文献翻译利用三坐标测量仪确定聚苯乙烯材料表面形态.docx

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文献翻译利用三坐标测量仪确定聚苯乙烯材料表面形态

附录1

利用三坐标测量仪确定聚苯乙烯材料表面形态

D·艾奇逊R·苏莱曼

新西兰克赖斯特彻奇坎特伯雷大学机械工程学院

【摘要】由于泡沫材料的用途广泛，全世界材料市场对它的需求量迅速上升。

泡沫材料被广泛应用与汽车工业、食品包装工业、医疗卫生、运动器械、家庭用具、海岸浮标及救生圈,和小型船只等。

因为泡沫材料的使用大大关系到人们的日常生活，所以有必要通过改变切割和加工的速度使它形成各种不同的形状。

这种利用计算机辅助切割机床或全自动切割机才能达到。

但是，切割的速度将会影响到材料加工后的表面粗糙度。

所以，为达到优质的表面加工质量，有必要确定聚苯乙烯的表面形态。

当前，人们正在研究制造一台用于这种泡沫材料的快速原型制造设备，研究的第一阶段就是在不同种类的金属切割丝在不同的温度下用不同的进给量切削后利用坐标测量仪确定聚苯乙烯表面形态。

【关键字】聚苯乙烯表面形态热切割丝

1．简介

当今世界材料市场对泡沫材料的需求量正迅速上升。

泡沫材料可分成两大类，即柔性泡沫和刚性泡沫。

柔性泡沫材料主要用于家具，运输工具、床垫、地毯、包装、玩具、运动器材和鞋子等，同时也被用于实现共振和吸音。

刚性泡沫材料经常被用于建筑行业、绝缘隔离装置、管道、罐子、浮漂和装食物和饮料的容器等。

⑴泡沫材料被如此广泛地应用，总的来说可以概括为以下几点原因：

1泡沫材料经济实用；

2泡沫材料适合于室内和户外使用；

3泡沫材料能被涂上一层各种不同的材料以达到任何设计的光洁度；

4泡沫材料质量轻，运输安装方便。

泡沫材料的是生产可以用各种不同的技术方法得以实现。

生产连续泡沫板材的最常用方法是通过注入包括二甲苯异氰酸盐、聚醚多元醇等石油化工药剂和水的混合原料，这些原料可以被用来进行再生和再加工。

不同的添加剂混合在一起以达到专门的特性。

如颜色、活化吸收功能、作用于紫外线及其它一些特性。

这种方法生产的泡沫此时仍然处于原始状态，接下的工作就是要把这些混合物加工成不同的形状和尺寸的材料。

通常有切削的方法就能达到。

切削泡沫材料有两种主要的方法，即发热切割丝切割和振动式切片法。

两者分别适合于生产不同特性的泡沫材料。

振动式切片法主要用于生产具有简单几何形状的刚性泡沫，而发热切割丝切割法适用于加工复杂几何形体的柔性泡沫材料。

当前，着两种加工技术只作为人工的或半自动生产生产方式。

⑵

2.三坐标测量仪（CMM）

在做进一步讨论之前,有必要对作为一种工具被用于确定聚苯乙烯表面形态这项研究的坐标测量仪进行一些说明。

一台三坐标测量仪（以下简写为CMM）具有一个测量工件上各点的探针。

这就像用手指去丈量地图上的坐标，探针就相当于手指，在工件表面触碰或触摸一定的区域。

工件上的每一个点对于仪器的坐标系都是对立的，而这个坐标系描述了测量仪的运动情况。

