《数控技术在EPS切割机中的应用》教案1

厦门工学院CDIO创新实践中心高级工程师唐晓明手机:[phone]邮箱:[e-mail]密码：1234562012.2.10快速成型技术与EPS数控切割机切割技术CDIO《数控技术在EPS切割机中的应用》1课程简介本课程是我院机械工程及自动化、材料成型及控制工程专业的一门选修课。是以CDIO工程教育的为理念的教学模式，通过以数控技术在EPS数控切割机的应用为范例，通过对数控设备的学习及数控类设备创新构思、设计、实施、运行，使学生掌握数控技术的实际应用及数控系统的设计方法。并以一个实际的EPS数控切割机设计实践过程为载体，学习项目设计过程的组织、管理、和实施，为培养工程技术高端实用人才奠定一定的基础。该课程分四个阶段：1.EPS数控加工成型技术与实践2.数控类机械设计与实践；3.微机数控控制硬件设计与实践；4.微机数控软件设计及编程与实践参考书数控技术/李斌，李曦主编，武汉:华中科技大学出版社,2010数控技术应用及数控系统开发/黄文生，张建生主编，北京:国防工业出版社,2009数控技术/龚仲华主编，北京:机械工业出版社,2010数VisualC++应用教程/郑阿奇丁有和编，人民邮电出版社，2008参考资料网址中国数控在线：数控论坛：华中数控：上海开通数控：南京数控：深圳福斯特数控：西门子：法那克：中国制造业信息化网：中国制造协作网：中国机械信息网：模型设计逐层制造快速成形技术（简称为RP—RapidPrototyping技术),其本质是用材料分层堆积原理制造三维实体零件。它是将复杂的三维实体模型“切”（Spice）成设定厚度的一系列片层，从而变为简单的二维图形，层层叠加而成。一、快速成形技术简介快速成形原理CAD模型的近似处理用STL文件格式进行数据转换，将三维实体表面用一系列相连的小三角形逼近，得到STL格式的三维近似模型文件。典型的STL文件STL对文件切片处理切片是将模型以片层的方式来描述，片层的厚度通常在50µm～500µm之间；无论零件形状多么复杂，对每一层来说却是简单的平面矢量扫描组（如图），轮廓线代表了片层的边界。逐层制造用快速成型机制作每一层，自下而上层层叠加就成为三维实体，成型过程如图所示。RP是计算机技术、数控技术、材料科学、激光技术、机械工程技术集成的结晶。它另辟蹊径，达到了传统制造技术很难的特殊目标，它具有如下特点：（1）高度柔性它不借助任何专用工具，即可快速成形出具有一定精度与强度，满足一定性能的原型或零件。要改变零件，只需修改CAD模型，特别适宜于单件小批生产。CAD数据转换成STL数据后，即可开始RP制造过程。CAD到STL文件的转换是自动完成的，大多数CAD软件均有此接口。而传统的数控加工方法，CAD/CAM集成加工时存在CAPP这个技术瓶颈，这是由于切削过程中，机床、刀具、工夹具、零件定位及夹紧诸多因素使工艺过程的制定复杂化。而RP过程是二维操作，可以高度自动化和程序化，即用简单重复的动作成形复杂的三维零件，无须特殊的模具、工具或人工干涉，从设计到成形结束只有信息流。（2）高度集成化（3）适合成形复杂零件不论多复杂的零件，在RP中，都分解成二维数据由计算机统一处理，因而无简单与复杂之分，RP方法特别适宜成形型腔、复杂型面等传统方法难以制造甚至无法制造的零件；相反，却不适合加工板金、轴类零件。(4)快速性从CAD设计到原型的加工完成往往只需几十个小时，尤其是对复杂零件，比传统加工方法要快得多。二、快速成形技术分类按使用的材料形态分类，可以分为液相法（如树脂）、固相法（如粉末）、气相法。按具体工艺分，则到目前为止，则有十几种，比较成熟并占有一定市场的有光固法（SL）、掩模固化法（SGC）、叠层法（LOM）、激光选区烧结法（SLS）、熔融沉积法（FDM）等、喷粒法（BMP）、3D印刷法等。