CN1683136B - 一种石材表面成型加工工艺及其装备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在石材表面进行成型加工工艺及其装备，尤其适用于对附图所示的各种石材盲道上触感物的成型加工。实践已证明，以本发明的创造性构思并广泛整合了石材加工，机电控制，新型材料等各领域技术，所构成的样机实验生产线，已完全摒除人工补充工序，而实现全机械化生产，大幅度提升了石材盲道砖的外观质量和生产效率，且降低制造成本。为推广应用有高性价比的/节能的、环保的石材盲道砖，排除了技术障碍，使一个可让国际市场对该产品的巨大需求得到满足的大产业之形成，成为可能。本发明是对石板材深加工的技术，因此上述设备尚有加工出规则工整几何图案的功能，可用来加工石材台阶防滑面板和高级石材幕墙，有花纹的装饰板。

Description

一种石材表面成型加工工艺及其装备

技术领域  本发明涉及一种在石材(或类石材料)表面以机械加工方式刻制出规则几何形体的工艺方法，和为实施该工艺而专门设计的设备，尤其是施用于石材盲道(砖)生产的加工工艺和专用设备。 

背景技术  近几年来，“建筑无障碍设计”在世界各国均形成法规化，如德国2000年4月，我国于2001年8月，美国于2002年6月，都发布了相关的标准，对盲道表面的触感物(TGSIs)形状、分布尺寸均有了严格的规定。目前，世界各国所用的盲道(砖)产品，以用材分类则有四类，(1)无机材料：有混凝土预制的砖或浇灌后表面压型；陶、瓷烧结成品；(2)有机材料：以模压成型工艺的合成橡胶、树脂、高分子、塑料乃至乳化橡胶改性砂浆制成品；(3)金属材料：以压铸工艺的铜、铝乃至不锈钢或木板上铆不锈钢钉；(4)天然石制品：现多为手工的制品(Unit masonry；Sterneweare；Cobble stone)或半机械化半手工的粗制品。由于盲道应用的强制性和规范化，需求量大增已引起全球社会重视。于是对上述现有产品的(包括耐磨、耐候、节能、环保、造价等)综合因素进行分析，结果发现：天然石材无疑应以其强度高、硬度、耐冻、抗风化能力、表面寿命高达50-70年(远高于现有使用年限为15年)的优异性价比，理当列为盲道砖首推用材。然而，由于当前各国对石材盲道(砖)上的触感物制造手段欠缺完备，没有能满足该产品规范要求的工业化加工工艺及设备，而使石材盲道(砖)始终停留在“粗制滥造”的半手工生产现状制品，与标准规范要求有很大差距，无法推广应用。以至，经济发达国家不得不使用如前所述的高成本、短寿命的其他材料，以模压成形工艺，才能制出符合规范要求的产品。 

发明内容  本发明的目的是实现用现代化的加工石材的工艺方法，来 生产标准规格的石材盲道(砖)，满足国际市场对该产品的需求。其解决方案是：运用金刚石磨削技术和自动化机床工作原理，构成一条能按各国盲道砖标准规范要求制造产品的工艺流程和生产线，实现石材盲道(砖)机械化工业化生产。 

其具体内容是： 

本发明的石材盲道(砖)加工工艺过程，由四道工序组成： 

第一道工序：制砖坯。将标准石板材成品，按规范要求切成方形或长方形坯料。为已有技术。 

第二道工序：荒切去余量。即在上道坯料表面用现有技术，切出直槽或方格槽来，即最大限度去掉加工余量。 

第三道工序：成形加工。为本发明主要内容，应用本发明的专机，磨具和工艺方法自动以磨削方式在第二工序的成品上加工出触感物形来。 

第四道工序：盲道砖“底座”表面处理。在上述成型加工的第三道工序中，因在形成触感物的同时，也形成了“底座”表面，因此尚有如下后续“底座”表面加工的流程供选择： 

(A)均化“底座”表面(即除触感物形外的表面)。常规采用喷砂处理；对用于公共室内建筑要求较高的产品，则可在专机中，加设抛磨用树脂结合剂的磨头，进行抛磨，以提高光泽度。 

