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1、ModelAngelo系统：减式快速成型五轴机器手作者：R.F. Hamade, F. Zeineddine, B. Akle1, A. Smaili摘要一个基于PC，以计算机辅助技术为驱动，5个轴减式技术快速成型机器人系统被提出。它被称为Angelo模型机系统，集成并包括六种硬件和软件子系统。系统实际上利用虚拟3D CAD模型生产一套命令程序，用于控制5轴机器人来移动切削刀具，在其表面产生加热的电线，进而让工件块(聚苯乙烯泡沫或者蜡) 形成复杂的形状。用户提供一个用于被雕刻物体的3D CAD模型。ModelAngelo软件系统预先按照步增台阶面产生分层的轮廓薄片数据，此数据文件包含相应切削刀
2、具半径角，模型造型的升高和旋转件的工作位置。然后ModelAngelo接口系统连续读取命令提供给计算机并行端口。从而，ModelAngelo执行系统执行命令并且把反馈信号送到处理器。然后通过ModelAngelo加工子系统设置好刀具类型，并选择好工件的不同切削位置，然后把工件和刀具放入，ModelAngelo刀具子系统加热后开始工作。关键词：ModelAngelo系统，机器人，CNC，快速成型，3D CAD，聚苯乙烯1. 介绍快速成型技术 (RP)是一个简称，是指用计算机辅助设计模型来直接建立物理模型的多技术集成应用 1-4。成型方法正如作为他们的名字和他们携带的技术一样所变化的。一些更多传统
3、的快速成型方法是基于简化通过在碾压的对象制造时在诸如的若干层上堆积与结合页材料，或者通过诸如的技术(大部分一次建立一个稀薄的层)的5-6通过把模型切成薄片和然后进行雕刻3D对象成为稀薄的片段的过程：通过运用蜡或者其它聚合物的3D打印79多喷气式头; 通过选择性的液态的树脂建立起这些稀薄的层10； 或者通过在烧结( SLS ) 11的选择性的激光中熔化的方法来实现。通过机器加工单个副本原型的思路也可以通过使用多轴数控机床的工作所显示的。12，wang et al。13，和Schmitz et al。14来命名。数控机床的加工的原型通过与尽可能完善的切削工人位置计划利用高速进给机器来完成，可以快速
4、生产单个工件(通常由金属制成)。与此类似， 要建造原型的DOF 机器人(用传统快速原型方法和比数控机床更灵活) 已经吸引很多机器人研究人员到快速原型的领域。Tengleder和Vergeest 15,16将早为这目的来进行机器人的研究。此外，Chen等为雕刻面切实现一个机器人系统 17,18 并且过后发展为对由聚合物做成的雕刻品原型使用基于层的机器加工的一种技术 19此外，Coole等为卫生的器皿工业在机器加工过程中使用机器人系统的大规模原型(聚酯)作出了一些研究 20。在这篇文章里，快速原型的系统被称为基于一件3 D 工件由五自由度成型机加工。由于它的灵活性由一个5个轴的机构来驱动，实体切片
5、轮廓生成的有效率的开发软件，以及有利用一项富创新精新技术的一个多用途的末端，五自由度成型机能雕刻用户视线可以到达的全部几何学特征。大多数传统快速原型技术由切片提供3 D模型转化到2 D层，五自由度成型机只在它的软件上完成这种“切片”技术，以便雕刻物体外面的外形，通过一次跟踪，一个层被完成。物理雕刻是要求机器加工在一车床结合的那个需要雕刻的地方。五自由度成型机在雕刻聚苯乙烯( PS)泡沫块或者让他们清除切割的蜡。例如：聚苯乙烯，是一种比较便宜而且便于雕刻的材料，并且有一种适合熔化的温度( Tm=240 )。当这提出工作时基于形成细胞的聚苯乙烯泡沫和蜡(当前的最大限度总体尺度0.20*0.20*0
