1 绪论1.1课题的意义、目的、研究范围近年来硬脆性材料，尤其是非金属、非导电材料以及半导体等材料，例如玻璃、各种石材、宝石、硅晶体等，它们的硬度、脆性、耐磨性、抗蚀性、抗氧化性都比较高，正是由于这些独特的性质，这些特殊材料在军用及民用工业等领域应用越来越广泛。
硬脆材料加工难度很大，加工时稍不注意就会引起工件表面的磨损或者破坏。
究其原因是其具有较高的脆性，断裂韧性比较低，材料本身的弹性强度和弹性极限比较接近。
金刚石工具以其无与伦比的性能优势，成为当今公认的、唯一有效的硬脆非金属材料加工工具，比如，只有用金刚石刀具能加工超硬的陶瓷，尚无其他代用品。
金刚石砂轮用来磨削硬质合金，比碳化硅耐用一万倍。
用金刚石磨料代替碳化硅磨料加工光学玻璃，生产效率可以提高数倍至数十倍。
金刚石聚晶拉丝模比用硬质合金的拉丝模的使用寿命长250 倍[1]。
目前，材料去除主要包括以下方式：塑性去除、脆性去除和粉末化去除。
而这些去除方式在对材料进行去除之后都会产生降低工件强度和表面加工质量等问题[2]。
因此，为了解决这些加工问题，需要研究一种新型、高效、经济的方法。
而金刚石切割技术则是最佳的选择。
金刚石串珠锯是目前世界上最先进的石材开采设备，它作为金刚石工具发展过程中的第三代产品，作为新一代的切削工具，经过二十多年来的研究、开发与完善，已经被广泛应用于石材行业，机械行业以及建筑施工领域，主要用于石材的开采加工钢筋混凝土建筑物的拆除和修整、玻璃等脆硬材料的加工，随着国外对金刚石绳锯锯切钢件研究的进展，它还应用与海底构件的维修、核电厂的拆除等特殊领域的工作中。
现在技术中，金刚石绳锯按金刚石串珠的磨料层来划分可分为两种类型:多层串珠和单层串珠。
多层串珠是烧结型金刚石串珠，通过采用粉末冶金烧结技术使金刚石磨料呈多层埋置于串珠的工作层，在使用期间金刚石磨料呈多层更替的磨损机理，这类串珠因金刚石磨料的出露量低而使其切削效率低，而使用寿命较长；单层串珠是通过电镀、钎焊等工艺将金刚石磨料单层粘结于串珠基体外表面，在使用中只有单层磨料作为工作层，由于金刚石磨料出露高而切削效率较高，但这类串珠的使用寿命较短[3]。
金刚石串珠绳锯因其具有切削效率高，锯切质量好、使用灵活、适用性强等特点，广泛应用于石材的开采加工，在异型石材制品加工方面，也具有较为明显的优点[4]。
但是，目前针对异型加工的金刚石串珠绳锯都采用门架式结构，不但体积较大，而且加工时，这样针对墓碑石材异型加工时，工件大都需要立式装夹，非常麻烦。
如果可以采用水平放置工件，则可以减少安装工作量，进一步提高效率[5]。
相比较其它金刚石工具，金刚石绳锯是柔韧性工具，其不仅可用于切割直板，还可切割异形板材；不受物体表面形状限制，作场地要求简单，可以进行大面积切割；使用金刚石绳锯可以提高资源利用率，减少对环境的污染[6]。
由于具备这些优势，其市场规模越来越大，应用范围越来越广。
随着技术的进步，采用粉末制粒技术和自动冷压技术，可大幅度提高金刚石绳锯的生产效率；采用诸如热等静压技术、金刚石定向排布技术、钎焊技术等新工艺、新方法制作的金刚石绳锯可以大幅度地提高绳锯的综合性能，高性能金刚石绳锯的大规模使用对于提高石材资源的利用率，降低单位面积的切割成本和保护生态环境具有十分重要的意义[7]。
这种金刚石串珠锯切割机在结构上主要特点如下：张紧轮的设计：串珠锯锯切时张紧力的调节，主要是通过控制锯切过程中串珠绳的张紧力实现。
通常由一套电控系统控制串珠锯进给运动速度的变化，使串珠绳所受的拉力值始终保持在设定的安全值范围之内。