(B)根据外国标准要求，进行“底座”面染色(黄或橙色)。 

着重指出，上述第三道工序是根据“提示盲道”与“行进盲道”的表面触感不同的成型形状尺寸的要求，又分二种加工流程和配置四种型式 专机和多种磨具，来实现对盲道砖上触感物的成型加工的。其中： 

流程A，是一种流水线式流程，由YDA型、YDB型两型专机组成，实现对提示盲道(砖)(包括正位与错位两型)的加工。 

流程B，则是单机加工流程，由CTA型专机，自动完成对正位型的行进盲道(砖)加工；由CTB型专机自动完成对错位型的行进盲道(砖)的加工。并且在质量要求很高的情况下，CTB型也用于完成提示盲道砖的加工。 

附图说明  本说明书有如下附图： 

图1，系我国国家行业标准所规定的盲道类型图。(摘录自标准图集号03J926)，说明了盲道触感物的形状及分布型式。本文所述及盲道术语定义、用途功能均按JGJ50-2001标准规定。 

图2，系本发明的石材盲道加工过程示意图。对上述发明内容作图解说明。 

图3，为本发明的YDA型专机结构示意图。 

图4，为本发明的YDB型专机结构示意图。 

图5，为本发明的CTA型专机结构示意图。 

图6，为本发明的CTB型专机结构示意图。 

图7，为本发明的磨头辅具的结构及功能原理图。 

图8，为本发明的步进器工作原理图。 

图9，为本发明的CTB型专机功能特征示意图。 

现结合附图，对所发明的主要工艺装备(专机、磨具)的技术特征(结构、功能)作进一步说明。 

1、由图3、4所示的YDA、YDB型专机结构相似：均由类似四柱油压机式的机身①；矩阵式多轴动力头②；和带步进机构的工作台③等三大部件组成的。多轴(16-24轴或更多)动力头的主轴位置根据产品规格 要求配置，由若干电动机驱动；各主轴端均配置一专用成形的金刚石磨具④(详见以下第5条所描述的)。整个动力头通过固定于机身上的气动装置⑤和杠杆机构⑥沿机身上四根立柱⑦导向上下运动，实现磨具④对工件进给成形加工—退刀动作；而由安装在内部的气缸⑧驱动带有能作间歇步进机构⑩的工作台⑨，(在工作台面上安装有工件(11))，来完成“送料→精确定位→(加工后)退料”定向动作；这二组动作由电气—气动控制系统配合，从而自动完成对工件的加工。并且由于是矩阵式多轴加工，故有很高的生产效率。 

该类型专机，专门用于触感物为点状的提示盲道砖，由于盲道砖规格多样，面专机上主轴根数和配置就随着盲板触点正位分布时的点距不同而成系列化。并且，在正位分布的主轴矩阵中，呈45°方位安装工件，即可在该机上完成错位的提示盲道砖的加工。 

根据触感点的轮廓和成形精度的要求不同，两型专机皆可单机或联机形成流水线加工(本发明实施方案为联机，如图2中流程A所示)。YDA与YDB型的不同之处，在主轴群数和步进步数及相应驱动结构不同。 

2、由图5、6所示的CTA、CTB型专机结构相似：均由龙门式机身①；并列多轴(6-8轴或更多)动力头②，固定于机身的横梁③上，(横梁可沿立柱④作磨削深度有限调整后固定)，动力头由单个电动机驱动；和工作台⑤等三大部件组成。工作台由机构⑥(一个与工作台面平行的平面内，能作相互垂直的二个方向平移的)和在⑥其中安置一回转进给机构⑦支配。这些机构都叠加于一能沿导轨座⑧作直线步进的鞍板⑨上。(详见第4条说明和附图9) 

在该专机配置的电气—液压/气动控制系统⑩的控制下，使固定在工作台上的工件(11)，能相对于主轴端的金刚石磨具(12)作出与产品形状要求相符的运动轨迹。其原理是：轨迹中直线段是由鞍板⑨的运动来完成； 而园弧(半园或全园)则由回转进给机构⑦和机构⑥来完成。并列多根主轴结构能实现多个相同轨迹同时加工，从而达到快速把工件的自动加工成产品的目的。 

