模塊化石材異型制品加工設備山東省石材工程技術研究中心，濟南250061摘要：在分析石材異型制品的市場現狀的基礎上，針對當前國內石材裝飾行業(yè)對經濟實用型多功能石材異型制品加工設備的需求，應用模塊化設計技術，通過功能運動分析，將設備劃分為包括雙立柱框架、水平動力頭、水平托板、回轉式工作臺等在內的10個功能模塊，結合可重構思想研制開發(fā)了石材異型制品加工系列設備。該系列設備以雙立柱和單立柱各一種設備為基型，通過動力頭模塊和工作臺模塊的互換、重構，即可得到不同功能的石材異型制品加工設備，可加工平面、曲面、浮雕、立體雕刻制品等大部分石材異型制品。關鍵詞：石材加工設備模塊化重構1概述近幾十年來，隨著建筑裝飾業(yè)的發(fā)展以及人們對大自然的崇尚，石材以其天然華麗的飾面效果、穩(wěn)定的物理化學性能和良好的加工性能在建筑裝飾、生活用具、藝術制品等方面得到大量應用，且用量越來越大，并向著高檔化、藝術化方向發(fā)展，需求的個性化趨勢也越來越明顯，規(guī)格品種數量越來越多。這就迫使石材加工企業(yè)的生產模式和設備必須具有足夠的柔性和敏捷性，能盡快地改變品種，更新設計，縮短生產周期，減少生產成本，提高產品質量和服務質量，以在激烈的市場競爭中站穩(wěn)腳跟。而市場上現有的加工設備中，即使是功能相對齊全的數控加工中心也因加工成本太高而無法滿足用戶的需求，這就使得石材異型制品市場的多品種需求和生產設備無法滿足要求的矛盾越來越突出。因此，國內迫切的需要多功能、低成本、適用面廣的計算機數控加工設備，以適應石材異型制品的生產模式，在最短的交貨期內以最低的成本、最高的質量滿足用戶的需求，提高在市場上的競爭能力。2設備結構方案設計針對國內對多功能石材異型制品加工設備的需求，我們擬開發(fā)模塊化石材異型制品加工設備。將模塊化設計技術、可重構思想引入石材異型制品加工設備研發(fā)和生產組織，通過模塊化技術實現設備的快速設計、制造；通過模塊的重構實現設備的多功能、多用途。2.1設備的功能、運動分析石材異型制品通常是指除矩形規(guī)則板材制品以外的其它所有石材制品，主要包括：（1）平面異型制品，如衛(wèi)生間面盆板、廚房灶臺板等；（2）曲面異型制品，如S形或波浪形等墻面用板材制品；（3）實體回轉面制品，如圓柱、工藝花瓶等；（4）雕刻制品，包括平面浮雕和立體雕刻，如畫框、透雕窗格等。2.1.1設備的功能、運動分析石材異型制品的加工工藝一般為：石料選擇→坯料加工→制品的型面成形加工→拋磨加工→清洗、防護、驗收。石材異型制品加工的關鍵是其型面的成形加工，分析各種制品的型面構成，如表1所示：表1各種制品的型面分析及運動分析制品種類型面構成及運動分析平面異型制品主要是二維平面曲線構成的臺板面制品，其型面大多由成型工具實現。加工時工具的上下運動實現打孔加工和邊緣曲線的加工，工作臺的前后運動和加工工具的左右運動實現平面二維曲線的插補運動曲面異型制品主要是具有公共母線或對稱中線的曲面板材制品，型面的加工大多由鋸片實現。加工時刀具的上下運動和工作臺的前后運動實現母線的插補運動，刀具的左右運動實現進給運動實體回轉面制品主要是具有對稱中線的柱體制品，型面的加工大多由鋸片實現?？抗ぜ陨淼幕剞D運動和刀具水平方向、豎直方向的進給運動實現加工平面浮雕主要是形狀復雜的臺板面制品，型面的加工大多由雕刻刀實現。刀具的上下、左右方向以及工作臺前后方向的插補運動相結合實現加工立體雕刻主要是形狀復雜的立體制品，型面的加工大多由雕刻刀實現。