通常有两种类型的坐标系，第一个叫做机器坐标系，它的X，Y，Z轴分别表示CMM探针的移动方向，第二个叫做工件坐标系，它上面的三轴对应于工件的基准。

一个基准确定工件上的一个特定部位的位置。

这个部位可以是一个孔，一个面或是一个槽。

CMM通过测量一个工件坐标来确定两个特定部位的距离。

它也能被用来确定质地较软的物体的表面形态或表面粗糙度，比如聚苯乙烯。

以下实验中使用的CMM是Discovery系列坐标测量仪ModelD-12（如图1a）。

机器利用一个固体探针或电子探测头触摸被测试件的表面来收集数据。

这个实验使用了电子探测头。

由于该探测头在工作时头部的微小侧滑将会影响到数据的正确读取，所以它工作时必须与被测工件表面保持垂直正交以获得最准确的数据信息。

在笔者的实验室里可使用的探测头头部接触信号传输元件直径有1.0、2.0、3.0、4.0和5.0mm五种。

由于聚苯乙烯比较软，更小尺寸的接触信号传输元件在触摸工件表面时可能会导致新的斜面或坑洞的产生，因此在这个实验中使用了一个直径为3.0mm的红宝石传输元件。

（如图b1）。

较大尺寸的元件相对就会减少导致聚苯乙烯表面产生斜面或坑洞的可能性。

所以用直径用3.0mm的传输元件可以避免上述现象的发生而减少数据读取误差。

（如图c1和d）

3.表面形态

表面形态或者表面粗糙度包括表面刮擦痕迹和碎片痕迹，这种认识被普遍接受。

这些痕迹彼此分开但相对紧密地排列，这使得他们很难被测量到。

究竟为什么工程师们要不怕麻烦地去测量表面粗糙度呢？

主要原因是被测的表面经常与其它表面相关。

通过了解工件表面的形态，接触位置的状态和相接触的各种部件的表现都被控制了。

（d）

图1（a）本次实验使用的CMM；（b）在显微镜下观测到的聚苯乙烯表

（c）典型探针直径；（d）本次实验中用的探针

区分表面形态和表面粗糙度的不同是很有必要的。

表面形态是柔性材料表面的几何属性，如聚苯乙烯或海绵。

要测量柔性材料表面粗糙度是一项非常困难和具有挑战性的工作，但最终也能做到。

[3]。

表面粗糙度更多地被认为是一种无规则或者凹凸不平的表面状态，通常是在坚硬的材料表面进行测量[4]。

这样定义它们有利于开发和鉴定测量工件硬度的技术和等级。

假如表面粗糙度需要遵循一个书面的标准，那很少有这样的书面标准可以参考。

最常用的就是1961年英国标准学会BS1134出版的Centre-lineAverageHeightMethodforAssessmentofSurfaceTexture。

当前机械工业中常用的另一个标准就是1984年颁布的国际标准体系第一版第12—15页中的SurfaceRoughness-Terminology-Part1-surfaceandItsParameters。

测量标准基于扫描一机械实体表面后得到的外形轮廓。

要得到一个经仔细评价的粗糙度标准，就要涉及到ISO组织出版的国家标准。

后者可以与国家参考实验室联系查阅到。

这些实验室有英联邦国家物理实验室，德国PhysikalisheTechnisheBundesabstalt，美国国家标准与技术研究所和法国d’Essais国家实验室。

