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1、1 前言1.1 石材行业的发展天然石材自古以来就成为一种优质的建筑材料，具有质感好、外观庄重、机械以及物理化学性能好，如耐压、耐磨及耐腐蚀等优点。在古代，石材的加工完全是靠手工来完成。直至到了19世纪，欧洲才出现了第一台用于加工石材的机械，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。进30年来，我国石材开采和加工业的持续发展推动了我国的石材机械制造业的兴旺。1.2 异型加工机械由于异型加工制品附加值高，无论碑石和石材家具制造还是现代的建筑装饰，对异型石材加工机械的需求与日俱增。石材的异型加工如果用人工，则劳动量大、生产效率低、抛光成本高，难于满足质量要求，而且
2、运用金刚石工具耗损快。因此国外出现了许多专门针对异型石材设计的机械设备。异型石材加工机械按制品加工形状的不同可大致分为两类：一类是用来加工等截面的异性石材制品；另一类是来加工截面不等的立体制品，二者控制维数是不同的。对于异型石材制品的加工形状不同，对机械的要求也是不同的。对于用来加工等截面的石材异性制品，或者截面相似，但面积不等的异型制品以金刚石串珠绳锯和高压水射流技术为主，而对于用来加工截面形状不等的空间立体制品则主要是仿形、数控机械为主。1.3 国外发展动向1.3.1 国发展特点（1）单机设备多能化；目前，国异性石材制品加工设备的功能越来越多、用途也越来越广。（2）向专业化、集成化生产配套
3、方向发展；为了满足高自动化要求的石材生产项目的需要，国石材专业化生产配套设施越来越完善。（3）向智能化、机电一体化方向发展，设备自动化程度逐渐升高；异型石材设备已经开始使用可编程控制器、计算机控制技术及变频调速器等，提高了工作效率和使用寿命。1.3.2 国外发展特点（1）石材设备品种越来越全；各种功能的异性石材加工设备以及加工中心应有尽有，几乎所有形状的异性石材制品都有相应的加工设备以供选择。（2）设备的性能和控制系统日益改善，加工设备的功能逐步提高；用各种电脑程控设备来加工形状比较复杂的立体雕刻制品或画像，有的可以选配激光扫描器，对于小型模型，通过配备专用的软件，直接进行加工，不再需要琐碎的
4、编程工作。（3）功能更加完善、操纵系统的兼容性更好的数控加工中心的应用；由CNC/CAM，刀具库来提供加工各种曲面的刀具，可实现铣、磨、切削、钻孔、抛光等工序。（4）向高自动化、高效化的方向发展；石材生产除了单机设备的自动化以外，主要是通过配备自动输送系统，使生产线连接成一个整体，实现生产的连续自动化，提高了生产的效率。总而言之，异型石材加工机械正向数控、多功能、单机智能化的方向发展，但是与世界先进水平相比我国石材设备在技术性能、自动化的程度、品种的匹配等综合性能上还存在着很大差距，所以我们应该积极发展，努力开拓、研制出更高水平的异型石材加工机械，提升我国在国际市场上的竞争力。2 总体方案的设
5、计及最优方案的选择2.1 总体方案设计异性石材平面加工异性制品的平面加工所需要的运动都比较简单，三个运动轴无需联动、选用一般的平面铣加工工具就可完成加工。影响铣床布局的主要因素：机床的抗振性以及刚性要求； 铣削系统进行铣削时切削力变动所产生的振动较大，所以机床刚度是个值得注意的问题。一般来说，框架式的布局（如龙门铣床）比悬臂梁式的布局（如单臂铣床）刚度要高，工作台不升降式的布局比升降式的布局刚度要高。宽导轨双壁联结和窄导轨单壁联结加垂直筋条，都是为了提高床身的刚度。工件本身的大小和形状；工件的形状和大小及各个坐标的行程和方向都要求不同，工作台的布置也是不同的，如加工大型的工件时一般都采用龙门式
