利用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x確定聚苯乙烯材料表面形態(tài).docx

徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)利用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x確定聚苯乙烯材料表面形態(tài)d艾奇遜 r蘇萊曼新西蘭克賴斯特徹奇坎特伯雷大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院【摘要】由于泡沫材料的用途廣泛，全世界材料市場(chǎng)對(duì)它的需求量迅速上升。泡沫材料被廣泛應(yīng)用與汽車(chē)工業(yè)、食品包裝工業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、運(yùn)動(dòng)器械、家庭用具、海岸浮標(biāo)及救生圈,和小型船只等。因?yàn)榕菽牧系氖褂么蟠箨P(guān)系到人們的日常生活，所以有必要通過(guò)改變切割和加工的速度使它形成各種不同的形狀。這種利用計(jì)算機(jī)輔助切割機(jī)床或全自動(dòng)切割機(jī)才能達(dá)到。但是，切割的速度將會(huì)影響到材料加工后的表面粗糙度。所以，為達(dá)到優(yōu)質(zhì)的表面加工質(zhì)量，有必要確定聚苯乙烯的表面形態(tài)。當(dāng)前，人們正在研究制造一臺(tái)用于這種泡沫材料的快速原型制造設(shè)備，研究的第一階段就是在不同種類(lèi)的金屬切割絲在不同的溫度下用不同的進(jìn)給量切削后利用坐標(biāo)測(cè)量?jī)x確定聚苯乙烯表面形態(tài)?！娟P(guān)鍵字】 聚苯乙烯 表面形態(tài) 熱切割絲1 簡(jiǎn)介當(dāng)今世界材料市場(chǎng)對(duì)泡沫材料的需求量正迅速上升。泡沫材料可分成兩大類(lèi)，即柔性泡沫和剛性泡沫。柔性泡沫材料主要用于家具，運(yùn)輸工具、床墊、地毯、包裝、玩具、運(yùn)動(dòng)器材和鞋子等，同時(shí)也被用于實(shí)現(xiàn)共振和吸音。剛性泡沫材料經(jīng)常被用于建筑行業(yè)、絕緣隔離裝置、管道、罐子、浮漂和裝食物和飲料的容器等。泡沫材料被如此廣泛地應(yīng)用，總的來(lái)說(shuō)可以概括為以下幾點(diǎn)原因： 泡沫材料經(jīng)濟(jì)實(shí)用； 泡沫材料適合于室內(nèi)和戶外使用； 泡沫材料能被涂上一層各種不同的材料以達(dá)到任何設(shè)計(jì)的光潔度； 泡沫材料質(zhì)量輕，運(yùn)輸安裝方便。泡沫材料的是生產(chǎn)可以用各種不同的技術(shù)方法得以實(shí)現(xiàn)。生產(chǎn)連續(xù)泡沫板材的最常用方法是通過(guò)注入包括二甲苯異氰酸鹽、聚醚多元醇等石油化工藥劑和水的混合原料，這些原料可以被用來(lái)進(jìn)行再生和再加工。不同的添加劑混合在一起以達(dá)到專門(mén)的特性。如顏色、活化吸收功能、作用于紫外線及其它一些特性。這種方法生產(chǎn)的泡沫此時(shí)仍然處于原始狀態(tài)，接下的工作就是要把這些混合物加工成不同的形狀和尺寸的材料。通常有切削的方法就能達(dá)到。切削泡沫材料有兩種主要的方法，即發(fā)熱切割絲切割和振動(dòng)式切片法。兩者分別適合于生產(chǎn)不同特性的泡沫材料。振動(dòng)式切片法主要用于生產(chǎn)具有簡(jiǎn)單幾何形狀的剛性泡沫，而發(fā)熱切割絲切割法適用于加工復(fù)雜幾何形體的柔性泡沫材料。當(dāng)前，著兩種加工技術(shù)只作為人工的或半自動(dòng)生產(chǎn)生產(chǎn)方式。2. 三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x（cmm）在做進(jìn)一步討論之前,有必要對(duì)作為一種工具被用于確定聚苯乙烯表面形態(tài)這項(xiàng)研究的坐標(biāo)測(cè)量?jī)x進(jìn)行一些說(shuō)明。一臺(tái)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x(以下簡(jiǎn)寫(xiě)為cmm)具有一個(gè)測(cè)量工件上各點(diǎn)的探針。這就像用手指去丈量地圖上的坐標(biāo)，探針就相當(dāng)于手指，在工件表面觸碰或觸摸一定的區(qū)域。工件上的每一個(gè)點(diǎn)對(duì)于儀器的坐標(biāo)系都是對(duì)立的，而這個(gè)坐標(biāo)系描述了測(cè)量?jī)x的運(yùn)動(dòng)情況。