4.柔性材料表面形态

涉及到测量柔性材料诸如聚苯乙烯及其它泡沫材料的表面粗糙度时往往问题就会产生。

有一种恰当的测量方法就是运用光学技术，然而由于运用光学技术只仔细关注局部位置，如试样表面那些比较陡的斜坡，就像动力学只关注结构一样，会使反馈失真。

其它一些光学技术遇到的问题是当扫描到较陡的斜破时没有足够的光反射回探测系统。

这就是此项研究要使用CMM的原因。

CMM之所以能测量聚苯乙烯表面形态是因为聚苯乙烯表面有陡的斜坡。

用显微镜观测后发现这些陡坡的形状非常有规律。

测试的结果如图2所示。

我们可以注意到，坡越陡CMM读取数据后绘制的线越长。

5.实验技术

在这项研究中，设计了一台用线切割技术切割聚苯乙烯的简单机器。

这台机器在一维空间上切割聚苯乙烯材料，即水平方向向工件输送热切割丝。

用热丝切割泡沫材料尤其是聚苯乙烯的方法很常用。

热切割丝的两端与一个电源相连，当切割丝两端的温度不一致时热量就会沿着切割丝传递。

热量按照一定的温度梯度沿切割丝从温度高的部位传递到温度低的部位，这样来实现热的传导。

热切割丝的一头与一个热电偶相连，用来读取切割丝的温度。

我们通过控制热切割丝两端的电压和流过切割丝上的电流就能够控制切割丝的温度了。

是实验中用到的温度为100、200和300℃。

这个实验的目的就是要通过用CMM测量用不同材料的切割丝，不同的温度和不同的切割丝给进速度来呈现聚苯乙烯的各种表面形态。

它的表面形态的变化取决于热线切割机的切割丝材料、温度和切割丝的给进速度。

被测试的材料工件是长度为300mm，宽300mm，厚50mm的聚苯乙烯。

之所以选择这样的尺寸是因为在进行检测时方便抓握。

用于切割的切割线有镍铬合金切割丝、Inconel和镍铬铁弹簧丝[5]。

选择使用Inconel和镍铬铁弹簧丝是由于它们在被用于高温切割后有保持形状的能力[6][7]。

而选择镍铬合金切割丝是因为它是切割聚苯乙烯时最常用的切割丝。

聚苯乙烯在不同的温度下，不同的切割丝给进速度和不同类型的切割丝被切割。

切割时的给进速度范围从100到500mm/min。

在每次切割后，聚苯乙烯工件的表面就用CMM测量上面的20个测点。

在这个实验开始之前，我们测试了大量的测量用接触点。

用CMM进行10到200次测量试验以调整测量用的测点。

调整测点的测试次数越多，本次测量时间就越长。

试验结果表明，测试次数为20和200次的情况非常相似，所以在本次测量中选择了20个测点。

6.结果

实验中聚苯乙烯的表面形态用CMM直接计算和记录下来。

用不同的切割线，温度和切割给进速度，聚苯乙烯材料被切割成厚度为10mm的小块，然后，CMM就分别在这些小块表面检测20个点。

图3显示了用镍铬合金切割丝在100℃，给进速度为100mm/min进行切割，材料形成的表面形态数值为0.551个单位。

最好的表面形态值应该接近0。

图3同时显示出用镍铬合金切割丝切割聚苯乙烯材料时最适合的切割温度为200℃，最适合的给进速度为200mm/min。

当给进速度大于200mm/min时，切割丝容易滑动和弯曲，这会影响到切割的质量，进而影响到聚苯乙烯的表面形态。

图4比较了三种材料切割丝在100℃时切割表现。

图2用CMM测量结果输出样本

最好的表面形态质量是用英科耐尔合金材料（Inconel）切割丝在100℃和200mm/min给进速度是形成的。

这时的表面形态值仅为0.14个单位。

我们注意到，英科耐尔合金材料（Inconel）切割丝在给进速度为500mm/min时仍然可以进行工作，但这时形成的工件表面形态质量是很差的。

图3直径为1.0mm的镍铬合金切割丝在不同给进速度下切割后的表面形态比较

图4在100℃下不同给进速度切割后的表面形态比较

图5显示了三种切割丝在200℃时的切割表现。

在这个温度下，英科耐尔合金材（Inconel）切割丝和镍铬铁弹簧丝在给进速度为500mm/min时也仍然可以继续工作。

最好的表面形态质量是Inconel在给进速度为300mm/min时形成的。

但是，只有镍铬铁弹簧丝在各种不同给进速度下进行切割时所形成的表面形态值保持在1.0个单位以下。

图5在200℃下不同给进速度切割后的表面形态比较

7.讨论

前面已经提到，之所以选择英科耐尔合金材（Inconel）和镍铬铁弹簧丝是由于它们在100、200和300℃温度下进行切割作业后仍能保持原来的形状。

选择镍铬合金切割丝是因为它是切割聚苯乙烯材料最常用的切割丝。

保持切割丝的形状不变是一个非常重要的性能指标，因为切割丝的弯曲变形直接影响到切割聚苯乙烯后形成的表面形态质量。

图6比较了实验中用到的三种切割丝对应的弹性率。