6、的；加工中型的工件一般都采用工作台固定不升降的，而加工小型的工件一般都采用升降台式布局。选用材料要合理；床身、立柱等支撑件一般都采用钢板或型钢焊接而成，具有减轻重量提高刚度的特点。将型砂或者混凝土等阻尼材料填充在支承件的夹壁中，可以有效地提高阻尼特性，增加支承件刚度。2.2总体方案模块划分机械设备一般按主轴在空间所处状态划分为立式的和卧式的，因为立式结构的机械设备适应于加工复杂的轮廓、曲面以及板类工件等，根据加工的异性制品的特点，首先可把数控铣床的结构形式确定为立式的，并且采用封闭式结构。铣床的总体的功能是由相应的功能模块来完成的，按照模块化的设计特点以及模块划分的原则，将设备的总体功能可分解
7、成四大功能模块，包括控制、机械、冷却及润滑以及其它辅助的扩展功能模块。根据各种异形石材制品的加工特点、设备运动的功能分析来对设备模块分解：1动力模块 是带动加工工具来进行主旋转运动、带动加工刀具进行辅助旋转运动以及带动工件进行X、Y、Z三个方向的直线运动。2运动模块 是实现加工工具相对工件的X、Y、Z三方向的运动部件的模块。3支承模块 是用来支承、连接其它的部件，并使其在工作过程中保持准确的相对位置和运动关系。4功能扩展模块 是扩大设备功能的模块为以后设备功能做准备。2.3 最优方案的选择 2.3.1方案一图2.1龙门式铣床2.3.2方案二图2.2 工作台移动式单臂铣床示意图立式数控铣床的应用
8、围在数控铣床中最为广泛。小型立式数控铣床与普通立式升降台铣床的工作原理相差不大，铣床的工作台可以自由移动，但是升降台和主轴固定不能移动；中型立式数控铣床的工作台通常可以纵向和横向移动，主轴可沿垂直方向的溜板上下运动；大型历史数控铣床在设计过程常考虑扩大行程、缩小占地面积以及刚性等技术上的问题，所以往往采用龙门式，主轴可在龙门架的横向和垂直方向的溜板上做纵向运动。（1）图2.2铣床的运动方式：铣头可沿立柱上下移动，立柱可沿底座横向移动，工作台可作纵向移动。（2）特点：纵、横向行程都可根据需求增减，以改变加工的围。这两个方向移动精度较高，但横向移动部件比较重，需设置卸荷的装置。一般B=500125
9、0m由于铣床的规格为：800*1200mm，因此对铣床的刚度要求并不是很高，从机床的刚度和抗振性及操作方便性和制造成本等方面比较，最优方案选择二。2.3.3机构原理1主电机；2横梁；3丝杠；4主轴；5工作台；6立柱：7铣刀； 8丝杠； 9步进电动机； 图2.3异型石材数控铣床工作原理：1主电动机通过一法兰与主轴箱连接，再将运动传递到4主轴，主电动机带动主轴旋转，主轴带动7铣刀旋转，完成对石材的铣削。 9步进电动机通过锥销套筒联轴器与3丝杠连接将旋转运动转换成直线运动实现主轴箱通过溜板在2横梁上完成X方向的运动。2横梁通过手轮的调节在6立柱中间的8丝杠上完成Z方向的运动。石料置于5工作台上，工作
10、台由另一台步进电动机带动通过联轴器与滚珠丝杠连接，完成Y方向上的进给运动，从而完成整个对石材平面的加工。3数控铣床的机械结构典型的数控铣床的机械结构主要有以下几个部分组成。（1）机床基础件，如床身、底座等。（2）主传动系统。（3）进给系统。（4）实现工件回转、定位的装置和附件。（5）刀架或自动换刀装置（ATC）。（6）自动托盘交换装置（APC）。（7）辅助装置，如液压、气动、润滑、冷却、排屑、防护等装置。（8）特殊功能装置，如刀具破损监控、精度检测和监控装置等。（9）各种反馈信号装置及组件。3.1基础件数控铣床的基础件通常指的是床身、立柱、横梁、工作台、底座等结构件，由于它尺寸较大，俗称为大件
