3D打印机设计参考论文详解

第一篇：3D打印机设计参考论文详解

3D打印机设计参考论文

导读：3D打印机设计参考论文，2015-02-063D打印机DIY，1.1国内外3D打印机的研究现状，1.1.1国外3D打印机的研究现状，1.1.2国内3D打印机的研究现状，1.2 3D打印机的发展趋势，1.2.1 3D打印产业的未来发展前景，1.2.2 3D打印技术未来发展的主要趋势，1.3 3D打印机的工作原理及特点，2总体方案及结构设计，2.2总体框架的设计，2.3温度控制回路的设计，2.4 XYZ三方

3D打印机设计参考论文

2015-02-06 3D打印机DIY 3D打印机设计参考论文 1.1国内外3D打印机的研究现状 1.1.1国外3D打印机的研究现状 1.1.2国内3D打印机的研究现状 1.2 3D打印机的发展趋势 1.2.1 3D打印产业的未来发展前景 1.2.2 3D打印技术未来发展的主要趋势 1.3 3D打印机的工作原理及特点 1.4发展创新与突破 2 总体方案及结构设计 2.1引言

2.2总体框架的设计 2.3温度控制回路的设计 2.4 XYZ三方向控制电机的设计 2.5喷头移动及喷出量调节的设计 3 机械结构 3.1传动方式的选择 3.2转动惯量的计算 3.3喷头的选择 4 电机的选择

4.1伺服电机和步进电机的对比 4.2直流交流伺服电机对比 4.3负载转矩的计算 4.4打印速度的初步估计 5 传感器

5.1温度传感器对比 5.2机械位置传感器 5.3压力传感器 3D打印机的优点及面临问题 6.1 3D打印机的优点 6.2 3D打印技术面临的问T

3D打印机设计参考论文

【摘要】3D打印是最近两年开始流行的一种快速成形技术, 它以数字模型文件为基础, 通 过逐层打印的方式来构造物体.我们日常生活中的打印机能打印一些平面纸张材料, 而3D打印机打印出的是立体塑品产品.文章对3D打印的技术体系和国内外产业发展现状、发展态势作了综合介绍，综述3D打印技术的基本概念、发展简史、打印过程原理、应用领域、广泛影响以及面临的问题等.在介绍3D技术的发展历程、3D打印技术的工作原理流程及特点的基础上，分析了3D打印技术的创新点和存在的问题，展望了3D打印技术的未来发展趋势.关键词:3D打印机;快速成型;结构设计;社会制

【Abstract】：3D printing is one of the last two years became popular rapid prototyping technology,which is based digital model files, through over the printed layer by layer approach to construct objects.Our daily lives printer can print some flat sheet material, and 3D printer to print out the three-dimensional plastic goods products.Article on 3D printing technology system status and domestic industrial development, development made a comprehensive presentation situation, review the basic concepts of 3D printing technology, development history, the printing process principles, applications, and the problems faced widespread impact, etc.In the development process of introduction of 3D technology, working principle and characteristics of the process of 3D printing technology based on the analysis of 3D printing technology innovations and problems, looked to the future development trend of 3D printing technology.Key words：3D printers;rapid prototyping;structural design;social manufacture 引言

随着时代的进步，我们的生活水平日渐提升，同时，人口也在急剧的增长，我们需要越来越多的物品来满足物质生活条件。这就势必造成我们对物品的要求也会越来越高，做工 精细、独特且非量产的物品会受广大人们的喜爱。如今，我们拥有了3D打印这一先进的技术，我们可以通过3D打印机来打印各种我们所需要的、想要的。3D打印技术应用面广，它可以用于医疗行业、科学研究、产品模型、建筑设计、制造业及食品等，前景广泛。3D打印技术，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印机则出现在上世纪90年代中期，即一种利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置。它与普通打印机工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“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。如今这一技术在多个领域得到应用，人们用它来制造服装、建筑模型、汽车、巧克力甜品等。绪论

1.1 国内外3D打印机的研究现状 1.1.1 国外3D打印机的研究现状

经过十多年的探索和发展，3D打印技术有了长足的进步，目前已经能够在0.01mm的单层厚度上实现600dpi的精细分辨率。目前国际上较先进的产品可以实现每小时25mm厚度的垂直速率，并可实现24位色彩的彩色打印。

目前，在全球3D打印机行业，美国3D Systems和Stratasys两家公司的产品占据了绝大多数市场份额。此外，在此领域具有较强技术实力和特色的企业、研发团队还有美国的Fab@Home和Shapeways、英国的Reprap等。

3D Systems公司是全世界最大的快速成型设备开发公司。于2011年11月收购了3D打印技术的最早发明者和最初专利拥有者Z Corporation公司之后，3D Systems奠定了在3D打印领域的龙头地位。Stratasys公司2010年与传统打印行业巨头惠普公司签订了OEM合作协议，生产HP品牌的3D打印机。继2011年5月收购Solidscape公司之后，Stratasys又于2012年4月与以色列著名3D打印系统提供商Objet宣布合并。当前，国际3D打印机制造业正处于迅速的兼并与整合过程中，行业巨头正在加速崛起。

目前在欧美发达国家，3D打印技术已经初步形成了成功的商用模式。如在消费电子业、航空业和汽车制造业等领域，3D打印技术可以以较低的成本、较高的效率生产小批量的定制部件，完成复杂而精细的造型。另外，3D打印技术获得应用的领域是个性化消费品产业。如纽约一家创意消费品公司Quirky通过在线征集用户的设计方案，以3D打印技术制成实物产品并通过电子市场销售，每年能够推出60种创新产品，年收入达到100万美元。

1.1.2 国内3D打印机的研究现状

自20世纪90年代以来，国内多所高校开展了3D打印技术的自主研发。清华大学在现代成型学理论、分层实体制造、FDM工艺等方面都有一定的科研优势；华中科技大学在分层实体制造工艺方面有优势，并已推出了HRP系列成型机和成型材料；西安交通大学自主研制了三维打印机喷头，并开发了光固化成型系统及相应成型材料，成型精度达到40.2mm；中国科技大学自行研制了八喷头组合喷射装置，有望在微制造、光电器件领域得到应用。但总体而言，国内3D打印技术研发水平与国外相比还有较大差距。近年来，国内企业已实现了3D打印机的整机生产和销售，这些企业共同的特点是由海外归国团队建立，规模较小，产品技术与国外厂商同类产品相比尚处于低端。目前，国产3D打印机在打印精度、打印速度、打印尺寸和软件支持等方面还难以满足商用的需求，技术水平有待进一步提升。在服务领域，我国东部发达城市已普遍有企业应用进口3D打印设备开展了商业化的快速成型服务，其服务范围涉及到模具制作、样品制作、辅助设计、文物复原等多个领域。与内地相比，我国港台地区3D打印技术引入起步较早，应用更为广泛，但港台主要着重于技术应用，而非自主研发。

1.2 3D打印机的发展趋势 1.2.1 3D打印产业的未来发展前景

根据国际快速制造行业权威报告《Wohlers Report 2011》发布的调查结果，全球3D打印产业产值在1988～2010年间保持着26.2%的年均增长速度。报告预期，3D打印产业未来仍将持续较快地增长，到2016年，包含设备制造和服务在内的产业总产值将达到31亿美元，2020年将达到52亿美元。

但3D打印技术要进一步扩展其产业应用空间，目前仍面临着多方面的瓶颈和挑战：一是成本方面，现有3D打印机造价仍普遍较为昂贵，给其进一步普及应用带来了困难。二是打印材料方面，目前3D打印的成型材料多采用化学聚合物，选择的局限性较大，成型品的物理特性较差，而且安全方面也存在一定隐患。三是精度、速度和效率方面，目前3D打印成品的精度还不尽人意，打印效率还远不适应大规模生产的需求，而且受打印机工作原理的限制，打印精度与速度之间存在严重冲突。四是产业环境方面，3D打印技术的普及将使产品更容易被复制和扩散，制造业面对的盗版风险大增，现有知识产权保护机制难以适应产业未来发展的需求。

Gartner公司2011年发布的最新技术发展展望报告判断：3D打印技术目前正在进入概念炒作的高峰阶段，其技术还有待充分成熟，主流市场也有待进一步培育。Gartner公司研究人员认为，3D打印技术成熟到适应市场需求还将需要5～10年的时间。在这一较为漫长的发展过程中，产业可能会面临增长期望落空、技术遭遇瓶颈以及投资撤离等风险。总之，从中长期看来3D打印产业具有较为广阔的发展前景，但目前产业距离成熟阶段尚有较大距离，对于3D打印市场规模的短期发展不宜过分高估。因此，现阶段产业界对3D打印领域的投入应以加强创新研发、技术引进和储备为主，尤其要重视自主知识产权的建设和维护，争取在未来的市场竞争中占据有利地位。如受到概念炒作影响，在技术尚未充分完善的现阶段大规模投入产能扩张，则投资回报将面临着较大的风险。