工件的回轉、刀具的左右、上下方向的運動以及動力頭YOZ平面內的擺動四軸聯(lián)動實現加工注：X——左右方向；Y——前后方向；Z——豎直方向；由表1歸納可知，對于一般的石材異型制品，如平面、曲面異型制品，設備所需要的總功能為：刀具的X向、Y向、工作臺Z向三軸方向的插補運動；對于實體回轉面制品，設備的工作臺要有回轉功能；而對于立體雕刻制品，還需動力頭在YOZ平面內的擺動。2.1.2設備的功能由石材異型制品需求的個性化發(fā)展趨勢不難看出，其生產特點為多品種、小批量、訂單式生產，且工期緊、競爭激烈。為了適應這一生產特點，石材加工設備在高效率、高質量的完成制品加工的基礎上，還需要實現一機多能，使得企業(yè)在保證產品質量且最大限度的滿足用戶的個性化需求的同時，能夠有效組織大規(guī)模、多品種的生產，獲取最佳的經濟效益。而市場上現有的設備卻無法滿足這一要求。為此，我們以模塊化設計技術為指導來進行模塊化多功能石材異型制品加工設備的開發(fā)。模塊化設計方法從解決石材異型制品品種、規(guī)格多樣化與石材加工企業(yè)的生產周期、生產成本之間的矛盾出發(fā)，通過自上而下的設計模式，實現了設備的快速設計，通過模塊的不同組合，實現了設備的多功能，從而增強了企業(yè)對石材異型制品的個性化需求的快速響應能力，提高了企業(yè)的市場競爭力。模塊化設計技術應用于石材異型制品加工設備，是在對各種石材異型制品，如平面異型制品、曲面異型制品等，進行型面及加工運動分析的基礎上，得到設備所要完成的總功能，對總功能進行劃分并設計出一系列功能模塊，通過不同的功能模塊的選擇和組合，可以得到不同功能的加工設備。在上述的制品型面分析中我們得到了設備的總功能，對總功能進行分解及模塊劃分如圖1所示：圖1設備的功能分解與模塊劃分2.2設備結構方案設計采用模塊化設計技術，從需求分解開始，將得到的總功能再逐步分解成各級分功能、功能元后，需要與適合的結構相互映射，并經過方案的優(yōu)選、經濟和技術分析后確定最終結構。由設備的功能運動分析得到，設備可以劃分為五個功能模塊，參考其他石材異型制品加工設備，規(guī)劃出模塊的實現部件如圖2所示：圖2各模塊的實現部件綜上所述，整個設備系列可細分為以下功能模塊：雙立柱框架、單立柱框架、水平托板、豎直托板、水平動力頭、豎直動力頭、雕刻動力頭、平移式工作臺、回轉式工作臺、平移＋回轉式工作臺。以其中的單立柱框架和雙立柱框架為基型，通過拼接不同的功能模塊即可得到不同功能的加工設備。以小規(guī)格回轉體制品加工設備為例，我們將雙立柱框架、水平托板、豎直托板、豎直動力頭和平移＋回轉式工作臺進行組合，即可得到小規(guī)格回轉體制品加工設備。圖3為該設備的結構示意圖。圖3小規(guī)格回轉體制品加工設備結構簡圖1－水平托板模塊2－豎直托板模塊3－雙立柱框架模塊4－動力頭模塊5－工件6－工作臺模塊7－鋸片2.3石材異型制品加工設備的快速構成我們在上文所進行的模塊化設計的基礎上，結合可重構思想來指導設備的開發(fā)，通過不同的功能模塊的重構來得到不同功能的加工設備。以圖3所示的小規(guī)格回轉體制品加工設備為基型，對不同的功能模塊進行組合，得到系列石材異型制品加工設備及其組成模塊如下：（1）平面異型制品加工設備＝雙立柱框架＋水平托板＋豎直托板＋豎直動力頭＋平移式工作臺；（如圖4所示）（2）曲面異型制品加工設備＝雙立柱框架＋水平托板＋豎直托板＋水平動力頭＋平移式工作臺；（3）平面雕刻制品加工設備＝雙立柱框架＋水平托板＋豎直托板＋雕刻動力頭＋平移式工作臺；（4）小規(guī)格回轉體制品加工設備＝雙立柱框架＋水平托板＋豎直托板＋豎直動力頭＋平移&回轉式工作臺；（5）立體雕刻制品加工設備＝單立柱框架＋水平托板＋豎直托板＋雕刻動力頭＋回轉式工作臺；（6）大規(guī)格回轉體制品加工設備＝單立柱框架＋水平托板＋豎直托板＋水平動力頭＋回轉式工作臺?！