根据切割面积大小的不同，切割面形状的差异，使用串珠绳长短的差别，被切割石材软硬程度的区别，在实际使用时，串珠锯切割给进速度是随时变化的，而串珠绳所受到的张紧力是恒定不变的[8]。
微调机构：在一些高档机型上，还装有电机调节或手调节飞轮轴线方向位置移动的微调机构，实现飞轮轴向位置的电动移动;也有的机型安装电机驱动的串珠绳导向轮夹角调节机构，以控制串珠绳在飞轮上包角大小，保持合适的传动摩擦力;目前还有在串珠锯上装有高强度织物卷筒，对参与切割的串珠绳提供动态跟踪防护，防止因串绳意外拉断飞出，对操作者构成伤害[8]。
串珠锯的长度：串珠锯的使用技术参数串珠锯功率的大小直接关系到带动串珠绳的长度，最大切割面积，功率越大的串珠锯能够带动的串珠绳越长、可以包容的切割面积越大。
切割面积越大，单位时间参与切割石材的串珠绳越长，切割效率才有可能提高。
电机选型：根据要求，现选用比较常用的Y系列三相异步电动机，这是由于Y系列三相异步电动机的功率等级和安装尺寸与国外同类型的先进产品相当，因而具有与国外同类型产品之间良好的互换性，供配套出口及引进设备替换。
带轮：带轮的材料主要采用铸铁，常用材料的牌号为HT150或HT200，转速较高时11 宜采用铸钢，或用钢板冲压后焊接而成。
1.2国内外的发展概况金刚石绳锯作为一种柔性超硬材料切割工具，从面世至今，已有40多年的发展历史，从最初的电镀技术，发展到以烧结、钎焊技术为主流的制造技术；从只能切割软质石材到广泛应用于花岗岩矿山的荒料开采、钢筋混凝土或金属结构件的切割，在制造技术推陈出新的同时，应用范围也越来越广。
目前国产金刚石绳锯的综合性能已经接近国际先进水平，且造价低廉，完全够满足国内石材矿山开采和板材加工业的需求，甚至有许多企业生产的绳锯产品已开始大量出口欧美等西方国家。
随着金刚石绳机械及金刚石绳锯切割技术的快速推广使用，我国石材荒料开采已进入金刚石绳锯时代，金刚石绳锯制造企业得到了空前的发展。
图1-1 金刚石串珠绳锯Figure1-1 Diamond wire saw beading自1991年国内引进第一台用于加工异型石材制品的金刚石绳锯至今，已有近40台不同类型的金刚石绳锯在国内使用，其中90%的设备是用于加工异型石材制品的机型。
国内也有多个企业生产或试制过这种设备，我国的金刚石绳锯经过近20多年的发展和改进，一再及其构造、工作性能和金刚石绳锯的制造方法、结构、质量水平等都已获得一定进步，但总体来讲国内金刚石绳锯的研制开发进展还是相对缓慢。
1.3本课题应达到的要求通过金刚石串珠锯切割机实现石材的自动进给以及串珠锯的上下往复运动，实现切割循环工作，达到自动化生产，大大提高生产效率，大大降低了劳动强度的目的。
2 金刚石串珠锯切割机设计方案的拟定2.1 金刚石串珠锯切割机设计方案的分析设计一个切割25002000⨯⨯石材的金刚石串珠锯切割机，切割机的功能主要分为主800运动系统、进给系统、调整系统和张紧机构。
主运动系统主要是切割机构，由三项异步电机通过V带轮的传动带动主动飞轮的转动，从而实现石材的切割。
进给系统是负责控制主运动系统的升降，实现切割中的进给部分。
切割原理为步进电机通过二级传动减速来控制丝杠的转动，而主运动系统则与丝杠连接，从而实现主运动系统的上下运动。
调整系统为工作台的运动系统，完成的动作是每当金刚石串珠锯切割完一块石材，调整系统就运动一定的距离，然后以便于继续切割。
切割原理为，步进电机直接与丝杠相连，工作台与丝杠相连，当需要工作时，电机正传丝杠转动带动工作台的直线运动；切割完成后，电机反转，工作台退出，可以更换石材。
