大。 1 2 2 石材异型制品排样优化 排样优化是在加工单元包括产品组和设备组划定后进行产品在工作台上布置 优化的工作。成组技术基于产品之间的相似性将其划分成组，这一组产品有着许 多共同的地方，在设备中作为同一类产品进行加工。石材异型制品加工设备通常 具有较大的工作台面，如企业最常用的桥式切机工作台尺寸一般为3 0 0 0 r a m 8 0 0 r a m ，而石材异型制品的尺寸相对工作台幅面要小的多。因此在同一工作台上 2 第1 章绪论 要布置多个产品同时进行加工。 国内外许多学者对产品的排样优化问题作了研究，将待加工的产品分为矩形 件与非矩形件。曾凤华以工作台为平面建立坐标系，以集合的形式来表示剩余矩 形，并采用实验的方式验证了基于剩余矩形算法进行排样优化的优判3 1 。c h e n z 等建立矩形件排样数学模型，以剩余矩形为划分准则进行了矩形件的排样研究【4 】。 p i n g c 等人基于直线式方法的简便性与易检查重叠性的特点，通过在非矩形件外 围包络规则形状的直线几何图形转换非矩形件的外形【5 1 。因石材异型制品复合加工 设备工作台多为矩形工作台，故本文采用基于剩余矩形算法的方式进行石材异型 制品的排样优化。 加工对象的分析是进行石材异型制品复合加工的基础条件，高效的加工工艺、 自动化程度高的石材加工设备等是促进行业进步的重要因素，是实现我国由石材 大国迈向石材强国的关键所在。复合加工技术的逐渐成熟使得其在加工领域越来 越受到重视，复合加工【每8 】是把以往需要通过多台设备和多道工序的加工集约于一 台设备上，一次装夹能自动进行同一类工艺方法的多工序加工或者不同类工艺方 法的多工序加工，从而在一台设备上顺序地完成工件的全部或大部分加工工序， 达到减少或消除工序间的物料转移、刀具更换等辅助性时间，缩短生产周期、提 高加工精度和节约作业面积的目的。 1 3 石材异型制品复合加工技术研究现状 复合加工技术经过多年的发展，首先在机械制造业中进行了一定的应用，其 “一台设备就是一个加工厂”、“一次装卡，完全加工”等理念已经开始被越来越 多的企业引入并进行运用。采用复合a n t _ 技术能有效的提高企业的生产及管理效 率，大幅提高产品的质量及产品附加值，具有常规加工所不能比拟的优势。目前 机械行业常用的复合加工技术主要有两种方式【9 】，一种是将传统的机械加工方法与 能量法相结合的复合加工，如机械加工与电解加工的复合、机械加工与超声波加 工的复合、化学与机械的复合加工等；另一种是以机械加工工艺为主的复合，即 多工序的加工通过一次或少数几次装夹完成，其j n - c _ 基础为工序集中【1 0 】。复合加 工技术的快速发展已成为制造业的主流技术【l ，不但能通过工序集中的方法缩短 工件装夹、换刀等辅助时间，还可以利用复合加工设备的功能优势有效降低加工 3 山东大学硕士学位论文 时间，具有高效、高质、高精度的特点。国内外多家石材设备生产商都采用工序 集中的原则设计制造先进的石材异型制品复合加工设备。 1 3 1 石材异型制品复合加工设备研究现状 随着石材加工技术的迅猛发展，国外石材异型制品复合加工设备的研发生产 以及更新换代不断加快。尤其是意大利、美国、德国等石材强国的先进石材复合 加工设备，具有较高的自动化、智能化水平，能够实现多轴的联动控制，控制系 统完善且人机界面宜人，能够高效的实现石材台面板、圆柱、球体、椭圆等各类 异型制品的加工。如图1 1 所示为i n t e r m a c 公司生产的m a s t e r 3 0 石材复合 加工中心。 