泡沫模样异步热线切割仿真加工研究

 周  饶1  董选普1  吴志超2  吕中华1  朱  煜1

 （1．华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室；2．华中科技大学工程实训中心）

摘要在异步热线切割成型EPS模样技术中，由于传统二维CAD设计无法准确地描述三维实体，从而导致模型设计与加工存在偏差。利用Microsoft Visual Studio软件完成异步线切割加工装置的控制系统设计，基于Open GL实现三维模型仿真优化工艺，提高材料利用率以及加工效率，完成三维EPS模样加工。

关键词  EPS模样；异步热线切割；Open GL仿真

中图分类号  TG249.6；TP391DOI：10. 15980/j. tzzz. 2016. 06. 004

 消失模铸造具有设计灵活、铸件尺寸精度高、表面粗糙度低、容易实现清洁生产、材料消耗少以及生产成本低等特点，而聚苯乙烯泡沫塑料( ExpandablePolystyrene Foam，EPS)模样制造是消失模铸造技术中的重要环节。目前EPS成型主要有两种方法：一是发泡成型法，这种方法除需要在专用设备中成型外，还需要价格较贵的金属模具；二是切割法，通常采用电热丝切割EPS泡沫。

 随着市场对铸件生产质量和效率要求的不断提高，国内外推出了多种数控电热丝切割成型EPS模样的装备，如CROMA公司、MEGAPLOT公司等实现了数控二维加工EPS，设备结构复杂并且价格昂贵。AHN DG等研究了四维电热丝分层加工EPS模型快速成形技术，该技术可以完成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轴设备进行线切割，该技术的缺点是设备成本高昂并且运动学模型复杂，增加了加工难度。孙琨等研究了EPS泡沫塑料现代数控切割技术及新方法，采用两轴运动完成异步切割，但对于三维实体切割效果不好。

 本课题设计了异步4轴线切割成型装置，开发了一套基于Open GL技术的集仿真、加工于一体的线切割成型EPS模样控制系统，并使模型能实现三维实时仿真加工。

1 EPS模样线切割成型控制系统原理

  异步热线切割成型控制系统通过电阻丝发热快速局部熔化EPS材料，并利用数控技术驱动电阻丝运动从而实现模样切割成型，见图1a。本装置为4轴线切割，泡沫毛坯A面和B面均与Z轴垂直．并分别对应一条切割路径。MX、MY、MU及MV分别为该装置4个轴的运动方向，见图1b。

 基于Microsoft Visual Studio开发EPS模样切割成型装置的控制软件Smart Cutting，该软件利用开源Open GL(Open Graphics Library)类库实现三维实体模型的显示、平移、翻转以及缩放等功能，其线切割加工流程见图2。利用Smart Cutting加工EPS模样流程如下：将加工路径导人Smart Cutting并设置相关坐标，见图3a;设置完成后，软件将生成中间路径、三维模型以及加工信息提示，见图3b;最后，运行加工仿真模拟并确认无误后连接设备进行加工。

 图4为中间路径生成流程图。中间路径生成是Smart Cutting控制软件较为重要的功能模块，实现从两条两轴矢量加工路径到四轴矢量加工路径的转换，利用软件行业流行的MVC( Model View Controller)分层架构思想，将不同格式文件的加工路径转换为固定格式的中间路径，三维模型和设备控制只与中间路径绑定并与导入文件格式无关，添加其他格式文件的支持将变得简单。

2  三维模型的建立及仿真加工

 Open GL是一个功能强大、调用方便的底层图形库，提供了跨编程语言、跨平台的专业图形程序接口。利用Open GL实现了三维实体模型渲染以及加工过程仿真模拟等功能。三维实体模型渲染分为加工路径侧面渲染和切割面渲染。

 加工路径侧面渲染是三维模型建立中的重要模块。实现方法如下：使用一组与X轴平行的直线与闭合路径求交点，获取交点并按X坐标大小进行排序，然后按X1和X2、X3和X4、…、X2n-1和X2n等组合依次类推画线段，其原理见图5a。当线密集程度达到一定时，整个侧面填充完整，实际效果见图5b。

 切割面对应EPS模样的加工面，与中间路径一一对应。中间路径每条操作的起点对应上条操作的终点，一条操作起点（An与B n）与终点（An+1与Bn+1）构成一个四边形，通过Open GL接口画连续四边形得到切割面，其原理见图6a。至此三维模型渲染已经全部完成，见图6b。

3  试验验证

 本装置切割加工组件主要包括电热丝以及加持电源等部件，选用电阻丝直径为0.5 mm，稳压电源范围为0～36 V，通过调节加持电源两端电压提供热输入。

 本装置控制软件Smart Cutting可以实现加工模拟，仿真模拟显示见图7a。

 加工过程：①根据加工提示利用电热丝按照泡沫模型的毛坯尺寸300 mm×300 mm×240 mm切割泡沫毛坯；②使用工装夹具将毛坯固定，进行初始位置调整；③进行仿真模拟确认无误，调整稳压电源并启动机床进行EPS模样的加工。

 通过使用该系统的加工模块完成EPS模样加工，并对部分位置进行打磨，模样加工完成情况见图7b（拍摄坐标系）。

4  结  语

 基于Microsoft Visual Studio及Open GL类库开发了一套异步四轴线切割仿真模拟与加工控制系统，提出了四轴线切割中路径生成方法，并根据设定参数判断路径是否合理，实现了二维CAD／CAM数据到四轴线切割中间代码的转换；实现了加工EPS模样的三维建模，根据导入的模型以及设定的参数，进行加工轨迹规划和三维仿真模拟显示，实现异步线切割成形EPS模样的仿真加工。