(1)光固法（stereolithography，简称SL）SL是最早商品化、市场占有量最大的快速成形技术，以美国3DSystem公司的SLA系列成形机为代表。美国3DSYSTEM公司的SLA技术是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。这种液态材料在一定波长和强度的紫外光(如λ=325nm)的照射下能迅速发生光聚合反应,分子量急剧增大,材料也就从液态转变成固态。SLA工作原理图。我国在90年代先后有西安交大先进制造技术研究所、武汉华中科技大学快速制造中心北京殷华实业有限公司、陕西省激光快速成形与模具制造工程研究中心等在快速成形工艺研究、设备开发、数据处理及控制软件、新材料的研发等方面做了大量有成效的工作。液槽中盛满液态光固化树脂，激光束在偏转镜作用下，能在液态表面上扫描，扫描的轨迹及光线的有无均由计算机控制，光点打到的地方，液体就固化。SLA工作原理头盔：新材料Somos9420EP-White是一种基于环氧树脂的光敏聚合物。复杂件：RenShapeSL7800是一种具有高抗冲击强度的光敏聚合物。（2）掩模固化SGC（SolidGroundCuring）这是以色列的CUBITAL公司开发的。此系统利用丙烯基光敏树脂和光学掩模技术，电子成像系统先在一块特殊玻璃上通过曝光和高压充电过程产生与截面形状一致的静电潜象，并吸附上碳粉形成截面形状的负象，接着以此为“底片”用强紫外灯（2kw）对涂敷的一层光敏树脂进行同时曝光固化，把多余的树脂吸附走以后，用石蜡填充截面中的空隙部分，接着用铣刀把这个截面修平，在此基础上进行下一个层面的固化。此法的优点一是同时曝光，速度快，二是不需要设计支撑结构。缺点是树脂和石蜡的浪费较大，且工序复杂。（3）激光选区烧结（Selectivelasersintering简称SLS）这项技术是由美国德州大学的CarlDeckard和JoeBeaman教授提出。这项技术使用的材料为固态粉末，它和SLA很相似，也是用激光束来扫描各层材料，但激光器为CO2激光器，粉末物质代替了液体树脂。制作时，粉末被预热到稍低于其熔点温度，然后控制激光束来加热粉末，使其达到烧结温度，从而把它和上一层粘结到一起。SLS工作原理图美国DTM公司获得了这项技术的专利，并于1992年研制了激光烧结设备称之为“烧结站2000系统”，此系统目前烧结的材料主要有铸造蜡材，工程热塑性塑料如聚碳酸酯、尼龙、覆膜金属。现在国内外正在研究陶瓷以及其它工程塑料的烧结成形。（4）熔融沉积成形（FusedDepositionModelling，简称FDM）这项技术是由美国明尼阿波利斯工程师ScottCrump于1988年发明的。二维层片是通过X_Y工作台带动喷头把熔化的材料按截面形状铺成的，使用的材料范围很广，如铸造石蜡、尼龙、热塑性塑料。熔融沉积-FDM原理图实例照片ABS工程塑料热熔丝（5）叠层制造（LaminatedObjectManufacturing，简称LOM）LOM技术出现于1985年。其基本原理是根据零件分层几何信息切割箔材（如金属箔材、纸张），将所获得的层片依次粘结成三维实体。供料机构转动收料轴和供料轴，带动料带移动，使新层移到加工区域，工作台上升到加工平面，热压辊热压，工件的层数增加一层，高度增加一个料厚，再在新层上激光切割截面轮廓。如此反复直至零件的所有截面粘接、切割完，得到分层制造的实体零件。（6）三维印刷（3DPrinting）3DPrinting是麻省理工学院机械工程系和材料工程系研制出来的，使用的材料主要是陶瓷粉末，其加工过程和SLS很相似，所不同的是3DPrinting使用一种涂层方法，即将硅胶以印刷的方式喷涂于粉末的表面上，这样分层地加工原型后，再采用高温烧结的方法使之固化，从而得到所需模型。