4 图1 1m a s t e r 3 0 石材复合加工中心 表1 1 石材复合加工中心功能参数 第1 章绪论 通过表1 1 所示加工中心各参数可以清晰的得到复合加工中心具有高主轴转 速、大尺寸工作台、广泛的加工范围以及大容量刀库等特点。各加工中心通过多 轴联动均可实现锯、铣、钻、磨、抛等功能，同时通过设备结构尤其是执行切削 功能的主轴及刀架的不断创新优化( 如m a s t e r 3 3t w i n s 即采用双主轴) 使得 设备的复合化程度更加深入，能够在一台设备上实现一次装夹完成全部工序加工 的制品种类增加，有效提高复合n - f 设备的生产效率。 当然，在认识到国外复合加工设备各种优势的同时也要分析其存在的劣势， 国外复合设备最大的缺点在于价格昂贵，一台加工中心的售价在1 0 2 5 万欧元之 间，普通企业根本无法接受。除此国外复合加工设备对车间工作环境的要求较高， 日常维护费用也高，且一旦出现问题维修困难，停机时间过长，造成生产的中断 使得企业反而处于困境。同时，国内企业员工的操作水平较国外存在一定差距， 造成有着先进的设备却不能发挥其功用的局面，甚至因此造成设备及刀具寿命的 降低。 针对这种国外复合加工设备难以进入中国市场，而国内石材异型制品复合加 工设备空缺的现象，部分国内企业及高校在应用复合加工技术的基础上对石材异 型制品复合加工设备进行了研究。其中山东省石材工程技术研究中心研发的 s m c 3 2 0 5 型石材异型制品高效复合加工中心，如图1 2 所示，动力系统采用电主 轴，最高转速可达1 5 0 0 0r p m ，x 、y 、z 方向采用伺服电机与滚珠丝杠组合可实现 4 8 m m i n 、2 8 m m i n 、2 5 r n m i n 的进给速度，采用真空式气动吸盘保证制品的加工 精度及稳定性。该a n t _ 中心不但适用于普通板材的加工，同时对于石材企业生产 中面临的难加工异型制品具有良好的加工效果。沈阳建筑大学也着重于石材异型 制品复合a nt _ 设备的研究，通过对现有石材加工中心的动态分析，综合机械设计、 现代设计方法、创新设计理论及有限元分析法设计出异型石材车铣复合加工中心 的三维模型1 2 】，该加工中心雕刻、磨削时主轴转速可达8 0 0 0 1 5 0 0 0 r p m ，切削速 度为1 0 3 0 m s ，最大切削直径为5 0 0 m m 。能够实现回转、切削及磨削的多工序集 中加工，其s o l i d w o r k s 三维模型如图1 3 所示。 5 山东大学硕士学位论文 - c 2 夏汐4 专；掣德摹 ；屠 闻耋_ 兰 蜃晕善 图1 - 2s m c3 2 0 5 型石材异型制品复合加工中心 图1 3 石材车铣复合加工中心三维模型 拥有了先进的复合加工设备如何充分的利用其加工优势成为继加工设备问题 之后如何实现石材异型制品高效加工的关键所在。如果把复合加工设备比作是解 决问题的“硬件”，那么必须同时提高石材制品加工的“软件 技术才能彻底解决 问题，显然这里的“软件 技术对应着石材异型制品加工中的工艺问题，即复合 加工工艺的研究及应用l l 引。 1 3 2 石材异型制品加工工艺研究现状 企业的生产效率、产品质量不仅与加工设备的先进性相关，加工工艺同样起 6 第1 章绪论 着至关重要的作用【1 4 】。