CN103909456A - 数控宝石磨抛一体机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是一种数控宝石磨抛一体机，尤其是贵重、纯天然刻面型宝石的加工；属于刻面型宝石加工机械设备领域。技术方案是包含机体、移动装置、摆动装置、旋转装置、两个测量装置、升降装置及数控系统；移动装置设置在机体的安装板上部，升降装置设置在机体的安装板下部，摆动装置连接移动装置，旋转装置连接摆动装置，移动装置自身左右摆动，摆动装置的摆动臂沿其旋转轴做轴向摆动，旋转装置各部中心线在同一直线上，做轴向转动，两个测量装置分别安装摆动装置、升降装置上，测量升降装置上的磨盘、抛光盘高度及旋转装置上的宝石工件底部高度；数控系统有序、精确控制移动装置、摆动装置、旋转装置、升降装置的运动，完成宝石工件的圈形、刻面的磨削及抛光。快速精准，产品工艺好，效率是目前的5到8倍。

Description

数控宝石磨抛一体机

技术领域

本发明涉及的是宝石加工设备领域，尤其是贵重、纯天然刻面型宝石的加工设备。  

背景技术

目前，纯天然宝石加工，主要是靠人工目测借助简单的宝石加工机械进行加工，劳动强度较大，宝石质量不稳定，工艺不好；现有的天然宝石加工机械主要如图一所示，机架上有一设备部件安装板，电机安装在安装板下部，盘的安装座安装在电机轴上，电机直接驱动盘旋转。加工时可根据不同工艺更换磨盘或抛光盘，即磨料时安装磨盘，抛光时，再换抛光盘；安装板上部装有升降台，八角手一端倾斜放在升降台上，另一端装有待加工宝石落在盘上，加工时，通过调整升降台的高度，改变八角手与盘的角度，此角度又随着磨削深度的变化而变化，角度的大小与磨削深度成正比，磨削深度的大小来自操作者给八角手向下压力和磨抛时间，磨削深度随着压力、时间加大而加大，反之随着压力、时间减少而减小；每粒宝石都有多个面构成，因面的磨抛角度大小的不确定性，工艺就得不到有效落实，不仅仅影响其外在的美感，更主要是直接影响其商业价值。 

另外，近几年市场上出现的自动化程度较高的宝石加工机械有很多种，都是针对人造宝石而研发的；因人造宝石原料价格低，毛坯可根据要加工产品规格的大小，使用切割机进行切割，毛坯具有同一性，即同规格产品的毛坯是相等的长方体或圆柱体。而天然宝石原料形状各异，同规格产品的毛坯差异也很大，不具备形状的同一性，显然这些宝石机械不能用于天然宝石的加工。 

天然宝石因其稀少而贵重，衡量一个宝石的价值，主要由材质、规格、重量、工艺四个方面因素综合决定的，材质是天然的，不是人能改变的；规格是人工依据切除原石中的杂质、气泡及裂纹后的毛坯的大小而决定的，小的就是小的，绝对不能变大；相同材质、规格宝石的重量主要决定其高度值，天然宝石的高度是在宝石的宽度75%--55%之间，也就是说依据毛坯的高度在其宽度75%--55%这个范围内，加工时力求高度最大化，确保其重量；工艺决定宝石的美学价值；宝石在加工过程中常常因操作者无法控制的失误导致产品出现缺陷，有的失误导致原料降低一两规格使用，甚至报废；造成浪费。 

目前，在加工过程中，宝石常常出现的缺陷及原因如下。 

尺寸不当：宝石要求粒径、长、宽误差不超过0.05mm超过者则为尺寸不当。特殊要求例外，有些普通货要求误差不超过0.1mm即可。原因是操作者经验不足、操作失误或设备精度不高造成的。 

蒙：宝石要求呈金刚、亚金刚光泽，全部或部分板面光泽不够，呈雾状，灰白色即为蒙。一般是因为抛光不好造成。 

沙界：板面与板面之间交接线或板面当中有一条线没有抛光，呈白色线、褐色线，即为沙界。因抛光不到而造成。 

沙孔：在板面之中，点状，呈黑色、褐色、白色，因抛光不干净而形成，也称麻点。 

漏光：宝石要求从冠部射入的光线在亭部经过再次反射后全部从冠反射出来，如果光线在亭部折射出去而不是从冠部反射回来称为漏光，通俗地说就是光线在亭部漏掉。因为亭部角度太小，亭部不够高而形成。 

