石材楼梯扶手加工专用设备的设计

李涛，张进生，王经坤，王志

(1.山东大学机械工程学院，山东济南250061;2.山东省石材工程技术研究中心，山东济南250061)

随着建筑装饰业的发展以及人们对大自然的崇尚，石材楼梯扶手以其天然华丽的饰面效果、稳定的物理化学性能在建筑装饰业得到广泛应用。但是楼梯扶手加工复杂，设备操作繁琐，工人劳动强度较大，生产效率低，制约着楼梯扶手加工技术的发展，难以满足市场的要求[1];同时由于进口加工设备价格昂贵，很难被我国市场和客户接受，因此，迫切需要研发适合国内市场的加工石材楼梯扶手的专用设备来满足市场需求。为此，作者在工序集成及模块化设计研究的基础上，开发了一种加工石材楼梯扶手的专用设备。

1 石材楼梯扶手的加工技术现状

1.1 石材楼梯扶手的加工工艺

石材楼梯扶手形状、图案各异，截面形状归纳起来大体有以下几种，如表1所示。

表1 楼梯扶手截面形状分类

根据楼梯扶手的特点以及市场需求状况，选择了一种比较典型的楼梯扶手进行研究，其横截面是由曲线与若干直线段构成的直线形楼梯扶手，长度一般在1 000 mm 左右，最宽处不超过100 mm，长径比大约为10，如图1所示。下面主要以此类楼梯扶手为例进行讨论。

此类直线型楼梯扶手在石材制品中属于花线制品，加工特点为通过铣刀进行单侧铣削加工[2]，具体的加工流程如图2所示。

图2 石材楼梯扶手主要加工流程

根据市场调研，采用现有的加工工艺，加工大理石楼梯扶手，从毛坯(1 200 mm×60 mm×100 mm)至如图1所示，生产率计算卡如表2所示。

表2 生产率计算卡

根据生产率计算卡，可以统计出一些相关的主要加工数据，如表3所示。

表3 现有扶手加工设备主要加工数据

1.2 加工中普遍存在的问题

目前传统的石材楼梯扶手加工是利用石材磨抛设备，根据横截面的特征及外廓曲面制定或选用相应的铣磨轮对毛坯进行加工[3]。

通过对现有石材市场楼梯扶手加工的调研，发现现有加工工艺流程及设备普遍存在以下问题:

(1)加工工艺路线长，需多次更换工具和人工调整，相应地增加了工人的劳动强度。

(2)加工设备功能单一，组成生产线需要多台设备，占地面积大，搬运量大，效率低，劳动强度大。

(3)多数企业的加工工艺参数一般是凭经验摸索的，生产成本高，保证质量稳定较难。

2 专用设备的设计

2.1 设计原则

设备的设计应满足的基本要求:

(1)功能多，适应性强，能够适应常见截面形状楼梯扶手的自动化加工;

(2)加工精度高，加工效率高，生产成本低;

(3)造型美观大方，符合人机工程学要求，操作应便捷，容易掌握;

(4)便于维护。

根据上述设计原则，需要对楼梯扶手加工工艺进行合理改进，提高生产效率;在保证设备性能要求的情况下，考虑设备的成本，包括材料、加工制造费用，从而提高使用经济效益;考虑人机关系，保证操作的方便、省力，解决使用维护中的问题[4]。

2.2 加工工艺方案的确定

针对现有楼梯扶手加工工艺流程繁琐、加工效率不高等问题，根据楼梯扶手在长度方向上较大的特点，加工工艺采用工序集成，将粗加工、半精加工、精加工、抛光等工序集成在一起，并且有效利用自身重力固定加工位置，大大减少辅助时间，从而提高加工质量和效率。具体加工流程如图3所示。

图3 石材楼梯扶手主要加工流程

综上分析，可以最终确定楼梯扶手的加工工艺方案为:选择石材坯料材质→坯料的加工→坯料的工序集成加工(粗加工、半精加工、精加工、抛光)→清洗→检验→入库。

2.3 功能规划

根据上述工艺方案，那么刀具与工件在加工时的相对运动也随之确定，而机床运动功能模块的分配是由多方面因素决定的，一般是本着满足性能要求的同时，以有利于提高加工效率和质量、操作、维护方便为原则[4]。