石材制品作为硬脆材料的一种，其加工方式主要有锯切、 铣削及磨削，锯切占据着石材制品的大部分工序，常用的锯切方式有金刚石圆盘 锯及金刚石串珠绳锯，相对应的加工设备有桥式切机、串珠绳锯机以及加工中心 等；铣削分两种方式，一种是采用普通铣刀设定走刀路线进行加工，如采用指状 铣刀进行雕刻加工，另一种方式采用的是成型铣刀，根据加工要求设计成形铣刀 的结构进行加工，一般面向批量较大的制品生产；磨削一般分为平面磨削与成型 磨轮磨削两种方式，磨轮的材质有金属磨轮与树脂磨轮，制品表面质量要求的不 同采用不同材质的磨轮。 目前国内石材企业大多采用单一的锯切、铣削等加工方式，未能对石材加工 工艺予以重视，更没有将加工工艺看作是直接影响产品质量及生产成本的重要环 节【15 1 。单纯依靠自身的加工经验进行产品加工工序、设备的安排，因此造成企业 一直处于一种人力、财力浪费的非常不经济、不合理的运营模式，利润率自然也 因没有最佳的工艺方案而大大降低。 晏辉从国内石材企业的加工现状出发，研究了石材加工工艺与加工质量、生 产成本、加工效率之间的关系，指出石材企业对加工工艺重视程度不够，加工技 术发展滞后；刘阳、袁杰针对石材制品分别进行了复合加工理论与复合加工设备 的研究，认为国内石材行业的加工技术仍处在人工操作为主的状况，未能及时进 行相关先进加工技术及设备的革新；李享德、张弘韬对花岗石的锯切工艺进行了 研究，并以最低生产成本为目标进行了工艺优化；赵玉刚、张健等对异型石材的 成型加工进行了分析，研究了金刚石圆锯片加工异型石材的工艺参数，指出了国 内石材行业存在起步晚、发展缓慢等问趔1 6 1 。综合石材行业加工技术的研究现状 可知目前国内石材企业加工过程中存在着以下工艺相关的问题： ( 1 ) 石材加工工序的处理问题，单凭工人的操作经验进行加工，没有合理的 或者优化的工艺路线； ( 2 ) 加工工艺方案的评价问题，未能建立适合于自身生产模式的工艺方案， 仅靠效仿或者直接借用其他企业的工艺方案； ( 3 ) 加工工艺的重视程度问题，将主要精力集中于设备的购买或改进，未能 对具有重要作用的相应的工艺进行研究。 石材异型制品加工工艺中存在的问题严重制约着国内石材异型制品加工技术 7 山东大学硕十学位论文 的发展，石材异型制品工艺路线安排的合理程度、工艺方案评价的好坏都直接影 响着生产加工，这也是国内石材企业一直在低端产品徘徊的原因。因此，提高石 材企业的效益必须从石材异型制品加工工艺路线、工艺方案入手，缩短生产周期， 提高经济效益。 1 3 3 工艺路线决策 加工工艺决定着企业的生产成本，同时也决定着产品的质量，工艺路线在加 工过程中占据着重要地位。同样的工序不同的排列方式所产生的影响是不同的。 同一产品的加工，车削在前铣削在后与铣削在前车削在后所耗费的时间、成本以 及与下一工序间接洽的合理性都会有着很大的不同。 为适应石材异型制品自身产品的特点，应选择一种最简洁、最合理的决策方 法。石材异型制品的信息包括其形状特征、材料特征、加工特征、辅助特征等， 而特征是一种包含几何、属性、制造三方面信息的形状单元，是工艺决策的基础 和依据。将产品划分为多个特征，每个特征包含产品的部分信息，细化一个完整 产品的加工，即将制品的加工转为组成制品的各特征的加工。 基于特征的工艺路线决策有着很多方法【1 7 1 ，目前常用的有：按照一定的决策 原则，采用加权算法对根据特征生成的特征工艺进行匹配加权，权值的大小根据 加工阶段进行赋值，最后按权值的大小进行产品的工艺排序，生成产品完整的工 艺路线；采用几何特征与工艺特征相结合生成产品信息模型，转化工艺路线决策 问题为具有多个未知量的函数解集，运用正向决策方法或逆向决策方法求解得到 工艺路线；以面向对象软件技术的三维几何造型方法为基础，从加工产品种提取 所需加工信息进行形面特征与加工特征转换，加工特征与多工序直接关联【1 8 1 构成 最终工艺路线【1 9 1 。 