瓐D4平面異型制品加工設備及其加工制品2.4設備的控制方式設備的控制系統(tǒng)采用計算機控制實現加工所需的運動，對于一般的加工，只需實現X、Y、Z三個方向的進給運動和三坐標的伺服聯(lián)動，對于復雜加工，如立體雕刻等，還需實現工作臺的回轉和動力頭的擺動。設備加工信息可以通過激光掃描器（實物模型）、掃描儀（效果圖）掃描輸入，也可由CAD圖形信息輸入，建立制品模型信息，再通過圖像、圖形處理軟件完成加工信息的處理。3結論（1）根據石材異型制品的加工需求，通過功能運動分析，應用模塊化設計技術，將設備結構劃分為雙立柱框架、水平托板、豎直托板、水平動力頭和平移式工作臺等十余個功能模塊，各模塊間設置統(tǒng)一、標準的接口。（2）根據可重構技術的思想，在設備的功能模塊劃分的基礎上，以雙立柱框架和單立柱框架為設備基型，通過各種形式的動力頭模塊和工作臺模塊等功能模塊的重構，可以得到平面、曲面、回轉面和雕刻等異型制品的加工設備。（3）新型石材異型制品加工設備可按照模塊設計、生產，增加功能模塊或改變設備功能模塊的位置即可實現設備功能的變更，有效解決了石材異型制品的市場多品種需求和生產設備功能之間的矛盾，適應了生產需求。（4）用戶的一次性投資的一種基型構成的設備可加工目前市場需求的大部分石材異型制品，顯著減少了設備投資和投產周期，并有效提高了石材異型制品加工設備的利用率。參考文獻1賈延林．模塊化設計．北京：機械工業(yè)出版社，20032You-TernTsai．Thedevelopmentofmodular–baseddesigninconsideringtechnologycomplexity．EuropeanJofOperationResearch，1999,19:pp.692-7033張進生，王志，朱志遠．石材曲面制品集成制造技術研究與開發(fā)．機電一體化，2002(5)4廖原時，譚金華，高峰．異型石材．北京：中國建材工業(yè)出版社，19995王經坤，張進生，艾興.模塊化功能部件的概念模型及其應用.機械設計與制造工程，2002（1）

附錄資料：不需要的可以自行刪除Xxxxx煤礦Xxxx使用氣割安全技術措施一、施工概述根據工作安排，于2010年4月3日對xxxx維修，施工過程中需用氣割作業(yè)。為確保施工安全，特制定本專項安全技術措施。二、作業(yè)環(huán)境及施工時間1、作業(yè)地點位于我礦副井處，全負壓通風，符合煤礦安全規(guī)程氣割作業(yè)環(huán)境的要求。2、施工時間：xxxxxxxx。三、施工組織施工人員3人，其中現場負責人：xxx現場監(jiān)護工：xxx氣割操作工：xxx火種攜帶工：xxx灑水滅火工：xxx四、施工前準備（一）地面施工準備1、檢查氣瓶。必須認真檢查，檢查氧氣瓶、乙炔瓶閥門關閉嚴密無泄漏，氧氣、乙炔足量，壓力負荷達到要求，并認真清點好領取數量。2、檢查氣割器具。必須對氣管、減壓閥、氣壓表、回火防止器、割炬等認真檢查，確保氣割器具完好，氣管及連接部位不漏氣。3、氣割器具裝車。將氧氣、乙炔及氣割器具裝入礦車，作好入井準備。氧氣瓶、乙炔瓶不能裝在同一礦車內，且不得與其它可燃材料、大型金屬物件以及大塊矸石等混裝；氣管及其它器具不得裝車運輸，必須專人攜帶以防擠壞。4、入井要求。地面準備工作負責人持審批完成的氣割措施，在井口向把鉤人員登記氧氣、乙炔數量及施工地點后，方能將氣瓶和施工材料裝入礦車推到井口位置，準備下井。5、地面準備工作由xxxx完成，由地面負責人具體負責檢查確認。（二）井下運輸1、氣瓶二次檢查。