厚边：宝石要求边厚为粒径的2%，理论上超过2%即为厚边，但实践上边厚一般为2%左右，留一线或两线边，明显超过两线则为厚边，磨石圈边留边不当形成。 

失圆：圆形石不圆整，杂形石形状不标准即为失圆，是因为手工光边不当而造成。 

蒙界：板面与板面之间交接线抛光不好，呈灰白色线，称为蒙界，是蒙的特殊表现形式。因为抛光不好而造成。 

分板：本来应磨成一个板面，而形成两个或两个以上的板面称为分板。一般是因为操作不当或设备精度不高而造成。 

不接线：宝石一般要求上下两层板面之间或同一层板面与板面之间是角与角相接，如果不是角接，撞或离则为不接线，一般是因为磨石位置不当或力度不当而形成。 

星撞：星板与星板要求角与角相接，如交接成一线即为星撞，也称星踫。一般是因为力度不当或设备精度不高而形成。 

星离：星板与星板应为角接，如分离不接即为星离，也称星移。一般是因为力度不当或设备精度不高而形成。 

台面大小不当：一般要求台面为粒径50%－55%，过大过小均为不当。太小造成光度不够，太大造成火彩太弱。一般是因为磨石位置不对或力度不当而造成。 

综上所述，目前宝石的加工方法及宝石加工机械均不能满足宝石的商业价值最大化，需要研发一款新的天然宝石加工机械设备。 

发明内容

本发明的目的是解决上述纯天然宝石加工过程中存在的缺陷及现有宝石加工机械的不足，提供一款全新的数控宝石磨抛一体机。包含围形、刻面、抛光，机械一次性自动完成，省时省力，操作简单，效率高，工艺好，加工余量小，避免原料浪费，达到产品规格最大化、重量最大化、工艺最好化，实现宝石原料商业价值最大化。 

技术方案：本发明的数控宝石磨抛一体机是由机械和数控系统两大部分组成。 

一、机械部分按照功用分为测量装置、升降装置，移动装置、摆动装置、气动夹紧装置、旋转装置、机体七大部件；机体上部设有部件的安装板，移动装置安装在安装板上部；升降装置安装在安装板下部；摆动装置安装在移动装置的工作台2上；旋转装置安装在摆动装置的安装坐上；测量装置有两个，一个安装在摆动装置的摆动臂上；另一个安装在升降装置上部磨盘挡水圈上。 

移动装置由安装座22、导轨6、工作台2、连接板、丝杠5、步进电机4、“零点”感应器8组成，步进电机驱动丝杠通过连接板带动工作台沿导轨左右移动。移动的距离是确保宝石加工时处在磨盘或抛光盘的工作区域内。 

摆动装置由蜗轮蜗杆减速机35、旋转轴21、摆动臂9、“零点”感应器36、，伺服电机34等组成，伺服电机驱动蜗轮蜗杆减速机35通过旋转轴21带动摆动臂9做顺时针或逆时针摆动，旋转装置随其摆动，粘接杆上的宝石工件的轴线与升降装置上的磨盘或抛光盘的角度随着摆动的变化而变化，这个角度称为该面的层角。 

旋转装置由摆动臂9上的电机安装座、联轴器18、弹性夹头38与夹头套15气动夹紧装置、粘接杆16、宝石38、“零点”感应器17、伺服电机10等组成，电机通过联轴器驱动由弹性夹头38、夹头套15组成的气动夹紧装置带动粘接杆上的宝石旋转；旋转的角度就是宝石加工的点或面偏离“零点”位置的角度值，这个角度称为该面的面角。 

升降装置由导轨41、安装座42、花键轴11、花键套33、花键轴轴承座39、花键套轴承座40、磨盘12、抛光盘13、皮带轮27、联轴器30、挡水盘14、“零点”感应器32、测量装置23、丝杠29、丝杠螺母31、伺服电机28、交流电动机25、变频器37组成，由伺服电机驱动丝杠旋转通过丝杠螺母带动花键轴承座上下移动。磨盘12、抛光盘13安装在花键轴上部的安装座上；盘的转动速度由变频器输出的频率控制，宝石的加工点或面到磨盘或抛光盘的距离，就是磨盘或抛光盘的升降高度，称为面高。 

夹紧装置与粘接杆装配的端面上有一个限位槽，粘接杆中部圆弧面上设有定位销，在加工过程中，有两个作用，一是粘接杆与夹紧装置的位置关系保持不变，二是粘接杆的高度相对夹紧装置保持不变；其目的是保证宝石在加工过程中冠部与亭部反粘后加工位置的对应关系。 

磨盘安装在花键轴上部的安装座上，抛光盘安装在磨盘上部，安装座中心设有圆柱销，上部有螺纹，用螺母拧紧，使磨盘、抛光盘与花键轴成为一体，磨、抛光盘的旋转是由花键轴与之装配的花键套上的皮带轮通过皮带与交流电动机装配的皮带轮联接而转动的，转速是通过与交流电动机联接的变频器发射的频率由系统软件控制的。 