1 , 3 4 工艺方案评价 工艺方案的评价也即其可行性研究，影响工艺方案评价的因素有很多，从不 同的角度出发有不同的影响因素。对于不同的工艺方案，应根据不同的影响因素 考虑其合理性，从技术先进性上要考虑原材料的利用率、设备的生产能力、产品 的加工质量；从工艺实用性上要考虑所选择的加工技术是否符合于我国国情、工 人能否顺利的进行生产、相应的配套设备是否齐全等；从经济合理性上要考虑加 8 第1 章绪论 工成本、设备购置、产品销售等因素。 在工艺方案的评价决策的研究中，曹希彬，蔡力钢2 0 】等分析了工艺方案的生 成机理，建立产品的多工艺方案模型，将模型划分为四个层次，再利用模糊理论 对多工艺方案进行综合评价，得出最优加工方案；吴迎学 2 l 】通过改进传统的工艺 方案评价方法，充分考虑了各种影响因素后，建立新的评价指标体系，采用多级 模糊综合评价方法建立数学评价模型，将评价指标细化为具体的产品合格率、设 备折旧费、单件加工时间等指标，构造判断矩阵确定评价集决定各工艺方案的优 劣；p f c u n h a 2 2 1 提出了一种新的综合工艺方案和生产规划的决策方法，建立数学 模型来评价生产规划的有效性与可靠性，目的是提高经济效益满足车间生产时的 动态要求。 本文综合模糊理论与层次分析法，建立工艺方案的评价体系，寻求与加工密 切相关的评价因素，运用多因素评价方法制定具有层次性的评价体系，构建多目 标工艺方案的评价数学模型。 1 4 本文主要工作与章节安排 本文以石材异型制品为研究对象，通过系统研究复合加工技术的原理、应用 以及发展前景，结合石材异型制品的自身特点，建立石材异型制品复合加工技术 体系，分析石材行业的研究现状，发现我国石材行业加工中存在的影响企业生产 效率、利润率的问题。目的是提高我国石材行业的整体水平，降低生产成本、提 高产品质量与加工效率。 本文以石材异型制品产品组的建立、石材异型制品加工工序的排列、工艺方 案的决策、复合加工设备的方案设计及有限元分析分析、蝶形圆锯片加工台面板 边缘弧线实验为主要研究内容，具体章节安排如下： 第l 章：介绍课题的来源与背景；分析课题研究对象，即石材异型制品：阐 述石材复合加工技术的研究现状和发展趋势；概述我国目前石材异型制品加工工 艺中存在的问题以及复合加工技术的应用。 第2 章：在研究异型制品常用分类方法的基础上，结合石材异型制品自身的 特点，将成组技术运用到石材异型制品的加工中；运用成组技术对石材异型制品 进行加工单元的划分，包括产品组划分和设备成组；利用剩余矩形算法研究制品 9 山东大学硕士学位论文 在工作台上的布置问题，即制品的排样优化。 第3 章：建立石材异型制品复合加工技术体系，研究石材异型制品的复合加 工工艺，以形面特征为基础划分石材异型制品加工路线为各特征加工工序，利用 有向图法对特征工序进行排列，得出最终的工艺路线；建立石材异型制品加工工 艺方案的评价体系，结合层次法、模糊理论建立多因素石材异型制品工艺方案的 评价数学模型。 