本发明中的CTB型专机是全能机型：既能加工提示盲道，也能加工行进盲道；既能加工正位分布型，也能加工错位分布型。其工作原理如附图9所示。(图中结构元件代号沿用上述代号)。对该机控制逻辑线路作相应设置，则同样的工作机构就会分别形成如下表所描述的包络线轨迹，并自动循环从而实现加工作业。 

加工类型	循环工步	执行机构	包络线形状
				提示盲道	1  2  3	⑨/⑧/步进器⑥/⑦⑨/⑧步进器	I-直线段  II-360°园弧  III-直线段
行进盲道	1  2  3  4  5	⑨/⑧步进器⑥/⑦⑨/⑧步进器⑥/⑦⑨/⑧步进器	I-直线  II-180°园弧  III-直线  IV-180°园弧  V-直线

但为提高生产效率和扩大成型加工范围，特将加工工艺分为两类流程，如附图2所示中的流程A和流程B。其中：流程A，是依据成型磨头对提示盲道的园泡状触感物有高效加工能力，而设计出YDA/B型专机的。 

而流程B之一，则是对CTB型专机的步进机构简化，成进退各一步，就形成CTA型系列专机的。CTA型系列专机，除能加工正位行进盲道砖外，尚能在稍加改装情况下，扩大了加工各种花纹的能力。如在CTA型机工作台部件中卸去轴承(15)，增设靠模机构(16)(见图9)，并对电气逻辑控制线路作相应变动，则可加工出多种多样的立体组合纹路，可做楼梯阶面 防滑阶板(取代金属防滑条)，或石材幕墙面装饰板，扩大加工产品生产范围。 

CTB型与CTA型不同之处，在于其装有两排相错的主轴(14)和配置有多步的如上述的步进器(13)，从而也能完成对正、错位的提示盲道砖的加工工作。 

3、上述各型专机，除CTA型外，均配置带有步进器的工作台，以执行精确的步进和定位动作。该步进器的结构如附图8所示，有简单可靠精确、耐用的特点。其工作原理是：由气缸①动作，推动齿条②使齿轮③通过内置超越离合器④和转轴⑤以及转轴上的拨爪⑥将活动档肖⑦压下；此时，导轨座上的滑板⑧就在导轨座内置的另一个气缸(或液压缸)⑨的推动下前进至下一位活动档肖之前，并顶住(有定位压力，保证磨削定位)；当气缸①做完上述动作后，退回原位(系内置弹簧的单作用气缸)。此时，转轴⑤上有另一个拨爪⑩已处在下一位活动档肖之前，进入准备作下压下该档肖的位置。即如上述所述，周而复始地作步进运动。该结构在YDA/B型机内为送料/定位机构，而在CTA/B型机内则为进给/定位机构。 

步进距离的精确度，是以下列措施保证的： 

1)、首先，以加工工艺保证各活动挡肖之间距离，在一定允差范围之内； 

2)、在活动挡肖上端设有一园形挡块(11)其直径为Di，逐一依次测量出每一对活动挡肖的相对实际距离尺寸Si；然后，按测量顺序依次决定Di的数值。算法公式为：Di＝D-2(S-Si)：式中 

S-为活动挡肖之间的公称尺寸(步距) 

D-为园形挡块的公称尺寸。 

如此，就能保证步距的积累差为最小值，从而保证了加工精度。 

在各专机设有机电一体化的控制系统支配下，该步进器就能保证“装料、启动→送料定位-进给加工→退刀”→再送料、再定位等在若干次循环步进后，退出、卸料，重复地进行加工工作。 

当然，实现精确步进和定位工作，尚有多种技术方案可选择，如采用滚珠——丝杆和步进马达等，(或直线驱动马达)，亦能实现上述动作，在上述专机内，是具有等同效果的技术特征的。 

