泡沫模樣異步熱線切割仿真加工研究
相關(guān)鏈接： 中國安全網(wǎng) 中國質(zhì)量網(wǎng) 中國論文網(wǎng) 中國資訊網(wǎng)
周 饒1 董選普1 吳志超2 呂中華1 朱 煜1
（1．華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2．華中科技大學(xué)工程實(shí)訓(xùn)中心）
摘要在異步熱線切割成型EPS模樣技術(shù)中，由于傳統(tǒng)二維CAD設(shè)計(jì)無法準(zhǔn)確地描述三維實(shí)體，從而導(dǎo)致模型設(shè)計(jì)與加工存在偏差。利用Microsoft Visual Studio軟件完成異步線切割加工裝置的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，基于Open GL實(shí)現(xiàn)三維模型仿真優(yōu)化工藝，提高材料利用率以及加工效率，完成三維EPS模樣加工。
關(guān)鍵詞 EPS模樣；異步熱線切割；Open GL仿真
中圖分類號 TG249.6；TP391DOI：10. 15980/j. tzzz. 2016. 06. 004
消失模鑄造具有設(shè)計(jì)靈活、鑄件尺寸精度高、表面粗糙度低、容易實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)、材料消耗少以及生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)，而聚苯乙烯泡沫塑料( ExpandablePolystyrene Foam，EPS)模樣制造是消失模鑄造技術(shù)中的重要環(huán)節(jié)。目前EPS成型主要有兩種方法：一是發(fā)泡成型法，這種方法除需要在專用設(shè)備中成型外，還需要價(jià)格較貴的金屬模具；二是切割法，通常采用電熱絲切割EPS泡沫。
隨著市場對鑄件生產(chǎn)質(zhì)量和效率要求的不斷提高，國內(nèi)外推出了多種數(shù)控電熱絲切割成型EPS模樣的裝備，如CROMA公司、MEGAPLOT公司等實(shí)現(xiàn)了數(shù)控二維加工EPS，設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且價(jià)格昂貴。AHN DG等研究了四維電熱絲分層加工EPS模型快速成形技術(shù)，該技術(shù)可以完成EPS成型，但效率低并且多次切片造成更多污染。HAMADE R F等、JOUANEHM等采用5軸設(shè)備進(jìn)行線切割，該技術(shù)的缺點(diǎn)是設(shè)備成本高昂并且運(yùn)動學(xué)模型復(fù)雜，增加了加工難度。孫琨等研究了EPS泡沫塑料現(xiàn)代數(shù)控切割技術(shù)及新方法，采用兩軸運(yùn)動完成異步切割，但對于三維實(shí)體切割效果不好。
本課題設(shè)計(jì)了異步4軸線切割成型裝置，開發(fā)了一套基于Open GL技術(shù)的集仿真、加工于一體的線切割成型EPS模樣控制系統(tǒng)，并使模型能實(shí)現(xiàn)三維實(shí)時(shí)仿真加工。
1 EPS模樣線切割成型控制系統(tǒng)原理
異步熱線切割成型控制系統(tǒng)通過電阻絲發(fā)熱快速局部熔化EPS材料，并利用數(shù)控技術(shù)驅(qū)動電阻絲運(yùn)動從而實(shí)現(xiàn)模樣切割成型，見圖1a。本裝置為4軸線切割，泡沫毛坯A面和B面均與Z軸垂直．并分別對應(yīng)一條切割路徑。MX、MY、MU及MV分別為該裝置4個(gè)軸的運(yùn)動方向，見圖1b。
