近场静电纺丝直写轨迹自动编程软件的设计

摘 要：基于构建的“PC+运动控制卡”开放式数控系统，开发出一种用于近场静电纺丝预定轨迹加工的自动编程软件。该软件系统通过提取出预定轨迹的二维图形信息，结合用户输入的加工参数实现自动编程，自动生成数控加工的机器码，实现微纳米结构的图案化制备，为近场静电纺丝技术的应用发展提供一定的实验基础。
关键词：近场静电纺丝 直写轨迹 自动编程 DXF文件
一、引言
近场静电纺丝技术是一种工艺简单、操作方便及制造速度快的直写纳米纤维的方法，它克服了传统静电纺丝无序和不可控的缺点，可沉积有序连续且可控的纳米纤维，为纳米纤维在微纳米系统中的集成应用提供了良好的技术基础[1]。因此，基于近场静电纺丝的微/纳米结构直写技术在电纺丝领域中具有广阔的发展前景[2]，而该直写技术的关键是如何实现纺丝直写轨迹的生成与控制。目前，近场静电纺丝技术仍然处于实验研究阶段，且直写设备大多采用自行构建的基于PC和运动控制卡结构的开放式数控系统，该数控系统有其独特的机器码规则，如果手工编制机器代码，不仅效率低下、容易出错，同时也会对静电纺丝的实验研究带来极大的不便[3]。
本文采用图形交互自动编程的方式，基于PC和运动控制卡所构成的近场静电纺丝直写设备，设计开发了应用于近场静电纺丝直写轨迹的自动编程软件系统，实现直写轨迹及收集板运动速度的控制，制备有序排列的直写微纳米纤维。
二、自动编程软件功能分析
软件的功能是根据客户的要求、市场的需求以及开发的目标来确定的，同时也是程序编码和实现的重要依据。据此思想，设计开发出了适用于普通PC机的近场静电纺丝自动编程软件，主要实现了DXF文件的打开、图形提取与转换、图形加工优化及生成加工代码等功能。
自动编程软件的具体操作步骤为：首先利用AutoCAD软件绘制二维的直写轨迹图形，并将轨迹图形保存为DXF文件。软件通过读取已保存的DXF文件，获取所要加工图形的所有几何信息，并进行相应的数据转换与处理，同时将加工图形显示在软件图形界面上，验证读取的图形几何信息是否正确。接着，选取所要加工的图形，确定加工起点和加工方向，设置必要的工艺参数，从而实现自动生成加工该图形所需的机器码。对于自动生成的机器码，软件可以进行加工仿真，验证机器码的正确性。此外，软件还实现了一些特殊曲线的自动绘制及其自动编程功能，如正弦曲线、余弦曲线、抛物线和渐开线等。软件的具体流程如图1所示。
三、软件模块设计
根据软件功能及系统流程的分析设计，对软件进行模块划分。本软件分为软件人机界面模块、DXF文件图形读取与转换模块、图形显示模块、代码自动生成模块、加工仿真模块和特殊曲线模块等六个模块。其中DXF文件图形读取与转换模块完成了对DXF文件的读取，对获得的几何信息进行相应的转换；图形显示模块则根据从DXF文件获得的图形数据及经转换得到的数据，绘制出DXF文件所表示的图形，可在验证DXF文件图形读取与转换是否正确的同时，为后续的代码生成功能做好准备；而代码自动生成模块是在图形显示区域选取所要加工的图形，设置相应的工艺参数后，自动生成用于近场静电纺丝的机器码，完成CAM功能；特殊曲线模块是完成一些特殊曲线的自动绘制及其加工代码的自动生成功能。

（一）软件界面设计
良好的人机界面要求提供直观的操作，具有良好的引导性，能够提高操作人员的使用效率。因此，以提供良好的人机界面为导向，本软件界面设计为以下几个区域：
1)菜单栏：包括文件、编辑、图形编辑、AutoCAD二次开发等菜单，每个菜单分别含有子菜单。如文件菜单中，有打开、保存等子菜单，图形编辑菜单有清除图形、撤销生成等子菜单。2)工具栏：主要包括一些经常用到的功能按钮，如图形放大、图形缩小、选择模式及仿真加工等按钮。3)图形显示区域：显示出读取的DXF文件所表示的图形，并可在该区域进行图形选择操作，用于后续的代码生成。4)机器码显示区域：所选择的图形在经过自动编程后，生成的机器码显示在该区域。5)简单图形绘制区域：一些简单的图形，如单直线，圆弧及圆，不必通过AutoCAD进行绘制，可通过该区域直接输入图形数据，也能完成相关图形的代码生成功能。6)提示栏：当鼠标停留在图形显示区域时，该提示栏可显示出鼠标的当前坐标位置信息或显示电脑的系统时间。软件界面如图2所示。
（二）加工仿真模块的设计
加工仿真模块用于检验生成的数控程序的正确性、加工工艺的合理性以及提供直观的图形显示[4]。现将加工仿真模块设计成一个单独的程序，通过人机交互模块将其连接到自动编程系统中。加工仿真系统界面由数控代码显示窗口、加工图形仿真窗口、仿真信息显示区域及仿真加工控制区域四部分组成，如图3中显示一加工图形的动态仿真过程。
1) 仿真图形窗口[5]
为使加工图形居中显示在图形界面中，首先要求得所有图形的最小包围矩形，即能包围该二维图形的最小矩形。如整圆最小矩形的求法：已知圆心坐标(x,y)，半径为r，则此圆的右边界为（x+r），左边界为(x-r)，上边界为(y+r)，下边界为(y-r)。根据上述求得的所有边界，循环比较，提取出最大的上边界及右边界，作为二维图形的上边界及右边界；提取出最小的下边界及左边界，作为二维图形的下边界及左边界。在求完图形的最小包围矩形后，就可进行仿真系统界面图片框的坐标系设计。

2) 仿真实例
如图4所示，为加工仿真流程。采用AutoCAD软件绘制的手掌图形如5所示。

根据图5中的图形所生成的代码，进行加工仿真，得到的仿真结果如6所示。
四、结论
本文设计开发了近场静电纺丝直写轨迹的自动编程软件，以AutoCAD绘制的二维图形来描述近场静电纺丝直写轨迹，并以轨迹图形的DXF文件作为系统的输入文件，自动生成进行近场静电纺丝所需的加工程序，同时实现了静电纺丝的直写轨迹仿真。另外，软件也可用于其它数控机床的自动编程，具有较强的应用扩展性。
[参考文献]
[1]李文望,郑高峰等.电纺直写纳米纤维在图案化基底的定位沉积. 光学精密工程,2010,18(10):2231-2238.
[2]刘娜,杨建忠.静电纺纳米纤维的研究及应用进展.合成纤维工业,2006,29(3):46-49.
[3]龙云泽,李蒙蒙,尹志华.静电纺丝法制备有序排列的纳米纤维最新进展.青岛大学学报,2008,21(2):92-99.
[4]杨晓京,陈子辰,樊瑜瑾,李浙昆.开放式数控系统加工仿真模块的开发.机床与液压,2004,No,10.
[5]林叶强.转塔冲床数控系统的设计.厦门大学,2009.
（作者单位：浙江工业职业技术学院 数控分院 浙江绍兴）