1、ModelAngelo系統(tǒng)：減式快速成型五軸機(jī)器手作者：R.F. Hamade, F. Zeineddine, B. Akle1, A. Smaili摘要一個(gè)基于PC，以計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)為驅(qū)動(dòng)，5個(gè)軸減式技術(shù)快速成型機(jī)器人系統(tǒng)被提出。它被稱為Angelo模型機(jī)系統(tǒng)，集成并包括六種硬件和軟件子系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)際上利用虛擬3D CAD模型生產(chǎn)一套命令程序，用于控制5軸機(jī)器人來移動(dòng)切削刀具，在其表面產(chǎn)生加熱的電線，進(jìn)而讓工件塊(聚苯乙烯泡沫或者蠟) 形成復(fù)雜的形狀。用戶提供一個(gè)用于被雕刻物體的3D CAD模型。ModelAngelo軟件系統(tǒng)預(yù)先按照步增臺(tái)階面產(chǎn)生分層的輪廓薄片數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)文件包含相應(yīng)切削刀

2、具半徑角，模型造型的升高和旋轉(zhuǎn)件的工作位置。然后ModelAngelo接口系統(tǒng)連續(xù)讀取命令提供給計(jì)算機(jī)并行端口。從而，ModelAngelo執(zhí)行系統(tǒng)執(zhí)行命令并且把反饋信號(hào)送到處理器。然后通過ModelAngelo加工子系統(tǒng)設(shè)置好刀具類型，并選擇好工件的不同切削位置，然后把工件和刀具放入，ModelAngelo刀具子系統(tǒng)加熱后開始工作。關(guān)鍵詞：ModelAngelo系統(tǒng)，機(jī)器人，CNC，快速成型，3D CAD，聚苯乙烯1. 介紹快速成型技術(shù) (RP)是一個(gè)簡(jiǎn)稱，是指用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型來直接建立物理模型的多技術(shù)集成應(yīng)用 1-4。成型方法正如作為他們的名字和他們攜帶的技術(shù)一樣所變化的。一些更多傳統(tǒng)

3、的快速成型方法是基于簡(jiǎn)化通過在碾壓的對(duì)象制造時(shí)在諸如的若干層上堆積與結(jié)合頁材料，或者通過諸如的技術(shù)(大部分一次建立一個(gè)稀薄的層)的5-6通過把模型切成薄片和然后進(jìn)行雕刻3D對(duì)象成為稀薄的片段的過程：通過運(yùn)用蠟或者其它聚合物的3D打印79多噴氣式頭; 通過選擇性的液態(tài)的樹脂建立起這些稀薄的層10； 或者通過在燒結(jié)( SLS ) 11的選擇性的激光中熔化的方法來實(shí)現(xiàn)。通過機(jī)器加工單個(gè)副本原型的思路也可以通過使用多軸數(shù)控機(jī)床的工作所顯示的。12，wang et al。13，和Schmitz et al。14來命名。數(shù)控機(jī)床的加工的原型通過與盡可能完善的切削工人位置計(jì)劃利用高速進(jìn)給機(jī)器來完成，可以快速

4、生產(chǎn)單個(gè)工件(通常由金屬制成)。與此類似， 要建造原型的DOF 機(jī)器人(用傳統(tǒng)快速原型方法和比數(shù)控機(jī)床更靈活) 已經(jīng)吸引很多機(jī)器人研究人員到快速原型的領(lǐng)域。Tengleder和Vergeest 15,16將早為這目的來進(jìn)行機(jī)器人的研究。此外，Chen等為雕刻面切實(shí)現(xiàn)一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng) 17,18 并且過后發(fā)展為對(duì)由聚合物做成的雕刻品原型使用基于層的機(jī)器加工的一種技術(shù) 19此外，Coole等為衛(wèi)生的器皿工業(yè)在機(jī)器加工過程中使用機(jī)器人系統(tǒng)的大規(guī)模原型(聚酯)作出了一些研究 20。在這篇文章里，快速原型的系統(tǒng)被稱為基于一件3 D 工件由五自由度成型機(jī)加工。由于它的靈活性由一個(gè)5個(gè)軸的機(jī)構(gòu)來驅(qū)動(dòng)，實(shí)體切片