基于Microsoft Visual Studio開發(fā)EPS模樣切割成型裝置的控制軟件Smart Cutting，該軟件利用開源Open GL(Open Graphics Library)類庫實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體模型的顯示、平移、翻轉(zhuǎn)以及縮放等功能，其線切割加工流程見圖2。利用Smart Cutting加工EPS模樣流程如下：將加工路徑導(dǎo)人Smart Cutting并設(shè)置相關(guān)坐標(biāo)，見圖3a;設(shè)置完成后，軟件將生成中間路徑、三維模型以及加工信息提示，見圖3b;最后，運(yùn)行加工仿真模擬并確認(rèn)無誤后連接設(shè)備進(jìn)行加工。
圖4為中間路徑生成流程圖。中間路徑生成是Smart Cutting控制軟件較為重要的功能模塊，實(shí)現(xiàn)從兩條兩軸矢量加工路徑到四軸矢量加工路徑的轉(zhuǎn)換，利用軟件行業(yè)流行的MVC( Model View Controller)分層架構(gòu)思想，將不同格式文件的加工路徑轉(zhuǎn)換為固定格式的中間路徑，三維模型和設(shè)備控制只與中間路徑綁定并與導(dǎo)入文件格式無關(guān)，添加其他格式文件的支持將變得簡單。
2 三維模型的建立及仿真加工
Open GL是一個(gè)功能強(qiáng)大、調(diào)用方便的底層圖形庫，提供了跨編程語言、跨平臺的專業(yè)圖形程序接口。利用Open GL實(shí)現(xiàn)了三維實(shí)體模型渲染以及加工過程仿真模擬等功能。三維實(shí)體模型渲染分為加工路徑側(cè)面渲染和切割面渲染。
加工路徑側(cè)面渲染是三維模型建立中的重要模塊。實(shí)現(xiàn)方法如下：使用一組與X軸平行的直線與閉合路徑求交點(diǎn)，獲取交點(diǎn)并按X坐標(biāo)大小進(jìn)行排序，然后按X1和X2、X3和X4、…、X2n-1和X2n等組合依次類推畫線段，其原理見圖5a。當(dāng)線密集程度達(dá)到一定時(shí)，整個(gè)側(cè)面填充完整，實(shí)際效果見圖5b。
切割面對應(yīng)EPS模樣的加工面，與中間路徑一一對應(yīng)。中間路徑每條操作的起點(diǎn)對應(yīng)上條操作的終點(diǎn)，一條操作起點(diǎn)（An與B n）與終點(diǎn)（An+1與Bn+1）構(gòu)成一個(gè)四邊形，通過Open GL接口畫連續(xù)四邊形得到切割面，其原理見圖6a。至此三維模型渲染已經(jīng)全部完成，見圖6b。
3 試驗(yàn)驗(yàn)證
本裝置切割加工組件主要包括電熱絲以及加持電源等部件，選用電阻絲直徑為0.5 mm，穩(wěn)壓電源范圍為0～36 V，通過調(diào)節(jié)加持電源兩端電壓提供熱輸入。
本裝置控制軟件Smart Cutting可以實(shí)現(xiàn)加工模擬，仿真模擬顯示見圖7a。
加工過程：①根據(jù)加工提示利用電熱絲按照泡沫模型的毛坯尺寸300 mm×300 mm×240 mm切割泡沫毛坯；②使用工裝夾具將毛坯固定，進(jìn)行初始位置調(diào)整；③進(jìn)行仿真模擬確認(rèn)無誤，調(diào)整穩(wěn)壓電源并啟動機(jī)床進(jìn)行EPS模樣的加工。
通過使用該系統(tǒng)的加工模塊完成EPS模樣加工，并對部分位置進(jìn)行打磨，模樣加工完成情況見圖7b（拍攝坐標(biāo)系）。
4 結(jié) 語
基于Microsoft Visual Studio及Open GL類庫開發(fā)了一套異步四軸線切割仿真模擬與加工控制系統(tǒng)，提出了四軸線切割中路徑生成方法，并根據(jù)設(shè)定參數(shù)判斷路徑是否合理，實(shí)現(xiàn)了二維CAD／CAM數(shù)據(jù)到四軸線切割中間代碼的轉(zhuǎn)換；實(shí)現(xiàn)了加工EPS模樣的三維建模，根據(jù)導(dǎo)入的模型以及設(shè)定的參數(shù)，進(jìn)行加工軌跡規(guī)劃和三維仿真模擬顯示，實(shí)現(xiàn)異步線切割成形EPS模樣的仿真加工。