1.2.2 3D打印技术未来发展的主要趋势

随着智能制造的进一步发展成熟，新的信息技术、控制技术、材料技术等不断被广泛应用到制造领域，3D打印技术也将被推向更高的层面。未来，3D打印技术的发展将体现出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趋势。

提升3D打印的速度、效率和精度，开拓并行打印、连续打印、大件打印、多材料打印的工艺方法，提高成品的表面质量、力学和物理性能，以实现直接面向产品的制造；开发更为多样的3D打印材料，如智能材料、功能梯度材料、纳米材料、非均质材料及复合材料等，特别是金属材料直接成型技术有可能成为今后研究与应用的又一个热点；3D打印机的 体积小型化、桌面化，成本更低廉，操作更简便，更加适应分布化生产、设计与制造一体化的需求以及家庭日常应用的需求；软件集成化，实现CAD/CAPP/RP的一体化，使设计软件和生产控制软件能够无缝对接，实现设计者直接联网控制的远程在线制造；拓展在生物医学、建筑、车辆、服装等更多行业领域的创造性应用。

1.3 3D打印机的工作原理及特点 1.3.1 3D打印的工作原理

三维打印技术是使用喷头喷出粘结剂，选择性地将零件的截面印刷在材料粉末上面，最后层层将各个截面粘结起来.可用于制造复杂形状的模型中空模型，或者制造复合材料或非均匀材料的模型等.图1是三维打印成型机的剖面示意图.其工艺是先由铺粉辊从左往右移动, 将供粉缸里的粉末在成型缸上均匀铺上一层． 然后按照计算机上设计好的零件模型，由打印头在第一层粉末上喷出零件底层截面的形状, 然后成型缸平台向下移动一定距离，再由铺粉辊从供粉缸中平铺一层粉末到刚才打印完的粉末层上，然后再由打印头按照第二层截面的形状喷洒粘结剂，层层递进，最后得到的零件整体是由各个横截面层层重叠起来的.图1 三维快速打印技术工作原理示意图

3D打印的主要工作流程如图2所示, 其中3D建模是3D打印的前提，相当于平面印刷中的原稿，3D建模质量的好坏决定了3D打印的质量.一般现有的3D建模软件都可以实现建模，比如CADPro/e等矢量建模软件，都可以轻易地实现3D建模.3D分割将建立的3D模型分成一个个的薄片，每个薄片的厚度由喷涂材料及打印机的结构决定, 厚度一般为几十微米到几百微米不等.分割工序也是由软件来实现，类似于打印机的驱动程序.喷墨打印中将成型材料一层层喷涂在基材上.目前比较流行的做法是先喷一层胶水,然后再在上面撒一层粉末，如此反复, 喷头一般可采用喷墨打印机的喷头，目前也有一些设备厂商提供专用的喷头.打印完成后，还需要对打印出来的3D模型进行后处理，比如固化处理剥离模型的修整等等，最终完成所需要的模型的制作.1.3.2 3D打印的特点

与传统模型制作相比，3D打印具有传统模具制作所不具备的优势，主要表现如下: 1． 制作精度高。经过20年的发展，3D打印精度有了大幅度的提高。目前市面上的3D打印成型的精度基本上都可以0．3mm以下。

2． 制作周期短。传统模型制作往往需要经过模具的设计模具的制作制作模型修整等工序，制作的周期长。而3D打印则去除了模具的制作过程，使得模型的生产时间大大缩短，一般几个小时甚至几十分钟就可以完成一个模型的打印。

3． 可以实现个性化制作。对于传统模型的制作，个性化模型的生产就显得力不从心，或者是成本高昂。而3D打印对于打印的数量没有限制，不管是一个还是多个，都可以以相同的成本制作出来。

4． 制作材料的多样性。一个3D打印系统往往可以实现不同材料的打印，而这种材料的多样性可以满足不同领域的需要。比如金属石料高分子材料都可以应用于3D打印。5． 制作成本相对低。虽然现在3D打印系统和3D打印材料比较贵，但是如果用来制作个性化产品，其制作成本就相对较低了 加上现在新的材料不断出现，其成本下降将是未来的一种趋势。

1.4 发展创新与突破

3D打印被用作经济学人杂志封面，主题为看制造业新技术如何改变世界，详细介绍了3D打印的历史和发展，可见人们对于3D打印成为一项可以改变世界的影响力日益关注。而 3D打印的价值体现在想象力驰骋的各个领域，人们利用3D打印为自己所在的领域贴上了个性化的标签。人们纷纷展示了如何3D打印马铃薯巧克力小镇模型，甚至扩展到用3D打印汽车和飞机，3D打印行业的发展始终凸显着创新突破这一关键特质，主要表现在以下几个方面。

1.4.1 3D打印应用领域扩展延伸

3D打印的优势在2011年被充分应用于生物医药领域，利用3D打印进行生物组织直接打印的概念日益受到推崇。比较典型的包括Open3DP创新小组宣布3D打印在打印骨骼组织上的应用获得成功，利用3D打印技术制造人类骨骼组织的技术已经成熟;哈佛大学医学院的一个研究小组则成功研制了一款可以实现生物细胞打印的设备;另外，3D打印人体器官的尝试也正在研究中。随着3D打印材料的多样化发展以及打印技术的革新，3D打印不仅在传统的制造行业体现出非凡的发展潜力，同时其魅力更延伸至食品制造服装奢侈品影视传媒以及教育等多个与人们生活息息相关的领域。

1.4.2 3D打印速度尺寸及技术日新月异

在速度突破上，2011年，个人使用3D打印机的速度已突破了送丝速度300mm每秒的极限，达到350mm每秒在体积突破上，3D打印机体积为适合不同行业的需求，也呈现轻盈和大尺寸的多样化选择。目前已有多款适合办公室打印的小巧3D打印机，并在不断挑战轻盈极限，为未来进入家庭奠定基础。

在ViennaUniversityof Technology的一个研究项目中，该团队设计了迄今为止世界上最小的3D打印设备，并且降低了打印设备的制造成本，也有望未来进驻家庭在大尺寸领域，在德国的3D打印公 司发布了4000x2000x1000mm尺寸的3D打印机，该款大尺寸3D打印机使打印大尺寸部件一次成型成为可能。3D打印技术日新月异，在2011年Lexus对外发布了新3D打印技术，该技术基于高科技循环编织技术，使用激光进行3D打印，能够以编织的方式制作复杂的3D模型

1.4.3 设计平台革新

基于3D打印民用化普及的趋势，3D打印的设计平台正从专业设计软件向简单设计应用发展，其中比较成熟的平台有基于WEB的3D设计平台—— 3DTin，另外，微软谷歌以及其他软件行业巨头也相继推出了基于各种开放平台的3D打印应用，大大降低了3D设计 6 的门槛，甚至有的应用已经可以让普通用户通过类似玩乐高积木的方式设计3D模型。2 总体方案及结构设计

2.1 引言 D打印机,专业领域又称快速原型机,是数字化增材技术。经过几十年发展后的逐渐走向民用市场的技术成果。其推广不仅意味着科技的进步,更为工业制造概念增添了新的内涵,有着广阔的发展前景。

本文拟对3 D打印机的控制结构进行设计,在综合考虑性能与经济性的基础上完成其元件 的讨论与选型。D打印机利用不同的材料打印立体模型,利用计算机软件技术,设计者设计出一个初步模型之后,例如一座建筑亦或是人工心脏瓣膜,之后通过3 D打印机 进行打印。打印的原料种类繁多,有机材料、无机材料均可使用。例如塑料、橡胶等。打印材质视具体情况而定。3 D打印机在9 0年代中期就出现了。随着科技的发展,它已经投人到各种科技工作的领域当中。通过一层一层堆积的液体和粉末来 生产物体,可以用来制造一次性的机械产品以及模型。牙科医生利用3 D打印机扫描患者的牙齿轮廓后复制出合适的矫正模具;产品生产厂商用它来完成对产品功能的设计,以避免在大规模生产后修改设计;展览馆用它复制真品,以避免真品被参观者损毁。

2.2 总体框架的设计 2.2.1 系统概述

系统由输人设备制定部分参数,从存储设备或者直接从计算机 中得到事先建好的三维模型,由单片机对模型进行分析,切片,建立 必要的支撑结构,再从单片机输出控制指令,控制喷头型材料融化,并通过一定的驱动电路驱动电机,带动喷头进行X、Y、Z三个方向的移动,并控制喷头的喷出系统调节喷出材料的多少。每打好一 层,从外 部设备读取下一层的参数,再打印下一 层,直到全部模型完成。完成 模型的打印之后,还需要后期的材料回收工作。

