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低成本 EPS 盲孔仿形切割系统研究

近年来EPS快速成形技术在工业生产、生活中应用越来越广泛。主要在消失模铸造、立体广告制作、装饰装潢、产品包装及艺术制作等领域有广泛的应用。目前国外从事这方面的企业主要有法国的 CROMA、波兰的 MEGAPLOT 公司、美国的 Hotwire Direct 公司；国内只有西安交大在从麻城事这方面的研究，已经研制了基于 HPGL 的 EPS快速成形设备。对于盲孔来讲，现有的 EPS 快速成形设备还不能胜任盲孔工件的切割，即使能加工也往往加工效率很低。从实际应用角度出发设计了一种新型低成本 EPS 盲孔仿形切割系统，利用不同形状的仿形电热丝旋转同时配合整体的二维移动来获得所需盲孔。既可以实现批量化生产取代高成本模具成形又可以解放人类劳动。对于中小批量欧美已有很多客户在使用的 EPS 盲孔加工具有很大的现实意义。

1 系统总体设计

系统机械部分通过二维泡沫切割机外加一个盲孔仿行切割附加机构，控制部分采用“PC + 运动控制卡”的总体控制方案。采用 PC 作为控制系统的中心部分，通过调用运动控制卡函数负责整个控制细节。总图设计各功能模块如图 1 所示。

1.1 机械系统设计

机械部分主要是一二维 EPS 热丝切割平台(如图 2 所示)在 Z 向上通过螺栓连接在 Y 向滑动板上增加一个盲孔附件机构(如图 3 所示)，从而实现 EPS 的盲孔加工。

图 1 E这项专利名称叫 1个普遍测试的机器PS 盲孔加工系统总体方案

图 2 二维 EPS 热丝切割平台

附件机构最重要的部分为刀具体，刀具体是切割用的电热丝的固定安装主体。既要满足在旋转的过程中给电热丝供电，又要保证电热丝平稳的切割运动。详细设计思路如下：

(1)排污阀 刀具体选材：刀具体的材料选择要求绝缘，同时要有足够的强度，硬度和塑性以及较好的加工工艺性。最终选真空排气等装置定尼龙作为刀具体的主体材料。

图 3 EPS 盲孔加工附件机构

(2) 刀具体的结构设计：为了保证切割用的电热丝的电源通路回路以及保证切割用电热丝的运动。刀具体的外形设计如图 4 所示。为了解决切割电热丝的旋转切割运动的洛阳问题，巧妙地采用碳刷，顺利的解决了这一问题。在刀具体的ａ，ｂ处设计了两个等外径的环形槽。环形槽对称位置分别打了两个小孔。带绝缘皮的电源线的一端通过小孔导出，另外一端从刀具体的底端孔导出。在ａ，ｂ处分别用漆包线与电源连接之后，紧密的缠绕在ａ，ｂ处的槽内。实现电源与电热丝的电源通路。碳的探头紧贴在漆包线圈外面，碳刷通过导线与电源连接，以完成整个电流通路。仿形电热丝镶嵌在圆形热固性树脂上，通过与刀具体的底端孔的过盈配合，很好的与刀具体连接。仿形电热丝一端与刀具体内孔的电源线连接，另一端弯成需要形状。

a.等直径内孔（通孔）；b.碳刷位置一； c.碳刷位置二；

d.同步带轮固定位置；e.滚珠轴承固定位置；f.导线

仿形电热丝的旋转切割运动是通过与仿形电热丝过盈配合的刀具体的旋转运动实现的。到具体的旋转运动的动力源来自步进式电动机。动力源与旋转部件的动力传动方式采用皮带和带轮传动。在电动机的主轴安装一个同步带轮，在刀具体的 c 处过盈配合安装同步带轮，之间采用同步带连接动。

1.2 电气控制系统设计

电气控制系统所需要实现的功能主要包括如下 5 点：(1) 实现对 X 向两个个电机的同步运动控制；(2) 实现对 Y 向 2 个电机的同步运动控制；(3) 实现对盲孔附件电机 R 电器包装的运动控制；(4) 实现对行程开关输入信号的检测；(5) 实现对加载在电热丝上的功率的控制加载时动作要轻稳。电气控制系统实施方案示意图如图 5 所示。

X 向 2 个电机的同步运动控制及行程开关信号的检测是通过对控制卡上的 X 轴进行控制而实现的：应用软件通过调用底层运动函数向控制卡发送控制指令，控制电机的一路信号经过电机驱动器发送控制对应的电机动作。由于 X 向 2 个电机要同步运动，所以为了节省成本，本文利用一个电机驱动器同时发送信号到两个电机，从而实现了两个电机的同步运动；而对行程开关信号的检测则由控制卡自身检测实现。同理，Y 向 2 个电机的同步运动控制及行程开关信号的检测则是通过对控制卡上的 Y 轴进行控制而实现的。而对电热丝散热风扇的控制则是通过应用软件调用 I/O口控制函数控制 I/O 口的通断而实现的。因 R 向电机只有一个电机，通过控制控制卡上 R 轴的电机信号经过电机驱动器直接控制 R 向电机运动。

图 5 电气控制系统实施方案

4 结论

仿形加工是聚苯乙烯泡沫塑料加工中一种重要的加工技术，它是通过弯制不同形状的电热丝，实现部分三维实体制品的加工。论文利用现有的便携聚苯乙烯泡沫塑料设备，合理设计附件结构，使仿形电热丝能够实现正反转动、二维平移及多丝同步加工的功能，机构不使用时能够随时提起，成本低廉、便于携带。实现商品包装件的中小批量化加工，取代目前的手工操作和模具加工。

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