第4 章：进行石材异型制品市场需求分析，并根据制品的功能需求利用模块 化技术转化为设备的功能模块，进而进行石材异型制品复合加工设备的整体方案 设计；分析n i 中心的整机动态特性，得到低阶频率下振型；对石材异型制品复 合加工中心回转工作台进行结构设计及分析，采用s o l i d w o r k s 三维软件绘制，并 结合有限元分析法对回转工作台中的主轴进行静力学和刚度的分析。 第5 章：以台面板为加工对象，以蝶形圆锯片为加工工具，异型制品复合加 工中心为加工设备进行蝶形圆锯片切割半圆弧实验研究。分析蝶形圆锯片相对于 指状铣刀、普通圆锯片的优势，研究蝶形圆锯片的加工原理以及圆锯片切割的相 贯线与锯缝之间的包容关系。 1 0 第2 章石材异型制品产品组划分 第2 章石材异型制品产品组研究 由于石材异型制品泛指除矩形板材外的其余石材制品，因此异型制品包含的 种类繁多，进行生产加工时不同的制品有着不同的加工方式、工艺路线。目前石 材异型制品的加工多采用同类制品集中加工的方式，主要以制品的外形为依据， 如以加工方法为依据可将异型制品分为平面异型制品与立体异型制品，将平面异 型制品中的花线条，卫生间台面板，厨房灶台板，拼花板材，曲线边板材以及立 体异型制品中的动物、人像、植物等用于装饰造型的三维雕刻制品等根据结构特 点进行分类加工。 企业在生产加工中最常用的石材异型制品分类方式是结合石材异型制品本身 的特点与加工方式划分为：平面异型制品，主要包括花线制品与台面板制品；曲 面异型制品，主要指各种规格是弧形板；回转体制品，包括圆柱类和球类回转体； 雕刻制品，一般指平面浮雕与立体雕刻【2 3 1 ，如图2 1 所示。 图2 - 1 结合加工方式与制品特点的石材异型制品分类 根据石材异型制品生产加工中对制品的的分类加工可以看出其分类依据的出 发点在于制品的结构外形。然而企业在实际加工中看重的是在满足质量要求的前 提下以何种方式加工最节省时间，效率最高。加工时间的多少不仅与设备、工艺 相关，多个不同的制品如何分配到相应的设备中进行加工也影响着加工时间，即 不同制品之间加工的相似性与整个加工时间的多少有着密切联系。因此，把加工 1 1 山东大学硕士学位论文 过程相似的制品整合为一组产品进行加工能有效的缩短时间，不同制品如何根据 相似性进行成组可由成组技术来决定。 。 2 1 基于成组技术的石材异型制品研究 成组技术( g t ) 本质就是以事物之间的相似性为依据，通过建立不同的准则 或数学模型将满足准则的事物集成为一组，针对这一组事物寻求其共同的解决方 法，相比于单个事物的单个处理方式能显著提高效率。成组技术的最初应用便是 在机械制造领域，将产品按照一定的相似性划分成组，从而使原有的车间混乱的 产品加工方式按照一定的规则、顺序进行生产，改进企业原有的生产模式，使其 生产合理化。成组技术的本质在于各产品之间的相似程度，可以是形状的相似也 可以是加工方法的相似。 成组技术的应用不仅仅是在产品组的划分，在产品的设计、生产制造以及企 业管理方面都有者很好的体现【2 4 】。 ( 1 ) 产品设计 产品的设计往往是参考以往的经验设计以及通过对现有产品的改进来实现， 这就使得新产品表现出一定的继承性。成组技术正是基于产品间的继承性，寻求 所进行的产品设计与以往产品之间的相似性，最大限度的满足设计需求，而且因 为新产品与已有产品的相似性使得其在加工过程中更易于分类成组，节省新产品 制定新工艺的时间。对长期积累和不断创新的有关设计信息，通过分类、分析、 综合及总结，并以一定的形式进行存储，采取类似模块化的方法在新产品设计时 根据需求调用，保证新产品设计的质量稳定性。 ( 2 ) 生产制造 成组技术在车间生产制造中的应用使产品组的建立对应着成组工序的生成， 一组产品对应于一定的成组工序。