通常有兩種類(lèi)型的坐標(biāo)系，第一個(gè)叫做機(jī)器坐標(biāo)系，它的x，y，z軸分別表示cmm探針的移動(dòng)方向，第二個(gè)叫做工件坐標(biāo)系，它上面的三軸對(duì)應(yīng)于工件的基準(zhǔn)。一個(gè)基準(zhǔn)確定工件上的一個(gè)特定部位的位置。這個(gè)部位可以是一個(gè)孔，一個(gè)面或是一個(gè)槽。cmm通過(guò)測(cè)量一個(gè)工件坐標(biāo)來(lái)確定兩個(gè)特定部位的距離。它也能被用來(lái)確定質(zhì)地較軟的物體的表面形態(tài)或表面粗糙度，比如聚苯乙烯。以下實(shí)驗(yàn)中使用的cmm是discovery系列坐標(biāo)測(cè)量?jī)xmodel d-12(如圖1a)。機(jī)器利用一個(gè)固體探針或電子探測(cè)頭觸摸被測(cè)試件的表面來(lái)收集數(shù)據(jù)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)使用了電子探測(cè)頭。由于該探測(cè)頭在工作時(shí)頭部的微小側(cè)滑將會(huì)影響到數(shù)據(jù)的正確讀取，所以它工作時(shí)必須與被測(cè)工件表面保持垂直正交以獲得最準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息。在筆者的實(shí)驗(yàn)室里可使用的探測(cè)頭頭部接觸信號(hào)傳輸元件直徑有1.0、2.0、3.0、4.0和5.0mm五種。由于聚苯乙烯比較軟，更小尺寸的接觸信號(hào)傳輸元件在觸摸工件表面時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致新的斜面或坑洞的產(chǎn)生，因此在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中使用了一個(gè)直徑為3.0mm的紅寶石傳輸元件。（如圖b1）。較大尺寸的元件相對(duì)就會(huì)減少導(dǎo)致聚苯乙烯表面產(chǎn)生斜面或坑洞的可能性。所以用直徑用3.0mm的傳輸元件可以避免上述現(xiàn)象的發(fā)生而減少數(shù)據(jù)讀取誤差。（如圖c1 和d）3.表面形態(tài)表面形態(tài)或者表面粗糙度包括表面刮擦痕跡和碎片痕跡，這種認(rèn)識(shí)被普遍接受。這些痕跡彼此分開(kāi)但相對(duì)緊密地排列，這使得他們很難被測(cè)量到。究竟為什么工程師們要不怕麻煩地去測(cè)量表面粗糙度呢？主要原因是被測(cè)的表面經(jīng)常與其它表面相關(guān)。通過(guò)了解工件表面的形態(tài)，接觸位置的狀態(tài)和相接觸的各種部件的表現(xiàn)都被控制了。 (d)圖1 (a)本次實(shí)驗(yàn)使用的cmm；(b)在顯微鏡下觀測(cè)到的聚苯乙烯表(c)典型探針直徑；(d)本次實(shí)驗(yàn)中用的探針區(qū)分表面形態(tài)和表面粗糙度的不同是很有必要的。表面形態(tài)是柔性材料表面的幾何屬性，如聚苯乙烯或海綿。要測(cè)量柔性材料表面粗糙度是一項(xiàng)非常困難和具有挑戰(zhàn)性的工作，但最終也能做到。3。表面粗糙度更多地被認(rèn)為是一種無(wú)規(guī)則或者凹凸不平的表面狀態(tài)，通常是在堅(jiān)硬的材料表面進(jìn)行測(cè)量4。這樣定義它們有利于開(kāi)發(fā)和鑒定測(cè)量工件硬度的技術(shù)和等級(jí)。假如表面粗糙度需要遵循一個(gè)書(shū)面的標(biāo)準(zhǔn)，那很少有這樣的書(shū)面標(biāo)準(zhǔn)可以參考。最常用的就是1961年英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)bs1134出版的centre-line a verage height method for assessment of surface texture。當(dāng)前機(jī)械工業(yè)中常用的另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)就是1984年頒布的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)體系第一版第1215頁(yè)中的surface roughness-terminology-part 1-surface and its parameters。測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)基于掃描一機(jī)械實(shí)體表面后得到的外形輪廓。