5、輪廓生成的有效率的開發(fā)軟件，以及有利用一項(xiàng)富創(chuàng)新精新技術(shù)的一個(gè)多用途的末端，五自由度成型機(jī)能雕刻用戶視線可以到達(dá)的全部幾何學(xué)特征。大多數(shù)傳統(tǒng)快速原型技術(shù)由切片提供3 D模型轉(zhuǎn)化到2 D層，五自由度成型機(jī)只在它的軟件上完成這種“切片”技術(shù)，以便雕刻物體外面的外形，通過一次跟蹤，一個(gè)層被完成。物理雕刻是要求機(jī)器加工在一車床結(jié)合的那個(gè)需要雕刻的地方。五自由度成型機(jī)在雕刻聚苯乙烯( PS)泡沫塊或者讓他們清除切割的蠟。例如：聚苯乙烯，是一種比較便宜而且便于雕刻的材料，并且有一種適合熔化的溫度( Tm=240 )。當(dāng)這提出工作時(shí)基于形成細(xì)胞的聚苯乙烯泡沫和蠟(當(dāng)前的最大限度總體尺度0.20*0.20*0

6、.20m3),與傳統(tǒng)的快速成型方法相比，五自由度成型機(jī)(作為產(chǎn)生機(jī)器人的一個(gè)概念模型)有幾種優(yōu)勢(shì)。1.表面質(zhì)量： 雖然大多數(shù)以層為基礎(chǔ)的快速成型系統(tǒng)產(chǎn)是給人以復(fù)雜的感覺，但是表面質(zhì)量的問題，因?yàn)楸砻娉霈F(xiàn)了階梯狀的紋路。這使部分的表面質(zhì)量成為層的厚度的一種直接的現(xiàn)象。但是，通過減少層厚度改進(jìn)表面質(zhì)量的方法將在一種一對(duì)一的比率中實(shí)際上自然地減緩過程。通過每一層的實(shí)際的邊界包括通過泰勒等的工作的輪廓矯正這個(gè)問題與實(shí)際的期望的部分幾何學(xué)匹配。 21 同時(shí)，Walczyk等。 22,23 同時(shí)，并非不同于被一臺(tái)車床。此外，五自由度成型機(jī)靠另一個(gè)工具消除所有剩余的階梯紋路的步驟，對(duì)于以前的那些垂直的紋路的

7、改進(jìn)有了提高。2.速度： 自從五自由度成型機(jī)使用一種去材料的方法，導(dǎo)致的生產(chǎn)速度是不僅快于加材料的方法(例如SLA)，而且比其它切割（例如LOM）邊界輪廓技術(shù)也更快速。因?yàn)闆]有涉及建造的這個(gè)過程更多導(dǎo)致連續(xù)的層的記錄和堆積。削減在0.25-0.5 m/s之間的速度被取得快速的削減速度成為可能，但是將更多的硬件結(jié)構(gòu)避免工件的振動(dòng)。3.靈活性： 就加工過程中的靈活性而言， 這機(jī)器人帶來基于聚合物快速原型，給那些雕刻加工增加靈活性，加工過程中不是一層一層進(jìn)行，而是作為一個(gè)整體來做。而且，取決于雕刻的模型，旋轉(zhuǎn)軸可能改變加工速度，提高表面質(zhì)量和容易雕刻程度。舉個(gè)例子，如圓錐。雕刻一個(gè)圓錐旋轉(zhuǎn)任何軸都是

8、可能的，但是選擇圓錐的對(duì)稱軸為旋轉(zhuǎn)軸是最為方便的。4.通過幾種加熱的方法增加優(yōu)勢(shì):極低切削力：因?yàn)榍懈钤谠赥m之上的溫度內(nèi)發(fā)生，導(dǎo)致切削力是向下的，讓他們不會(huì)在高切割的時(shí)候產(chǎn)生任何偏差。低的安裝： 把切削力小考慮進(jìn)去是為了機(jī)器人的組成部分沒有許多對(duì)在機(jī)器表面的質(zhì)量上使用低剛度組成部分的結(jié)果。安裝費(fèi)用： 結(jié)合上述優(yōu)勢(shì)，一次安裝就可以實(shí)現(xiàn)。這篇文章的第一部分提出五自由度成型機(jī)的總的機(jī)械結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。這隨后有一個(gè)6個(gè)五自由度成型機(jī)子系統(tǒng)的詳細(xì)的討論。2. 五自由度成型機(jī)： 系統(tǒng)描述五自由度成型機(jī)系統(tǒng)特性作為包括六個(gè)綜合的子系統(tǒng)的一種模塊的設(shè)計(jì)在第1圖中概要地描述。每一子系統(tǒng)是當(dāng)它執(zhí)行一種不同的

