一種環保高效大理石平臺加工設備的配置方案

鄭森偉，孫德紅，劉 偉，王 偉

（閩南理工學院 精密工程研究所，福建 石獅 362700）

0 引言

大理石平臺是用天然的石質材料制成的精密基準測量工具。其質地均勻，穩定性好，強度大、硬度高，并具有不生銹、耐酸堿、不磁化、不變型、耐磨性好等優點，能在重負荷下保持高精度。即使工作面受碰撞或劃傷后，只會產生凹坑，不產生凸紋、毛刺，對測量精度無影響。因其在高精度的測量方面具有得天獨厚的特性，使得傳統鑄鐵平板相形見絀。大理石平臺作為高精密儀器儀表、精密工具、機械制件的檢驗的理想基準面，成本低廉，產品附加值高，可廣泛應用于工業生產和實驗室的測量工作。

國內現階段大部分還是手工拋光，雖然也有一部分自動拋光，但是拋光效果比不上手工拋光，成品率低、價格貴、噪聲大，且手工拋光對個人的要求非常高，拋光效果個體差異性大[1]。無論手工拋光或自動拋光都會產生噪音，造成噪音污染，嚴重損害操作人員的身體健康。手動拋光時，操作員的手離拋光輪非常近，更容易造成人身安全上的隱患。本課題針對現階段大理石拋光技術的缺點，兼顧加工效率與加工質量，本文所述高精度大理石平臺拋光設備，可對大理石進行高效、高精拋光，且低噪聲。

1 拋光設備結構

本文所提拋光設備如圖1所示，大理石拋光磨塊固定在拋光磨盤上，拋光磨盤和電動機連接，電動機固定在移動面板上，移動面板通過馬達驅動在三自由度直角坐標系工作導軌的Y方向與Z方向移動，控制面板設置在控制箱上方，工作臺在三自由度直角坐標系工作導軌的X方向上移動[2]。三自由度直角坐標系工作導軌安裝在床身上。防護罩固定在移動面板。水循環系統固定在防護罩上。它能用于平面類石材零件的拋光，其可進行不同精度的研磨拋光。拋光機的磨盤可以在Y，Z方向移動加工不同尺寸的平臺，工作平臺夾持工件可在X方向上移動。根據加工不同精度的大理石平臺，磨盤上的磨塊可以進行更換配套。在加工過程中，通過防護罩與水循環系統可以降低噪音。

圖1 大理石拋光設備結構Fig.1 Marble polishing machine

2 拋光盤防護罩的設置

在加工過程中，拋光盤高速旋轉帶動著磨塊與大理石表面接觸，進行磨、研、拋等方式的加工。由于摩擦力的作用以及拋光盤的旋轉，會不斷的細塊從大理石工件上脫落并向四周甩出，出現一定摩擦噪音，因此會照成工作環境的噪音污染。為此在拋光盤上增設一個防護罩如圖2所示，防護罩把整個拋光盤罩住[3]。防護罩材料橡膠材料，當加工產生的噪音向外擴散時。由于橡膠材料的消音減振效果，大部分的噪音就會被橡膠防護罩擋住無法往外傳播，起到降低噪音的效果。

圖2 拋光盤防護罩Fig.2 Polishing guard

3 加工拋光部位設置

拋光磨塊固定在拋光盤周邊，有6組磨塊是用螺絲作固定，每組的2枚緊固螺絲松出后可更換磨塊如圖3所示。由于大理石平臺的加工是通過磨塊與大理石表面進行摩擦加工，磨塊容易磨損。經過一段時間的使用，需要進行更換磨塊。如果磨塊與磨盤做成一體的，那么磨塊更換起來就比較麻煩，而且整個磨塊的成本也會增加。為使磨塊的安裝更換更方便、降低成本，以組合的方式把磨塊與磨盤通過螺栓連接。對于磨塊的容易磨損現象，磨塊的材料使用超硬金剛石磨塊，可以減低磨損減少損耗，有利于工件加工的持續性與穩定性，同時有利于同一工件進行不同精度的一體化加工[6]。為配合不同精度的加工要求，對于磨盤的轉速需要進行變速調整。為更精確的調節磨盤轉速到多個轉速，且減少設備零件，對于磨盤的研磨主軸電機可以增加1個變頻器來控制，以實現無級變速。

圖3 拋光磨塊與磨盤連接Fig.3 Connection diagram of grinding，polishing block&grinding disc

4 控制系統設置

設備的控制采用PLC作控制。操作面板采用觸摸屏，使操作簡易一目了然。在屏幕上可顯示主軸的轉速、主軸壓力數據、X，Y，Z的移動距離。主軸直接與電動機聯接，增加1個變頻器來控制直接控制主軸無極調速。Z軸可增加加彈簧，除了Z軸自身的重力，通過改變彈力來實現。這個要根據效果來設定彈力的參數。 X，Y，Z三軸采用步進電機驅動。控制流程如圖4所示。對于研磨的加工效率及表面光潔度，每個位置施加相同的壓力保證平面度，是否需要進行施加壓力的控制。

圖4 控制流程Fig.4 Control flow chart

為增加表面精度，在加工過程中，軌跡采用多種運動軌跡，以便實現無規則軌跡。磨盤的移動軌跡在Y方向上、加工平臺在X方向上的移動進行路徑設定，XY方向運動組合的移動軌跡如圖5所示的兩種運動軌跡來進行加工[7]。

圖5 大理石加工軌跡Fig.5 Marble processing locus

5 大理石平臺加工實驗

5.1 實驗材料及儀器

加工工具：超硬金剛石磨塊研磨盤；材料：規格1000×1000×150 的大理石平臺，重 450kg；研磨液：混合有磨料碳化硼的研磨液；平面度測量儀器：水平儀、千分表檢驗，配合磁力表座進行拖拉。表面粗糙度測量儀器：SRG-4000表面粗糙度儀（美國菲思圖）。

5.2 有無防護罩實驗加工結果

在無加防護罩如圖6（a）所示與有加防護罩如圖6（b）所示的情況下，通過不同的加工路徑進行加工，分別獲得加工的大理石平臺放大效果如圖7～9所示，因為加工出來的效果很接近，很難從圖中直接判斷結果。通過測量大理石平臺的表面粗糙度與平面度，經數據統計，圖10為無加防護罩和有加防護罩的大理石平臺加工后表面粗糙度，圖11為無加防護罩和有加防護罩的大理石平臺平面度。

圖6 設備實物Fig.6 Equipment in kind

圖7 X軸方向S型加工效果Fig.7 S machining effect in the direction of X axis

圖8 Y軸方向S型加工效果Fig.8 S machining effect in the direction of Y axis

圖9 X軸與Y軸S型交叉加工效果Fig.9 S machining effect cross the direction of X and Y axis

圖10 大理石平臺加工后表面粗糙度Fig.10 Surface roughness of machined marble platform after processing

圖11 大理石平臺加工后表面平面度Fig.11 Surface flatness of machined marble platform after processing

從圖10、11中可以看出，在相同的加工條件下，有加防護罩與無加防護罩兩種情況加工出來的表面粗糙度與平面度接近，因此增加防護罩不影響加工質量。

6 結束語

針對大理石平臺拋光加工過程中存在的噪音大、加工工序多等問題，從加工設備配置方案進行改進。在保證了大理石平臺表面質量的情況下，增加防護罩可減少噪音等效果。通過可替換的研磨盤模塊，可一次定位裝夾完成進行多種工序的加工。為大理石的加工方案提供了一種方法借鑒。