机电一体化系统设计-第9章：典型机电一体化系统简介

§9-3快速成型技术与3D打印机快速成形技术的基本原理都是叠层制造，由快速原型机在XY平面内通过扫描形式形成工件的截面形状，而在Z坐标间断地作层面厚度的位移，最终形成三维制件。市场上的快速成形技术分为：一、快速成形技术基本概念与技术分类

1.快速成形技术分类三维打印（three-dimensionalprinting，3DP）技术、熔融层积成形（fuseddepositionmodeling,FDM）技术、立体平版印刷设备(stereolithographyapparatus，SLA)成形技术、选区激光烧结（setlasersintering,SLS）成型技术、数字激光加工（digitallaserprocessing,DLP）成形技术和紫外光（ultraviolet-UV）成形技术等。§9-3快速成型技术与3D打印机三维（3D）打印技术：该技术采用的3D打印机使用标准喷墨打印技术，通过将液态连结体铺放在粉末薄层上，以打印横截面数据的方式逐层创建各部件、创建三维实体模型。采用这种技术打印成形的样品模型与实际产品具有同样的色彩，还可以将彩色分析结果直接描绘在模型上，模型样品所传递的信息量较大。一、快速成形技术基本概念与技术分类

1.快速成形技术分类§9-3快速成型技术与3D打印机一、快速成形技术基本概念与技术分类

2.快速成形技术应用领域医疗行业一位83岁的老人由于患有慢性的骨头感染，因此换上了由3D打印机“打印”出来的下颚骨，这是世界上首位使用3D打印产品做人体骨骼的案例。科学研究美国德雷塞尔大学的研究人员通过对化石进行3D扫描，利用3D打印技术做出了适合研究的3D模型，保留了原化石所有的外在特征。快速成形技术的应用范围之广超乎人们的想象，理论上说，几乎只要存在的东西都可以通过快速成形技术复制出来。随着技术的不断成熟，快速成形技术有望在以下几个行业中得到广泛使用：§9-3快速成型技术与3D打印机一、快速成形技术基本概念与技术分类

2.快速成形技术应用领域建筑设计工程师和设计师们已经接受了用3D打印机打印的建筑模型，这种方法快速、成本低、环保，同时制作精美。合乎设计者的要求，同时又能节省大量材料。制造业3D打印无论是在成本、速度和精确度上都要比传统制造好很多。而3D打印技术本身非常适合大规模生产，所以制造业利用3D技术能带来很多好处。产品模型比如微软的3D模型打印车间，在产品设计出来之后，通过3D打印机打印出来模型，能够让设计制造部门更好的改良产品，打造出更出色的产品。§9-3快速成型技术与3D打印机一、快速成形技术基本概念与技术分类

2.快速成形技术应用领域汽车制造业汽车行业在进行安全性测试等工作时，会将一些非关键部件用3D打印的产品替代，在追求效率的同时降低成本。饰品/工艺品在未来不管是你的个性笔筒，还是有你半身浮雕的手机外壳，抑或是你和爱人拥有的世界上独一无二的戒指，都有可能是通过3D打印机打印出来的。食品产业研究人员已经开始尝试打印巧克力了。或许在不久的将来，很多看起来一模一样的食品就是用食品3D打印机“打印”出来的。§9-3快速成型技术与3D打印机一、快速成形技术基本概念与技术分类

2.快速成形技术应用领域文物保护：博物馆里常常会用很多复杂的替代品来保护原始作品不受环境或意外事件的伤害，同时复制品也能将艺术或文物的影响更多更远的人。建筑设计行业：在建筑行业里，工程师和设计师们已经逐渐开始使用3D打印机打印的建筑模型，这种方法快速、成本低、环保，同时制作精美，完全合乎设计者的要求，同时又能节省大量材料。配件饰品行业：快速成形技术很好地满足了配件饰品消费者个性化多样化的需求。国内外已经有一些公司开始为消费者提供个性化快速成形服务。3D扫描仪(3Dscanner)是一种科学仪器，用来侦测并分析现实世界中物体或环境的形状(几何构造)与外观资料(如颜色、表面反照率等性质)。搜集到的资料常被用来进行三维重建计算，在虚拟世界中建立实际物体的数字模型，输出的是三维实体模型。三维扫描仪的用途是建立物体几何表面的点云(pointcloud)，这些点可用来插补成物体的表面形状，越密集的点云可以建立更精确的模型(这个过程称做三维重建)。若扫描仪能够取得表面颜色，则可进一步在重建的表面上贴上材质贴图，亦即所谓的材质印射(texturemapping)。§9-3快速成型技术与3D打印机一、快速成形技术基本概念与技术分类

