專利名稱：一種石材表面成型加工工藝及其裝備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種在石材(或類石材料)表面以機械加工方式刻制出規則幾何形體的工藝方法，和為實施該工藝而專門設計的設備，尤其是施用于石材盲道(磚)生產的加工工藝和專用設備。
背景技術：
近幾年來，“建筑無障礙設計”在世界各國均形成法規化，如德國2000年4月，我國于2001年8月，美國于2002年6月，都發布了相關的標準，對盲道表面的觸感物(TGSIs)形狀、分布尺寸均有了嚴格的規定。目前，世界各國所用的盲道(磚)產品，以用材分類則有四類，(1)無機材料有混凝土預制的磚或澆灌后表面壓型；陶、瓷燒結成品；(2)有機材料以模壓成型工藝的合成橡膠、樹脂、高分子、塑料乃至乳化橡膠改性砂漿制成品；(3)金屬材料以壓鑄工藝的銅、鋁乃至不銹鋼或木板上鉚不銹鋼釘；(4)天然石制品現多為手工的制品(Unit masonry；Sterneweare；Cobble stone)或半機械化半手工的粗制品。由于盲道應用的強制性和規范化，需求量大增已引起全球社會重視。于是對上述現有產品的(包括耐磨、耐候、節能、環保、造價等)綜合因素進行分析，結果發現天然石材無疑應以其強度高、硬度、耐凍、抗風化能力、表面壽命高達50-70年(遠高于現有使用年限為15年)的優異性價比，理當列為盲道磚首推用材。然而，由于當前各國對石材盲道(磚)上的觸感物制造手段欠缺完備，沒有能滿足該產品規范要求的工業化加工工藝及設備，而使石材盲道(磚)始終停留在“粗制濫造”的半手工生產現狀制品，與標準規范要求有很大差距，無法推廣應用。以至，經濟發達國家不得不使用如前所述的高成本、短壽命的其他材料，以模壓成形工藝，才能制出符合規范要求的產品。
發明內容
本發明的目的是實現用現代化的加工石材的工藝方法，來生產標準規格的石材盲道(磚)，滿足國際市場對該產品的需求。其解決方案是運用金剛石磨削技術和自動化機床工作原理，構成一條能按各國盲道磚標準規范要求制造產品的工藝流程和生產線，實現石材盲道(磚)機械化工業化生產。
其具體內容是本發明的石材盲道(磚)加工工藝過程，由四道工序組成第一道工序制磚坯。將標準石板材成品，按規范要求切成方形或長方形坯料。為已有技術。
第二道工序荒切去余量。即在上道坯料表面用現有技術，切出直槽或方格槽來，即最大限度去掉加工余量。
第三道工序成形加工。為本發明主要內容，應用本發明的專機，磨具和工藝方法自動以磨削方式在第二工序的成品上加工出觸感物形來。
第四道工序盲道磚“底座”表面處理。在上述成型加工的第三道工序中，因在形成觸感物的同時，也形成了“底座”表面，因此尚有如下后續“底座”表面加工的流程供選擇(A)均化“底座”表面(即除觸感物形外的表面)。常規采用噴砂處理；對用于公共室內建筑要求較高的產品，則可在專機中，加設拋磨用樹脂結合劑的磨頭，進行拋磨，以提高光澤度。
(B)根據外國標準要求，進行“底座”面染色(黃或橙色)。
著重指出，上述第三道工序是根據“提示盲道”與“行進盲道”的表面觸感不同的成型形狀尺寸的要求，又分二種加工流程和配置四種型式專機和多種磨具，來實現對盲道磚上觸感物的成型加工的。其中流程A，是一種流水線式流程，由YDA型、YDB型兩型專機組成，實現對提示盲道(磚)(包括正位與錯位兩型)的加工。
流程B，則是單機加工流程，由CTA型專機，自動完成對正位型的行進盲道(磚)加工；由CTB型專機自動完成對錯位型的行進盲道(磚)的加工。并且在質量要求很高的情況下，CTB型也用于完成提示盲道磚的加工。
本說明書有如下附圖圖1，系我國國家行業標準所規定的盲道類型圖。(摘錄自標準圖集號03J926)，說明了盲道觸感物的形狀及分布型式。本文所述及盲道術語定義、用途功能均按JGJ50-2001標準規定。