2.2.2 系统框架

输入设备、存储外设、上位机、温度传感器的测量值----单片机分析----温度控制回路、XYZ各方向电机控制、喷出量控制、显示设备

2.3 温度控制回路设计 2.3.1 打印耗材的选用

为了实现3 D打印机的功能,所选材料也很重要。既要由较低的熔点,也要有较好的粘滞性,同时也需要快速成型。综合考虑,我们最终选择了P L AA /B S耗材。

2.3.2 设计思路概述 ABS/PLA耗材熔点为230℃左右,分解温度260℃以上,故其通常成型温度在250℃以下。控制回路使用温度传感器返回当前温度,反馈回路保证了温度保持恒定,控制器统一使用了单片机来输出指令

(3)控制回路方框图如下：

设置的空气温度→单片机→D/A转换器→加热电路→当前温度→温度传感器→A/D转换器→单片机

2.4 x y z三方向控制电机的设计

采用化繁为简的思路,将三维打印转化为二维进而转化为一维 打印。即Z方向采用步进电机,由步进电机固定的 给量算出所需的步进角,用这种方式将三维打印先转化为每一平面内的二维打印,再由Y方向也为步进电机带动,则每一平面内的二维打印又转化为很多条 直线上的一维打印。

2.5 喷头移动及喷出量调节的设计 2.5.1 喷头系统的功能要求

熔融挤出系统对喷头系统的基本要求 是:将成型料丝送人液化器中,在其中及时而充分地熔化,由固态变 为熔融态,然后再进一步从更小直径的喷嘴中以极细丝状挤出,按扫描路径堆积成型。而且送丝速度要与扫描速度相匹配,以保证均匀一 致的材料堆积路径。成型工艺对喷头系统的功能要求可以分解为以下几点: 1)供应功能:将料丝从丝筒上拉出,提供成型材料;2)熔丝功能与料丝送进功能:将送进的固态料丝及时且充分地 熔化成为熔融状态并将料丝送人液化器;3)流道功能:提供熔融态材料稳定流动的通道;4)定径功能:对挤出熔融态物料进行定径,变为满足要求的细小直径的丝材进行堆积;5)出丝速度匹配与出丝起停控制功能:出丝速度可控,能根据扫描速度进行调整,实现互相匹配。出丝应能根据路径扫描要求及时起停,以保证高质量的成型路径,尤其是在路径 起停处。在采用熔丝挤出方式的工艺原理时,就是借助液化器中未熔丝材的活塞作用,将熔融材料挤出喷嘴,出丝推力近似等于送丝驱动力,所以在此特定的工艺原理中,送丝功能和基础功能是等效的。

2.5.2 喷头实现方法设计

基于所选择的打印耗材,喷出技术采用熔融沉积成型技术,根据片层参数控制加热喷头沿模型断面层扫描,同时控制熔融液体的体积 流量,使粘稠液体物料均匀地铺洒在断面层上。

液化器中使用电热丝提供热量使料丝熔融。熔融挤压快速成型工艺对温度的要求极其严格,喷头出丝温度和成型室的温度严格处于一定的温度范围之内,且一旦设定温度控制值之后,须保证其温度保持在平稳状态,不能产生较大 的扰动,否则成型质量将受到影响。这就 要求液化器温度必须保持稳 定。因此,我们需要加入上述的温度控制回路来严格控制液化器的温度。机械结构 3.1 传动方式的选择

直线导轨可分为：滚轮直线导轨和滚珠直线导轨两种，前者速度快精度稍低，后者速度慢精度较高。

滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。

1)与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3 由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3以下,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的1/3。在省电方面很有帮助。

2)高精度的保证

滚珠丝杠副是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温度·湿度进行了严格的控制,由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。

3)微进给可能

滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。

4)无侧隙、刚性高

滚珠丝杠副可以加予压,由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性(滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力,在实际用于机械装置等时,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强)。

5)高速进给可能

滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给(运动)。

3.2 转动惯量的计算

滚珠丝杠根据国家标准JB/T9893－1999 选用长度L=1.0m，公称直径D=12mm,公称导程mmPh40 对本系统而言，丝杠传动折算到马达轴上的总惯量为： Jt=Z1+1/i2[Z2+JS+JW](kg.m2)++= 其中i为两齿轮的传动比，此处取i=Z1/Z2=1 其他符号说明如下：

Z1——齿轮l 及其轴的转动惯量；J1=0.0018kg.m2 Z2——齿轮2 的转动惯量，取J2=0.0018kg.m2×=； Js——丝杠转动惯量，kg.m2×； Jw----为工作台折算到丝杠上的动惯量； W——工作台重量，工作台轻，取6kg； S——丝杠螺距，4mm； g——重力加速度，9.8m/s2； 圆柱体的转动惯量：J=1/8MD2 M----圆柱体质量； D----圆柱体直径；

而且选用丝杠的密度（类于铁）为7.8g/m3=r； 滚珠丝杠的转动惯量为：

JS=1/4πD2pl*1/8D2=3.14*0.0124*1.0*7800/32=1.59*10-5(kg.m2)Jw=6*0.0042/(9.8*4π2)=2.48*10-7(kg.m2)从而 Jt=3*10-3(kg.m2)-。

可见，Jt很小——主要由两个齿轮的转动惯量来决定，从而对电机的功率输出要求不苛刻，在功率不高情况下，可以实现高转速。

这是一个小惯量的系统，该系统启动，加速，制动的性能好，反应快，比较理想。此类电机最高转速一般是3000r/min上下，取3000为参考研究

按360dpi的分辨率来考虑，则每英寸25.4mm对应360个色点，每两个色点的距离为25.4/360=0.07mm,又打印喷头为双排的，所以，打印喷头周期移动距离d=0.07*2=0.14mm，喷墨一次，喷粘剂一次，两个喷头喷出同步；

设定机械精度：0.005mm，对应的脉冲当量: 由i=1，求得丝杆转一圈，喷头前进4mm。则机械精度对应

丝杆转一周，上位机应该发出的指令脉冲为4mm/0.005mm=800（个）

则对应转速约为3000，上位机脉冲能力至少800*3000/60=40000r/s； 对应6000转的转速，则上位机脉冲能力80000r/s，电子齿轮比不变.CMX ：电子齿轮比的分子是电机编码器反馈脉冲。

CDV ：电子齿轮比的分母是上位机的给定脉冲（指令脉冲）。

电子齿轮比=CMX/CDV=（131072×100）/ 80000=6553600/200000=32.8。在此计算电子齿轮比的目的——电子齿轮比把上位机的给定脉冲要换算成与电机编码器反馈脉冲同等意义的信号，便于控制中心按给定指令要求控制伺服转动定位。此外，通过上位机的脉冲能力的估算，对比实现的可能性，得知我们方案的合理性。

3.3 喷头的选择 选用Konica512L型号，实现宽度尽可能满足，分辨率满足，控制X轴方向运动，Y轴方向由另一电机控制，控制方式类似，单次位移为36.1mm,精度控制一样。双排式排列方式，使得走完一个幅面的时间相对于单排式减半，利于打印速度的提高。电机的选择

4.1 伺服电机和步进电机的对比

控制电机的比较与选取：电机控制系统按照运动过程的需要分为驱动伺服和驱动步进两大类。伺服有速度控制和位置控制模式。

4.2交流直流伺服电机对比

在20世纪60年代，最早是直流电机作为主要执行部件，在70年代以后，交流伺服电机的性价比不断提高，逐渐取代直流电机成为伺服系统的主导执行电机。控制器的功能是完成伺服系统的闭环控制，包括力矩、速度和位置等。我们通常说的伺服驱动器已经包括了控制器的基本功能和功率放大部分。虽然采用功率步进电机直接驱动的开环伺服系统曾经在90年代的所谓经济型数控领域获得广泛使用，但是迅速被交流伺服所取代。

伺服电机可以考虑直流和交流两种：但直流电动机都存在一些固有的缺点，如电刷和换向器易磨损，需经常维护。换向器换向时会产生火花，使电动机的 最高速度受到限制，也使应用环境受到限制，而且直流电动机结构复杂，制造困难，所用钢铁材料消耗大，制造成本高。而交流电动机，特别是鼠笼式感应电动机没有上述缺点，且转子惯量较直流电机小，使得动态响应更好。在同样体积下，交流电动机输出功率可比直流电动机提高10﹪～70﹪，此外，交流电动机的容量可比直流电动机造得大，达到更高的电压和转速。PMSM主要由定子、转子及测量转子位置的传感器构成。定子和一般的三相感应电机类似，采用三相对称绕组结构，它们的轴线在空间彼此相差120度。转子上贴有磁性体，一般有两对以上的磁极。位置传感器一般为光电编码器或旋转变压器。

4.3 负载转矩的计算

PMSM定子转组产生旋转磁场的机理与感应电机是相同的。其不同点是转子为永磁体且n与ns相同（同步）。两个磁场相互作用产生转矩。定子绕组产生的旋转磁场可看作一对旋转磁极吸引转子的磁极随其一起旋转。(同性相斥，异性相吸)其中θ为失调角，也称功率角；K与定子端电压和转子磁势（磁密)的乘积成正比。Fy和Fs分别是转子、定子的磁势或磁密；p为极对数。