將氧氣瓶、乙炔瓶下放到八號行人斜巷，派專人再次檢查氧氣瓶、乙炔瓶的裝車情況，并對運輸過程監(jiān)管。2、運輸路線：地面→主井→xxx→xxx。3、氣瓶運輸。氧氣瓶、乙炔瓶的井下運輸由xxx負責，按照井口登記的施工地點，將氧氣瓶、乙炔瓶運送到指定地點；xxx派專人在指定地點現場交接，并作好交接記錄。4、氣瓶卸車。氣瓶要小心從礦車中取出，接氣瓶人員拿穩(wěn)之后，取氣瓶人員才能松手，氣瓶要輕抬輕放。5、井下運輸監(jiān)管工作由xxx負責。器具交接、檢查由xxx現場負責人具體負責。（三）施工人員入井前準備1、施工人員要求。經過培訓考試合格并持證上崗，配齊防護用品。2、火源攜帶。火源為打火機一只，由火種攜帶工負責攜帶，火源入井時，要攜帶審批好的專項氣割措施，并在井口進行火源登記。3、施工現場施工人員必須攜帶便攜式甲烷檢測儀。4、施工人員入井前準備檢查工作由井口檢身工負責。（四）井下施工準備1、清理施工現場。將工作地點及附近前后兩端各10米2、放置氣瓶。氣瓶距工作地點間距必須在10米以上，且兩種氣瓶間距不小于10米；氣瓶必須垂直站立放置在3、備好水源及消防器材。工作地點應配備不少于0.2m3的消防沙和合格的4kg干粉滅火器2臺，工作人員必須了解滅火器使用方法；施工地點配有清水管路，4、井下施工準備工作由楊付強負責檢查落實；安檢員負責施工安全設施檢查。（五）氣割作業(yè)前準備1、人員到位?，F場負責人檢查氣割操作工、現場監(jiān)護工、火種攜帶工、灑水滅火工、瓦斯檢查工、安檢員到位情況。2、設定安全監(jiān)護。指定專人負責整個施工現場安全監(jiān)護。3、氣割前器具檢查。由氣割操作工再次對氣瓶、減壓閥、氣壓表、氣管、割炬等器具進行詳細的安全檢查，確認完好后，將各部件對接。4、現場灑水。由專職灑水工向施工點灑水，確保施工點10m范圍內潤濕。5、檢查瓦斯。瓦斯檢查工對氣割工作地點及附近20m范圍風流中的瓦斯?jié)舛群屯L狀況進行檢查，瓦斯?jié)舛炔坏贸^0.5%，只有在檢查證明作業(yè)地點及附近20m范圍內巷道頂部無瓦斯積存時，方能進行氣割作業(yè)。6、在施工點上風側3m范圍內，距頂板500mm處懸掛一臺便攜式甲烷檢測儀，以便隨時監(jiān)測風流中瓦斯?jié)舛取?、請示。經施工負責人、安檢員、瓦斯檢查工共同檢查確認無安全隱患后，由施工負責人向調度室匯報現場準備工作完畢，并請示調度室是否可以開始施工，經調度室許可后方能施工。8、施工前氣割設施檢查、連接工作由xxx負責；氣割作業(yè)前準備工作由現場負責人負責檢查落實；瓦斯檢查工負責施工前有害氣體檢查；施工負責人、安檢員、瓦斯檢查工共同檢查確認。五、氣割操作技術要求1、施工過程中氧氣瓶、乙炔瓶要直立放置，固定牢靠，不得在地上亂滾動，氣管必須理順，不得遭受擠壓或踩踏。2、氧氣瓶、乙炔瓶、減壓閥、氣壓表、割炬、氣管及連接部位等必須密封完好，不漏氣，氣壓表能正確指示。3、氣割作業(yè)時，槍嘴應盡量遠離附近纜線常灑水、設備，避免在工作中被氣割渣或火焰損傷。鄰近的可能被加熱的機械部分經降溫，以防損壞。4、施工中瓦斯檢查工應每隔30分鐘全面檢查一次工作地點風流中的有害氣體濃度，當瓦斯?jié)舛冗_到0.5%時，應立即停止作業(yè)，并用水迅速將熔渣冷卻。5、施工現場懸掛的便攜式甲烷檢測儀設專人觀察，實時監(jiān)測風流中瓦斯?jié)舛取?、氣割作業(yè)時，現場監(jiān)護工對氣割操作實時監(jiān)護，嚴格按規(guī)程操作；現場負責人經常對施工現場巡回檢查，發(fā)現異常及時處理。7、操作人員離開作業(yè)現場或暫停作業(yè)時，必須及時關閉氣瓶閥門，并設專人看管設備；停止作業(yè)必須拆除氣割用具。