假设检测前切割丝被做成环状，就像一个弹簧，弹性率的计算公式如下：

其中R—弹性率

G—剪切模数

d—切割丝直径

n—线圈数

D—线圈直径平均值

它的单位是力每偏差单位（或力每毫米）。

弹性率实际上分散了偏差所要求产生的力[8]。

下面这个图表比较了三种材料切割丝的弹性率。

我们从图中不难看出，弹性率越高，恢复形状的能力越大。

图6表明，选择镍铬合金切割丝弹性率最大，因此这种切割丝能够保持自己原来的形状。

图6直径为1毫米切割丝在不同线圈直径下的弹性率比较

然而，基于这些实验，切割工件后产生的最好表面形态的是用英科耐尔合金材料（Inconel）切割丝在200℃下用300mm/min的给进速度切割时形成的。

英科耐尔合金材料（Inconel）切割丝能够在500mm/min的给进速度切割工件，但产生的工件表面形态质量很糟糕。

一个更加连续的表面形态可以有镍铬铁弹簧丝切切割后形成。

用镍铬铁弹簧丝在200℃下用200mm/min的给进速度进行切割所形成的表面形态质量最好。

镍铬铁弹簧丝也能在接近500mm/min给进速度下工作，而且可以得到一个有趣的结果，就是用镍铬铁弹簧丝切割工件时，在所有不同的给进速度下产生的表面形态值都在1.0个单位以下。

用不同给进速度进行切割能够形成连续的表面是它的一个优点，因为这样就提供了一个安全切割环境，同时能够避免产生切割错误的发生。

所有以上材料的切割丝均能在300℃的温度下工作并表现出良好的切割性能。

8.结论

像聚苯乙烯这样的柔性材料的表面形态能够用CMM在设置20个检测点的条件下确定。

最好的连续表面形态能够用镍铬铁弹簧丝切割工件达到，其次是英科耐尔合金材料（Inconel）切割丝。

最适合的切割条件是在200℃温度下，用200mm/min的给进速度。

如之前提到的，没有现行的研究来制造用于切割泡沫材料工件的快速成型机。

这项研究的第一步就是在不同的温度和给进速度条件下，被不同材料的切割丝切割后再通过CMM确定聚苯乙烯的表面形态。

根据实验第一步的结果，切割聚苯乙烯快速成型机应该用镍铬铁弹簧丝作为刀具。

附录2

Determiningthesurfaceformofpolystyrenethrough

thecoordinatemeasurementmachine

DAitchisonandRSulaiman*

DepartmentofMechanicalEngineering,UniversityofCanterbury,Christchurch,NewZealand

Abstract:

Themarketforfoammaterialshasbeengrowingrapidlythroughouttheworldastheyhaveavarietyofuses.Someexamplesareintheautomotivesindustries,foodpackagingindustries,medicalapplication,sportsgears,homeinsulationsandfloatationinoffshoredrillingrigs,buoysandsmallboats.Sincetheusesoffoamaffectsgreatlythedailylivesofhumans,theneedtohavefoamsindifferentshapesrequiresspeedincuttingandmanufacture.Thiscanonlybedonethroughcomputeraidedcuttingmachinesorautomatedcuttingoffoams.However,thespeedofcuttingwillaffectthesurface.finishofthecut.Therefore,itisnecessarytodeterminethesurfaceformofthepolystyrenetoachievequalityresults.Thisisanon-goingresearchtoproducearapid-prototypingmachinethatcutsfoammodels.The.firstphaseofthisresearchistodeterminethesurfaceformofpolystyrenethroughtheuseofacoordinatemeasuringmachine（CMM）,afterbeingcutwithdifferenttypesofwires,atdifferenttemperaturesandcuttingfeed-rates.