4，成型磨削所用的磨头，其磨刃分布，随流程不同而不同：流程A(即YDA/B型专机)所用磨头、磨刃分布在磨头的内园周及端面；而流程B(即CTA/B型专机)所用磨头、磨刃分布在磨头的外园周及端面，见附图2所示。磨具材料系金刚石精度60-150青铜结合剂。 

上述各型专机主轴端，均配置了本发明特有的磨头夹持辅具，其结构如附图7。其与一般磨具不同的独特功能是使磨刃面在不卸下状态下随时能作径向和轴向磨耗补偿，以保证成型加工尺寸精度，及延长磨头工作寿命。其补偿原理是： 可由二个动作分别都能实现：一是径向位移，系由该辅具上有燕尾槽运动体①②，使磨头⑥相对于回转轴线偏心位移J来实现；二是磨头柄⑦角位移，该磨头的柄部系为花键轴结构，其功能为，当磨具从初始位A相对于回转中心偏移J至极限位置B后，即可取出花键轴，转过若干键位(角位移C)在装上，移走磨耗区E，代之以新的磨刃区，使磨头位于D处，补偿了磨头回转半径尺寸PJ。而 

则由楔形机构③④相对位移来实现；在调整后均有对应的螺钉及通过夹紧机构⑤夹紧定位，并传递动力，完成磨削运动。 

上述所有各型磨头辅具之轴柄皆为空心，与专机各主轴中心孔道相通，以便压力冷却液从中通至磨头处，自内向外地冷却磨头，并冲走磨屑粉浆，大大延长金刚石磨刃的工作寿命。 

上述本发明磨头辅具所具有加工尺寸补偿，和在磨头内加压水冷却功能，是有普通应用的意义的。依此方法，可最大限度地在保证磨头成型加工精度的前提下，充分利用磨头金刚石材料，从而大大降低加工成本。这是使本方案因之能有最大的加工经济性的技术创新所在。 

具体实施方式  根据本发明所提出的工艺方法，及在其工装创造性的构思的基础上，又广泛地整合了现代石材加工、机电、化工等多领域的最新的现有技术，通过一年多时间努力已于2004年3月完成五台上述四型式样机的设计、制造和试验。实践证明，本发明方案切实可行，该发明，已形成一条能高出原有生产(伴有手工补充加工的)方式以数十倍的效率，加工纹路齐整的各型石材盲道(砖)的生产线。实现了完全取代人工雕琢工序、全机械化优质低成本的工业化生产。与之同时，经通过因特网检索了我国和美国国家专利数据库，以及18家国际著名生产盲道(砖)的厂家网站后，结果表明，至今为止，尚未发现有同样的发明申请和产品。因此，本项发明所制成的产品是填补国际该等级产品的空白。所以，本申请具有被授予专利权的条件。 

本发明涉及建筑石板材的深加工技术，而我国石材资源丰富，且已成世界最大石板材加工出口中心之一。由于石板材优异的强度、耐候、耐冻、耐磨、长寿和装饰性能，且该制品有节能(天然构成)，环保(无降解物污染)和高性价比(长寿美观，且减少路面二次维修费用)，其在建筑业的应用必将日益广泛，特别是盲道及楼梯防滑板或墙面装饰板的相关产品，均有巨大市场需求。而本发明所涉及的石板材深加工技术的应用，必然会带来有高附加值的经济效益。因为，以石材盲道砖取代本文“背景技术部份”所示的其他用材的盲道砖制品的过程，就是形成一个巨大且有很好前景的产业的过程。这就是本发明具有深刻经济意义所在。 

Claims (4)