当θ为90度角时，对应最大转矩，称最大同步转矩。对之前我们算得的负载转矩Jt=3.0*10-3kg.m2进行惯量匹配。

根据牛顿第二定律：“进给系统所需力矩T = 系统传动惯量J × 角加速度a角”。加速度α影响系统的动态特性，α越小，则由控制器发出指令到系统执行完毕的时间越长，系统反应越慢。如果α变化，则系统反应将忽快忽慢，影响加工精度。由于马达选定后最大输出T值不变，如果希望α的变化小，则J应该尽量小。

传动惯量对伺服系统的精度，稳定性，动态响应都有影响。惯量大，系统的机械常数大，响应慢，会使系统的固有频率下降，容易产生谐振，因而限制了伺服带宽，影响了伺服精度和响应速度，惯量的适当增大只有在改善低速爬行时有利，因此，机械设计时在不影响系统刚度的条件下，应尽量减小惯量。

通常负载的惯量不要大于电机惯量的5倍，最大不要超过10倍。

对于功率P=2π*nT/60对旋转运动的物体来说，转矩和惯量的关系正如直线运动物体的受力和质量的关系。

4.4 打印速度的初步估计

每打一个，计划在Y轴方向移动10次，使宽度达到361mm=对此，计算喷头走完1个幅面的时间T，计划彩印周期T秒，暂时忽略10次Y方向移动时间，有：

电机一转对应丝杆1转对应10个导程共4mm，360mm需要电机转90r，最高转速时，电机每秒转50r，对应时间为1.8s。则10个来回大约18秒，x轴方向10次加减速，对应总时间6s;走完一个幅面，需要大概24秒，加上其余误差时间，30秒就可以完成一个幅面，T=30s，基本实现1分钟打印2页的要求。

求电机匀加速需要时间。

电机300ms，表示静止加速到额定转速的时间，角加速度为 α=50*2π/0.3=1047rad/s2 M=Ma+Mf Ma=(Im+It)α Mf=μWS/2πηι

式中Ma——电机启动加速力矩；

Jm，Jt——电机自身惯量与负载惯量（kg·m3）； Mf——导轨摩擦折算至电机的转矩（N·m）μ——摩擦系数，取0.1；

η——传递机械效率，在此取0.15。

滚动螺旋传动的传动效率取0.95；滚动球轴承传动效率为0.99；齿轮的传动效率为0.93；总传动效率为：

η=0.95*0.99*0.93*0.99=0.866=′′′=h

导轨磨擦折算至电机侧的转矩：Mf=0.1*6*0.004/(2π*0.866*1)=4.4*10-4 需要的输出力矩为: T=Jα+Mf=(3.0*10-3+0.388*10-4)*1047+4.4*10-4=3.18N.m 出力力矩T=3.18，小于最大出力力矩=3.81，满足要求。传感器 5.1 温度传感器对比

温度传感器的接触式特别适合1200℃以下、热容大、无腐蚀性对象的连续在线测温，并且接触式测温系统结构简单、体积小、可靠、维护方便、价格低廉，并且可以可方便地组成多路集中测量与控制系统。a 上面表分析，非接触时的对于1000摄氏度以下误差较大，应该采用接触式的温度传感器。其中，热敏电阻的铜的温度测量范围在-50~150℃，精度在0.1%~0.3%之间，标准化程度高，精度及灵敏度均较好，对于本设计来讲铜更加适合作为温度传感器。

5.2 机械位置传感器

支持直线运动的传动方式主要就是螺杆，和皮带两种，螺杆的精度比皮带高，载荷也大，但速度低一些。三维打印机的打印头基本不受力，对载荷没有要求，打印机的运动特点时，在水平两个方向上速度越快越好，在垂直方向上精度越高越好，速度无所谓（打完一层才动一次）。因此打印机的传动设计一般都是在水平方向使用皮带（同步带),垂直方向用螺杆。

5.3 压力传感器

压力传感器用于检测两个喷头分别对应的三原色颜料用量和粘剂的用量，还有固体粉末当使用情况检测。但物量不够的时候，反馈，提醒用户加入颜料、粘剂或粉末。对应以上表格，可以采用电位器来做测量，且能达到比较高的精度。3D打印机的优点及面临问题 6.1 3D打印机的优点

3D打印技术主要有以下优点：

1.制造快速 3D打印技术是并行工程中进行复杂原型或者零件制造的有效手段，能使产品设计和模具生产同步进行，从而提高企业研发效率，缩短产品设计周期，极大降低了新品开发的成本及风险，对于外形尺寸较小特异形的产品尤其适用[8]。

2.CAD/CAM技术的集成 快速成型技术集成CAD.CAM激光技术.数控技术.化工材料工程等多项技术,使得设计制造一体化的概念完美实现。

3.完全再现三维效果 经过快速成型制造完成的零部件,完全真实的再现三维造型,无论外表面的异形曲面,还是内腔的异形孔都可以真实准确的完成造型,不再需要再借助外部设备进行修复。

4.材料种类繁多 到目前为止，各类3D打印机设备上所使用的材料种类有很多树脂，尼龙，塑料，石蜡纸以及金属或陶瓷的粉末，能满足绝大多数产品对材料的机械性能需求。5.创造显著的经济效益 与传统机械加工方式比较，开发成本上节约10倍以上，同样快速成型技术缩短了企业的产品开发周期，使的在新品开发过程中出现反复修改设计方案的问题大大减少，也消除了修改模具的问题，创造的经济效益十分明显。6.应用行业领域广 3D打印技术经过这些年来的发展，在技术上已形成了一套体系，同样可应用的行业也逐渐扩大，从产品设计到模具设计与制造材料工程医学研究文化艺术建筑工程等等都逐渐的使用3D打印技术，使得3D打印技术有着广阔的前景。

6.2 3D打印技术面临的问题

现在3D打印技术的精度约为0.1ｍｍ，而且3D打印机本身的售价偏高，不过随着技术的进步和成本的降低，一台普通3D打印机的成本有望比1985年的激光打印机还要低。生物

3D打印机也面临着诸多挑战，其中之一是其打印出的器官如何与身体其他器官尤其是大的组织更好地结合，因为任何打印出来的器官或身体组织都需要同身体的血管相连，而这可能非常难于实现，一旦克服了这个技术障碍，在未来几十年内生物打印技术将成为一项标准技术。

当然，要实现3D打印技术的大规模使用还有不少挑战，首先是打印材料，它根据打印商品的不同，需要各种特殊种类的金属塑料以及陶瓷等成本比较高。

产权保护： 3D打印技术的意义不仅在于改变资本和工作的分配模式，而且也在于它能改变知识产权的规则。该技术的出现使制造业的成功不再取决于生产规模而取决于创意。然而单靠创意也不够，模仿者和创新者都能轻而易举地在市场上快速推出新产品。因此，竞争优势可能将前所未有地变得比以前更短。

一旦物品能用数字文件来描述，它们就会变得很容易复制和传播，当然盗版也会变得更加猖獗。当一个新玩具的草图或一双鞋的设计方案在网上流传时，其知识产权的拥有者会失去更多。因此人们在知识产权领域进行的斗争会更加激烈，并且随着开源软件新的非商业模式的出现，3D打印技术需要比目前更加严谨还是更加宽松的法规还有待验证。税务问题：过去税务局海关对交易征税都是基于商品的价值。如果将来货物的制造模式都是通过购买3D打印机和耗材，从网上下载设计文件，自行打印出所需的物品，那么传统的征税模式将难以为继，未来的税基将很可能从增值税消费税转向个人所得税和营业税。

第二篇：机三信息员论文

人人都是通风员

将理念引深到班子建设，从决策中堵塞安全隐患漏洞。实现安全管理科学化，领导班子建设是核心。只有领导班子树立以人为本，安全发展的科学发展观，落实正确的政绩观和业绩观，进一步加强对安全工作的领导，强化安全责任意识和安全工作敏感性，才能促进企业安全发展。将“人人都是通风员”理念引深到班子建设，就是要高度重视并能以这一理念统领安全工作。采取会议、座谈、讨论、沟通等多种形式来统一班子成员的思想，形成“安全是企业安全发展的前提与保障”的共识。从而在全矿的安全工作上做到了思想统一、步调一致，能够不折不扣地把各个时期上级对安全工作的指示精神和要求落实到日常的安全工作当中。就是要进一步明确各级领导干部“人人都是通风管理员”责任，站在更高的角度落实“人人都是通风员”安全理念，做好安全管理工作。特别是安全管理的决策中，决不能拍脑门、拍胸脯，必须冷静思考，多听取周围同志的意见，明确工作思路，做出英明的决策。各级领导班子要进一步转变作风，狠抓落实，从根本上提高控制效能，加强和完善安全管理体系建设，严格落实安全生产责任制和各项安全生产管理制度。要经常分析研究安全生产状况，深入把握安全生产的规律和特点，抓紧解决安全生产中的矛盾和问题，针对性地制定和强化安全