9、功能時(shí)，獨(dú)立地操作的一種模塊。 圖1. 五自由度成型機(jī)子系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)示意圖圖2.五自由度成型機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)模型圖3.顯示軸和主要組成部分（俯視圖）對(duì)于金屬機(jī)床他們的功能的他們的類似這五軸的描述是如下:r軸(用車床表達(dá)式對(duì)X軸類似)沿著工件的半徑方向運(yùn)動(dòng)。z軸(用車床表達(dá)式對(duì)Z軸類似)沿著工件長(zhǎng)軸方向運(yùn)動(dòng)。(a)軸(對(duì)一臺(tái)車床上的C 旋轉(zhuǎn)的軸類似)用來旋轉(zhuǎn)工作。但是與一個(gè)傳統(tǒng)的車床的C 軸不同，旋轉(zhuǎn)的一個(gè)軸被完全在五自由度成型機(jī)里控制。Theta ( ) 軸是障礙避免軸。這個(gè)角的運(yùn)動(dòng)軸為一個(gè)獨(dú)特的 (工件信息)運(yùn)動(dòng)末端作準(zhǔn)備，使它能夠旋轉(zhuǎn)，關(guān)于軸調(diào)整時(shí)，這通過模型的主軸線。這種設(shè)計(jì)基于由康韋爾等介

10、紹的一個(gè)機(jī)制 24.伽馬() 軸是考慮到傾斜工作(一次90的旋轉(zhuǎn))的第5個(gè)軸。利用這特征工具信息能進(jìn)行加工全部工件的面。允許五自由度成型機(jī)用幾乎任何角度旋轉(zhuǎn)物體方面的一個(gè)主要的優(yōu)勢(shì)。3.硬件3.1. 五自由度成型機(jī)3.1.1.機(jī)器人的手臂和聯(lián)接五自由度成型機(jī)機(jī)器人的手臂靈活，這樣尖端沿著一條直的線能( 1 )移動(dòng)還有( 2 )是能夠傾斜與運(yùn)動(dòng)(r和z軸如圖2)有關(guān)。圖4.機(jī)械手手臂部分圖4機(jī)械手手臂部分上面攜帶工具。一臺(tái)步驟發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)2角度.滑輪2基礎(chǔ)是固定的，驅(qū)車滑輪通過一條地帶對(duì)上面的胳臂是固定的2 (半徑r1 )。1和2之間的關(guān)系被表達(dá)作為: (1)為了產(chǎn)生期望的直線運(yùn)動(dòng)，下列的約束必須

11、為了所有y1才能實(shí)現(xiàn): (2)對(duì)于特殊情況Eq.(1) 然后在滑輪的半徑之間給關(guān)系 (3)整個(gè)的長(zhǎng)度，1，2被選擇這樣胳臂的全長(zhǎng)當(dāng)時(shí)充分伸展等于模型的最大的尺度。從工具尖端到旋轉(zhuǎn)前臂的中心有距離被給: (4)區(qū)別方程( 4 )關(guān)于時(shí)間速度 (5)半徑必須以等于在Eq中計(jì)算的速度的一種率被增加。(5)在同樣的位置。3.1.2.r和z軸圖3展現(xiàn)五自由度成型機(jī)的機(jī)械的系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的各種各樣的軸。圖5是展現(xiàn)了手臂部分。r支架橫越30 cm并且提供對(duì)于r軸的支撐。在它上面，一種可調(diào)整的鋁支持被爬升握住加工工具。支撐板被4個(gè)螺絲(圖3)固定在一端，可以對(duì)支撐板進(jìn)行垂直方向的調(diào)整。在支架的另一端，帶有一個(gè)小齒輪

12、，機(jī)器手臂在y方向的可進(jìn)行爬升，正如在圖6中所展現(xiàn)的。z支架通過用六條線引導(dǎo)螺絲，攜帶一種線性運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)滑軌。它寬43cm，并且在其方向上，r支架形成直角的軸被爬升正如圖3所示。3.1.3.夾持機(jī)構(gòu)和軸兩夾持機(jī)構(gòu)從壓板到工件（如圖3），將針插入一段短的距離的孔時(shí)。其中一個(gè)機(jī)構(gòu)被安裝在機(jī)器手臂上（如圖7所示），為以它的軸線為中心旋轉(zhuǎn)作準(zhǔn)備。一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)， 如圖8 顯示， 分別驅(qū)動(dòng)安裝夾持手臂的滑桿運(yùn)動(dòng)，使他們能夠在Z方向的40厘米之內(nèi)運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)到與它的軸平行的工件。圖5. 五自由度成型機(jī)的手臂圖6. 驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸的步進(jìn)電機(jī)和齒輪圖7. 一個(gè)軸和夾持帶有別針的手臂圖8.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器手臂3.1.4