11、，是构成机床的基本框架。其它部分则附着在基础件上，有的构件还需要沿着基础件运动。由于基础件起着支撑和导向作用，因而对基础件的基本要刚度好。此外，由于基础件通常固有频率较低，在设计时希望它的固有频率应尽量高一些，阻尼尽量大一些。3.1.1立柱的设计立柱的功能是支承部件载荷和引导横梁沿其导向面完成准确的相对运动。立柱导轨应满足下列要求：导向精度高、寿命长、刚度及承载能力大、结构简单、便于加工和维修等优点，因此立柱导轨选用滑动导轨。滑动导轨的类型有：1山形与V形截面，2矩形截面，3圆柱形截面，4平面环形截面，5燕尾形截面由于立柱的导向精度不太高，根据要求可选择燕尾型的导轨如下图所示：图3.1.1立柱
12、立柱由铸铁制造，中间部分装有丝杠，两侧为燕尾型的导轨，悬臂横梁悬挂在立柱上并通过螺纹与立柱中的固定丝杠联结。为了提高刚度和抗振性除了合理的选择截面外还要在两侧布肋。采用鑲条调整导轨的侧向间隙。尺寸为：3.1.2工作台的设计工作台不升降的铣床也称无降台式铣床。工作台以及滑座支承在床身上，工作台做纵横两个方向的运动，主电动机带动主轴做旋转运动，同时，整个主轴箱沿立柱做垂直的升降运动。故机床刚性好，适合高速切削加工比较重和大尺寸的工件。目前有两种工作方式：（1）十字工作方式 这种铣床工作台在滑座和床身上完成纵横两个方向的移动，主轴箱沿立柱作上下移动，同时主轴作旋转运动。（2）立柱移动式 这种铣床的工
13、作台只作纵向移动，立柱带着主轴箱一起作横向运动，同时主轴箱主轴沿立柱作垂直升降移动。综合考虑，选择第二种立柱移动式工作台。 工作台主要由步进电动机、联轴器、滚珠丝杠、夹紧机构等组成。其特点是整机紧凑，调整灵活。工作台导轨承载大，结构简单，要求导向精度高，制造维修方便。根据上述要求选择矩形截面导轨，设计工作台如图所示：图3.1.2工作台所以材料选择冷硬铸铁，硬度一般在HB320以上。采用鑲条调整导轨间隙，导轨的平面度应达到0.05mm。工作台的尺寸：960mm1400mm3.1.3横梁的设计横梁是数控铣床上的一个重要大件，横梁结构尺寸和布局形式决定它本身的静动态特性，而这些特性对设备的性能影响很
14、大，体现在加工精度、抗振性、使用寿命等。铣床在布局规划时已经确定了横梁的外观，而横梁的部结构的设计需对其动静态性能研究获得，由于石材设备加工精度要求没有机械行业的设备的要求高，所以无需采用复杂的横梁结构，横梁的导轨选用滑动导轨，截面形状采用燕尾型导轨。根据要求横梁的设计如下：图3.1.3横梁结构图横梁由结构钢焊接而成，用鑲条调整间隙，横梁的导轨面可采用磨削加工。按加工规格，选定横梁尺寸为横梁的受力分析：图3.1.4横梁的受力分析P1=1814NP2=2775NMc=P1L1+P2L2=18140.996+27750.508=3217N.m （3.1.1） （3.1.2）横梁符合要求3.1.4主
15、轴箱的设计铣床的主轴箱也是铣床的一个重要组成部分，箱体的设计是根据被加工件的要求，主轴的放置，运动以及动力的传递，转速的要求。主轴箱通常是由前端盖、后端盖和箱体三部分组成。主轴箱的尺寸：bh=192mm495mm，为了减轻横梁上的载荷，主轴箱的厚度=10mm连接方式：用以法兰与主电机连接，如图3.1.5所示主轴箱的两侧有几个凸台，是为了方便将主轴箱固定到溜板上。图3.1.5主轴箱的结构图3.1.5溜板的结构设计溜板是带动主轴箱在横梁的导向面上完成X方向的相对运动。材料选择：HT200。结构图如下所示：图3.1.6溜板3.2数控铣床传动系统数控铣床的传动装置是指将电动机的旋转运动变成直线运动的整个机械传动链及其附属机构。传动装置是一个重要环节，因此，数控铣床传动装置的设计除了具有较高的定位精度之外，还应具有良好的动态响应特征。3.2.1主传动系统数控铣床的主传动系统包括主轴电动机、传动系统和主轴部件。主传动是由三相异步电动机