圖2，系本發明的石材盲道加工過程示意圖。對上述發明內容作圖解說明。
圖3，為本發明的YDA型專機結構示意圖。
圖4，為本發明的YDB型專機結構示意圖。
圖5，為本發明的CTA型專機結構示意圖。
圖6，為本發明的CTB型專機結構示意圖。
圖7，為本發明的磨頭輔具的結構及功能原理圖。
圖8，為本發明的步進器工作原理圖。
圖9，為本發明的CTB型專機功能特征示意圖。
現結合附圖，對所發明的主要工藝裝備(專機、磨具)的技術特征(結構、功能)作進一步說明。
1、由圖3、4所示的YDA、YDB型專機結構相似均由類似四柱油壓機式的機身①；矩陣式多軸動力頭②；和帶步進機構的工作臺③等三大部件組成的。多軸(16-24軸或更多)動力頭的主軸位置根據產品規格要求配置，由若干電動機驅動；各主軸端均配置一專用成形的金剛石磨具④(詳見以下第5條所描述的)。整個動力頭通過固定于機身上的氣動裝置⑤和杠桿機構⑥沿機身上四根立柱⑦導向上下運動，實現磨具④對工件進給成形加工—退刀動作；而由安裝在內部的氣缸⑧驅動帶有能作間歇步進機構⑩的工作臺⑨，(在工作臺面上安裝有工件(11))，來完成“送料→精確定位→(加工后)退料”定向動作；這二組動作由電氣—氣動控制系統配合，從而自動完成對工件的加工。并且由于是矩陣式多軸加工，故有很高的生產效率。
該類型專機，專門用于觸感物為點狀的提示盲道磚，由于盲道磚規格多樣，面專機上主軸根數和配置就隨著盲板觸點正位分布時的點距不同而成系列化。并且，在正位分布的主軸矩陣中，呈45°方位安裝工件，即可在該機上完成錯位的提示盲道磚的加工。
根據觸感點的輪廓和成形精度的要求不同，兩型專機皆可單機或聯機形成流水線加工(本發明實施方案為聯機，如圖2中流程A所示)。YDA與YDB型的不同之處，在主軸群數和步進步數及相應驅動結構不同。
2、由圖5、6所示的CTA、CTB型專機結構相似均由龍門式機身①；并列多軸(6-8軸或更多)動力頭②，固定于機身的橫梁③上，(橫梁可沿立柱④作磨削深度有限調整后固定)，動力頭由單個電動機驅動；和工作臺⑤等三大部件組成。工作臺由機構⑥(一個與工作臺面平行的平面內，能作相互垂直的二個方向平移的)和在⑥其中安置一回轉進給機構⑦支配。這些機構都疊加于一能沿導軌座⑧作直線步進的鞍板⑨上。(詳見第4條說明和附圖9)在該專機配置的電氣—液壓/氣動控制系統⑩的控制下，使固定在工作臺上的工件(11)，能相對于主軸端的金剛石磨具(12)作出與產品形狀要求相符的運動軌跡。其原理是軌跡中直線段是由鞍板⑨的運動來完成；而園弧(半園或全園)則由回轉進給機構⑦和機構⑥來完成。并列多根主軸結構能實現多個相同軌跡同時加工，從而達到快速把工件的自動加工成產品的目的。
本發明中的CTB型專機是全能機型既能加工提示盲道，也能加工行進盲道；既能加工正位分布型，也能加工錯位分布型。其工作原理如附圖9所示。(圖中結構元件代號沿用上述代號)。對該機控制邏輯線路作相應設置，則同樣的工作機構就會分別形成如下表所描述的包絡線軌跡，并自動循環從而實現加工作業。
但為提高生產效率和擴大成型加工范圍，特將加工工藝分為兩類流程，如附圖2所示中的流程A和流程B。其中流程A，是依據成型磨頭對提示盲道的園泡狀觸感物有高效加工能力，而設計出YDA/B型專機的。
而流程B之一，則是對CTB型專機的步進機構簡化，成進退各一步，就形成CTA型系列專機的。CTA型系列專機，除能加工正位行進盲道磚外，尚能在稍加改裝情況下，擴大了加工各種花紋的能力。如在CTA型機工作臺部件中卸去軸承(15)，增設靠模機構(16)(見圖9)，并對電氣邏輯控制線路作相應變動，則可加工出多種多樣的立體組合紋路，可做樓梯階面防滑階板(取代金屬防滑條)，或石材幕墻面裝飾板，擴大加工產品生產范圍。
