石材雕刻机设计(含全套CAD图).doc

石材雕刻机设计研究摘 要 石材雕刻机械的出现，为石材市场的拓展提供了广阔的天地。它速度快，大大的提高工作效率，缩短产品加工时间，并且保证了产品质量。机械加工精度高，结构合理，纯机械传动，安装维修简便，机器运转灵活，传动平稳可靠，自动化程度高。本文主要介绍了我国石雕制品的分类、石雕制品的机械加工工艺和手工加工工艺，并对我国石雕机械的发展进行了概述，根据我国石材机械的现状和发展趋势，介绍了这款石材雕刻机械。该机主要用于雕刻大理石、花岗石。该机适用范围广，可以加工 10mm 以上各种厚度的花岗石、大理石等板材，各种规格的花岗石平板、平台、碑石以及其他石材工艺品坯料等。机器的控制系统还装有石材雕刻优化软件，它将自动分析石板的最优雕刻方案，还可以输入既定数据，自动雕刻。这样大大减小了工人的劳动强度，也减少了材料的浪费。关键词 雕刻机械 石材 机械加工 手工加工 毕业论文外文摘要 -1- 石材雕刻机设计研究 Design Stone Engraving MachineAbstract The appearance of carved stone machinery for the stone to expandAbstract：the market world wide. Speed greatly improve efficiency reduce processing time and ensure product quality. Machining high precision reasonable structure purely mechanical transmission installation and maintenance issimple flexible machine smooth and reliable transmission a high degree of automation. This paper introduces the classification of our stone products stone products machinery processing and manual processing and thedevelopment of Chinas stone machinery summarized according to the statusquo of Chinas stone machinery and the development trend of the times to theStone Engraving Machine design. The stone engraving machineMainly used for carving marble granite. It applies to a wide range of 10mm can beprocessed above the thickness of granite marble and other plates all kinds of granite slab platforms stone steles as well as other crafts such as billets. Machine control system is also equipped with a stone carving optimization software that will automatically analyze the optimal stone carving the program you can set the data input automatic engraving. This greatlyreduces the labor intensity of workers but also a reduction of material waste.Keywords ：Engraving machine Stone machine work Manual processing -2- 目录1 引言 11.1 石雕、石刻与石制工艺品分类 11.1.1 按制作方法分类 11.1.2.