生产的制度、措施，使生产过程中各种事故风险和伤害因素始终处于有效控制状态。

将理念引深到安全培训，不断提高员工安全素质。实现安全管理科学化做好员工培训是基础。安全生产作业过程中，人的不安全行为是诱发事故的主要原因，员工的安全意识和业务素质成为避免事故的重要因素。将“人人都是通风员”理念引深到安全培训，就是要通过多种形式，多种渠道搞好员工日常安全培训工作。采取实地走避灾路线、现场说法等各种便于职工接受的方法，深入推进“人人都是通风员”安全理念和安全应知应会知识的贯彻落实，把学习“一通三防”知识同员工的岗位特点相结合，把学习“一通三防”知识与“三违”人员的教育相结合，把学习“一通三防”知识与案例分析相结合，把学习“一通三防”知识与演示实验和井下学习相结合，确保培训效果，提高员工的实际操作能力和自保能力。随着“人人都是通风”安全理念的不断深化，这一理念的内涵将牢牢地扎根在每一位员工的心上，使员工现场的应急思维实现本质安全化，有效提高煤矿的安全管理层次，为企业稳步、高效、健康、持久地向前发展，提供可靠的安全保证。

将理念引深到现场管理，从源头控制事故的发生。实现安全管理科学化，现场是重点。安全工作的源头在现场，安全工作的重点在现场。“人人都是通风员”的引深也必须在

现场、在岗位。要以“想、看、干、管”为要决，真正做到干部指挥到位、隐患排查到位、环境监控到位，实现从源头控制事故、杜绝事故发生。安全工作有指标不是高水平，安全目标为零才是真水平。实现安全事故为零的目标，就是要求各级领导干部要深入井下，盯住现场，盯班上岗，盯住不安全隐患，盯住不放心的人和事，消除人的不安全行为和物的不安全状态，从现场这个生产源头上保障安全生产。同时要狠抓质量标准化管理，从基层、基础抓起，从现场抓起，从岗位抓起，大力开展标准岗、精品岗创建活动，将“人人都是通风员”的“三懂三会三做到”岗位标准融入标准岗、精品岗建设中，在生产过程中每个环节、每道工序、每个岗位的现场管理上落实“人人都是通风员”岗位标准，规范工作流程、作业流程和操作流程，规范岗位人员的现场操作行为。

引深“人人都是通风员”理念保证一流矿井建设顺利进行的有效途径，是建设企业文化的有效手段，是优秀领导班子的具体体现，是本质安全矿井建设的基础，为创新管理模式提供了新思路，是争创成功企业的先决条件。我们一定要遵循事物发展的规律，牢固树立“安全责任重于泰山”思想，深刻把握和积极实践理念，始终把安全管理摆在企业管理和生产全过程的首位。确保企业稳步、健康、有序地向前发展，确保安全生产长治久安。

人人都是通风员

一条理念管百年

第三篇：人性化设计中的人机工程学工业设计论文

人性化设计中的人机工程学工业设计论文作者：本站

来源：网络

发布时间：2006-9-21 15:13:00 发布人：admin

--李梁军，黄朝晖

[关键词]人性化设计；人机工程学；系统；人；机；环境[摘 要]通过对人性化产品设计具体案例的分析来说明了人性化设计中所包含的人机工程学因素，并进一步阐述了在产品设计中的人机工程学的工作步骤，指出中国未来的产品设计必须以创意与革新为首要条件，符合人机工程学，使人性化的设计真正体现出对人的尊重和关心。同时也是最前沿的潮流与趋势，是一种人文精神的体现，是人与产品完美和谐的结合。

社会的发展、技术的进步、产品的更新、生活节奏的加快„„等等一系列的社会与物质的因素，使人们在享受物质生活的同时，更加注重产品在“方便”、“舒适”、“可靠”、“价值”、“安全”和“效率”等方面的评价，也就是在产品设计中常提到的人性化设计问题。

所谓人性化产品，就是包含人机工程的产品，只要是“人”所使用的产品，都应在人机工程上加以考虑，产品的造型与人机工程无疑是结合在一起的。我们可以将它们描述为：以心理为圆心，生理为半径，用以建立人与物(产品)之间和谐关系的方式，最大限度地挖掘人的潜能，综合平衡地使用人的肌能，保护人体健康，从而提高生产率。仅从工业设计这一范畴来看，大至宇航系统、城市规划、建筑设施、自动化工厂、机械设备、交通工具，小至家具、服装、文具以及盆、杯、碗筷之类各种生产与生活所创造的“物”，在设计和制造时都必须把“人的因素”作为一个重要的条件来考虑。若将产品类别区分为专业用品和一般用品的话，专业用品在人机工程上则会有更多的考虑，它比较偏重于生理学的层面；而一般性产品则必须兼顾心理层面的问题，需要更多的符合美学及潮流的设计，也就是应以产品人性化的需求为主。

那么，对于一件产品是如何来评价它在人机工程学方面是否符合规范呢? 以德国Sturlgart设计中心为例，在评选每年优良产品时，人机工程上所设定的标准为：

1)产品与人体的尺寸、形状及用力是否配合；

2)产品是否顺手和好使用；

3)是否防止了使用人操作时意外伤害和错用时产生的危险；

4)各操作单元是否实用；各元件在安置上能否使其意义毫无疑问的被辨认；

5)产品是否便于清洗、保养及修理。

一般情况下，在设计教育中常以上述第三项较为强调，而消费者在购买商品时，则是以产品的视觉效果、商场气氛及价值来决定购买行为的成立与否，但作为一名好的设计师应为产品长期使用的效果及舒适性负责，尤其是避免伤害与危险的防止更是不可忽视的考虑因素。如，在操作计算机的上机姿势中，在现行的上机条件下，操作员常常是手臂向前悬空着来操作键盘和鼠标的。手臂的悬空形成了肩颈部的静态疲劳，使得操作员不得不将背部靠在椅子靠背上作业(后靠姿势会加大悬空的手臂的前伸程度，从而增大肩部所需要的平衡力矩，加快肩颈部的疲劳)，而当操作员脱离靠背又手臂悬空时，体重就全部需要由脊柱来承担，其结果或者是腰背的疲劳酸痛，或者是腰肌放弃维持直坐姿势而塌腰驼背，或者是把手腕抵在桌沿而引发腕管综合症。那么，要解决诸如此类的问题，设计师就必须充分考虑人机工程学的因素。

所谓人机工程学，亦即是应用人体测量学、人体力学、劳动生理学、劳动心理学等学科的研究方法，对人体结构特征和机能特征进行研究，提供人体各部分的尺寸、重量、体表面积、比重、重心以及人体各部分在活动时的相互关系和可及范围等人体结构特征参数；还提供人体各部分的出力范围、活动范围、动作速度、动作频率、重心变化以及动作时的习惯等人体机能特征参数，分析人的视觉、听觉、触觉以及肤觉等感觉器官的机能特性；分析人在各种劳动时的生理变化、能量消耗、疲劳机理以及人对各种劳动负荷的适应能力；探讨人在工作中影响心理状态的因素以及心理因素对工作效率的影响等。

人机工程学因素往往是企业提高其竞争力的手法之一。若说“人性化产品”是与“人”合为一体的产品设计，“人机工程因素”则是设计工业产品时的人机界面所必须考虑的因素。在我国即将加入WTO所面临的冲击下，中国的制造业无不是严阵以待，企图在竞争中保持优势。管理大师麦克·波特(MICHAEL PORTER)曾说过，企业具备竞争优势的两个方式，一是扩大生产规模，走向规模经济，才能占有成本上的优势；另一个便是创造企业或产品的附加值，制造消费者趋之若鹜的心理。在现今产品和质量逐步提高，且消费者对商品品质要求越来越高的情况下，各产品制造商们无不力求突破，希望能出奇制胜，打动消费者的心。拿当今世界上提出的“健康”人机工程学的新要求为例，即是用某些考虑人机因素的辅助性产品，如：电动腰靠、紫外线阻隔(UV、CUT)等来提高产品人性化的层次，籍此创造其他品牌无法模仿的优势，而赢得消费者青睬的。

究竟什么样的产品需要人机工程呢？在设计上又如何表现，才能成为符合人机工程学的产品呢?