二、数控系统由控制器、触摸屏、系统软件、数据库、感应器开关、滤波器组成。 

为使操作者工作时方便，工作台上设有相关的启动、停止、数据加载按钮等，作用等同于触摸屏对应按钮；因伺服电机与驱动器有闭环控制，所有伺服电机工作时不丢步，控制精度高，机械的升降装置、移动装置、摆动装置、旋转装置分别由伺服电机、步进电机驱动，其位移量按照控制系统程序中的动作指令快速、精准到达指定的位置，磨抛盘由交流电动机驱动高速转动，经过逐个点、面的加工，就完成了宝石的从围形、刻面磨削、抛光的加工。本发明的效果是自动化程度高，操作简便，省时省力，加工效率高、工艺好，又可根据原料的高度在工艺要求范围内方便调整产品参数，具有“保重”功能。加工效率为目前的5到8倍。 

附图说明： 

附图1 目前纯天然宝石加工机械结构示意图

附图2 本发明实例的整机结构“零点”位置示意图

附图3 本发明实例“测量盘高”时的结构示意图

附图4 本发明实例“加工状态”的结构示意图

附图5 本发明实例气动夹紧装置结构示意图

附图6本发明实例粘接杆结构示意图。

图中：1、机体；2、工作台；3、触摸屏；4、步进电机；5、滚珠丝杠；6、导轨；7、丝杠固定坐；8、零点感应器；9、摆动臂；10、伺服电机；11、花键轴；12、磨盘；13、抛光盘；14、挡水圈；15、夹头套；16、粘接杆；17、旋转装置零点感应器；18、联轴器；19、盘高测量装置；20、触针；21、摆动臂轴；22、移动装置安装坐；23、宝石高度测量装置；24、触针；25、交流电动机；26、皮带轮；27、皮带轮；28、伺服电机；29、滚珠丝杠；30、联轴器；31、滚珠丝杠螺母；32、零点感应器；33、花键套；34、伺服电机；35、减速机；36、零点感应器；37、感应器；38、弹性夹头；39、花键轴轴承座；40、花键套轴承座；41、导轨；42、安装座。 

具体实施方式：开机后，如图2所示，点击系统的“回零”按钮，机械的各部按照控制系统程序的复原指令，先后回到“回零”，做好加工前的准备工作。 

磨盘、抛光盘高度的测量：如图3所示，在宝石加工中，磨盘12、抛光盘13会有少许磨耗；触摸屏3调用“盘高测量”窗口界面，按压相关的移动按钮，步进电机4驱动丝杠5转动，使滑动工作台2向左或向右移动，选择测量磨盘12还是抛光盘13，使盘高测量装置19的触针20处在测量盘的工作区域内，再启动升降装置的伺服电机28，通过联轴器30带动滚珠丝杠29转动，丝杠螺母31带动花键轴轴承座39上升，磨盘12、抛光盘13安装在花键轴11上部的安装座上，用螺栓紧固，磨盘12、抛光盘13也随之上升，当盘高测量装置19的触针20碰到测量盘面时，控制器得到一个信号，伺服电机28立即停止，系统自动扫描测量值并保存；同时，伺服电机28反转回到“零点”待机，这是保证加工精度的一个必要条件。 

宝石高度测量：如图2所示，在“零点”位置，按压“启动”键，伺服电机28启动，滚珠丝杠29转动，丝杠螺母31带动安装在花键轴轴承座39上部挡水圈14上的测量装置23的触针24上升，当触针24碰到宝石底部时，控制器得到一个信号，伺服电机28立即停止，系统扫描并储存触摸屏3上显示的宝石高度值；这是保证宝石重量最大化的一个必要条件。 

数据库中的数据内容；宝石由冠部、亭部及腰部组成，冠部、亭部表面分别是由多个小平面围成的多面体，每个小平面有层角、面角及面高三个参数，小平面与宝石中心轴线构成的角度为层角；过宝石中心轴线的一个面设定为基准参照面，小平面与基准参照面的夹角为面角；加工时，小平面与磨盘12、抛光盘13平行，小平面相对磨抛盘的“零点”位置的距离为面高，腰部是由一条或多条曲线相切构成，且具有一定的宽度，曲面内与中心轴线平行的直线相对磨抛盘的“零点”位置的距离为腰部过该点的直线面高；数据库中的数据包含产品的层角、面角、面高、盘的工作区域、腰部曲线特征参数及工艺方面的速度等参数。 