根据成组工序中各工序、工步的加工内容进行 加工设备的规划，由于是同一组产品的加工，所以加工设备所执行的功能以及加 工工艺参数易于设定。同组产品具有相似的加工方式，因此可以根据一组产品的 共性特征进行成组夹具的设计，同一组内不同产品加工只需更换夹具中的部分零 件即可进行加工。成组技术在石材异型制品加工中的应用不仅有效的减少制品换 刀所需的设备调整时间，还能够通过成组工艺的优化缩短单个制品加工时制定单 1 2 第2 章石材异犁制品产品f h ：皂i j 分 个工艺路线的时间。 ( 3 ) 生产管理 应用成组技术建立的是多个加工单元，每个加工单元包含着一个或若干个产 品组以及相应的一组加工设备。因此，就形成一种按照成组生产系统进行加工的 模块化生产模式，即采取加工单元的方式进行组织生产，由一组工人、一组加工 设备、一个或若干个相近的产品组，这样就可以很方便的进行企业的生产管理。 将加工单元作为组成车间生产的最小单位，可以方便的进行不同产品的生产调度， 出现问题很容易查找问题的根源，相应的就可以避免同类产品再次生产时出现相 同的问题。 2 1 1 生产流程分析法 生产流程分析法是成组技术中按照产品加工过程中的工艺相似性进行成组划 分的一种方法。 生产流程分析法嘲以产品工艺路线的相似性为成组标准，通过对产品工艺路 线的分析，把工艺相似的产品归为一组，将待加工的产品划分成多个产品组。产 品加工相对应的加工设备也进行组织规划。将类似的产品分成组进行加工打破了 原有的产品界限，大大减少了准备时间和加工时间，既有利于产品的工艺设计、 夹具设计的标准化，又有利于计算机辅助工艺的发展。建立加工单元包含两部分 工作，第一，划分产品成组；第二，将设备成组。产品按照一定的相似标准也可 以认为是产品之间的相似度成组，然后根据产品组加工工艺的需要将加工设备分 配到各组。 生产流程分析法不但能够在加工工艺中节省加工时间、提高设备利用率，对 企业生产组织管理也是有着很大作用。产品按照工艺相似性分成加工组后，可以 形成一组工人、一组生产设备加工一组制品的生产单元，按照模块化的方法进行 组织生产，甚至可以添加辅助装置实现产品生产线模式加工。方便企业进行车间 设备的布局排放，易于组织管理，解决生产计划、组织管理复杂化，生产周期长， 准备工作量大等问题。 生产流程分析法能够将传统的车间布局转换为以产品为导向的布局【2 6 1 ，由工 厂流程分析、车间流程分析与生产单元流程分析三部分组成。工厂流程分析的任 1 3 山东大学硕十学位论文 务为统计和分析整个工厂的物流系统，合理的区分不同的生产车间以及相应的管 理部门，为各车间加工设备和生产任务的分配提供最合理的物料流程。车间流程 分析目的在于如何最大化的进行车间生产或车间规划，如何实现最短的物料流程、 如何安排设备的生产布局等。加工单元的流程分析是最重要的部分，决定着所有 产品如何进行分组，寻求最合理的加工单元的布置。 ， 石材异型制品加工过程中，加工工艺占据着重要地位，因此可以而且有必要 从工艺相似性的角度出发对石材异型制品进行产品组的划分。石材异型制品产品 组的形成是实现高效加工的先决条件。产品组划分后与实际加工联系更加密切， 将工艺相似的制品分成一组后可集中于一台设备上加工，既能节省更换夹具及重 新定位的工序时间，又能根据各产品组的大小以及数量的多少合理的规划生产车 间的加工设备布局，从而减少制品在各设备之间的转移、安装时间。 