13、.旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(-軸)就目前情況看，只有實(shí)現(xiàn)了控制軸的軟件，這個(gè)硬件沒被五自由度成型機(jī)的現(xiàn)在版本里使用，但是它對(duì)于五自由度成型機(jī)的硬件外形的連續(xù)性來說在這里已經(jīng)得到提高。這個(gè)機(jī)購由一臺(tái)螺旋起重機(jī)組成，從工件上抓住有單個(gè)別針的那些目標(biāo)，一旦手臂是張開的并且可以用特別的方式雕刻出工件復(fù)雜的形狀，這個(gè)軸使五自由度成型機(jī)能夠帶動(dòng)物體旋轉(zhuǎn)。3.2. 五自由度成型機(jī)的刀具為了取得快速的切削加工，優(yōu)化五自由度成型機(jī)的刀具是必要的。影響刀具的性能的各種各樣的變量和涉及它設(shè)計(jì)的參數(shù)是很多的，為了找到一種更好的設(shè)計(jì)，做了很多假定。充滿加熱電線的電流的脫機(jī)實(shí)驗(yàn)和反饋在控制器的使用，這使不引進(jìn)刀具模型的輕微錯(cuò)誤的影響減到

14、最小，象在加熱聚苯乙烯上方一樣，在將到期的電阻連接到溫度方面的變化升高。在刀具設(shè)計(jì)里的重要的考慮是散熱性和切割工件是手臂的剛度。整潔雕刻要求減少0.25 m/s的線速度結(jié)合更高的電流。如果那些刀具被過于加熱，就聚苯乙烯而論，這PS 泡沫的融化導(dǎo)致這種材料不能完成表面加工。一次刀具設(shè)計(jì)中的修正過程如圖9 顯示。這種熱性能設(shè)計(jì)可以產(chǎn)生良好的切割表面， 但是有時(shí)會(huì)在模型背面粘住。為解決這些問題，設(shè)計(jì)后電線的構(gòu)造如圖10中所示，增加的第二跟電線形成封閉環(huán)，刀具作為一臺(tái)卷邊機(jī)工作。這情況的產(chǎn)生有兩個(gè)原因，使內(nèi)部電線在工作過程中溫度升高：.內(nèi)部的回路比較短的電線中，切割的回路短。這種結(jié)果比在外部的切割的回

15、路的切割的溫度高。.外部的回路繼續(xù)不斷因?yàn)榕c聚苯乙烯的直接的聯(lián)系而升溫，而內(nèi)部的回路卻被對(duì)流層冷卻，并且熱量直接傳到芯片上。圖9.刀具的中間連接形式圖10.刀具最后的切割形式切割的邊上的材料由于這種原因縮小(當(dāng)它被熔化時(shí)，聚苯乙烯縮小)，造成芯片在刀具后面彎曲變形（如圖10所示）。熱電線材料為堅(jiān)硬的不銹鋼。電線直徑是d=0.25毫米。現(xiàn)在要求： 加熱一個(gè)以速度V運(yùn)動(dòng)的聚苯乙烯做成的對(duì)象(如圖11)，半徑r、長(zhǎng)度lwire的電線融化一個(gè)2 rlwireV的卷比率 體積/時(shí)間 ，融化單位時(shí)間： (6)假定30的室溫，對(duì)于PS到達(dá)熔點(diǎn)所需要的熱: (7)和C是聚苯乙烯熔化的溫度和熱應(yīng)力。在材料被加熱達(dá)到熔點(diǎn)后，與加熱的電線聯(lián)系的堅(jiān)固的微粒激烈地收縮、熔化，并且最后消失。這就有以下的關(guān)系式: （8）L是聚苯乙烯的熔解時(shí)所需的熱。因此，每單位時(shí)間要求工件減少材料在溫度接近PS 加熱到融化是的組成部分 （9）電線阻抗與電線的長(zhǎng)度成正比： （