Keywords:

polystyrene,surfaceform,hot-wirecutting

1INTRODUCTION

Themarketforfoammaterialhasbeengrowingrapidlythroughouttheworld.Foamscanbecategorizedinto

twomajortypes,namelyflexiblefoamsandrigidfoams.Theflexiblefoamsaremainlyusedinfurniture,transportation,bedding,carpetunderlay,packaging,toys,sportsapplicationandshoes,aswellasforvibrationandsoundattenuation.Therigidfoamsareusuallyusedinbuildingappliances,insulationagents,pipes,tanks,floatationandfoodanddrinkcontainers

[1].Thereasonwhyfoamsareusedeverywherecanbesummarizedasfollows:

1.Foamisveryinexpensive.

2.Foamissuitableforuseindoorsoroutdoors.

3.Foamcanbecoatedwithmanydifferentproductstoachieveanydesired.finish.

4.Foamislightweightforeasyhandlingandinstallation.

Theproductionoffoamscantakeplaceusingmanydifferenttechniques.Themostcommonmethodtoproducecontinuousfoamslabisbypouringmixedingredientsofpetrochemicalagentsthatincludetoluenedi-isocyanate,polyolandwater.Theseingredientsarelefttoriseandcure.Additivesareblendedinforspecific.characteristicssuchascolors,absorbingcapacity,effectsonultravioletandothers.

Thismethodproducesfoaminits‘raw’state,whichmustthenbeformedintodifferentshapesandsizes.Thisisusuallydonebycuttingthefoams.Therearetwowaystocutfoammaterials,whicharebyusinghot-wiretechniquesandtheoscillatingblademethod.Bothproducedifferentfeaturestothefoams.Theoscillatingbladeproducessimplegeometricalshapesandissuitableforrigidfoams.Thehot-wiretechniqueiscapableofproducingcomplicatedgeometricalshapesandissuitableforflexiblefoams.Presently,bothtechniquesareperformedeithermanuallyorinasemi-automatedmanner[2].

2COORDINATEMEASUREMENTMACHINE（CMM）

Beforefurtherdiscussion,itisnecessarytodescribethefeaturesofacoordinatemeasurementmachine（CMM）asatoolusedinthisresearchfordeterminingthesurfaceformofpolystyrene.ACMMconsistsofaprobetomeasurepointsonawork-piece.Thisissimilartousinga.fingertotraceamapcoordinate.Theprobeactsasa.fingerthatpointsortouchesacertainlocationonthework-piece.Eachpointonthework-pieceisuniquetothemachine’scoordinatesystem.Thecoordinatesystemdescribesthemovementofthemeasurementmachine.

Therearetwotypesofcoordinatesystem.The.firstiscalledthemachinecoordinatesystem.Here,theX,YandZaxesrefertothemachine’smotion.Thesecondcoordinatesystemiscalledthepartcoordinatesystem,wherethethreeaxesrelatetothedatumofthework-piece.Adatumisalocationofafeatureonawork-piece.Itcanbeahole,asurfaceoraslot.ACMMmeasuresawork-piecetodeterminethedistancefromonefeaturetoanother.Itcanalsobeusedtodeterminetheformorroughnessonasurfaceofasoftobject,suchaspolystyrene.TheCMMusedinthepresentexperimentistheDiscoverySeriescoordinatemeasuringmachineModelD-12（Fig.1a）.Dataaregatheredbytouchingthetestpiecewitheitherasolidprobeoranelectronictouchtriggerprobe.Thisexperimentusestheelectronictouchtriggerprobe.Theprobemeasurementwastakenperp