2 1 2 基于生产流程分析法的石材异型制品产品组划分 产品组的划分是进行加工的前提，产品组【2 7 1 由具有一定相似性的产品组成， 整个产品组包含其内部所有产品的加工特征，产品组的加工能够完全实现所包含 的产品的加工。产品组的生成有多种方法，以工艺流程图中各产品间的工艺相似 度为依据的产品组划分如下： 设某石材异型制品a 的工序为a l ，a 2 ，a n ，根据有向图知识可得各工序 a l ，a 2 ，a n 可视为有向图中的节点，制品的工艺路线由其中的若干节点组成【2 引。 不同制品之间的工艺相似可以用两制品之间的相似度来度量，相似度公式为： & = 争( 2 - 1 ) 其中， 瓯制品j 与制品i 的工艺相似度； g 甜制品j 与制品i 工艺过程图中相同的节点数； ，制品j 工艺过程图中所有的节点数。 相似度的计算需遵循以下准则： ( 1 ) 墨与甄是两个不同的相似度计算结果，不能等同； ( 2 ) 若两制品工艺过程图中所有节点均不重合，则瓯= 0 ，两制品之间不存在 1 4 第2 章石材异犁制品产品f f l j e l j 分 任何参考价值； ( 3 ) 若制品i 的工艺过程图完全包含制品j 的，则制品j 与i 完全相似，墨，= 1 ； ( 4 ) 若制品i 包含制品j 的部分工艺路线，则计算g f ，时，应依据制品j 工艺过 程图中节点的顺序计算与制品i 中的相同节点数。 确定相似度算法后，以石材异型制品中常用的花线制品、台面板制品、弧形 板、罗马柱、风水球为例探讨其划分产品组的过程。 首先确定各制品的工艺路线，去除制品加工前毛坯的整理以及加工完成后的 清洗、包装和检验等相同的工序。 花线制品：锯切一成型铣刀铣削一平面磨削一成型磨轮磨削； 台面板：锯切一平面挖孔一平面磨削一内孔磨削； 弧形板：锯切一专用磨削； 罗马柱：端面钻孔一锯切成型一锯切、铣削沟槽一圆环磨削锯切； 风水球：锯切一球面锯切成型一磨削。 根据各制品的工艺路线，计算各制品之间的相似度见表2 1 。 表2 - 1 制品相似度计算结果 为便于计算，定义矩阵r = ，j ；j ， i ；f = m a x ( 岛) ( i - - 1 ，2 ，3 ，4 ，5 j = l ，2 ，3 ，4 ，5 ) ( 2 2 ) 得： r = ( 2 - 3 ) 选取阀值c - - 0 5 ，将制品分为两组，其中1 、2 为一组，3 、4 、5 为一组。 1 5 ”弘5 弘d c ；n 0 m 巧药5 d 弱c；c；o仉 ”筋d 5 5 n c ；l o 0 5 d 5 巧 o l o m m d 5 弱筋” 山东大学硕士学位论文 2 1 3 石材异型制品加工设备成组 由成组技术中加工单元的组成知加工设备依附于所加工的产品，根据划分的 产品组的工艺路线决定设备的选取。划分设备成组例有两种方法，一是选择关键 设备，称为关键机床( 设备) 法。这种方法的关键在于确定加工过程中的关键设 备，所谓关键机床( 设备) 指整个加工过程中加工产品很少而不大可能出现在两 个或两个以上加工单元的设备。确定关键的设备后建立加工模式，即根据关键设 备加工的产品连带出的一系列完成产品加工所需要的其他设备，所有这些设备形 成一加工模式。在形成的各自加工单元的加工模式中会存在同设备共用的问题， 因此还需要进行模式合并或模式调整以减少这种重复现象；二是以加工设备之间 联系程度的密切性为依据决定两设备是否放在同一加工单元，同一产品组以相似 度为划分依据类似，设备之间联系程度的密切性可由相关系数来描述。 