1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。ModelAngelo系統(tǒng)：減式快速成型五軸機(jī)器手(1-3.2)李駿-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摘要一個基于PC，以計算機(jī)輔助技術(shù)為驅(qū)動，5個軸減式技術(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3DCAD模型生產(chǎn)一套命令程序，用于控制5軸機(jī)器人來移動切削刀具，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

2、。用戶提供一個用于被雕刻物體的3DCAD模型。ModelAngelo軟件系統(tǒng)預(yù)先按照步增臺階面產(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，3DCAD，聚苯乙烯1.介紹快速成型技術(shù)(RP)是一個簡稱，

3、是指用計算機(jī)輔助設(shè)計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)的快速成型方法是基于簡化通過在碾壓的對象制造時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，wangetal。13，和Sch

4、mitzetal。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劃利用高速進(jìn)給機(jī)器來完成，可以快速生產(chǎn)單個工件(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Vergeest15,16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)一個機(jī)器人系統(tǒng)17,18并且過后發(fā)展為對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

5、系統(tǒng)被稱為基于一件3D工件由五自由度成型機(jī)加工。由于它的靈活性由一個5個軸的機(jī)構(gòu)來驅(qū)動，實(shí)體切片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3D模型轉(zhuǎn)化到2D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

6、提出工作時基于形成細(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*0.20m3),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)器人的一個概念模型)有幾種優(yōu)勢。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問題與實(shí)際的期望的部分幾何學(xué)匹配。21同時，Walczyk等。22,23同時，并非不同于被一臺車床。此外，五自由

7、度成型機(jī)靠另一個工具消除所有剩余的階梯紋路的步驟，對于以前的那些垂直的紋路的改進(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]有涉及建造的這個過程更多導(dǎo)致連續(xù)的層的記錄和堆積。削減在0.25-0.5m/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。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

8、表面質(zhì)量和容易雕刻程度。舉個例子，如圓錐。雕刻一個圓錐旋轉(zhuǎn)任何軸都是可能的，但是選擇圓錐的對稱軸為旋轉(zhuǎn)軸是最為方便的。4.通過幾種加熱的方法增加優(yōu)勢: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，讓他們不會在高切割的時候產(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，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6個五自由度成型機(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)特性作為包括六個綜合的子系統(tǒng)的一種模

9、塊的設(shè)計在第1圖中概要地描述。每一子系統(tǒng)是當(dāng)它執(zhí)行一種不同的功能時，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X軸類似)沿著工件的半徑方向運(yùn)動。z軸(用車床表達(dá)式對Z軸類似)沿著工件長軸方向運(yùn)動。(a)軸(對一臺車床上的C旋轉(zhuǎn)的軸類似)用來旋轉(zhuǎn)工作。但是與一個傳統(tǒng)的車床的C軸不同，旋轉(zhuǎn)的一個軸被完全在五自由度成型機(jī)里控制。Theta()軸是障礙避免軸。這個角的運(yùn)動軸為一個獨(dú)特的(工件信息)運(yùn)動末端作準(zhǔn)備，使它能夠旋轉(zhuǎn)，關(guān)于軸調(diào)整時，

10、這通過模型的主軸線。這種設(shè)計基于由康韋爾等介紹的一個機(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)物體方面的一個主要的優(yōu)勢。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)移動還有(2)是能夠傾斜與運(yùn)動(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。一臺步驟發(fā)動機(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上面的胳臂是固定的(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

11、線運(yùn)動，下列的約束必須為了所有y1才能實(shí)現(xiàn):(2)對于特殊情況Eq.(1)然后在滑輪的半徑之間給關(guān)系(3)整個的長度，1，2被選擇這樣胳臂的全長當(dāng)時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)于時間速度(5)半徑必須以等于在Eq中計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)動的各種各樣的軸。圖5是展現(xiàn)了手臂部分。r支架橫越30cm并且提供對于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個螺絲(圖3)固定在一端，可以對支撐板進(jìn)行垂直方向的調(diào)整。在支架的另一端，帶有一個

12、小齒輪，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)動的兩個滑軌。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。其中一個機(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。一臺步進(jìn)電機(jī)，如圖8顯示，分別驅(qū)動安裝夾持手臂的滑桿運(yùn)動，使他們能夠在Z方向的40厘米之內(nèi)運(yùn)動，移動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)動旋轉(zhuǎn)軸的步進(jìn)電機(jī)和齒輪圖7.一個軸和夾持帶有別針的手臂圖8.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動機(jī)器手臂3.1.4.旋轉(zhuǎn)

13、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。這個機(jī)購由一臺螺旋起重機(jī)組成，從工件上抓住有單個別針的那些目標(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，這個軸使五自由度成型機(jī)能夠帶動物體旋轉(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)計的參數(shù)是很多的，為了找到一種更好的設(shè)計，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)刀具模型的輕微錯誤的影響減到最小，象

14、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0.25m/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)計中的修正過程如圖9顯示。這種熱性能設(shè)計可以產(chǎn)生良好的切割表面，但是有時會在模型背面粘住。為解決這些問題，設(shè)計后電線的構(gòu)造如圖10中所示，增加的第二跟電線形成封閉環(huán)，刀具作為一臺卷邊機(jī)工作。這情況的產(chǎn)生有兩個原因，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路的切割的溫度高

15、。.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，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?，F(xiàn)在要求：加熱一個以速度V運(yùn)動的聚苯乙烯做成的對象(如圖11)，半徑r、長度lwire的電線融化一個2rlwireV的卷比率體積/時間，融化單位時間：(6)假定30的室溫，對于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所需的熱。因此，每單位時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