按应用的不同分类 11.2 我国石雕制品主要产地分布 21.3 石雕石刻加工 31.3.1 雕刻加工 31.3.2 手磨加工 41.3.3 机械加工 41.4 我国石材工业的发展与现状 101.5 石材加工机械的发展趋势 122 雕刻机工作原理 132.1 雕刻机总体构成 132.1.1 设备构成 132.1.2 工作原理 142.2 运动系统 152.2.1 主运动系统简图 152.2.2 工作原理 152.3 传动系统 162.3.1 升降系统简图 162.3.2 横向传动系统简图 172.3.3 纵向传动系统简图 172.4 控制系统 182.4.1 PLC 的特点 182.4.2 PLC 的功能 192.4.3 PLC 的应用 202.4.4 常用的 PLC 技术参数 213 石材雕刻机的总体设计 21 -3- 石材雕刻机设计研究3.1 电动机的选择计算 213.1.1 主电动机的选择计算 213.1.2 步进电机的选择计算 223.2 运动机构的设计 233.2.1 丝杠的选择设计 233.2.2 导轨的选择设计 273.2.3 轴承的选择 294 雕刻机的总体校核 294.1 滚动轴承的校核计算 294.1.1 深沟球轴承的寿命校核 294.1.2 圆锥滚子轴承的寿命校核 304.2 螺栓的强度校核 304.2.1 校核丝杠螺母连接螺栓的安全性 304.2.2 校核电机连接螺栓的安全性 314.3 滑动导轨的强度校核 314.3.1 导轨受力简图 324.3.2 导轨弯距图 334.3.3 导轨的强度校核 334.4 丝杠的校核 344.4.1 稳定性校核 344.4.2 刚度校核 344.5 键的选择和键联接的强度校核 354.5.1 键的选择 404.5.2 键联接的强度校核 41结 论 42致 谢 43参考文献 44 -4-1 引言1.1 石雕、石刻与石制工艺品分类1.1.1 按制作方法分类 圆雕、浮雕、沉雕、壁雕、镂空雕（透雕）、线雕、影雕、微雕和阴刻、阳刻等几大类。1.1.2.按应用的不同分类12 （1）观赏、挂带和收藏石制工艺饰品石雕 如各种玉器饰物、大湖石、雨花石等的观赏石，以及各种大理石和彩石制作的石雕、石刻花瓶等摆件。 （2）石窟和摩岩石雕 如敦煌石窟、云岗石窟、大足石窟、乐山大佛、四川广元皇泽寺摩岩石刻与千佛石刻等等。 （3）陵园石雕 如陵墓石像、石棺椁、画像石和墓葬极品等类石刻，雕刻着各种文臣、武将、侍女、侍者等人物石像和石马、石象、石骆驼与石兽、石鸟、石兔等物，有名的如南京明孝陵神道石像生和北京的十三陵神道石像生等。 （4）宫殿、宅第、和圆陵石雕 这种石雕、石刻、我国到处可见，规模大小不一，大者如唐代大明宫石刻，金代至清代孔府石刻，明清的故宫。此类建筑石雕中以石柱、础、栏雕刻居多，雕龙最具特色，如故宫石盘龙御道，石刻盘龙柱等。 （5）寺庙神殿、经幢祭坛石雕 如宋代晋祠石刻、金代至清代孔庙石刻，南宋苏州文庙石刻等。 （6）石桥石刻 如北京天安门故宫前的汉白玉石桥雕刻、颐和园玉带石桥和十七孔大石桥雕刻、卢沟桥石刻等。 （7）石阙和牌坊石雕 如汉代的太皇、少皇、启母、冯焕、沈府君、平阳府君等阙都很有名，石牌坊分布很广，有名的如明代许国石坊和“治世玄岳”牌坊，孔陵与孔庙牌坊等。 （8）塔建筑石雕 在塔内用石雕石刻装饰，如唐代至五代的大理三塔，唐代至金代建的云居寺塔和石径。 （9）碑书石刻 如先碑林、开封的翰林碑林。 （10）石狮石刻。 -5- 石材雕刻机设计研究 （11）石画与生活工艺品石雕。 （12）现代城市园林与纪念石雕。1.2 我国石雕制品主要产地分布 我国有着悠久的石刻石雕历史，精湛的工艺名扬中外，随着改革开放，也得到了蓬勃发展。相对集中的地区有： 1福建。全省有石雕工艺制品厂家近 2000 家，特别是泉州地区的惠安、南安、晋江等县市，尤以惠安县石雕工艺厂家达 1500 多家，仅崇武镇一地就有 400 多家，产品以出口为主。福建石雕以花岗石原料为主，分为圆雕、浮雕、沉雕、影雕、镂雕等，产品有形象逼真的花卉鸟兽，栩栩如生的任务造型与石像佛，壮观的石龙、石狮、精致的石墓碑、石灯笼、石塔、石庙宇及园林石刻等，工艺精湛，声名远扬。 