CTB型與CTA型不同之處，在于其裝有兩排相錯的主軸(14)和配置有多步的如上述的步進器(13)，從而也能完成對正、錯位的提示盲道磚的加工工作。
3、上述各型專機，除CTA型外，均配置帶有步進器的工作臺，以執行精確的步進和定位動作。該步進器的結構如附圖8所示，有簡單可靠精確、耐用的特點。其工作原理是由氣缸①動作，推動齒條②使齒輪③通過內置超越離合器④和轉軸⑤以及轉軸上的撥爪⑥將活動檔肖⑦壓下；此時，導軌座上的滑板⑧就在導軌座內置的另一個氣缸(或液壓缸)⑨的推動下前進至下一位活動檔肖之前，并頂住(有定位壓力，保證磨削定位)；當氣缸①做完上述動作后，退回原位(系內置彈簧的單作用氣缸)。此時，轉軸⑤上有另一個撥爪⑩已處在下一位活動檔肖之前，進入準備作下壓下該檔肖的位置。即如上述所述，周而復始地作步進運動。該結構在YDA/B型機內為送料/定位機構，而在CTA/B型機內則為進給/定位機構。
步進距離的精確度，是以下列措施保證的1)、首先，以加工工藝保證各活動擋肖之間距離，在一定允差范圍之內；2)、在活動擋肖上端設有一園形擋塊(11)其直徑為Di，逐一依次測量出每一對活動擋肖的相對實際距離尺寸Si；然后，按測量順序依次決定Di的數值。算法公式為Di＝D-2(S-Si)式中S-為活動擋肖之間的公稱尺寸(步距)D-為園形擋塊的公稱尺寸。
如此，就能保證步距的積累差為最小值，從而保證了加工精度。
在各專機設有機電一體化的控制系統支配下，該步進器就能保證“裝料、啟動→送料定位—進給加工→退刀”→再送料、再定位等在若干次循環步進后，退出、卸料，重復地進行加工工作。
當然，實現精確步進和定位工作，尚有多種技術方案可選擇，如采用滾珠——絲桿和步進馬達等，(或直線驅動馬達)，亦能實現上述動作，在上述專機內，是具有等同效果的技術特征的。
4，成型磨削所用的磨頭，其磨刃分布，隨流程不同而不同流程A(即YDA/B型專機)所用磨頭、磨刃分布在磨頭的內園周及端面；而流程B(即CTA/B型專機)所用磨頭、磨刃分布在磨頭的外園周及端面，見附圖2所示。磨具材料系金剛石精度60-150青銅結合劑。
上述各型專機主軸端，均配置了本發明特有的磨頭夾持輔具，其結構如附圖7。其與一般磨具不同的獨特功能是使磨刃面在不卸下狀態下隨時能作徑向和軸向磨耗補償，以保證成型加工尺寸精度，及延長磨頭工作壽命。其補償原理是徑向補償可由二個動作分別都能實現一是徑向位移，系由該輔具上有燕尾槽運動體①②，使磨頭⑥相對于回轉軸線偏心位移J來實現；二是磨頭柄⑦角位移，該磨頭的柄部系為花鍵軸結構，其功能為，當磨具從初始位A相對于回轉中心偏移J至極限位置B后，即可取出花鍵軸，轉過若干鍵位(角位移C)在裝上，移走磨耗區E，代之以新的磨刃區，使磨頭位于D處，補償了磨頭回轉半徑尺寸PJ。而軸向補償Z，則由楔形機構③④相對位移來實現；在調整后均有對應的螺釘及通過夾緊機構⑤夾緊定位，并傳遞動力，完成磨削運動。
上述所有各型磨頭輔具之軸柄皆為空心，與專機各主軸中心孔道相通，以便壓力冷卻液從中通至磨頭處，自內向外地冷卻磨頭，并沖走磨屑粉漿，大大延長金剛石磨刃的工作壽命。
上述本發明磨頭輔具所具有加工尺寸補償，和在磨頭內加壓水冷卻功能，是有普通應用的意義的。依此方法，可最大限度地在保證磨頭成型加工精度的前提下，充分利用磨頭金剛石材料，從而大大降低加工成本。這是使本方案因之能有最大的加工經濟性的技術創新所在。
具體實施例方式