工业设计师指出，就电脑的相关部件和设备而言，如键盘、鼠标等输入装置，因使用者可能长时间利用其从事工作或娱乐，接触的时间较长，在使用时也可能十分投入。因此，人机工程学就成了设计上最主要的条件之一。

人机工程学的显著特点是，在认真研究人、机、环境三个要素本身特性的基础上，不单纯着眼于个别要素的优良与否，而是将使用“物”的人和所设计的“物”以及人与“物”所共处的环境作为一个系统来研究。在人机工程学中将这个系统称为“人——机——环境”系统。这个系统中，人、机、环境三个要素之间相互作用、相互依存的关系决定着系统总体的性能。本学科的人机系统设计理论，就是科学地利用三个要素间的有机联系来寻求系统的最佳参数。

系统设计的一般方法，通常是在明确系统总体要求的前提下，着重分析和研究人、机、环境三个要素对系统总体性能的影响，如系统中人和机的职能如何分工；如何配合；环境如何适应人；机对环境又有何影响等问题，经过不断修正和完善三要素的结构方式，最终确保系统最优组合方案的实现。这是人机工程学为工业设计开拓了新的思路，并提供了独特的设计方法和有关理论依据。

作为一个全息系统的局部，一个产品中包括了我们这个商品社会中的全部信息。一件设计优良的产品，必然是人、环境、经济、技术、文化等因素巧妙融合、平衡的产物。开始一项产品设计的动机可能来自各个方面，有的是为了改进功能，有的是为了降低成本，有的是为了改变外（转载自中国教育文摘http://www.edUzhai.net，请保留此标记。）观，强化“柜台效应”，以吸引购买者，更多的情况是上述几方面兼而有之。于是，对设计师的要求就可能来自功能、技术、成本、使用者的爱好等各种角度。不同的产品设计的重点也大不相同，暖水瓶的设计显然就要比香水瓶的设计考虑更多的人机问题；再以肇及设计所设计的电脑游戏遥感器为例，乍见此产品时，看似不符合人机工程学，但实际使用时却很合手，操控性良好，而且遥感器外型颇酷，用此摇杆玩空战游戏，有操控战斗机的味道。相比于市场上其他同类型的产品，即使售价比一般产品高出许多，也一样大受欢迎，足见其魅力所在。但也有这样一种产品，在市场上受到欢迎，是因其外型讨好且成本不高所致，但缺点是产品轻，因此，在使用时本来一只手操作很方便，却不得不双手并用才行，这就是该产品在人机工学上的不足之处；但在成本、售价及市场因素的考虑下，厂商还是推出此种产品。而对于专业用品就不同了，例如美发师每天所使用的吹风机，除草机工人所使用的修剪机就绝对不能轻视人机工程学在生理层面上的考虑。

然而，一个好的产品设计是可以涵盖形态和人机因素的，产品的外形一样也可以有机会作人机工程的发挥。以TEAGE为微软所设计的易用鼠标球而言，该鼠标是特别为儿童体验电脑而设计的，在方案决定之前对儿童的抓握方式进行了研究，黄白两色相间的鼠标球使儿童们在学习电脑时，增加了趣味性和功能性。该产品已经超脱了产品造型上的束缚，除让其更好用之外，也同时赋予了产品新的意义与想象空间。

除了一般的大众消费品之外，专为特殊族群所设计的产品在人机工程学上也有更多的考虑。如，残疾人用的瓷器套具，此套设计是专为残疾人做的餐具，又不让人直接看出它们是专为残疾人做的。故而，设计师在充分考虑了人机工程学的基础上，特别处理手把的凹凸，使患者拿在手里有一种心态上的平衡感，既能看到，又能摸到，但又不那么显眼。

再以医疗设备来说，病床、医疗椅等产品，在设汁上不只是考虑操作要符合人机工程学，在材料上也应力求人性化，增加产品的亲和力，以提高产品的“EQ”。

由于学科来源的多样性和应用的广泛性，人机工程学中采用的各种研究方法种类很多，有些是从人体测量学、工程心理学等学科中沿用下来的，有些是从其他有关学科借鉴过来的，更多的是从应用的目标出发创造出来的。其中常用于一般产品设计领域的方法有如下几类：

1，测量方法

测量方法是人机工程学中研究人形体特征的主要方法，它包括尺度测量、动态测量、力量测量、体积测量、肌肉疲劳测量和其他生理变化的测量等几个方面。

2．模型工作方法

这是设计师必不可少的工作方法。设计师可通过模型构思方案，规划尺度，检查效果，发现问题，有效地提高设计成功率。

3．调查方法

人机工程学中许多感觉和心理指标很难用测量的办法获得。有些即使有可能，但从设计师工作范围来看也无此必要，因此，设计师常以调查的方法获得这方面的信息。如每年持续对1000人的生活形态进行宏观研究，收集分析人格特征、消费心理、使用性格、扩散角色、媒体接触、日常用品使用、设计偏好、活动时间分配、家庭空间运用以及人口计测等，并建立起相应的资料库。调查的结果尽管较难量化，但却能给人以直观的感受，有时反而更有效。

4．数据的处理方法

当设计人员测量或调查的是一个群体时，其结果就会有一定的离散度，必须运用数学方法进行分析处理，才能转化成具有应用价值的数据库，对设计产生指导意义。

当今的工业设计师面临着多种活动和课题，例如：电视资讯、互动电视、通用遥控器等，与企业合作的范围也很广，在实施产品的人性化设计过程中，通常采用如下的设计程序：

1)建立并运用资料库(这在前面已有论述)；

2)决定研究主题；

3)观察阶段：

*目标轮廓 *访识/观察 *使用模式/议题

4)发展阶段：

*关键议题 *产品概念 *测试与评估

在整个研究过程中，人机工程师和工业设计师都必须全程参与，但在各个阶段为主为辅的角色会有不同。例如：产品概念由工业设计师主导，测试则由人机工程师主导，每个步骤以剧本的形式来串连沟通。每件产品都有各自的在人机工程学上的特色，特别是消费性产品。以汽车内部设计来说，就有三个表达人机工程需求的方式：一是操控界面，如方向盘的设计；二是座椅及内装设计，如一些大客车座椅，或者老板椅的靠背上部，都有一道鼓起来的凸包。对于大多数的中国人来说，这个凸包常常是顶在后脑勺，使得身体后靠在椅背时，不得不稍稍低头。从设计上来说，这道凸包本来是用来垫靠颈部凹处，使人的头颈更舒服的。问题的出现是由于这些座椅的设计和生产直接从国外引进，而生产者又没有重新考虑中西方人在身材方面的不同，尺寸上完全照搬。结果西方人垫颈的凸包就顶住了我们的后脑勺；三是情报沟通系统，如导航系统设计及安全警报功能。

在新的世纪里，我们以新的方式来感知世界，人们越来越多的在追求一种新的生存环境和生存空间，毫无疑义，未来的人性化设计具有更加全面立体的内涵，它将超越我们过去所局限的人与物的关系的认识，向时间、空间、生理感官和心理方向发展，同时，通过现代高科技技术如虚拟现实、互联网络等多种数字化的形式而扩延。IDEO设计公司的数字化收音机正是基于这一观念上的最新数字广播概念设计，通过对使用者状况的设计构想，研究收音机的可能外观和操作方式。无论在造型上还是在界面设计上，都使人机交互关系达到物我两忘的状态。该收音机上的显示屏幕以图形界面来说明音频节目的内容。设计范围包括个人化家用收音机、个人可携式收音机和演艺工作者的专业收音机。

中国未来的产品设计必须以创意与革新为首要条件，唯有真正好用且务实的商品才能在市场上脱颖而出，让消费者感到贴心且实惠的产品方是企业制胜的绝佳利器。符合人机工程，人性化的设计是最实在，同时也是最前沿的潮流与趋势，是一种人文精神的体现，是人与产品完美和谐的结合。使人性化的设计真正体现出对人的尊重和关心。

[参 考 文 献]

[1] ＜人机工程学＞．丁玉兰．主编．北京理工大学出版社．

[2] ＜人机工程学设计应用＞．严扬．编著．中国轻工业出版社．

[3] ＜世界著名设计公司卷＞．蔡军．徐邦跃．编著．黑龙江科学技术出版社．

作者联系地址：

李梁军: 湖北美术学院设计系，湖北武汉 430060

黄朝晖: 华中科技大学机械工程学院工业设计系，湖北武汉 430060

本文《人性化设计中的人机工程学工业设计论文》来自中国教育文摘，查看更多与相关文章请到http://www.eduZhai.net。

产品名称： 工业缝纫机 联系供应商：

主要规格/特殊功能 • 产品规格：

特点:

最高缝纫速度可达3000rpm，缝制范围可达40mm x 30mm，可轻松的满足客户的需求

采用人性化设计, 在机头缝纫位置加装专用冷光照明装置, 缓解了视觉疲劳,提高了工作效率并节省了车间的大功率照明

整机具有自我保护功能,当机头翻开时系统自动进入自我保护状态,有效防止了错误操作对操作人员引起的伤害, 当合上机头后无需重新启动便立即恢复正常

上轴采用润滑脂，无润滑油从机器头部渗透，减少了对缝料的污染

通过流线型优化设计使机器外型更加美观大方

SGY2-1900A系列均具备本机编辑图案功能，可根据不同的要求，轻松完成花样的编制 采用高性能伺服电机直接驱动，降低能耗和振动的同时，使起动/停机反应迅速

采用电磁控制夹线器，可轻松调节夹线器的张力

采用先进的夹线机构，使缝制物的鸟巢现象有所改观

第四篇：焊接板件铣边机设计论文

第一章 概述

1.1

尾槽，V型槽）或成形面等。

（二）铣床加工特点

铣

加工范围广，适合批量加工，效率高。铣刀属多齿工具，根据刀具的不同，出现断续切削，刀齿不断切入或切出工件，切削力不断发生变化，产生冲击或振动，影响加工精度和工件表面粗糙度。铣床加工精度为179—177。表面粗糙度为Ra6.3-1.6um。