3.3D（三维）扫描仪3D打印机出现在20世纪90年代中期，1986年，CharlesHull开发了第一台商业3D打印机，1993年麻省理工学院获3D打印技术专利。通过计算机控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。§9-3快速成型技术与3D打印机二、3D打印机基本原理3D虚拟模拟二维图形信息三维模型后期处理成品CAD软件基材分割：逐层喷头§9-3快速成型技术与3D打印机二、3D打印机基本构成§9-3快速成型技术与3D打印机二、3D打印机输送打印材料管道X轴导轨工作台Z轴升降导轨Y轴导轨3D打印喷头3D打印机的工作原理和传统打印机基本一样，都是由控制组件、机械组件(X-Y-Z运动组件及工作台)、打印喷头、耗材（打印材料）及相关附件等组成。五大要素根据典型机电一体化产品的原理，试述五大功能要素？基本构成§9-3快速成型技术与3D打印机二、3D打印机打印材料导轨工作台导轨导轨3D打印喷头3D打印机的工作原理和传统打印机基本一样，都是由控制组件、机械组件(X-Y-Z运动组件及工作台)、打印喷头、耗材（打印材料）及相关附件等组成。五大要素根据典型机电一体化产品的原理，试述五大功能要素？送丝机构§9-4工业机器人一、工业机器人的组成、分类及技术参数工业机器人(industrialrobot)是一种能模拟人的手、臂的部分动作，按照预定的程序、轨迹及其他要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具的自动化装置，是典型的机电一体化产品。工业机器人一般应由机械系统、驱动系统、控制系统、检测传感系统和人工智能系统等组成。通常按坐标形式可分为五类：直角坐标型圆柱坐标型极坐标型SCARA型多关节型§9-4工业机器人一、工业机器人的组成、分类及技术参数直角坐标型机器人圆柱坐标型机器人§9-4工业机器人一、工业机器人的组成、分类及技术参数极坐标型机器人SCARA型机器人多关节标型机器人握取重量(即臂力)。握取重量标明了机器人的负荷能力。这项参数与机器人的运动速度有关，通常指正常运行速度所能握取的工件重量。当机器人运行速度可调时，低速运行时所能握取工件的最大重量比高速时的为大。为安全起见，也有将高速时所能握取的工件重量作为指标的情况，此时常指明运行速度。运动速度。运动速度是反映机器人性能的一项重要技术参数。它与机器人握取重量、定位、精度等参数都有密切关系，同时也直接影响机器人的运动周期。

自由度。确定工业机器人的末端执行器（手部）在运动空间的位置和姿态的、独立的变化参数就是工业机器人的自由度。自由度越多，其动作越灵活，适应性越强，但结构也相应越复杂。一般具有4~6个自由度即满足使用要求。一、工业机器人的组成、分类及技术参数§9-4工业机器人工业机器人的技术参数是说明机器人规格与性能的具体指标，有以下：定位精度。定位精度即重复定位精度，是衡量机器人工作质量的又一项重要指标。定位精度的高低取决于位置控制方式以及运动部件本身的制造精度和刚度，与握取重量、运动速度等也有密切关系。程序编制与存储容量。该技术参数是用来说明机器人的控制能力的，存储容量大，则适应性强、通用性好，从事复杂作业的能力强。一、工业机器人的组成、分类及技术参数§9-4工业机器人工业机器人的技术参数是说明机器人规格与性能的具体指标，有以下：该机器人的五个自由度分别是立柱回转（L）、大臂回转（D）、小臂回转（X）、腕部俯仰（W1）、腕部转动（W2）。二、电动喷砂机器人§9-4工业机器人1.机器人机构原理控制系统(包括驱动与检测)主要由微型计算机、接口电路、速度控制单元、位置检测(码盘—编码器)电路、示教盒等组成。二、电动喷砂机器人§9-4工业机器人2.控制系统D/A变换器位数为9位，由一片集成D/A变换器DAC0832和一个触发器、反相器、运算放大器组成，基准电源5V，输出是双极性的。计算机输出的数码低8位D0~D7由八位DAC0832变换，计算机输出的最高位(符号位)D15，由D触发器接收，经反相器反相之后，将D15＝1变换成5V，将D15＝0变换成零伏。运算放大器2对DAC0832和反相器的输出进行综合，实现9位双极性D/A变换。二、电动喷砂机器人§9-4工业机器人2.控制系统各关节速度控制单元都是双环速度闭环系统。内环为电流反馈环，采用纯比例调节。外环为速度环,速度环的调节器为带有非线性特性的PID调节器。二、电动喷砂机器人§9-4工业机器人2.控制系统二、电动喷砂机器人§9-4工业机器人3.规格参数二、电动喷砂机器人§9-4工业机器人4.控制算法简介坐标关节：θ1~θ5姿态参数：A,B加工点P：(x,y,z)机器人是如何从零点移动到指点的？二、电动喷砂机器人§9-44.控制算法简介1）建立运动学正解

示教时，计算机读进关节的坐标θi

，然后经过运动学正解得到P点坐标值和姿态，存入内存，作为示教参数。工业机器人二、电动喷砂机器人§9-44.控制算法简介2）直线插补：

从第i个示教点运动到第i+1个点的过程：插值运动增量关节增量

运动学逆解二、电动喷砂机器人§9-44.控制算法简介2）直线插补：从第i个示教点运动到第i+1个点的过程：插值运动增量关节增量运动学逆解二、电动喷砂机器人§9-44.控制算法简介3）运动学逆解：有位置和姿态得到关节增量插值运动增量关节增量运动学逆解工业机器人一、机械加工中心（MC）机械加工中心作为机电一体化的典型产品，靠机电之间的互相促进，得到了很大发展，开发加工中心的目的是实现加工过程自动化，减少切削加工时间和非切削加工时间，提高劳动生产率。以日本FHNl00T机械加工中心为例，其机械装置的规格如下表所示。机械加工中心通常由以下几部分构成：数控X、Y、Z三个移动装置；能够进行工件多面加工的回转工作台；自动换刀装置(ATC)；CNC控制器。§9-5CNCBKX-I型数控机床§9-5CNCBKX-I型并联数控机床是以Stewart平台为基础构成的一种新型并联机床，由六根伸缩杆带动动平台实现刀具的六个自由度运动，从而实现复杂几何形状表面零件的加工，又由于数控加工所需的运动轴X、Y、Z、A、B、C并不真正存在，所以这种机床又被称做虚拟轴机床。BKX-