显然，第一种设备成组方法不但划分过程较为繁琐，而且加工模式的合并与 调整没有统一的标准，依赖于技术人员的经验。第二种方法从设备在加工单元的 功能出发按照产品组的特点进行成组，计算简单、易于操作。 设备间相关系数可用式( 2 4 ) 表示： x g ! i j2 赢 q 4 其中， x px 分别在设备i 与设备j 上加工的产品数目； 瓦既在设备i 上加工又在设备j 上加工的产品数目。 由上式计算出加工单元内每两台设备间的相关系数，就可以根据相关系数的 值确定设备之间相互联系的紧密程度，按照不同的具体要求将加工设备分成若干 绢。 2 2 石材异型制品的排样优化 2 2 i 石材异型制品的排样研究现状 产品组的加工效率不仅与加工设备、加工工艺相关，在工作台上的位置摆放 同样对生产效率起着重要作用。根据第l 章中石材异型制品复合加工设备的国内 1 6 第2 苹石材异刑制品产品组划分 外研究统计可知，各复合加工设备都具有大幅面的工作台，可同时加工多件相同 或不同的产品，因此产品的布局也是生产中的重要环节。 产品在工作台上的布局问题称为排样优化，排样优化【3 0 】指通过对产品的外形 与几何尺寸以及工作台的几何尺寸研究，使得产品在满足一定加工原则的条件下， 最大限度的实现产品加工的材料利用率。 石材异型制品的生产中，平面异型制品的需求量仍占据着相当大的比重，然 而根据市场的调查发现企业在进行生产加工时没有进行相关的制品排样工作。工 人根据自己的加工习惯进行生产，往往在大幅面的工作上仅放置少数几块制品就 开机加工，不但浪费工作台的空间，增加了开机、停机的时间，而且不能充分的 利用加工设备，造成设备资源的浪费。 石材异型制品的平面异型制品根据外形可分为矩形制品与非矩形制品，对于 矩形制品采用下述基于剩余矩形的算法在工作台上进行放置。对于非矩形制品则 需要首先进行外形预处理【3 l 】，转化为具有最小包络矩形的矩形制品。非矩形制品 转化为具有最小矩形外包络线制品具有三种基本方式，单排法、对排法以及组合 法1 3 2 】。 ( 1 ) 单排法，指相同的或相近的产品按照一定的角度进行摆放构成一个加工 单元，以多个产品构成的外包络线为最小的加工矩形： ( 2 ) 对排法，将同一组内的产品两两一组，方向对齐排列。适合于几何形状 为三角形或梯形等两端尺寸不同的产品； ( 3 ) 组合法，主要针对结构外形较复杂的非矩形制品。 2 2 2 基于剩余矩形的石材异型制品排样优化 制品在工作台上的排样不能随机的进行放置，在进行排样优化之前需首先确 定制品排样优化的准则： ( 1 ) 制品的布置不能超出刀具加工和工作台的范围； ( 2 ) 任意两制品之间不能重合； ( 3 ) 同一组加工的制品必须满足一定的工艺相似性。 石材异型制品利用剩余矩形算法【3 3 】进行排样优化的步骤如下： ( 1 ) 设工作台尺寸为l ( 长) w ( 宽) ，以工作台左下角为原点建立平面坐标系； 1 7 山东大学硕七学何论文 ( 2 ) 将待加工的制品进行排序编号为鼻( f = 1 ，2 ，刀) ，按照编号逐一排放并计 算剩余矩形空间，如图2 - 2 所示剩余矩形空间表示为：( 0 ，w ，x l , o ) ，( o ，只，厶0 ) ， ( o ，形，l ，只+ ) ，( 薯+ w f ，形，l ，0 ) ； ( 3 ) 将剩余的待排布的制品外形与剩余矩形进行匹配，匹配原则为制品的宽 度与剩余矩形的宽度求余最小； ( 4 ) 重复步骤( 2 ) 直至工作台无排放空