石材楼梯扶手的加工关键是型面的成型加工，需要成形刀具相对于工件水平方向、竖直方向和前后方向(简称x、y、z 方向)运动，那么相应的设备应具备x、y、z 3个方向的运动部件，以满足其加工要求。

为了快速响应市场、降低产品开发成本、缩短开发周期，便于设计、生产组织及使用、维护，机械部分采用模块化设计[5－7]。通过功能和运动分析，参考其他石材异型制品的加工设备，可设计出设备的整个功能体系，其中包括设备的功能、功能元、功能模块以及各功能模块对应的实现部件等，如图4所示。

图4 专用加工设备功能分解

综上所述，楼梯扶手加工设备分为五大功能模块:支撑框架模块、输送带模块、竖直托板模块、水平托板模块和动力头模块。通过各功能模块的标准接口连接组装[7]，即可组成具有楼梯扶手加工功能的设备。

2.4 主要参数拟定

根据机床的设计原则，参照常用制品的规格参数，结合加工工艺，同时依据建筑结构载荷规范(GB 50009)、中国建材行业标准(JC 202-92)、石材加工用金刚石磨具标准(JB 5205-1991)等，确定了设备的主要规格和技术参数，见表4。

表4 设备的主要规格和技术参数

2.5 方案设计

(1)设备的布局

设备的总体布局如图5所示。该设备采用卧式布局形式，支撑模块5为基本的支撑框架，工件7 依靠自身重力放置在工作台上，动力头模块4 固定在竖直托板模块2 上，同时带动铣刀6 作主运动，实现楼梯扶手的加工。输送带模块1 带动工件，实现工件x 向的进给运动，把传统加工楼梯扶手的固定式工作台转变为可以自动进给的工作台，方便流水线作业，有利于批量生产;竖直拖板模块2 带动动力头模块4 作上下移动，从而实现了刀具的y 向进给运动;人工调节水平托板模块3可以实现工件的z 向进给运动[8－12]。

图5 石材楼梯扶手专用加工机床简图

(2)设备的主要部件

根据机床的经济性能原则，机床床身的支撑模块主要采用焊接件，大大降低了机床的成本。

输送带模块采用高强度树脂作为工作台面，从而避免了目前的加工设备以铸铁为工作台带来的锈迹难以处理的难题。

(3)生产率的计算

在同一加工条件下，根据拟定的设备主要参数，结合现有加工设备加工楼梯扶手的具体数据，采用工序集成，加工相同毛坯(尺寸为1 200 mm×60 mm×100 mm)的大理石至同一形状(如图1所示)，得出生产率计算卡如表5所示。

表5 生产率计算卡

由此，可以统计出一些相关的主要加工数据，如表6所示。

表6 加工专用设备主要加工数据

对比表3与表6可以看出:在同样的加工条件下，加工相同毛坯(尺寸为1 200 mm×60 mm×100 mm)的大理石，采用工序集成方法，工件的转换、装夹固定次数比传统工艺加工时各减少3次，加工效率约为原来的3.5倍，相应地工人劳动强度、加工成本会大幅度降低，加工质量会有很大程度的提高。

3 结束语

(1)采用工序集成，优化了现有的加工工艺路线，减少了辅助时间，提高了加工效率;同时减少了加工过程中人工调整次数，减少了人为因素的影响，改善了加工质量，也减轻了工人的劳动强度。

(2)采用模块化设计，通过功能、运动分析，将设备结构划分为支撑框架模块、水平传送带模块、竖直托板模块、水平托板模块和动力头模块，便于设备的设计、生产以及维护;同时改变现有设备功能单一的缺陷，使一台加工设备具有从粗加工到成品的功能集成的优点，缩小占地面积，便于批量生产，提高效率，降低成本。

(3)主要部件采用焊接件，工艺性好，具有良好的经济性，降低了制造成本;输送带模块采用高强度PVC 聚氯乙烯树脂作工作台面，使用方便、可靠，同时解决了台面的防锈难题。

【1】张进生，张良智，王志.石材异型制品加工技术[M].北京:化学工业出版社，2006.

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【4】戴曙.金属切削机床[M].北京:机械工业出版社，2004.

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【9】张进生，王志，朱志远.石材曲面制品集成制造技术研究与开发[J].机电一体化，2002(5):26－28.

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【12】彭小敢.高精度三轴镗孔专用机床的设计和研究[D].大连:大连理工大学，2009.