系统读取加工数据：依据“宝石高度值”，系统中有自动、手动两种加载模式，选择其一读取数据库中对应的有关数据。 

数控系统按照读取数据库中的有关数据赋值给程序中有关参数，如图4所示，经计算步进电机4包含丝杠5、工作台2等组成的移动装置，使宝石在盘的工作区域左右移动；伺服电机10驱动包含联轴器18、弹性夹头37、所示及夹头套15组成的气动夹紧装置如图5所示、粘杆16如图5所示、宝石38组成的“旋转装置”转动，其中心线在同一线上，旋转角为该加工面与对过宝石中心轴线的基准参考面即零点位置的夹角即面角；伺服电机34通过包含安装在移动装置滑动工作台2上的减速机驱动摆动臂轴21及安装在摆动臂轴21轴端的摆动臂9组成的“摆动装置”摆动，摆动臂9与其零点位置的夹角为该加工小平面的层角；伺服电机28驱动包含联轴器30、滚珠丝杠29转动，丝杠螺母31带动花键轴承座39、花键轴11及安装在花键轴11上部用螺栓紧固的磨盘12、抛光盘13等组成的升降装置也随之上升，上升的高度为该加工面的面高；各电机依据计算的脉冲数再按照程序中的动作指令顺序逐一控制移动装置、摆动装置、旋转装置、升降装置的有序动作，同时交流电动机25依据变频器37输出的频率动作，带动花键轴11旋转，该点或面的加工完成后，系统自动读取下一组数据，循环执行，直至执行完最后一组参数；即从圈形、刻面到抛光，系统一次性完成腰部及冠部或亭部的加工。 

宝石加工时，系统设置了“快磨慢抛”的工艺过程，系统依据不同的加工工艺设定不同的变频器的频率，控制盘的交流电动机转速；粗磨、细磨时交流电动机高速转动，抛光时交流电动机慢速转动，即提高了工作效率又增强宝石的光学效应。 

产品数据库内含了圆形、椭圆、水滴、马眼、正方、长方、正枕、长枕、三角九个形状常见规格的所有数据并存储在控制器中，加工时只要选定宝石的形状、规格，系统自动读取。 

软件设有“产品参数设置”模块，便于使用者开发新产品。 

Claims (14)

1.一种数控宝石磨抛一体机，其特征在于包含测量装置、升降装置，移动装置、摆动装置、气动夹紧装置、旋转装置、机体及数控系统；移动装置安装在机体上部，摆动装置与移动装置的滑动工作台连接，旋转装置与摆动装置的摆动臂连接，气动夹紧装置是旋转装置的一个部件，升降装置安装在机体下部，测量装置有两个，分别安装在摆动装置、升降装置上。

2.根据权利要求1所述一种数控宝石磨抛一体机，其特征在于移动装置包含安装座22、工作台2、导轨6、零点感应器8、滚珠丝杠5、固定座7及步进电机4。

3.根据权利要求1所述一种数控宝石磨抛一体机，其特征在于摆动装置包含涡轮蜗杆减速机34、旋转轴21、摆动臂9、零点感应器36、测量装置19及伺服电机35。

4.根据权利要求1所述一种数控宝石磨抛一体机，其特征在于旋转装置包含弹性夹头38与夹头套15组成气动夹紧装置、粘接杆16、零点感应器17及伺服电机10。

5.根据权利要求1所述一种数控宝石磨抛一体机，其特征在于升降装置包含导轨41、安装座42、花键轴11、花键套33、花键轴轴承座39、花键套轴承座40、磨盘12、抛光盘13、皮带轮26、皮带轮27、联轴器30、挡水圈14、“零点”感应器32、测量装置23、丝杠29、丝杠螺母31、伺服电机28、交流电动机25、变频器37。

6.根据权利要求1所述一种数控宝石磨抛一体机，其特征在于数控系统包含控制器、触摸屏、系统软件、数据库、感应器开关、滤波器。

7.根据权利要求1、3所述一种数控宝石磨抛一体机，其特征在于摆动装置上安装有测量装置19，用于测量磨盘、抛光盘高度。

8.根据权利要求1、4所述一种数控宝石磨抛一体机，其特征在于旋转装置包含的气动夹紧装置下部设有定位槽。

9.根据权利要求1、4所述一种数控宝石磨抛一体机，其特征在于旋转装置包含的粘接杆中部设有定位销。

10.根据权利要求1、5所述一种数控宝石磨抛一体机，其特征在于升降装置的挡水圈上安装有测量装置23，用于测量宝石工件高度。

11.根据权利要求1、5所述一种数控宝石磨抛一体机，其特征在于升降装置包含的交流电动机转速由变频器控制。

12.根据权利要求1、5所述一种数控宝石磨抛一体机，其特征在于升降装置的花键轴11上部设有磨抛盘安装座，安装座中间设有圆柱销，先安装磨盘，再安装抛光盘，圆柱销上部有螺纹，用螺母紧固磨盘、抛光盘。

13.根据权利要求1、6所述一种数控宝石磨抛一体机，其特征在于数控系统中的数控库包含圆形、椭圆、水滴、马眼、正方、长方、正枕、长枕、三角九个形状产品的层角、面角、面高、腰部曲线特征参数、工艺参数。

14.根据权利要求1、6所述一种数控宝石磨抛一体机，其特征在于数控系统的软件设置“产品参数设置”窗口。