1.一种石材表面成型加工工艺，其特征在于包括以下工序：

第一道工序：制砖坯；

第二道工序：在上道坯料表面切出直槽或方格槽来，即最大限度去掉加工余量；

第三道工序：在第二道工序的成品上，根据“提示盲道”与“行进盲道”的表面触感物不同的成型形状、尺寸的要求，分二种加工流程，以自动磨削方式加工出触感物形来，其中：

将实现对包括正位与错位分布的提示盲道“点状触感物”的成型加工的加工流程，称为流程A，流程A包括(1)以上述第二道工序的成品为毛坯，采用专门设计的YDA专机先将毛坯上“点状触感物”的方柱坯形磨成圆柱坯形，具体为：YDA专机上的主轴配有专用金刚石成型磨头，其磨刃是分布在磨头的内圆周及端面；磨头竖直上下作进、退刀动作，将毛坯上“点状触感物”的方柱坯形磨成圆柱坯形；而固定在工作台上的毛坯工件相对磨头主轴线作间歇步进的送料运动；YDA专机设有机电一体化的控制系统支配，能保证“装料、启动→送料定位-进给加工→退刀”→再送料、再定位等在若干次循环步进后，退出、卸料，重复地进行加工工作完成上述磨削加工；(2)对YDA机上的完工品，再采用专门设计的YDB专机将该圆柱坯形磨成圆台形并磨底座面至成品尺寸，至此实现对提示盲道“点状”触感物的加工，具体为：YDB专机上的主轴配有专用金刚石成型磨头，其磨刃是分布在磨头的内圆周及端面，磨头竖直上下作进、退刀动作，从而将毛坯上圆柱坯形磨成圆台形；而固定在工作台上的毛坯工件相对磨头主轴线作间歇步进送料运动；YDB专机设有机电一体化的控制系统支配，能保证“装料、启动→送料定位-进给加工→退刀”→再送料、再定位等在若干次循环步进后，退出、卸料，重复地进行加工工作完成上述的磨削加工；

将实现对包括正位与错位分布的行进盲道“条状触感物”的成型加工的加工流程，称为流程B，流程B包括以上述第二道工序的成品为毛坯，采用专门设计的CTA专机对毛坯进行自动磨削，将正位分布行进盲道毛坯上的长方柱坯形磨成条状触感物；或采用专门设计的CTB专机对毛坯进行磨削，将错位分布行进盲道毛坯上的长方柱坯形磨成条状触感物；具体为：这二型专机上的主轴配有专用金刚石成型磨头，其磨刃是分布于外圆周及端面；运动机构能使固定在工作台上的工件相对于主轴端的磨头作出与产品形状要求相符的包络线轨迹的进给运动，从而将行进盲道毛坯上的长方柱坯形磨成条状触感物，一次成型；但CTA专机其装有磨头的主轴群配置呈一排并列阵形，对应用于加工正位分布的行进盲道的；而CTB专机，其磨头主轴群是按两排相错呈W型阵形排列，对应用于加工错位分布的行进盲道的；CTA专机和CTB专机设有机电一体化的控制系统支配，能保证“装料、启动→送料定位-进给加工→退刀”→再送料、再定位等在若干次循环步进后，退出、卸料，重复地进行加工工作完成上述的磨削加工；

第四道工序：盲道砖底座表面后续处理。

2.一种实施权利要求1工艺流程A的装备，其特征在于：包括YDA专机和YDB专机，所述YDA专机和YDB专机有下列结构特征：

a、机身构架(1)为立式四柱油压机架构，其下部有底座台板，其上部有气缸(5)、杆杠⑥和连杆等构成的驱动装置；

b、动力头座部件(2)，在上述驱动装置作用下，整个动力头座可沿四根立柱(7)作竖直上下运动，作进、退刀动作；动力头座部件(2)设有多组由若干电动机和齿轮系的驱动的主轴群束(2)，每组主轴群束(2)具有多支主轴，每支主轴端部都安装有专用成形磨头及其辅具(4)用来磨削；专用成形磨头的磨刃是分布在磨头的内圆周及端面，

c、步进工作台部件(3)安装在机身下部的底座台板上，其中有一作直线运动导轨；导轨上的工作台面安装工件(11)，在导轨内置的气缸(8)和步进器(10)作用下，工件相对主轴作间歇步进的送料运动；

