新型石材加工数控锯石机的设计构思

【摘要】 随着建筑装饰业和石材加工业的发展，石材制品应用越来越广泛，但制品发展与设备先进性之间仍然存在一定矛盾，比如设备加工的质量难以满足装饰的质量要求、自动化程度低、材料利用率低，环境友好性差等等，因此，设计新型、高效锯石机，以满足石材加工业的发展需要, 是很有必要的。

【关键词】 石材、锯石机、步进电机、节能、环保、自动化

中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：

1963年中国利用油压千斤顶生产出了第一颗人造金刚石, 却只能在试验室里长期束之高阁。1957年政府投资建设了一批石材加工厂, 但设备小、土、乱, 许多仍为手工操作, 专门的石材机械生产行业此时没有真正形成。1978年以后, 随着中国大规模经济建设的需求, 天然石材需求量猛增, 加工石材的机械生产就顺势而上。1978年至1986年是中国大规模引进国外石材设备为主时期, 几年间共引进200条生产线, 主要引进的有石材成套加工生产线, 石材工具生产线, 金刚石生产设备等。此时, 中国的大批技术人员也开始到意大利、德国等石材工业及石材设备先进的国家去学习，开始了自己的石材机械与工具的仿造生产。今天, 中国已经能生产出绝大部分石材设备与工具, 且价格与性能均能满足国内的一般需求并有一定数量的出口。

我国锯石机械的现状及发展方向

我国锯石机械的发展现状

随着我国石材行业的迅速发展, 对石材加工机械提出了更高的要求, 在广泛吸收国内外同类产品优点的基础上, 许多石材机械厂研制了全自动大径圆盘锯石机, 该机可加工荒料规格大、自动化程度高、生产效率高、切割板材质好。进口圆盘式锯石机质量好, 但价格昂贵，国产圆盘锯的锯片直径一般较小, 不能切割大规格板材,且自动化程度低。

目前国内市场上圆盘锯石机可大致分为多片式圆盘锯石机和单片式圆锯石机。生产效率比较高的一种多片式圆盘锯石机是安装最大直径为1200mm的金刚石圆锯片, 主要用于生产400400mm石材板材, 该种多片式圆盘锯石机可安装锯片一般为30多片, 最多片达50片。多片式圆盘锯石机在生产小规格板材中发挥了优势, 但在大板生产中却受到限制, 发展速度缓慢。单片式圆盘锯石机是目前国内板材加工厂家普遍采用一种锯石机, 大致可分为单臂式圆盘锯石机, 龙门式双柱圆盘锯石机和四柱圆盘锯石机。

我国锯石机械的发展方向

根据石材市场的需求, 我们在综合考察众多石材工厂家的基础上, 本着满足市场需求的原由,经过严格的技术设计和技术改进, 自行研制开发了双型导轨与双燕尾导轨结合的高精密龙门大圆锯石机。该型号设备主要由横梁系统、内框架结构、外框架结构及主轴系统、台车系统和电控柜组成。横梁系统采用整体铸造, 结构合理, 强度高, 不易变形；内外框架系统采用刚性连接,运行平稳、移动灵活；主轴系统沿外框架导轴自上向上往复运行, 随内框架系统沿横梁导轨作左右往复运动。电气控制系统可实现手动操作和自动操作功能。采用直径2500mm圆锯片可锯切1100mm宽的大板石材, 性能稳定, 而且可锯切大型薄板, 受到广大用户的一致好评。

进入21世纪以来，尤其是伴随着机电一体化技术的飞速发展，给我国的机械产业带来了前所未有的革命。机电一体化技术与切割机械的逐渐结合，大大提高了系统（产品）的附加价值，即多功能、高效率、高可靠性、省材料省资源，并使产品结构向短、小、轻、薄化方向发展，从而不断满足人们生活的多样化和生产的省力化、自动化需求。因此，我国锯石机机械产业的发展，势必以提高机械性能、降低生产成本的伺服控制系统导入机械控制；采用高技术、高品质、价格适中的控制系统，提高机器品种、产能及加工层次，以提高国际竞争力。

本设计构思的内容及意义

本设计的内容

新型石材加工数控锯石机的设计构思是设计一台带有自动进给功能的石材切割机，使用的可编程或单片机为控制核心进行设计。

预期达到的目标

本设计采用M-CS51系列单片机控制板，液晶显示屏直观显示操作设置的技术参数，可通过上下方向键调节切石的厚度、切削速度等，轻触式按键控制，轻松实现人机对话。设计合理，结构简洁，从而使设备操作维护简单，调整方便、快捷、准确，自动化程度高。