根據本發明所提出的工藝方法，及在其工裝創造性的構思的基礎上，又廣泛地整合了現代石材加工、機電、化工等多領域的最新的現有技術，通過一年多時間努力已于2004年3月完成五臺上述四型式樣機的設計、制造和試驗。實踐證明，本發明方案切實可行，該發明，已形成一條能高出原有生產(伴有手工補充加工的)方式以數十倍的效率，加工紋路齊整的各型石材盲道(磚)的生產線。實現了完全取代人工雕琢工序、全機械化優質低成本的工業化生產。與之同時，經通過因特網檢索了我國和美國國家專利數據庫，以及18家國際著名生產盲道(磚)的廠家網站后，結果表明，至今為止，尚未發現有同樣的發明申請和產品。因此，本項發明所制成的產品是填補國際該等級產品的空白。所以，本申請具有被授予專利權的條件。
本發明涉及建筑石板材的深加工技術，而我國石材資源豐富，且已成世界最大石板材加工出口中心之一。由于石板材優異的強度、耐候、耐凍、耐磨、長壽和裝飾性能，且該制品有節能(天然構成)，環保(無降解物污染)和高性價比(長壽美觀，且減少路面二次維修費用)，其在建筑業的應用必將日益廣泛，特別是盲道及樓梯防滑板或墻面裝飾板的相關產品，均有巨大市場需求。而本發明所涉及的石板材深加工技術的應用，必然會帶來有高附加值的經濟效益。因為，以石材盲道磚取代本文“背景技術部份”所示的其他用材的盲道磚制品的過程，就是形成一個巨大且有很好前景的產業的過程。這就是本發明具有深刻經濟意義所在。
權利要求
1.一種石材表面成型加工工藝及其裝備，其特征是適用于加工諸如石材盲道上的觸感物的工藝過程，該過程包括如下工序(1)制坯工序按建筑標準規范制成磚坯，待下道工序加工；(2)粗加工工序最大限度去掉成形加工予量；(3)成形(精)加工工序根據盲道觸感物(或點狀、或棒狀)不同，本工序又分兩種加工流程；流程A多工位，流水線式加工成型；流程B單工位單機全自動加工成型。(4)“底座”表面均化處理工序根據不同標準要求，也有兩種后續工序流程C噴砂或濕法拋磨處理；流程D涂漆或染色(黃/橙色)處理。
2.根據權利要求1所述的加工工藝及其裝備，其特征在于，按上述流程B，非但能在石板材上加工出盲道磚，尚能加工各種規則幾何成形的浮雕圖案，以生產石材防滑階面板及高級石材幕墻的圖案裝飾板。
3.一種石材表面成型加工工藝裝備，本發明將命名為YDA型系列和YDB系列專機，其特征在于該型專機由以下部件構成(1)機身部件四柱水壓機式架構，下有底座臺板，上有氣缸桿杠-連桿等驅動裝置；(2)動力頭座部件在上述驅動裝置作用下，整個動力頭座可沿四根柱作豎直上下運動；并通過該座板上，設有多組(2-3組)多軸(4-8軸或更多)的，由若干電動機-齒輪系的驅動的主軸群束，實現磨削和進給運動。(3)步進工作臺部件在機身下部的底座臺板上，裝有一作直線運動導軌付；導軌上的工作臺安裝工件；在導軌座內置的氣缸和步進器作用下，工件相對主軸作間歇步進運動(送料)。(4)控制部件系電氣-氣動邏輯線路控制系統，實現送退料(步進)，進退刀等自動加工工步接轉動作。
4.根據權利要求3所述的加工工藝裝備，即YDA型和YDB型專機，其特征在于可加工正位的提示盲道，也可將工件安裝方位旋轉45°，加工成錯位提示盲道；可利用多組主軸群，各群裝上不同磨刃輪廓，形成多工位流水線加工作業。以加工成形精度高或端面較復雜的點狀輪廓。
5.一種石材表面成型加工工藝裝備，本發明將其命名為CTA型系列和CTB型系列專機，其特征在于，該型專機由下列部件構成(1)機身部件為雙柱龍門式架構，下部有底座臺板，上部為連接兩立柱間的橫梁板，面橫梁板通過兩端的立柱套筒的松或夾動作，可使橫梁沿立柱方向作上下位置調整并固定。(2)動力頭部件由一排并列的(或兩排相錯的)多軸主軸群，及一個主軸座體構成。由同在橫梁端的電動機驅動，而通過一組齒輪系傳至各主軸。(3)導軌座部件在機身下部的底座臺板上，兩立柱之間，橫梁的動力頭座下，安裝有一直線導軌座部件；該導軌座內置有液壓缸和步進機構，使導軌上的鞍板能沿導軌，作間歇步進的進給運動。(4)工作臺部件在導軌座的鞍板上，設有工作臺。該工作臺由二個運動機構和安裝工件的臺板構成。(5)控制部件系一個液壓-氣動-電氣邏輯線路控制系統，實現單機自動化加工。