d、控制部件系电气-气动逻辑线路控制系统，以实现工序中送退料步进、进退刀等自动加工的工步接转动作，以单机多工位自动完成流程A各工序对提示盲道触感物的加工过程；

e、YDA专机与YDB专机的不同之处在于：YDB专机的主轴群束的数量多于YDA专机的主轴群束的数量；YDB专机的步进器的步数多于YDA专机的步进器的步数。

3.一种实施权利要求1工艺流程B的装备，包括CTA专机和CTB专机，其特征在于：

CTA专机和CTB专机有下列结构特征：

a、机身部件(1)为双柱龙门式架构，其下部有底座台板，其上部为连接两立柱间的横梁板(3)，横梁板通过两端的立柱套筒的松或夹动作，可使横梁沿立柱方向作上下位置调整以适应加工件厚度及磨削深度的变化并固定；

b、动力头部件(2)由一组多轴主轴群及一个主轴座体构成，由同在横梁端的电动机驱动而通过一组齿轮系传至各主轴，各主轴端部部装有专用磨头及其辅具(12)；专用磨头的磨刃是分布在磨头的外圆周及端面；

c、导轨座部件(8)被安装在机身下部底座台板上、两立柱之间、横梁动力头座下，为一直线导轨座，座内置有液压缸和步进装置(13)，使导轨上的鞍板能沿导轨作直线间歇步进的进给运动；

d、工作台部件被安装在导轨座的鞍板(9)上，该工作台有二个运动机构：平移机构(6)和回转机构(7)：平移机构(6)是使工作台只能在与其台板面平行的水平面内沿着两个互相垂直方向平移的机构；回转机构(7)是使工作台板围绕某定点旋转的圆周进给机构；平移机构(6)和回转机构(7)将二约束效果叠加于工作台板(2)上，其叠加结果是产生使工作台板在其平面内作出沿着围绕某定点之圆周运动的轨迹、而又作定方向平移的复合运动；即在加工物表面生成I、II、III、IV、V线段的包络线轨迹——为加工触感条或点轮廓所需的轨迹，其中直线段I、III、V是由鞍板(9)的运动来完成，而圆弧轨迹II、IV则由回转机构(7)和平移机构(6)来生成；

e、控制部件(10)系一个液压-气动-电气逻辑线路控制系统，能以单机自动化方式完成流程B对行进盲道触感物的加工过程；

f、CTA专机，其装有磨头的主轴群(2)配置呈一排并列阵形，用于加工正位分布的行进盲道的；CTB型系列专机，其磨头主轴群是按两排相错呈W型阵形排列，用于加工错位分布的行进盲道的；

g、CTB专机通过导轨座部件(8)内置有液压缸和步进装置(13)的调整，能生成加工错位分布、以各种长度触感条乃至触感点所需的包络线轨迹来。

4.一种实施权利要求1工艺的专用工装，即权利要求2、3中专机设备所配用的专用磨头及其辅具，其结构特征是：

(1)、金刚石固结磨头(6)结构如下：

a.其柄部(7)为花键轴结构，且中空内通冷却液并排屑；

b.各型专机所用磨头磨刃尺寸形状、数量皆不同：在流程A中其磨刃分布于内圆周及端面而在流程B中则分布于外圆周及端面；

(2)、上述专用磨头(6)须通过专门的辅具方可与所述专机主轴束端部相结合，该辅具结构特征是：

a.该辅具有燕尾槽移动副(1)和(2)结构，可使磨头轴线产生径向偏心位移以扩大磨刃回转半径，完成对磨头径向尺寸及其补偿磨损量的调整；

b.燕尾槽移动副(1)和(2)结构之下有楔形移动副(3)和(4)结构，可使磨头产生位移轴向，完成对磨刃轴向尺寸及其补偿磨损量的调整；

c.燕尾槽移动副的零件(2)轴线中心处有花键孔结构，使装在其中的磨头柄(7)，在卸下转个方位角度重新装上以移走磨耗区调出新的磨刃区方式调整后，再通过夹紧机构(5)夹紧定位，也能完成对磨头磨刃径向尺寸磨损量的补偿调整，并使磨头金刚石材料能充分利用；

d.辅具内腔从上至下为中空结构，可让压力冷却水通过而延长磨头金刚石耐用度，保证了成形加工精度，并使磨头金刚石材料能充分利用。

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