本设计构思的来源及实际应用意义

本设计构思来源于实际生活，随着建筑和装饰等行业对石材产品要求的提高，石材加工装备和工艺也要相应地得到较快发展。但目前石材加工设备除少量引进外，大部分是由国内厂家生产的，其电控设备仍然采用继电器方式，可靠性差，自动化程度低，维修费用大。特别在自动分片控制中采用时间继电器定时控制，其定时精度低，电动机速度受电源波动影响大，导致生产质量低，成本高。

本次设计是一种新型石材加工数控锯石机，它结构简单、可以克服现有的传统系统复杂、振动大、不易切割大型薄石板等缺点。同时稳定性高、造价低，适应石材加工工业发展的需要，特别是对超薄型大石板的需要通过创新设计，使该机具有可加工超薄型大石板、节约能源、自动化程度高等特点。

新型石材加工数控锯石机总体方案设计构思

工艺方案

将规定大小的石材放在工作台上，由步进电动机控制刀具和工作台的运行位置，X、Y、Z三个方向分别由三个不同的步进电动机控制。通过单片机控制X、Y、Z三个方向的步进电动机使其在不同时间分别运行, 从而使刀具和工作台达到预期位置，实现切石的过程。首先由单片发出脉冲使控制Y轴的步进电动机1以规定的速度和时间运行，控制切石的厚度。同时控制X、Z轴方向的步进电动机不工作。在完成规定的切石厚度后，单片机向控制Z轴方向的步进电动机2发出脉冲（即工作台），同时X、Y方向的步进电动机停止工作，来实现进给。结束后，单片机向控制X轴的步进电动机3发出脉冲，反复完成此过程就能完成切石过程，同时通过行程开关控制X、Y、Z方向的行程，当X、Y、Z三个方向中的某一行程超出了规定的范围外，行程开关就会运行使步进电动机停止工作，防止刀具因过行程而碰到机身或做无用的切削。刀具本身的旋转是靠减速电动机实现的，可通过对步进电机的调速而改变切削速度，达到调节切石厚度的目的，直到切石厚度达到规定的范围之内。本设计还配有LED液晶显示器，可以随时跟踪切削速度，显示切石的厚度等参数，如需要可以随时调整切片的厚度，不仅大大提高了生产率，还能保证切石厚度的均匀，保证石材的质量。

工艺路线图

根据上述方案，本次设计锯石机的机械传动工艺路线简图如下：

5.执行机构方案设计

传输机构方案设计

本设计沿用了以往石材机械的传输机构，与以往机械最大的不同是在传动机构上与机电一体化技术的结合。在本设计中，X、Y、Z方向运动的电机选用的是步进电机，通过单片机可对步进电机实行数字方式的速度和运行时间控制，克服了传统石材机械加工精度不高、人为误差高的特点，并且使切出的切片厚度均匀，大大提高了切片的整体质量。

锯石机构方案设计

由于切石的厚度很薄，对选用的传动机构的精度要求很高。所以本设计采用了具有较高精度的滑动丝杠和滚珠丝杠，用来分别实现刀具在X和Y轴方向的运动。Z轴方向的运动是通过工作台的运动来实现的。本设计的刀具机构中，将刀具固定在特制轴上，刀具旋转是通过减速电极带动v带再由v带传递给刀具来实现的。（运动原理示意图可见图所示）

5.3后续需要具体进行的工作有：

新型石材加工数控锯石机机械部分设计与计算，主要包括V带的设计计算、Y轴步进电动机的选择、滚动轴承寿命的校核、齿轮传动设计计算。

微机控制锯石机控制系统设计，主要包括确定机床控制系统方案、主要芯片配置、键盘设计显示器设计、越界报警电路设计、程序控制设计。

步进电机接口电路及驱动方式的选择。

6.结论：在综合吸收现有产品的优点之上，此次设计构思的产品优势如下

性能大幅度提高，成本降低，使本产品在同类产品中更具竞争力。

加工精度更高、柔性化好，有利于提高石材的利用率。

结构简洁、自动化程度高。通过采用步进电机调节切削位置和切削厚度。同时，通过LED显示器将切削厚度实时向用户显示。操作上更简单、方便、直观。

参考文献：

(1) 《单片机教程》王晓明 曾红编 东北大学出版社

(2) 《电动机的单片机控制》王晓明编 北京航空航天大学出版社

(3) 《机械设计》孙志礼等编 东北大学出版社