6.根據權利要求5所述的工藝裝備，即CTA型和CTB型專機，其特征在于其工作臺內，有二個運動機構將其約束效果疊加于工作臺板上，一是使工作臺只能在與其臺板面平行的水平面內，沿著兩個互相垂直方向平移的機構；二是使工作臺板又繞某定點旋轉的園周進給機構。其疊加約束效果是工作臺板在其平面內作圍繞某定點作定方向平移的園周運動。這便是CTA型和CTB型專機能加工出園弧又與直線頷接的機理。
7.根據權利要求5所述的工藝裝備，其特征在于，其中CTB型系列專機的特別功能是，其加工運動軌跡在邏輯線路調整配合下，既可加工點狀的提示盲道，還可加工棒狀的行進盲道，既可加工下棋正位分布型，還可加工錯位分布型盲道。
8.根據權利要求2和5所述的工藝裝備，其特征在于，其中CTA型系列專機，其導軌座部件中的步進機構簡化成進一步退二步(退程中設一活動擋塊)動作，專門用于加工正位行進盲道；若在該機型在工作臺中去其除園周進給運動約束后，并附加一靠模裝置，即可加工除盲道之外的多種規則幾何紋路，而實現如權利要求2所述的擴大本工藝的加工功能。
9.一種石材表面成型加工工藝裝備上所使用的步進送料(或退給)裝置，其特征在于其由如下組件組成(1)活動擋肖排座組件按設計的步距和步數，沿導軌座運動方向呈串列分布于一長座體中；各活動肖能在垂直于導軌面的座孔中上下伸縮(其下有彈簧頂出)，各活動肖頂部裝有精確調整步距用的園形擋塊。(2)撥爪組件一連串互相錯開一定角度的撥爪穿在一轉軸上，該串撥爪與上述活動擋肖一一對應，并通過撥爪端與活動擋肖的凸肩接觸，當撥爪向下轉動時，活動擋肖被壓下，于是鞍板越過擋肖實現步進運動。(3)間歇驅動組件上述撥爪轉軸的端部，裝有齒輪-齒條傳動件，而在齒輪的輪轂中裝有超越離合器(單方向嚙合)與撥爪轉軸相聯；而齒條被一受控制的單作用氣缸的推動下使齒輪→超越離合器→撥爪轉軸→撥爪運動，撥爪如上述壓下活動擋肖實現步進；接著上述齒條、齒輪回復原位，待下一個指令，于是實現間歇動作。該裝置具有簡單可靠，精度高；不但定位精確且有定位夾持力。上述YDA系列、YDB系列、CTB系列均配置本步進裝置。
10.一種石材表面成型加工工藝裝備所配用的磨頭輔具，其特征是本輔具專門配用于本發明上述各型石材表面成型加工專機的主軸上，該輔具設有徑向偏心和軸向楔形付結構，使裝在其上的磨頭在不卸下的狀態下，或卸下轉個角度重裝上，就能完成其徑向和軸向磨刃尺寸補償調整，使磨頭金剛石材料能充分利用而延長耐用度，不但能有精確的加工精度，尚大大降低加工成本。這是本專利不可或缺的保護范圍。
全文摘要
本發明涉及一種在石材表面進行成型加工工藝及其裝備，尤其適用于對附圖所示的各種石材盲道上觸感物的成型加工。實踐已證明，以本發明的創造性構思并廣泛整合了石材加工，機電控制，新型材料等各領域技術，所構成的樣機實驗生產線，已完全摒除人工補充工序，而實現全機械化生產，大幅度提升了石材盲道磚的外觀質量和生產效率，且降低制造成本。為推廣應用有高性價比的/節能的、環保的石材盲道磚，排除了技術障礙，使一個可讓國際市場對該產品的巨大需求得到滿足的大產業之形成，成為可能。本發明是對石板材深加工的技術，因此上述設備尚有加工出規則工整幾何圖案的功能，可用來加工石材臺階防滑面板和高級石材幕墻，有花紋的裝飾板。
文檔編號B24B7/20GK1683136SQ20041000859
公開日2005年10月19日 申請日期2004年4月16日 優先權日2004年4月16日
發明者劉次寧, 劉莆四, 劉榕三 申請人:劉次寧, 王建平, 劉莆四