2河北曲阳。河北曲阳石雕已有 2000 年的历史、素有“石雕之乡”的美誉。大理石储量 4.2 亿立方，其中曲阳白储量丰富，洁白无瑕，质地细腻，是石雕的优质材料。全县现有石雕及相应产业的各类厂家、摊点达 2200 多个，其中三资企业有 20 多个，年产量 5.6 亿元，产品出口到 80 多国家，在东南亚、日、韩占 70的市场。该县还有一所雕刻学校和一所雕刻技艺研究所。 “明清北京城微 曲阳石雕艺人曾参加国内重大工程建设，并制作过“圆明新园” ， “天下第一城” ，缩” ， “詹天佑纪念馆”长达 50m 的巨型雕像及全国各大公园城市标志性的著名工程。 （3北京房山。北京房山产大理石，特别是汉白玉大理石名扬天下，其石雕为历代皇家宫廷和御园建造做出过巨大贡献，至今保存着许多传世杰作，如故宫中的石雕蟠龙，天安门华表，九龙壁等，解放后建的人民大会堂正门的高达石柱，即由房山产的艾叶青大理石建成。现房山石雕发展很快，所产汉白玉石狮、石佛像和园林艺术石雕深受国内外欢迎。 4）山东省的大理石。花岗石雕刻都很发达，青岛、平度、莱州、泰安、嘉祥等市县是其是雕刻制品的主要集中产地。花岗石雕刻以日本式石灯笼、方式雕塑为主，大理石雕刻以古今人物、侍女造像和动物、园林饰品为主。嘉祥县是我国又一“石雕之乡” ，已有 2000 多年历史，如汉代武氏墓群石刻和汉画像石刻，武氏祠内一对大型石狮是我 -6-国现存石狮中唯一有确切年代记载的艺术珍品。嘉祥县已成为山东全省重点石刻品出口地区之一，并将进一步扩大发展。莱州札村镇的石雕也有上千年历史，近年来制作了许多巨型石雕，有 50 米长的“中华医药宝库史”石雕就取材于札村港华石材公司芝麻白G3765）的矿山，且被录入吉尼斯世界大全。 5浙江石雕、石刻也较发达，如温岭的石狮、石牌坊、石亭、杭州大理石家具，乐清大型彩石镶嵌红楼梦故事园雕屏均闻名于中外。 此外，如广东云浮、江苏赣榆、四川宝兴、云南大理石雕石刻也较发达。1.3 石雕石刻加工 石雕、石刻在我国已有几千年历史，从事这些雕刻的能工巧匠为我们留下了空前宝贵的文化遗产，他们承师教徒，代代相传，代代发展，掌握了鬼斧神工的技艺，某些技艺即使用现代的高科技也无法替代的，这里介绍下普遍的石雕加工类型。1.3.1 雕刻加工 雕刻加工是凿切加工的一种，系指手工打边，雕线角、雕花饰、刻字等项工作。加工时必须遵守一下规定： 1雕花刻字应符合图样、字样或模型。 2雕打线角不得超过以下规定： 不论拼角宽度多长，不得有正公差，而负公差不大于 0.5mm。 雕打线角不得有负公差，正公差不大于 0.5mm。 3 雕刻面用跺斧跺时，斧坑不得超过 1mm，磨光后不得有白点跺点。否则将降低观赏价值。 操作时注意： 1 根据图纸制作样板，按图纸要就选择石材或半成品。 2 放线，描样后认真检查，合格者才进行加工。 3 加工拼角或线角应注意正反面，加工时应与图纸规格仔细核对，以免出废品。 4 雕凿数块拼接产品，其拼接两端必须互相吻合。为便于手工磨应在产品两端做 好标记。 5 雕凿柱头、柱础以及楼梯扶手等类产品，必须在雕凿完毕后进行配色拼缝并检 查，合格后逐块编写顺序，以便安装。 -7- 石材雕刻机设计研究1.3.2 手磨加工 产品的小面、雕刻面以及低于表面的沟槽等不能用机器研磨的部位，可由手磨来完成。手磨应达到： （1）磨面是平面应保持平度基本一致，中部低凹不得超过 1mm，两端不得塌陷。 （2）磨面是线角时应基本与样板吻合，中部允许不大于 1mm，两端不大于 0.5mm。数块拼接的产品接头处偏差不得大于 0.5mm。 （3）磨面不得有砂道，一般拼角小面的光泽度应与大面一致。 （4）磨制雕花花纹时，不得走形变样，其光泽度应符合该品种的标准样板。 操作时应注意： 1 弄清加工面要求，更换魔石完成粗磨到精磨抛光，并随磨随用样板校对， 直至达到质量标准。 2 加工数块拼接产品时，如操作面有条件的话，应拼接一起加工 3 磨制雕刻品应与雕刻工取得联系，以使产品质量达到设计要求手工磨的产品检验后，不合格者及时返工，合格品移交工程料整理人员入库1.3.3 机械加工 1立体雕刻制品加工 这里讨论的立体雕刻包括立体人像雕制品，动物、植物等雕像制品和柱帽、雕刻柱和壁炉等三维雕刻制品的加工。 