6、.20m3),与传统的快速成型方法相比，五自由度成型机(作为产生机器人的一个概念模型)有几种优势。1.表面质量： 虽然大多数以层为基础的快速成型系统产是给人以复杂的感觉，但是表面质量的问题，因为表面出现了阶梯状的纹路。这使部分的表面质量成为层的厚度的一种直接的现象。但是，通过减少层厚度改进表面质量的方法将在一种一对一的比率中实际上自然地减缓过程。通过每一层的实际的边界包括通过泰勒等的工作的轮廓矫正这个问题与实际的期望的部分几何学匹配。 21 同时，Walczyk等。 22,23 同时，并非不同于被一台车床。此外，五自由度成型机靠另一个工具消除所有剩余的阶梯纹路的步骤，对于以前的那些垂直的纹路的
7、改进有了提高。2.速度： 自从五自由度成型机使用一种去材料的方法，导致的生产速度是不仅快于加材料的方法(例如SLA)，而且比其它切割（例如LOM）边界轮廓技术也更快速。因为没有涉及建造的这个过程更多导致连续的层的记录和堆积。削减在0.25-0.5 m/s之间的速度被取得快速的削减速度成为可能，但是将更多的硬件结构避免工件的振动。3.灵活性： 就加工过程中的灵活性而言， 这机器人带来基于聚合物快速原型，给那些雕刻加工增加灵活性，加工过程中不是一层一层进行，而是作为一个整体来做。而且，取决于雕刻的模型，旋转轴可能改变加工速度，提高表面质量和容易雕刻程度。举个例子，如圆锥。雕刻一个圆锥旋转任何轴都是
8、可能的，但是选择圆锥的对称轴为旋转轴是最为方便的。4.通过几种加热的方法增加优势:极低切削力：因为切割在在Tm之上的温度内发生，导致切削力是向下的，让他们不会在高切割的时候产生任何偏差。低的安装： 把切削力小考虑进去是为了机器人的组成部分没有许多对在机器表面的质量上使用低刚度组成部分的结果。安装费用： 结合上述优势，一次安装就可以实现。这篇文章的第一部分提出五自由度成型机的总的机械结构和系统体系结构。这随后有一个6个五自由度成型机子系统的详细的讨论。2. 五自由度成型机： 系统描述五自由度成型机系统特性作为包括六个综合的子系统的一种模块的设计在第1图中概要地描述。每一子系统是当它执行一种不同的
9、功能时，独立地操作的一种模块。 图1. 五自由度成型机子系统模块设计示意图图2.五自由度成型机的机械结构模型图3.显示轴和主要组成部分（俯视图）对于金属机床他们的功能的他们的类似这五轴的描述是如下:r轴(用车床表达式对X轴类似)沿着工件的半径方向运动。z轴(用车床表达式对Z轴类似)沿着工件长轴方向运动。(a)轴(对一台车床上的C 旋转的轴类似)用来旋转工作。但是与一个传统的车床的C 轴不同，旋转的一个轴被完全在五自由度成型机里控制。Theta ( ) 轴是障碍避免轴。这个角的运动轴为一个独特的 (工件信息)运动末端作准备，使它能够旋转，关于轴调整时，这通过模型的主轴线。这种设计基于由康韦尔等介
10、绍的一个机制 24.伽马() 轴是考虑到倾斜工作(一次90的旋转)的第5个轴。利用这特征工具信息能进行加工全部工件的面。允许五自由度成型机用几乎任何角度旋转物体方面的一个主要的优势。3.硬件3.1. 五自由度成型机3.1.1.机器人的手臂和联接五自由度成型机机器人的手臂灵活，这样尖端沿着一条直的线能( 1 )移动还有( 2 )是能够倾斜与运动(r和z轴如图2)有关。图4.机械手手臂部分图4机械手手臂部分上面携带工具。一台步骤发动机旋转2角度.滑轮2基础是固定的，驱车滑轮通过一条地带对上面的胳臂是固定的2 (半径r1 )。1和2之间的关系被表达作为: (1)为了产生期望的直线运动，下列的约束必须
11、为了所有y1才能实现: (2)对于特殊情况Eq.(1) 然后在滑轮的半径之间给关系 (3)整个的长度，1，2被选择这样胳臂的全长当时充分伸展等于模型的最大的尺度。从工具尖端到旋转前臂的中心有距离被给: (4)区别方程( 4 )关于时间速度 (5)半径必须以等于在Eq中计算的速度的一种率被增加。(5)在同样的位置。3.1.2.r和z轴图3展现五自由度成型机的机械的系统运动的各种各样的轴。图5是展现了手臂部分。r支架横越30 cm并且提供对于r轴的支撑。在它上面，一种可调整的铝支持被爬升握住加工工具。支撑板被4个螺丝(图3)固定在一端，可以对支撑板进行垂直方向的调整。在支架的另一端，带有一个小齿轮
