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石材异型制品自动化加工技术与设备概述

 

近年来建筑装饰业对高档次石材制品需求量增加, 石材异型产品在装饰石材中所占的比例逐步提高,人们审美观点也在不断改变。对异型产品的种类、形状、精度和产品的尺寸都提出了较高的要求。传统的手工加工方式很难满足市场的需求,所占的比重也在逐年减少,同时以数控技术为核心的自动化加工技术也越来越多的应用于石材行业,推动了行业的发展,本文将简述石材异型制品的自动化加工技术与设备。

  一. 石材异型制品的定义与分类

  石材异型制品可以理解为除石材板材制品以外的其它所有石材制品,都可归类为石材异型产品。石材异型制品分类的方法很多,我们仅讨论按其加工方式进行分类。

  平面异型制品,如平面浮雕制品,壁炉,卫生间面盆板,厨房灶台板,花线条,拼花板材,曲线边板材等,其形状可以是对称的、也可以是不对称的。这类制品的成型运动是刀具或工作台沿X、Y、Z方向的平移。

  异型回转体制品,主要是各类异型或规则形状的圆柱,花瓶,栏杆柱等,其形状特点是制品具有轴对称性。这类制品的成型运动是工件的回转,刀具具备两个呈正交的运动关系,其运动方向与回转体的旋转轴线在同一个平面。

  石材立体异型产品,包括立体人像、动物、植物等装饰物造型的雕刻品,雕刻成型的柱体、柱座和柱头等。它们既可能是非对称和不规则的,也可以是轴对称或规则的制品。要求最少四维,刀具沿X、Y、Z方向的平移,工件的回转运动,有些设备还有刀具轴的摆动和前倾运动。

  不同种类的石材异型制品所采用的加工方式是不相同的,在加工技术及装备上都有自己的特点。

  二. 石材异型制品的自动化加工技术与设备

  目前有各种各样的方法加工石材异型制品,涉及到的加工设备种类繁多,根据制品类型的不同,适用的加工设备和加工方法也有差异。

  1. 仿型技术及设备

  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,形成的机构仿形特点,并具有的输入输出点坐标关系同步的特性,以制品模型为依据,进行的一种机械加工方式。

  现在越来越多的设备能够进行仿形控制。仿形控制与数字控制在原理上有根本区别。它是利用仿形仪作为检测和反馈元件 ,根据仿形指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。数字仿形控制 (Numerical Tracer Control,简称 NTC)按照其数控插补出来的轨迹的不同可划分为直线 NTC、圆弧 NTC和其它曲线 NTC。数字仿形包括直线 NTC和圆弧 NTC两大类。因为从控制原理上看两者的区别仅在于 :一个进行直线插补 ,另一个进行圆弧插补 ,而基本的仿形原理是相同的。目前国内也已开发出多种类型的仿形设备。
操作工艺

  OMAG公司的生产的ID86系列液压仿型车床,是用于回转体和圆柱成型、抛光的液压伺服车床,可以用于加工母线是任意曲线的回转体柱类产品。

  2. 数控机床及单机生产线

  数控,即数字控制,在机床领域指用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法。数控机床是采用了数控技术的机床,或者说是装备了数控系统的机床,机床组成框图如图1所示。现代的数控机床都采用计算机作为控制系统。数控技术和计算机辅助设计与制造技术的发展,正在使传统的机械设计与制造方式发生根本变化。特别是现代化计算机数控机床的普及应用,由于采用了计算机辅助数控编程,缩短了产品的制造周期,提高了产品的竞争能力,具有明显的经济效益和广阔的发展前景。当前数控技术已进入第六代,具有一定的开放性。

  用于异型石材加工的数控加工设备除了多功能数控加工中心外,还有数控铣床,数控车床,数控圆柱雕刻设备,数控桥式切机,数控金刚石串珠锯,数控回转面加工设备,数控石材异型台面加工设备等。

  数控铣床主要是加工非回转体制品,OMAG公司的95 TOP、911CN、921CN等机型都是数控铣床类设备。数控车床是专门用于加工罗马柱、扭纹柱、花瓶、栏杆等母线是任意曲线或直线的柱或球类等产品。OMAG公司的CN94、CN98P等型号设备是具有CNC系统的数控车床。OMAG公司的CN88系列产品以加工回转体和立体雕像制品为主。山东大学建机中心研究的SSH型数控石材回转面加工设备,是采用三坐标计算机数控系统,配合回转式工作台的异型石材制品数控加工设备。可以完成空心异型柱体、弧板等加工工序。山东大学建机中心研制的SST系列设备是数控异型台面加工设备,按设计造型要求把板材加工成各种装饰或实用台面板,并将其内外边缘进行铣、磨、抛光加工,适于各种异型台面板材内外边缘花线的铣、磨、抛光加工,并可加工各种孔。