立体人像雕刻 立体人像的种类很多，简单的说，立体人像与平面雕像不同之处是，立体人像空间的 X、Y、Z 三个方向上都需要雕刻出人物的造型细节，使观众从不同角度、位置所欣赏到的雕像是一个真实的立体造型。 使用机械设备加工立体人像雕刻制品的工艺包括：石料选择模型制作支撑孔加工坯料成型制品轮廓成型加工人工辅助加工（根据需要）抛光加工制品组装（根据需要）清洗、验收和包装。 石雕制品的尺寸很多，平常我们既能看到大到几十米高的巨型雕像，也会见到小至十几厘米的小型雕像工艺品。目前国外生产的数控雕刻加工设备的最大直径是 2m，最大长度是 10m，如果雕像是最大周径和长度在此范围之内，理论上可以认为这是目前使用 -8-机械设备所能加工的最大整体雕像尺寸。但在实际生产中，还会遇到这么大尺寸的荒料的开采、吊装和运输问题。实际操作时，在加工厂可以将几块石料拼接成一块整体坯料 然后在设备上整体成型加工，可以取得非常完善的加工效果。一般的企业是不会装备有这么大型的设备，所以遇到超大尺寸雕像时，可以分段加工，然后再组装成一个整体雕像制品，效果也很理想。总之雕像石料尺寸的大小除了与制品尺寸、矿山可采石料的最大体积、吊装、运输能力等因素有关外，还与企业所拥有的加工设备的最大加工尺寸有关，生产者可以根据上述影响因素，综合考虑选择最佳尺寸的石料。对石质的要求与前面几节所介绍的其他异形石材制品是一样的，因为许多人像石雕制品都是安放在室外、露天场合，所以要求用于室外的人像雕刻制品的石材应具有良好的抗风化性和比较致密的组织结构，以抵御大气中的有害物质的侵蚀。 模型制作是使用机械设备加工雕像制品的第一步，目前机械加工雕像的工艺方法主要是液压仿形和数控加工，使用这些加工方法时，都需要预先制造一个与制品一模一样的雕像模型，然后按照模型来加工。模型的材料有石膏、木材、金属、塑料等；使用液压仿形设备加工时，模型的尺寸与雕像的实际尺寸相同；使用数控设备加工时、模型尺寸的大小与制品尺寸无关，因为使用激光扫描器编制制品的加工程序时、扫描器的软件可以对模型的尺寸任意放大或缩小，以获得不同尺寸的制品。因为模型是加工制品的样板、依据，所以其外形制作应该精致、尺寸应准确，这样才能获得理想的加工制品。 坯料的支撑孔加工对使用卧式车床类雕刻设备是至关重要的，其作用是为了支撑、转动坯料，完成制品的雕刻教工。坯料支撑方式、支撑孔的要求，与加工实心圆柱时的有关要求相同。使用立式雕刻车床加工时，一般不需要端面支撑孔。 坯料成型加工主要是为了减少后面轮廓成型的加工余量、提高生产效率、降低加工成本的一道粗加工工序，对于大型东西的坯料，成型加工更显得重要。坯料成型加工采用手持式切割、凿刻工具，人工完成。切割工具一般是直径小于 110mm 的金刚石锯片，凿刻工具可采用意大利 CUTURIGINO 生产的手持式石材雕刻工具中的雕刻气锤。坯料成时，应预先考虑好坯料的哪些部位需要去除的量大，哪些部位的加工余量较少，并做好记号，千万注意为轮廓成型加工流出足够的加工余量，防止因为加工失误，造成坯料的报废。 如果是尺寸较小的立体雕像制品的坯料，可以使用圆盘锯机、单锯条大理石切割机、甚至单锯片双向切机等设备，直接从荒料上切割出矩形石料，作为这些小雕像的坯料使 -9- 石材雕刻机设计研究用。 雕像制品的轮廓成型加工是雕刻加工中最为重要的一道工序，加工质量好的雕像制品，给人以美丽大方、栩栩如生的感觉，否则会使人感到雕像的呆板和失真。 目前加工立体人像雕刻制品的理想设备是带车床辅件的多功能数控加工中心、刀架横梁可以移动的数控车床。 普通数控车床也可以加工立体人像雕刻制品，但由于其刀架横梁采用不可移动的固定结构，所以雕刻加工的效率教前面两种设备要低。卧式、立式、液压仿形车床也可以加工立体人像雕刻制品。 由于立体人像雕刻制品的轮廓形状太复杂，使用计算机设计软件，编制一个立体人像雕刻制品的 CAM 加工程序，需要花费大量的劳动和很多时间，很不经济，所以现在都采用激光扫描器预先对制品模型扫描的方式，通过三维激光扫描软件，将扫描后的图像直接转换成 CAM 加工程序。 使用多功能数控加工中心和数控雕刻车床加工时，需要将雕像的模型放在设备的扫描支架上，预先对其扫描。