三、铣削加工与铣削工艺

（一）铣削加工

铣削加工是在铣床上利用铣刀旋转对工件进行切削加工方法。铣刀是旋转的多刃具。铣削是多刃加工，且铣刀可使用较大的切削速度，无空回程，故生产效率高。

（二）铣削用量

它包括铣削速度，进给量和铣削宽度和深度。

1、切削速度V c

切削速度即为铣刀最大直径的线速度：

V c=πdn/1000 m/min

2、进给量：

指刀具在进给运动方向上相对工件的位移量。

有三种方式：

（1）每齿进给量f z mm/z

（2）每圈进给量f mm/r

（3）每分钟进给量 mm/min 铣床多用于削加工的基本知识

一、常用铣床概论

（一）万能卧式铣床

铣床的主轴中心线与工作台面平行。其工作台有三个方向即垂直横向及纵向都可以移动。纵向工作台在水平面内还能向左右旋转0—45度的角度。如选择合理的附件和工具，几乎可以对任何形状的机械零件进行铣削。

（二）立式铣床

铣床的主轴中心线与工作台面垂直，有的立铣因为加工需要，主轴还能向左右倾斜一定角度，以便铣削倾斜面。立式铣床一般用于铣削平面斜面或沟槽，齿轮等零件。

（三）龙门铣床

此铣床具有足够的刚度，适用与强力铣削，加工大型零件的平面，沟槽等。铣床通常有二轴、三轴甚至更多主轴以进行多刀、多工位的铣削加工，生产效率很高。铣镗加工中心在生产中也获得了广泛应用，他可承担中小型零件的铣削或复杂面的加工。铣镗加工中心尚可进行铣、钻、绞、镗、纹丝等综合加工，在一次工件装夹中可以自动更换刀具，进行铣、钻、绞、镗、纹丝等多工序操作。

二、铣床加工范围及加工特点

（一）铣床加工范围

可加工水平面，台阶面，垂直面，齿轮，齿条，各种沟槽（直槽，T型槽，燕

每分钟进给量 γ f=f·n=f z·z n mm/min

3、背吃刀量

也就是切削深度a p,它是沿铣刀轴线方向测量的切削层尺寸。

4、侧吃刀量

就是切削宽度a e,它是沿垂直与铣刀轴线上的测量的切削层尺寸。

（三）选择铣削用量的次序 首先选择较大的铣削宽度、深度，其次是加大进个量。最后才是根据刀具耐用度的要求，选择适宜的铣削速度。

（四）铣削方式

1、逆铣

铣刀的旋转方向与工件进给方向相反的铣削形式称为逆铣。

2、顺铣

铣刀旋转方向与工件进给方向相同的铣削方式称顺铣。

3、端铣

端铣的铣削方式有对称和不对称铣削两种。铣削时铣刀的轴线位于工件中心，这种铣削称为对称铣削。铣刀的轴线偏于工件的一侧时的铣削，称为不对称铣削。

1.2 铣削加工的历史

切削加工是用切削工具，把坯料或工件上多余的材料层切去，使工件获得规定的几何形状、尺寸和表面质量的加工方法。

任何切削加工都必须具备三个基本条件：切削工具、工件和切削运动。切削工具应有刃口，其材质必须比工件坚硬；不同的刀具结构和切削运动形式，构成不同的切削方法。用刃形和刃数都固定的刀具进行切削的方法有车削、钻削、镗削、铣削、刨削、拉削和锯切等；用刃形和刃数都不固定的磨具或磨料进行切削的方法有磨削、研磨、珩磨和抛光等。

切削加工是机械制造中最主要的加工方法。虽然毛坯制造精度不断提高，精铸、精锻、挤压、粉末冶金等加工工艺应用日广，但由于切削加工的适应范围广，且能达到很高的精度和很低的表面粗糙度，在机械制造工艺中仍占有重要地位。

切削加工的历史可追溯到原始人创造石劈、骨钻等劳动工具的旧石器时期。在中国，早在商代中期(公元前13世纪)，就已能用研磨的方法加工铜镜；商代晚期(公元前12世纪)，曾用青铜钻头在卜骨上钻孔；西汉时期(公元前206～公元23)，就已使用杆钻和管钻，用加砂研磨的方法在“金缕玉衣”的4000多块坚硬的玉片上，钻了18000多个直径1～2毫米的孔。17世纪中叶，中国开始利用畜力代替人力驱动刀具进行切削加工。如公元1668年，曾在畜力驱动的装置上，用多齿刀具铣削天文仪上直径达2丈(古丈)的大铜环，然后再用磨石进行精加工。

18世纪后半期，英国工业革命开始后，由于蒸汽机和近代机床的发明，切削加工开始用蒸汽机作为动力；到19世纪70年代，切削加工中又开始使用电力。

对金属切削原理的研究始于19世纪50年代，对磨削原理的研究始于19世纪80年代，此后各种新的刀具材料相继出现。19世纪末出现的高速钢刀具，使刀具许用的切削速度比碳素工具钢和合金工具钢刀具提高两倍以上，达到25米/分左右；1923年出现的硬质合金刀具，使切削速度比高速钢刀具又提高两倍左右；30年代以后出现的金属陶瓷和超硬材料(人造金刚石和立方氮化硼)，进一步提高了切削速度和加工精度。

随着机床和刀具的不断发展，切削加工的精度、效率和自动化程度不断提高，应用范围也日益扩大，从而大大促进了现代机械制造业的发展。

金属材料的切削加工有许多分类方法，常见的有按工艺特征、按材料切除率和加工精度、按表面成型方法三种分类方法。

切削加工的工艺特征决定于切削工具的结构，以及切削工具与工件的相对运动形式。因此按工艺特征，切削加工一般可分为：车削、铣削、钻削、镗削、铰削、刨削、插削、拉削、锯切、磨削、研磨、珩磨、超精加工、抛光、齿轮加工、蜗轮加工、螺纹加工、超精密加工、钳工和刮削等。

量一个国家装备制造水平的重要标志。因为高速切削加工技术已广泛应用于航空航天、汽车、船舶等关系到国计民生的重要领域，也代表着现代切削制造技术的发展趋势。

近几年来，我国对数控机床需求急剧增加，2000年至2005年，我国数控金切机床产量从14053台跃至59639台，年增长率为33.5％。我国金切机床产值数控化率从1996年的11.6％提高到2005年的47.3％。这表明我国的数控机床行业有了极大的发展。另一方面，我国数控机床进口额连年激增，从2001年的24.1亿美圆增至2005年的64.95亿美圆，国有数控机床的市场占有率却呈现出逐年下滑的趋势，尤其是高速、高精度多轴机床，几乎完全依赖进口[1]。这些数据可以看出我国的机床制造业尤其是高端加工中心落后于发达国家。因此，国家在“十五”、“十一五”规划中都把以数控机床为核心的装备制造作为重大专项，以期在这方面有所突破。

数控技术是一门集计算机技术、自动控制技术、机械电子技术以及计算机图形处理技术于一体的综合性技术。其中NC编程是这一技术的灵魂。NC编程成为各种CAM软件的核心。因为NC编程直接影响着数控机床的使用效率和加工质量。所以国内外投入了大量的人力和物力来提高CAD/CAM软件的编程效率，加工效果以及智能化水平。

现代高速切削加工发展概况 由于目前绝大部分的机械零件必须经过切削加工实现，切削加工在机械制造中1.3 铣削加工现状

高速铣削加工（High Speed Milling, HSM）以其巨大的优势，迅速成为现代加工制造领域最重要的加工手段之一，也是衡

占用十分重要的地位。经济全球化使制造国际化，因此竞争也越来越激烈。如何提高效益、降低成本、加快产品开发周期成为每一个面对市场竞争的企业的迫切愿望。高速切削加工所具有的明显优势，近年来得到广泛应用并迅速发展。

高速铣削加工（High Speed Milling，简称HSM）的概念源于德国切削物理学家C.J.Salomon博士于1931年所提出的著名切削实验及物理引申[2],他认为对应一定的工具材料有一个临界切削速度，达到此温度切削温度最高。当超过这一临界切削速度，切削温度反而会降低，而大幅度提高机床的生成效率。

高速铣削加工技术作为一门新兴的技术，以其与传统加工相比无可比拟的优点，在加工制造业中得到了越来越广泛的应用，也带来了巨大的经济效益。我国要实现由制造业大国向制造业强国的跨越，必须有强大的制造装备业及相关产业体系作支撑。我国目前的高速数控技术也得到了迅速的发展。但是，我国还缺少高速铣削加工的核心技术，还有许多基础性的研究工作有待开展，这也是我国走向制造业强国的必由之路！