  3.多功能数控加工中心

  多功能数控加工中心一般用来生产立体异型石材产品。这类设备通常是将多个普通数控加工中心的功能集中于一台设备上。设备的很多功能可以通过增加选配件实现。只有一个圆柱铣刀动力头的数控加工中心,一般需要五维控制,即设备必须能控制工件的旋转角度定位、圆柱铣刀类刀具的水平(x轴)、垂直(z轴)、前后(Y轴)的移动和定位,以及刀具轴本身的摆动角度这五个方向的运动,这是完成雕像类产品加工需要的最少控制维数。中国石材网

  工件转速的调节是为了适应不同材质、硬度的石材(如大理石、花岗石等)加工,刀具的转速还应加以控制;如果需要增加加工回转体功能,工件的转速必须可以调节,以满足不同直径产品的加工。如果需要完成多种形状的异型制品加工,可以再增加一个安装圆锯片的锯切动力头,实施对工件的锯切加工。该动力头可以与圆柱铣刀型刀具的动力头安装在同一个活动横梁上,X、Y、Z三个运动方向也都可得到控制。锯片可以沿通过其直径的垂直轴转动(锯片平面360度旋转).转动角度的定位可以得到控制,所以该锯片可进行各个方向的切割。如果再赋予这个动力头的垂直轴摆动功能,设备对所增加的锯切动力头可以进行五维控制。

  为了提高多维数控加工中心的自动化程度和生产效率,设备还配备有容量为10—25把刀具的刀具库,加工过程中根据需要自动更换刀具。

  多维数控加工中心一般采用图形编程和模型扫描两种方法,建立制品造型的程序。对于简单或规则对称的制品,可以用CAD(计算机辅助设计系统)中几何模型软件,建立需要设计和加工产品的二、三维几何模型程序,将所选定的尺寸和形状参数定义几何模型的有关尺寸;如果修改这些参数,还可以生成其它尺寸和形状的几何模型。CAD的二、三维图形功能非常大,是数控加工中心必备的图形设计软件。CAM是按照图形程序指导和编排刀具加工的计算机辅助制造程序。它包含了三维图形全部加工模式的数据库,控制动力头、刀具或工件按照所要加工的几何图形的形状运动,并可自动选择和更换刀具,完成加工。对于人物雕刻这类形状复杂的立体雕刻制品,由于使用手工编程生成几何模型的操作非常复杂、工作量太大,所以为了简化操作、提高生产效率,可以使用激光扫描的方法,对预先制作的小型实体模型进行扫描,通过数控系统转换成图形程序提高了编程的效率和准确度。在功能齐全、控制维数多的数控加工中心上,除了安装有图形设计程序外,一般都配有激光扫描装置,以完成各种形状制品的仿型加工。

  目前世界上最先进的石材数控加工中心都具备上述控制功能,如意大利的MILL98型数控加工中心(如图2所示)。该机为开放式结构,操作者可以从设备的前后左右四个方向安放工件,具有很强的组合性。设备的活动横梁前后(Y铀)运动,刀架、左右(X轴)运动,可在活动横梁上安装圆柱铣刀和圆锯片两个独立的运动动力头。每个动力头可以分别相对于X或Y轴摆动、单独升降、沿x轴独立运动,锯片还可相对于自身平面360度转动。在活动横梁和动力头的下方,配备有如同车床一样、加工回转体用的卡盘及尾架,可选配摆动角度可以控制的摆动工作台,总的控制维数达到十二个。CNC控制着每个加工刀具X、Y、Z运动,摆角度移动或转动角度移动,工作台摆动或车床卡盘转动等运动之间的同步性。该机还配有刀具误差的测定、计算和修正系统,二维平面制品轮廓形状和尺寸的仿型机构和图形转换软件,VISICAD—VISICAM软件,激光器扫描仿型复制系统和真空吸盘等附件。如果希望刻字加工,还可配备将刀具转速提高到20000rpm的增速装置,以适合安装小直径的刻字刀具。一般来说,只要多维数控加工中心的配备齐全,就可加工立体、平面和回转体等所有类型的异型石材产品。

  三. 发展趋势与展望

  当前,国内外石材异型制品加工设备,正向数控、单机智能化、多功能化、小型化方向发展。面向金属加工的自动化技术的不断发展也将带动面向石材异型品加工的自动化技术的发展。与世界先进水平相比,我国在石材技术设备上还存在很大差距,所以我们应着眼于未来,积极进取,努力开拓,研制出具有更高水平的新型石材加工设备,增强我国在国际石材市场上的竞争力。

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