激光扫描器与操作室内的计算机连接，通过安装在计算机内的激光扫描器驱动软件，将扫描获得的雕像位置坐标数据直接转换成数控系统认可的CAM 加工程序，储存后可直接用于控制数控加工中心的 CNC 数控系统，完成对雕像的全部加工。 人工辅助加工是指在使用数控设备加工立体人像雕刻制品时，雕像内部的最深加工部位是设备刀具所达到的最远位置，这与设备的最大加工深度、雕像造型结构的复杂程度等因素有关。在能够顺利装拆刀具，不损坏工件和设备的基础上，可以采用加长刀柄的方法来增加加工深度。例如意大利 OMAG 公司的 MIL1198 型多功能数控加工中心，其刀具的最大加工深度是 500mm，当加工周径 1000mm 的雕像时，可以加工到雕像的中心对称轴。对于一些内部结构造型复杂的雕像，即使增加了刀柄长度，仍然无法达到雕像的最深加工部位，或者这些部位的加工根本与刀具长度无关，这是，只好采用人工补充雕刻的方法解决。 雕像的磨抛加工取决于制品的复杂程度，一般都使用金刚石或其他类型的软磨片，采用人工方法对立体雕像磨抛加工。目前还无法使用机械磨抛复杂的立体雕像，因为还没有解决在压力作用下，小直径磨料产生的巨大压强对制品的损伤问题。 - 10 - 制品的组装是指生产超长、超大雕像时，将制品分成几个部分，分别加工，最终需要在雕像的安装地点，将这些雕像的部件组合到一起，形成完整的雕像。是否将雕像分成若干部分，与用户对制品的要求，设备加工的范围和对制品整体加工的可能性有关，生产者需要根据实际情况确定。 动物、植物的立体雕刻加工 在国内，立体动物雕刻制品的典型例子是石狮子，常见的其他动物雕刻制品还有鹿虎、狗、猫、鱼等；植物的立体石雕制品主要以花卉和树的造型为主。 加工动物、植物等立体雕刻制品较加工人像雕刻制品难度要大一些，以石质石狮子为例，大多数石狮子都是蹲坐姿势，制品横截面的宽度尺寸与高度尺寸相差不大。如使用目前最大加工高度是 500mm 的标准机型的数控铣床加工，加工高度超过 500mm 的石狮子就比较困难，所以建议使用数控车床加工石狮子制品。 中国的石狮子形态变化多样，内部造型复杂，有些部位加工刀具根本就无法到达，有些部位（如狮子嘴中含的活动球体）刀具虽然可以加工到，但就目前的机械设备的控制技术水平而言，机械是无法完成这类加工的。所以加工石狮子时，可以使用机械设备完成外形轮廓加工、刀具可以触及到和能够加工部位的加工。因此，在制作模型时，要充分考虑到哪些部位是可以加工、哪些部位需要人工补充加工的。有时，可以将复杂造型的制品分成 23 个部分，采用分别加工，然后组合的方式。 除了使用数控加工中心、数控车床等数控设备加工动、植物的雕刻制品外，使用液压仿型设备也可以加工这些制品。 使用机械设备加工立体动、植物雕刻制品的工艺，与前述加工立体人像雕刻制品时相同。 雕刻柱、柱帽等制品的加工 雕刻柱和柱帽属于另一类立体雕刻制品，雕刻石柱、柱帽可以采用数控车床，带有车床附件的多功能数控加工中心，液压仿型车床等设备加工。如果被加工产品的尺寸超过设备的加工范围，也可以采用将制品分成若干部分，分开加工的方法。 数控雕刻车床、带车床附件的多功能数控加工中心是最理想，用于加工雕刻石柱、柱帽制品的数控设备，加工工艺与前述加工立体人像雕刻制品同。 虽然配有激光扫描器，但刀架横梁是固定的数控车床也可以加工雕刻石柱制品，但加工效率比刀架横梁可以前后移动的数控雕刻车床要低。 - 11 - 石材雕刻机设计研究 在欧洲，许多圆柱顶端安装的柱帽与国内常见的柱帽不同，它们大都是采用实体、并雕刻有花纹图案的结构形式。加工这种雕刻柱帽，可以使用数控车床、液压仿形车床等设备。能够达到加工效率既高、制品质量又好的理想雕刻柱帽加工设备是带有激光扫描器、刀架动力头横梁可以前后移动的数控雕刻车床；如果有效加工尺寸允许，数控铣床也可以加工雕刻柱帽。有的雕刻柱帽的尺寸很大，可以把它分成几个部分，只要是在有效加工尺寸范围之内，使用数控车床加工也是很方便的。使用数控车床或铣床加工雕刻柱帽的工艺，具体要求可参照加工立体人像雕刻制品的有关内容。 壁炉的加工 选用石材制作的壁炉制品的形式、风格多种多样，选用最多的石材是大理石，有关壁炉的风格、特点等不是本节介绍的内容、这里只介绍其加工特点。壁炉加工的一个重要环节是对其图案.