要得到一個(gè)經(jīng)仔細(xì)評(píng)價(jià)的粗糙度標(biāo)準(zhǔn)，就要涉及到iso組織出版的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。后者可以與國(guó)家參考實(shí)驗(yàn)室聯(lián)系查閱到。這些實(shí)驗(yàn)室有英聯(lián)邦國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室，德國(guó)physikalishe technishe bundesabstalt，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所和法國(guó)dessais國(guó)家實(shí)驗(yàn)室。4.柔性材料表面形態(tài)涉及到測(cè)量柔性材料諸如聚苯乙烯及其它泡沫材料的表面粗糙度時(shí)往往問(wèn)題就會(huì)產(chǎn)生。有一種恰當(dāng)?shù)臏y(cè)量方法就是運(yùn)用光學(xué)技術(shù)，然而由于運(yùn)用光學(xué)技術(shù)只仔細(xì)關(guān)注局部位置，如試樣表面那些比較陡的斜坡，就像動(dòng)力學(xué)只關(guān)注結(jié)構(gòu)一樣，會(huì)使反饋失真。其它一些光學(xué)技術(shù)遇到的問(wèn)題是當(dāng)掃描到較陡的斜破時(shí)沒(méi)有足夠的光反射回探測(cè)系統(tǒng)。這就是此項(xiàng)研究要使用cmm的原因。cmm之所以能測(cè)量聚苯乙烯表面形態(tài)是因?yàn)榫郾揭蚁┍砻嬗卸傅男逼?。用顯微鏡觀測(cè)后發(fā)現(xiàn)這些陡坡的形狀非常有規(guī)律。測(cè)試的結(jié)果如圖2所示。我們可以注意到，坡越陡cmm讀取數(shù)據(jù)后繪制的線越長(zhǎng)。5.實(shí)驗(yàn)技術(shù)在這項(xiàng)研究中，設(shè)計(jì)了一臺(tái)用線切割技術(shù)切割聚苯乙烯的簡(jiǎn)單機(jī)器。這臺(tái)機(jī)器在一維空間上切割聚苯乙烯材料，即水平方向向工件輸送熱切割絲。用熱絲切割泡沫材料尤其是聚苯乙烯的方法很常用。熱切割絲的兩端與一個(gè)電源相連，當(dāng)切割絲兩端的溫度不一致時(shí)熱量就會(huì)沿著切割絲傳遞。熱量按照一定的溫度梯度沿切割絲從溫度高的部位傳遞到溫度低的部位，這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)熱的傳導(dǎo)。熱切割絲的一頭與一個(gè)熱電偶相連，用來(lái)讀取切割絲的溫度。我們通過(guò)控制熱切割絲兩端的電壓和流過(guò)切割絲上的電流就能夠控制切割絲的溫度了。是實(shí)驗(yàn)中用到的溫度為100、200和300。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的就是要通過(guò)用cmm測(cè)量用不同材料的切割絲，不同的溫度和不同的切割絲給進(jìn)速度來(lái)呈現(xiàn)聚苯乙烯的各種表面形態(tài)。它的表面形態(tài)的變化取決于熱線切割機(jī)的切割絲材料、溫度和切割絲的給進(jìn)速度。被測(cè)試的材料工件是長(zhǎng)度為300mm，寬300mm，厚50mm的聚苯乙烯。之所以選擇這樣的尺寸是因?yàn)樵谶M(jìn)行檢測(cè)時(shí)方便抓握。用于切割的切割線有鎳鉻合金切割絲、inconel和鎳鉻鐵彈簧絲5。選擇使用inconel和鎳鉻鐵彈簧絲是由于它們?cè)诒挥糜诟邷厍懈詈笥斜３中螤畹哪芰?7。而選擇鎳鉻合金切割絲是因?yàn)樗乔懈罹郾揭蚁r(shí)最常用的切割絲。聚苯乙烯在不同的溫度下，不同的切割絲給進(jìn)速度和不同類(lèi)型的切割絲被切割。切割時(shí)的給進(jìn)速度范圍從100到500mm/min。在每次切割后，聚苯乙烯工件的表面就用cmm測(cè)量上面的20個(gè)測(cè)點(diǎn)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始之前，我們測(cè)試了大量的測(cè)量用接觸點(diǎn)。用cmm進(jìn)行10到200次測(cè)量試驗(yàn)以調(diào)整測(cè)量用的測(cè)點(diǎn)。調(diào)整測(cè)點(diǎn)的測(cè)試次數(shù)越多，本次測(cè)量時(shí)間就越長(zhǎng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，測(cè)試次數(shù)為20和200次的情況非常相似，所以在本次測(cè)量中選擇了20個(gè)測(cè)點(diǎn)。6.