3DP工作原理工程应用实例概念模型视觉造型组装验证与最佳化功能测试小批量制造快速模具医学应用实例人工骨头制作手术规划齿模制作义耳制作科学应用实例古生物学模型生物模型考古研究模型以聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）为加工材料的快速成形技术是一项新技术，它可以直接而迅速地由CAD模型制作EPS三维实体。三、EPS数控切割机原理简介EPS数控切割机是由电脑控制，能够将聚苯乙烯泡沫切割成任意二维图形及通过连续切割法切割出一定三维制品的机器。基本原理为：使用Ni-Cr电热丝做刀具，采用电加热原理，非接触气化加工EPS工件。基于CNC数控技术，在市面流行的软件平台，如CorelDraw和AUTOCAD等输出HPGL/STL格式的图形文件，再由计算机及配套的控制软件自动形成加工路径，根据加工路径，由计算机控制下由数控机构带动发热的电热丝在EPS中行走切割，从而加工出模型，使得对泡沫材料进行快速准确的切割。四、EPS数控切割机的应用范围该设备适用于机械制造、铸造、汽车、船舶、工业设计、模具制造加工、广告、建筑装潢装饰、工艺品加工及宣传展示等行业。也适合形状复杂的零件制作。应用领域主要在以下几个方面：①真空消失模铸造模样制造；②模具制作；③室内外建筑装潢；④艺术品（壁画、雕塑）；⑤广告制作。1、制造真空消失模铸造模样聚苯乙烯模型制作是消失模铸造工艺关键技术之一，通常的聚苯乙烯模型制造设备的投资较大，这是因为聚苯乙烯泡沫的成型，需要经过预发泡、熟化和二次发泡成型三个工艺过程。发泡成型过程必须借助于模具来完成，而一套发泡成型金属模具，设计及加工费用，少则需要上万元，多则需要数十万美元，且设计、加工周期长，并成为限制消失模铸造发展的瓶颈。该技术避开了发泡模具设计制造瓶颈，加快消失模铸造技术的推广，将给铸造业和制造业带很大便利。2、模具制造3、室内外建筑装潢4、艺术品——壁画、雕塑5、广告制作等方面五、四种EPS数控切割机设备介绍我院借鉴叠层制造技术的加工成形理念研制的数控切割机以聚苯乙烯泡沫塑料材料获得原型。我们CDIO创新实践中心目前总共有四种EPS数控切割机如下：①便携式同步EPS数控切割机；②便携式异步EPS数控切割机；③标准同步EPS数控切割机；④标准异步EPS数控切割机；图1便携式同步数控切割机图2便携式异步数控切割机图3标准同步数控切割机图4标准异步数控切割机六、EPS数控切割机的加工模式介绍EPS快速成形机具有四种加工模式：二维切割加工模式、旋转切割加工模式、连续切割加工模式、仿形切割加工模式。1.二维切割加工模式是对HPGL(.LPT)矢量格式的文字、图形等数据源进行分析处理并生成加工路径，然后由计算机控制的电热丝按照所生成的加工路径进行行走，从而加工出所设计的文字和图标等图形实体。二维切割加工成形原理2.连续切割加工模式是利用设备上的旋转平台完成三维实体的加工的，当完成了一个垂直截面的轮廓加工后，旋转平台转过一个角度，接着完成该角度截面的轮廓加工，如此循环最后形成一个实体。此种模式的三维实体的加工受到形状的限制，如侧向凹陷轮廓无法加工。此外，这种加工模式的数据源不容易获得。连续切割加工成形原理3.旋转切割加工模式主要用于加工EPS回转体模型，此种加工模式又衍生出两种加工方法：电热丝的平面运动和旋转平台的转动顺序执行、电热丝的平面运动和旋转平台的转动同时执行。旋转切割加工成形原理4.仿形切割加工模式是先通过将刚性的仿形电热丝移动到起始加工位置，然后转动旋转平台去除多余材料，达到保留部分的轮廓同仿形电热丝相同的效果。仿形切割加工成形原理七、聚苯乙烯泡沫塑料（EPS)的成型加工1)聚苯乙烯泡沫塑