由底部的电动机经联轴器2传递到2号减速箱，由2号减速箱输出给与之相配合的滑动丝杆螺母机构，从而带动机架部分沿工作台上的导轨面运动，作横向进给。刀具的旋转运动由动力头提供。

二、方案2：

该方案与方案1的不同之处在于升降运动和进给运动都是在钢丝绳的牵引作用下实现的。

三、方案3：

该方案与方案1的不同之处在于控制升降运动和进给运动的滑动丝杆螺母机构由滚动丝杆螺母机构代替。

四、方案比较：

方案1：该方案的升降运动和进给运动是由滑动丝杆螺母机构实现，而滑动丝杆螺母机构具有降速比大、运动平稳和运动精度高、轴向牵引力大、自锁性能好等优点，但是它的不足之处是它的传动效率不高、刚度较低。

方案2：在该方案中，钢丝绳起了重要的作用，电动机的转动给钢丝绳一个牵

引力，通过此力实现机床的升降运动和进给运动。这个方案的优点在于钢丝绳制造简单、维修方便、成本低、传动效率较高，但是它运动不够平稳且运动精度低，在传动过程中易产生颤动、不能够自锁、降速比不大。第二章 方案设计

一、方案1：

该设计机床的升降运动由顶部的电动机通过联轴器1传到1号减速箱，带动滑动丝杆螺母机构，由滑动丝杆螺母机构带动动力头作升降运动，铣床的进给运动则

方案3：该方案中采用了滚动丝杆螺母机构，通过该机构来传递运动，以满足机床的要求。该方案中的滚动丝杆螺母机构具有摩擦损失小，传动效率高、动作灵敏，低速运动时无爬行现象、磨损小，精度保持性好、可消除轴向间隙，轴向刚度高、摩擦系数小等优点，但是它的工艺复杂，生产成本高，不能实现自锁。

综合考虑，最终选取方案1为最终设计方案，通过其Solid Edge绘图如下图2所示。

三个电动机提供动力来源，即电动机

1、电动机2及动力头。其中：1号电动机通过联轴器带动1号减速箱旋转，从而带动1号丝杆旋转，控制小托板在垂直方向做上下移动，同时使动力头在垂直方向上做上下移动，适合于不同厚度的焊接板件的加工。其加工行程为560mm；2号电动机通过2号减速箱带动2号丝杆转到，通过螺母机构带动铣边机的大托板（即机架）左右移动，完成行程为3600mm；可以适用于中小焊接板件的铣边。动力头的功率为5.5kv,转动角度由手轮转动来调节，其转动是通过棘轮调节，达到转动角度为0-90度，能够满足板所有板件的铣边工作。

第三章 机床具

体参数设计

机床的主要技术参数包括主参数和基本参数，其中基本参数又包括尺寸参数、运动参数、动力参数。该机床的主参数已经确定，它是加工焊接板件的专用铣床。其参数如下： 图1 方案1初步设计工程图

五、其工作原理如下：

该铣床由三个动力部分组成；分别由

一、技术参数

如今我以走上了工作的生涯，近段时间对外协这一方面有了一定的了解，其焊接板件在冷作过程中都要经过铣边这一阶段，通过参考厂家铣边的特点以及结合我公司所以工作零件的特点，决定铣边机的工作行程为3600mm，当今的厂家在生产过程中最看重的是效率问题。所以通过生产效率及工作经验初步选择其运动速度为200mm/min。在铣边行程中为了方便对工件的铣边，对动力头在横向方向的运动行程为200mm/min，由于板件的厚度不同，在垂直方向上确定其行程为560mm；铣床的功率为单一工作，其功率的要求不是很大，初步确定其功率为5.5KW。

二、动力参数的确定

动力参数一般是指机床的电动机的功率，由于该机床属于专用机床，铣刀头的功率为5.5KW，因此，主运动驱动电动机的功率为5.5KW。

确定进给驱动电机的功率，由于进给运动的速度较低，空载时的功率很小，在计算时可以忽略，所以进给驱动电机的功率取决于进给的有效功率和传动件的机械效率，根据参考资料【3】得。即

s-------------进给传动系统的总机械效率（一般情况下取0.15～0.2）。

初步选去进给驱动电动机的功率为5.5KW。

3.1 电动机的选择

由于本设计需要两个功率在4.0KW以上，重量不能太大并且采用连续周期工作制的（S6）异步电动机，其安装形式均为B201101，通过查参考资料【3】选得：

一、1号电动机Y112M-4，技术数据如下：

额定功率4.0KW，转速1440r/min，额定电流8.77A，效率84.5%，功率因数0.82，最大转距/额定转距为2.2，堵转转距/额定转距为2.2，堵转电流/额定电流为7.0，转子转动惯量GD²为0.095N*㎡，重量为43㎏。

二、2号电动机Y132S-4，技术数据如下：

额定功率5.5KW，转速1440r/min，额定电流11.6A，效率85.5%，功率因数0.84，最大转距/额定转距为2.2，堵转转距/额定转距为2.2，堵转电流/额定电流为7.0，转子转动惯量GD²为0.214N*㎡，重量为68㎏。NSQvs60000S

式中：NS---------进给驱动电动机功率（KW）；

Q-------------进给抗力（N）；

vs------------进给速度（m/min）；

3.2 动力头的选择

根据加工要求和机床的结构设计，并考虑到经济因素，选择型号为ITX32的动力头，该铣削动力头功率大、刚性好、切削平稳、精度高、操作调整方便。同时此动力头具有普通级、精密级和高精密级三种，能够与四种传动装置即ING皮带传动、1NGB顶置式齿轮传动、INGC尾置式齿轮传动INGD手柄变速齿轮传动装置配套使用。该动力头的参数如下：

电机功率为5.5KW，电机转速为960r/min，刀盘直径为125-315mm，配套传动装置及主轴转速为ING32 500-1600 r/min，主轴滑套直径为190mm，主轴滑套移动量为80mm，主轴中心高为160mm，主轴前轴承轴径为90mm，选用顶置式，整体重量为305kg。

第五篇：玉米机设计研究

玉米收获机

本人多年从事玉米收获机研究开发设计，先后研发出以下多种自走式玉米收获机，愿与各位同行交流切磋，有意交流者请留言，本人将回复留言。QQ:

产品代号 名称 备注 产品适用地区 产品适用省份

4YD-2 4YZ-2 4YZB-2 4YZ-3 4YZ-3

4YZ-2100

4YZB-3

4YZB-2100

4YZ-4450 4YZ-4550 4YZ-4600 4YZ-4650

4YZ-2600

Q1850 Q2200

背负式玉米机 自走式玉米机 自走式玉米机 自走式玉米机 自走式玉米机 自走式玉米机 自走式玉米机 自走式玉米机 自走式玉米机 自走式玉米机 自走式玉米机 自走式玉米机 自走式玉米机 青贮玉米收获机 青贮玉米收获机

两行摘穗辊

式 两行摘穗辊式

两行剥皮型三行摘穗辊式 三行摘穗板式 三行摘穗板式适宜对行型 三行摘穗板式剥皮型 三行摘穗板式适宜对行剥皮型 四行摘穗辊式 四行摘穗板式剥皮型 四行摘穗板式剥皮型 四行摘穗板式剥皮型 四行摘穗板式适宜对行剥皮型

黄淮海夏玉米区 黄淮海夏玉米区

北方春玉米区 黄淮海夏玉米区 黄淮海夏玉米区

黄淮海夏玉米区 北方春玉米区 北方春玉米区 黄淮海夏玉米区 北方春玉米区 北方春玉米区 北方春玉米区 北方春玉米区 北方春玉米区、黄淮海夏玉米区 北方春玉米区、黄淮海夏玉米区 山东、河南全部，河北的中南部，山西中南部，陕西中部，江苏和安徽北部、京津唐部分地区山东、河南全部，河北的中南部，山西中南部，陕西中部，江苏和安徽北部、京津唐部分地区黑龙江、吉林、辽宁、宁夏和内蒙古的全部，山西的大部，河北、陕西和甘肃的一部 山东、河南全部，河北的中南部，山西中南部，陕西中部，江苏和安徽北部、京津唐部分地区山东、河南全部，河北的中南部，山西中南部，陕西中部，江苏和安徽北部、京津唐部分地区山东、河南全部，河北的中南部，山西中南部，陕西中部，江苏和安徽北部、京津唐部分地区黑龙江、吉林、辽宁、宁夏和内蒙古的全部，山西的大部，河北、陕西和甘肃的一部 黑龙江、吉林、辽宁、宁夏和内蒙古的全部，山西的大部，河北、陕西和甘肃的一部 山东、河南全部，河北的中南部，山西中南部，陕西中部，江苏和安徽北部、京津唐部分地区吉林省地区

辽宁、宁夏和内蒙古的全部，山西的大部，河北、陕西和甘肃的一部 黑龙江地区

黑龙江、吉林、辽宁、宁夏和内蒙古的全部，山西的大部，河北、陕西和甘肃的一部