12、，机器手臂在y方向的可进行爬升，正如在图6中所展现的。z支架通过用六条线引导螺丝，携带一种线性运动的两个滑轨。它宽43cm，并且在其方向上，r支架形成直角的轴被爬升正如图3所示。3.1.3.夹持机构和轴两夹持机构从压板到工件（如图3），将针插入一段短的距离的孔时。其中一个机构被安装在机器手臂上（如图7所示），为以它的轴线为中心旋转作准备。一台步进电机， 如图8 显示， 分别驱动安装夹持手臂的滑杆运动，使他们能够在Z方向的40厘米之内运动，移动到与它的轴平行的工件。图5. 五自由度成型机的手臂图6. 驱动旋转轴的步进电机和齿轮图7. 一个轴和夹持带有别针的手臂图8.步进电机驱动机器手臂3.1.4
13、.旋转机构(-轴)就目前情况看，只有实现了控制轴的软件，这个硬件没被五自由度成型机的现在版本里使用，但是它对于五自由度成型机的硬件外形的连续性来说在这里已经得到提高。这个机购由一台螺旋起重机组成，从工件上抓住有单个别针的那些目标，一旦手臂是张开的并且可以用特别的方式雕刻出工件复杂的形状，这个轴使五自由度成型机能够带动物体旋转。3.2. 五自由度成型机的刀具为了取得快速的切削加工，优化五自由度成型机的刀具是必要的。影响刀具的性能的各种各样的变量和涉及它设计的参数是很多的，为了找到一种更好的设计，做了很多假定。充满加热电线的电流的脱机实验和反馈在控制器的使用，这使不引进刀具模型的轻微错误的影响减到
14、最小，象在加热聚苯乙烯上方一样，在将到期的电阻连接到温度方面的变化升高。在刀具设计里的重要的考虑是散热性和切割工件是手臂的刚度。整洁雕刻要求减少0.25 m/s的线速度结合更高的电流。如果那些刀具被过于加热，就聚苯乙烯而论，这PS 泡沫的融化导致这种材料不能完成表面加工。一次刀具设计中的修正过程如图9 显示。这种热性能设计可以产生良好的切割表面， 但是有时会在模型背面粘住。为解决这些问题，设计后电线的构造如图10中所示，增加的第二跟电线形成封闭环，刀具作为一台卷边机工作。这情况的产生有两个原因，使内部电线在工作过程中温度升高：.内部的回路比较短的电线中，切割的回路短。这种结果比在外部的切割的回
15、路的切割的温度高。.外部的回路继续不断因为与聚苯乙烯的直接的联系而升温，而内部的回路却被对流层冷却，并且热量直接传到芯片上。图9.刀具的中间连接形式图10.刀具最后的切割形式切割的边上的材料由于这种原因缩小(当它被熔化时，聚苯乙烯缩小)，造成芯片在刀具后面弯曲变形（如图10所示）。热电线材料为坚硬的不锈钢。电线直径是d=0.25毫米。现在要求： 加热一个以速度V运动的聚苯乙烯做成的对象(如图11)，半径r、长度lwire的电线融化一个2 rlwireV的卷比率 体积/时间 ，融化单位时间： (6)假定30的室温，对于PS到达熔点所需要的热: (7)和C是聚苯乙烯熔化的温度和热应力。在材料被加热
16、达到熔点后，与加热的电线联系的坚固的微粒激烈地收缩、熔化，并且最后消失。这就有以下的关系式: （8）L是聚苯乙烯的熔解时所需的热。因此，每单位时间要求工件减少材料在温度接近PS 加热到融化是的组成部分 （9）电线阻抗与电线的长度成正比： （10）如上所述，电线电阻与电线的长度成正比。电线提供的加热功率等于。因为电线的功耗与Q相同 ， 所以我们要求满足： （11）Eq ( 11 )被用来为一给定的切割速度确定的底座。整个的切割刀具和尺寸已知。(11)除了V (一个过程变量) 基于力量要求正如以前的方程所计算的，据估计，当以切割的速度操作时，电线温度大约等于2751。在Eq中替代有关的价值。(11)(包括PS的熔化热量)产生一个3.7 A.的最小电流，电流大约为4 A。在相对速度为0.5 m/s，电流为5.2A的条件下：10