結(jié)果實(shí)驗(yàn)中聚苯乙烯的表面形態(tài)用cmm直接計(jì)算和記錄下來(lái)。用不同的切割線，溫度和切割給進(jìn)速度，聚苯乙烯材料被切割成厚度為10mm的小塊，然后，cmm就分別在這些小塊表面檢測(cè)20個(gè)點(diǎn)。圖3顯示了用鎳鉻合金切割絲在100，給進(jìn)速度為100mm/min進(jìn)行切割，材料形成的表面形態(tài)數(shù)值為0.551個(gè)單位。最好的表面形態(tài)值應(yīng)該接近0。圖3同時(shí)顯示出用鎳鉻合金切割絲切割聚苯乙烯材料時(shí)最適合的切割溫度為200，最適合的給進(jìn)速度為200mm/min。當(dāng)給進(jìn)速度大于200mm/min時(shí)，切割絲容易滑動(dòng)和彎曲，這會(huì)影響到切割的質(zhì)量，進(jìn)而影響到聚苯乙烯的表面形態(tài)。圖4比較了三種材料切割絲在100時(shí)切割表現(xiàn)。圖2 用cmm測(cè)量結(jié)果輸出樣本最好的表面形態(tài)質(zhì)量是用英科耐爾合金材料(inconel)切割絲在100和200mm/min給進(jìn)速度是形成的。這時(shí)的表面形態(tài)值僅為0.14個(gè)單位。我們注意到，英科耐爾合金材料(inconel)切割絲在給進(jìn)速度為500mm/min時(shí)仍然可以進(jìn)行工作，但這時(shí)形成的工件表面形態(tài)質(zhì)量是很差的。圖3 直徑為1.0mm的鎳鉻合金切割絲在不同給進(jìn)速度下切割后的表面形態(tài)比較圖4在100下不同給進(jìn)速度切割后的表面形態(tài)比較圖5顯示了三種切割絲在200時(shí)的切割表現(xiàn)。在這個(gè)溫度下，英科耐爾合金材(inconel)切割絲和鎳鉻鐵彈簧絲在給進(jìn)速度為500mm/min時(shí)也仍然可以繼續(xù)工作。最好的表面形態(tài)質(zhì)量是inconel在給進(jìn)速度為300mm/min時(shí)形成的。但是，只有鎳鉻鐵彈簧絲在各種不同給進(jìn)速度下進(jìn)行切割時(shí)所形成的表面形態(tài)值保持在1.0個(gè)單位以下。圖5在200下不同給進(jìn)速度切割后的表面形態(tài)比較7.討論前面已經(jīng)提到，之所以選擇英科耐爾合金材(inconel)和鎳鉻鐵彈簧絲是由于它們?cè)?00、200和300溫度下進(jìn)行切割作業(yè)后仍能保持原來(lái)的形狀。選擇鎳鉻合金切割絲是因?yàn)樗乔懈罹郾揭蚁┎牧献畛Ｓ玫那懈罱z。保持切割絲的形狀不變是一個(gè)非常重要的性能指標(biāo)，因?yàn)榍懈罱z的彎曲變形直接影響到切割聚苯乙烯后形成的表面形態(tài)質(zhì)量。圖6比較了實(shí)驗(yàn)中用到的三種切割絲對(duì)應(yīng)的彈性率。假設(shè)檢測(cè)前切割絲被做成環(huán)狀，就像一個(gè)彈簧，彈性率的計(jì)算公式如下：其中 r彈性率 g剪切模數(shù) d切割絲直徑 n線圈數(shù) d線圈直徑平均值它的單位是力每偏差單位（或力每毫米）。彈性率實(shí)際上分散了偏差所要求產(chǎn)生的力8。下面這個(gè)圖表比較了三種材料切割絲的彈性率。我們從圖中不難看出，彈性率越高，恢復(fù)形狀的能力越大。圖6表明，選擇鎳鉻合金切割絲彈性率最大，因此這種切割絲能夠保持自己原來(lái)的形狀。圖6 直徑為1毫米切割絲在不同線圈直徑下的彈性率比較然而，基于這些實(shí)驗(yàn)，切割工件后產(chǎn)生的最好表面形態(tài)的是用英科耐爾合金材料(inconel)切割絲在200下用300mm/min的給進(jìn)速度切割時(shí)形成的。英科耐爾合金材料(inconel)切割絲能夠在500mm/min的給進(jìn)速度切割工件，但產(chǎn)生的工件表面形態(tài)質(zhì)量很糟糕。一個(gè)更加連續(xù)的表面形態(tài)可以有鎳鉻鐵彈簧絲切切割后形成。用鎳鉻鐵彈簧絲在200下用200mm/min的給進(jìn)速度進(jìn)行切割所形成的表面形態(tài)質(zhì)量最好。鎳鉻鐵彈簧絲也能在接近500mm/min給進(jìn)速度下工作，而且可以得到一個(gè)有趣的結(jié)果，就是用鎳鉻鐵彈簧絲切割工件時(shí)，在所有不同的給進(jìn)速度下產(chǎn)生的表面形態(tài)值都在1.0個(gè)單位以下。用不同給進(jìn)速度進(jìn)行切割能夠形成連續(xù)的表面是它的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)檫@樣就提供了一個(gè)安全切割環(huán)境，同時(shí)能夠避免產(chǎn)生切割錯(cuò)誤的發(fā)生。所有以上材料的切割絲均能在300的溫度下工作并表現(xiàn)出