8、施工安全監(jiān)護人員為楊付強；安檢員負責安全設施檢查；瓦斯檢查工負責有害氣體檢查。六、安全技術措施1、施工人員在搬運氧氣瓶、乙炔瓶的過程中，要指定負責人，統(tǒng)一指揮，行走時注意防滑，步調一致，確保安全。2、施工前，要認真檢查構件氣割部位是否存在預應力，如存在，必須現場采取技術措施將應力釋放，以防施工時傷人或損害其它構件。3、氣割作業(yè)時，氣割點的下方必須使用鐵桶或鐵板承接熔落物及火星，氣割部位以及氣割掉的廢料必須及時灑水降溫，以防高溫物體灼傷人員。4、作業(yè)時，嚴禁作業(yè)人員將頭、手、腳放在兩個金屬構件之間，嚴防發(fā)生擠傷人員事故。5、在施工點上方懸掛的便攜式甲烷檢測儀必須確保讀數準確。6、作業(yè)時，施工人員要佩戴保護用品，穿好工作服、扎緊袖口，佩戴好防護眼鏡，以防刺傷眼睛和傷害皮膚。7、火源要由攜帶者專人妥善保管，嚴禁將火源用于非氣割作業(yè)的其它作業(yè)，嚴禁人員玩?；鹪?，隨意引燃。8、人員登高作業(yè)，如使用梯子，梯子要放置牢穩(wěn)，并派專人扶梯，登高作業(yè)時，人員必須佩帶保險帶。9、氣割作業(yè)中若遇到停風、風流出現異?；蛲邫z儀報警時，必須立即停止作業(yè)，關閉氣瓶閥門，待查明原因并恢復正常后方可重新開始工作。10、現場使用的措施必須由施工人員、安檢員和瓦斯檢查工共同簽字。11、施工環(huán)節(jié)要有確認、簽字，每項工作必須由負責人確認無誤、簽字認可后方可進入下道工序，嚴禁代替簽字。12、施工結束后，由施工負責人落實將現場簽字后的措施于8小時內送至安檢科和調度室備案。13、施工中，如現場負責人臨時不在現場，則必須指定專人行使職責。七、施工收尾措施（一）施工后現場管理1、作業(yè)人員在規(guī)定時間內完工后，要先關閉氣瓶閥門，及時收好割炬、氣管，核對氣割器具和火源數量。2、施工結束，必須將現場打掃干凈，施工現場再次灑水，經檢查無異常情況，由施工負責人向調度室匯報作業(yè)完畢，經調度室許可后方能離開作業(yè)現場。3、指派專人現場監(jiān)視1小時，及時將未熄火源熄滅，冷卻高溫物體，發(fā)現異?，F象，立即處理。4、施工后現場管理工作由現場負責人負責；并由現場負責人指派專職灑水監(jiān)視施工后的現場情況。（二）施工后，氣瓶及施工器具管理1、作業(yè)完成后，氣瓶及施工器具必須當班裝車升井，不得在井下存放。2、氧氣瓶、乙炔瓶不能裝在同一礦車內，要分礦車運輸，經檢查確認后交運輸隊升井；氣壓表、氣管及割炬由專人攜帶升井。3、引燃火源由火源攜帶者專人攜帶升井，上交到隊值班人員。4、氣瓶及施工器具升井后，安排專人（施工前地面準備工作人員）負責認真核實升井設備數量，嚴禁將施工器具及火源等遺留在井下。5、施工器具回收由現場負責人負責；地面清查施工器具和氣瓶工作由井上負責人負責。八、施工組織措施及安全責任劃分1、現場負責人：施工人員組織、安全、質量及措施的監(jiān)督、確認。2、氣割操作工：施工機具、施工材料的安全檢查，按照施工措施和本工種操作規(guī)程要求進行安全作業(yè)，保質保量完成施工任務。3、現場監(jiān)護工：對安全設施和施工環(huán)境檢查，施工安全、質量、措施執(zhí)行落實，并對每道施工工序進行確認。4、灑水滅火工：準備施工現場消防設施，施工時對施工點灑水、降溫。5、火種攜帶工：火種攜帶，并妥善保管。6、瓦斯檢查工：施工現場的有害氣體檢查。7、安檢員：施工現場安全設施檢查、安全操作檢查、消防設施檢查及措施執(zhí)行情況監(jiān)督、確認。