五轴石材切割机床真空吸附关键系统研究与开发

摘要

近年来，随着建筑行业和装饰行业的迅速发展，人们对石材的需求越来越大，特别是对大理石的需求。大理石特有的性质使其越来越受到人们的关注，这就促进了石材切割机床和石材雕刻机床的发展。然而，我国传统的石材切割机床切割石材后，石材的移位和运输是一难题，该问题在五轴石材切割机床中更是突出，同时，在石板切割后需要再加工时往往会跟旁边的石板产生干涉，严重影响了生产效率。另一方面，若在切割机床上对石材进行雕刻，石材的固定是关键，传统的固定方式操作不便、费时费力，需要开发一种灵活性强的新型固定方法及其装备。本课题在充分调研现有的五轴石材切割机床功能结构的前提下，提出了采用真空吸附系统来解决现有石材运输和移位难题的思路，创新设计了大理石起吊真空吸附系统与面向小型石材雕刻的双面真空吸附平台，为完善现有五轴石材切割机床的设计提供了一定的理论依据和技术支持。
　　首先，论文对大理石起吊真空吸附系统中所用到的真空器件进行了介绍，其中包括真空器件的工作原理以及主要真空器件的选型和计算，同时对真空系统的工作原理进行了阐述。在参考大量的现有结构及实际情况的前提下，对真空吸附系统进行了设计，其中包括真空吸盘及其附件的设计优化。
　　然后，进行了真空吸附有限元仿真技术研究，在参考实物的情况下，利用流体仿真分析软件Fluent对真空吸附系统中的关键部件——真空吸盘在吸附大理石石板时腔体内的压力及压降等进行模拟，并且进行了真空吸盘吸附大理石石板的试验，以此来验证所设计的真空吸盘的合理性。
　　进一步，基于有限元技术，开展了真空吸盘吸附系统的关键结构及参数优化设计，主要从真空吸盘的出口位置、出口直径和密封条高度几个方面出发进行对比优化。
　　最后，在对真空吸盘设计及试验的基础上，设计了面向小型石材雕刻的新型双面真空吸附平台，并对其进行了优化设计，使其可以吸附在五轴石材切割机床上用来对大理石进行雕刻，这样就可以在原有基础上将五轴石材切割机床的锯片换成刀具进行雕刻，从而大大拓展了五轴石材切割机床的应用范围。
　　理论与实验研究表明:本文设计开发的大理石真空吸附系统可以对切割后的大理石石板进行搬运与移位，并且可以解决切割后石板的干涉问题;对于小型石材雕刻时的固持问题，流场仿真分析表明，所设计的双面真空吸附平台，可以满足真空度要求，产生所需的吸附力，在夹持固定方面能够实现功能要求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 五轴石材切割机床综述

1．3 真空吸附技术在国内外发展状况

1．3．1 真空吸附技术在国内发展状况

1．3．2 真空吸附技术在国外发展状况

1．4 真空吸附平台的发展与应用现状

1．5 论文研究目的、主要内容与技术路线

第2章 五轴切割机床石材起吊真空吸附系统设计

2．1 真空吸附原理简介

2．2 真空吸附系统器件选择及设计

2．2．1 真空吸盘及密封条材料的选择

2．2．2 真空发生装置的选择

2．2．3 真空吸附系统的组成器件

2．2．4 真空吸附系统回路的设计

2．3 真空吸盘组件的设计及气缸选型

2．3．1 真空吸盘组件的设计

2．3．2 真空起吊气缸的选型

2．3．3 真空吸附气缸的选型

2．4 真空吸盘吸附力计算

2．5 真空的测量、传输与净化

2．6 本章小结

第3章 基于有限元技术的石材起吊真空吸附系统结构与参数优化

3．1 真空吸附有限元仿真基础理论

3．1．1 流场中气体压力与速度

3．1．2 流体运动中的层流与湍流

3．2 真空吸附有限元仿真关键技术

3．2．1 气体流动状态的判别

3．2．2 湍流模型的分析与应用

3．3 石材起吊真空吸附物理过程有限元仿真与试验验证

3．3．1 真空吸附物理过程有限元仿真和分析

3．3．2 真空吸盘吸附试验

3．3．3 真空吸盘有限元仿真结果验证

3．4 基于有限元技术的真空吸盘结构与参数优化

3．4．1 抽取计算域及网格划分

3．4．2 真空吸盘结构与参数优化

3．5 本章小结

第4章 面向小型石材雕刻的双面真空装夹吸附平台研究与开发

4．1 双面真空吸附平台吸附系统的组成

4．2 适应不同工况的双面真空吸附平台的设计

4．2．1 分区域可控制的双面真空吸附平台

4．2．2 触发式双面真空吸附平台

4．2．3 适应工件尺寸的柔性双面真空吸附平台

4．3 三种双面真空吸附平台通用密封结构设计

4．3．1 真空系统的密封

4．3．2 密封条的选择

4．3．3 密封槽的设计

4．4 吸附台面静力分析的有限元仿真

4．4．1 吸附平台基体材料的选择

4．4．2 吸附台面的几何模型

4．4．3 吸附台面的有限元模型

4．4．4 吸附台面的静力有限元仿真

4．5 双面真空吸附平台真空物理过程仿真

4．5．1 上层吸附平台真空物理过程仿真

4．5．2 下层吸附平台真空物理过程仿真

4．6 下层吸附平台结构优化及真空物理过程仿真

4．6 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果

致谢