2.2运动方案的拟定2.2.1主运动系统和进给系统传动方案的拟定根据传统金刚石串珠锯切割石材的方法和改进方法，现拟定一下几种方案：方案一：金刚石串珠锯垂直放置，石材水平放置，通过金刚石串珠锯的高速运动来切割石材；金刚石串珠锯进行进给运动。
其工作原理如图2-1所示：图2-1 立式车床切割石材原理图Figure2-1 The principle diagram of the vertical lathe cutting stone方案二：本方案的电机通过V带轮的传动带动主动轮的转动，主动轮带动金刚石串珠绳锯的高速运动切割石材。
而金刚石串珠绳锯的上下运动则是通过步进电机的传动带动丝杠的转动将转动转换为垂直方向的上下运动。
本方案的最大特点是将定位轮下置放置，可以通过调整定位轮的位置来调整金刚石串珠绳锯的张紧。
其工作原理图如图2-2所示：图2-2定位轮下置式金刚石串珠锯原理图Figure2-2 The principle diagram of positioning wheel type saw diamond beads 方案三：本方案的电机通过V带轮的传动带动主动轮的转动，主动轮带动金刚石串珠绳锯的高速运动切割石材。
而金刚石串珠绳锯的上下运动则是通过步进电机的传动带动丝杠的转动将转动转换为垂直方向的上下运动。
本方案的最大特点是将定位轮下置放置，可以通过调整定位轮的位置来调整金刚石串珠绳锯的张紧。
其工作原理如图2-3所示：图2-3张紧轮下置式金刚石串珠锯切割机原理图Figure2-3 The principle diagram of under tension wheel type diamond beads saw cuttingmachine2.2.2 切割方案的比较方案一需要工件石材X方向和Y方向两个方向上的进给，石材的放置不方便，装夹十分不易，而且已切割的石材放置不便，切割效率不高，定位不够精准。
方案二定位轮放置在下面，这种需要切割线锯的上下运动和工作台石材的X方向进给运动，但是该装置的精度不是很高，张紧不是很方便，但是操作方便，生产效率较高，结构也比较简单。
方案三的定位轮和张紧轮都放置在下面，这种需要切割线锯的上下运动和工作台石材的X方向进给运动，该装置的精度较高，张紧方便，操作简单，生产效率也较高。
可以大量地切割石材。
2.2.3 切割设计方案的确定根据上面的结构分析和性能比较，按照实际的生产需求和设计要求，选择方案三的设计。
切割原理是由主电动机的输入运动和力，通过V带传动，带动大飞轮的转动，使金刚石串珠绳锯的高速移动从而切割工件。
升降台则是由电机通过一对圆柱齿轮传动和一对直齿锥齿轮以及丝杠滑块的运动实现上下位移的。
而工件的移动则依靠工作台电机的转动带动丝杠的转动，丝杠和丝杠套筒配合使工作台可以直线运动；往返运动需要电机的正反转来实现，所以可以选用三项步进电动机。
切割原理方案如图2-4所示：图2-4 切割原理图Figure 2-4 The principle diagram of cutting2.3 主运动系统和进给系统传动装置的设计2.3.1 主运动系统和进给系统传动装置的分析切割原理是由主电动机的输入运动和力，通过V带传动，带动大飞轮的转动，使金刚石串珠绳锯的高速移动从而切割工件。
升降台则是由电机通过一对圆柱齿轮传动和一对直齿锥齿轮以及丝杠滑块的运动实现上下位移的。
而工件的移动则依靠工作台电机的转动带动丝杠的转动，丝杠和丝杠套筒配合使工作台可以直线运动；往返运动需要电机的正反转来实现，所以可以选用三项步进电动机。