第九章超级工程师建模

1、第九章 超级工程师建模（阿岩松、王玉峰）第一节 超级工程师计划图形编程软件1.简易的图形化编程软件Scratch使用者可以不认识英文单词，也可以不会使用键盘。构成程序的命令和参数通过积木形状的模块来实现。用鼠标拖动模块到程序编辑栏就可以。中间的黄色部分是编辑好的程序代码，左边是可以用来选择的功能模块，右边上部是程序预览和运行窗口，右边下部是角色窗口。程序界面官方网址是麻省理工学院网站的一个分支。这个软件的开发团队称为“终身幼儿园团队”(Lifelong Kindergarten Group)。几乎所有的孩子都会一眼喜欢上这个软件。建立起做程序的欲望。根据编者给带几个孩子玩这个软件的情况看，孩子

2、自己学会使用这个软件是有困难的，需要身边老师和家长的指导。在有人指导的情况下，6岁的孩子可以照着例子完整的摆出一个能运行的程序。这个过程并不需要孩子认识英文或汉字。建立程序的过程，用到涂鸦，录音，找图片这些有趣的过程。孩子的成品可以通过软件直接发布到官方网站上。官方网站给每个注册用户开通了一个空间，放置发布的程序。用户发布后的程序，在官网可以找到。制作中的程序只能在软件环境下运行，发布后的程序则是在网页内运行的。就是说，孩子们的作品可以通过网络被无数人看到。官方网站具有交友和评论的功能。国内亦有类似官网发布程序后在网页内运行的网站，方便国内爱好者及好孩子们对作品进行交流下载和使用Scratch

3、下载是完全免费的。目前最新的官方版本是2.0版。程序模块分为8个大类软件是多语言版本，根据操作系统，自动会改成中文界面。在原版中是没有函数调用的。也就是说复杂的功能用重复编写相同的代码。在自由软件开发组织中有人进一步开发了制作自定义积木（自己编函数）的功能。学习方法孩子不用记住命令不代表不需要指导命令。积木模块包括8个大类，100多个功能。包括了过程一个完整程序的每个环节，甚至数组和函数。这些图形化的积木使用需要老师或者家长正确引导。孩子从模仿的过程中，能感悟到条件语句，循环语句，判断。能理解参数和命令的区别。让孩子理性的总结出来是很困难的，引导是必须的。2.ardublock 一款

4、为Arduino设计的图形化编程软件，由上海新车间创客开发。 ArduBlock软件是Arduino官方编程环境的第三方软件，目前必须依附于Arduino软件下运行，区别于Arduino文本式编程环境，ArduBlock是以图形化积木搭建的方式编程的，这样的方式会使编程的可视化和交互性加强，编程门槛降低，即使没有编程经验的人也可以尝试给Arduino控制器编写程序。3.思维导图软件3.1折叠MindManagerMindManager是一个创造、管理和交流思想的通用标准，其可视化的绘图软件有着直观、友好的用户界面和丰富的功能，这将帮助您有序地组织您的思维、资源和项目进程。MindManager

5、也是一个易于使用的项目管理软件，能很好提高项目组的工作效率和小组成员之间的协作性。3.2折叠XMindXMind是一款易用性很强的软件，通过XMind可以随时开展头脑风暴，帮助人们快速理清思路。XMind 绘制的思维导图、鱼骨图、二维图、树形图、逻辑图、组织结构图等以结构化的方式来展示具体的内容，人们在用XMind绘制图形的时候，可以时刻保持头脑清晰，随时把握计划或任务的全局，它可以帮助人们在学习和工作用提高效率。3.3折叠FreeMindFreeMind是一款跨平台的、基于GPL协议的自由软件，用Java编写，是一个用来绘制思维导图的软件。其产生的文件格式后缀为.mm 。可用来做笔记，脑图记

6、录，脑力激荡等。FreeMind包括了许多让人激动的特性，其中包括扩展性，快捷的一键展开和关闭节点，快速记录思维，多功能的定义格式和快捷键。二、开源硬件知识1.简介开源硬件指与自由及开放原始码软件相同方式设计的计算机和电子硬件。开源硬件开始考虑对软件以外的领域开源，是开源文化的一部分。其中，Arduino的诞生可谓开源硬件发展史上的一个新的里程碑通过一个概念可以更容易理解开源硬件，那就是“开源软件”，它产生在开源硬件之前，安卓就是开源软件之一。开源硬件和开源软件类似，就是在之前硬件的基础之上进行二次创意。在复制成本上，开源软件的成本也许是零，但是开源硬件不一样，其复制成本较高。在这个曾经“开源

7、过”的前提下，很多人就在思考硬件是不是可以重新走上开源这条道路。之后一小批爱好者，也就是创客就致力于开源的研究，开源得以从很小的东西发展，带现在有开源的3D打印机，拖拉机等农场机器的存在2.知名的开源硬件1. 树莓派（Raspberry Pi） 树莓派（Raspberry Pi）是一款基于Linux系统的只有一张信用卡大小的单板机计算机。它由英国的树莓派基金会所开发，目的是以低价硬件及自由软件刺激在学校的基本的电脑科学教育。树莓派配备一枚700MHz博通出产的ARM架构BCM2835处理器，256MB内存（B型已升级到512MB内存），使用SD卡当作存储媒体，且拥有一个Ethernet，两个U

8、SB接口，以及HDMI（支持声音输出）和RCA端子输出支持。操作系统采用开源的Linux系统，比如Debian、ArchLinux，自带的Iceweasel、KOffice等软件能够满足基本的网络浏览，文字处理以及计算机学习的需要，分A,B两种型号，其中售价分别是A型25美元，B型35美元。（详情）    · Raspberry Pi 五种有趣玩法· 技术宅女5步教你玩转树莓派· 树莓派发布新版本Model B+· 树莓派的十个妙用！想要马上动手实践有木有！2. ArduinoArduino是一个开放源代码的单芯片微电脑，它

9、使用了Atmel AVR单片机，采用了基于开放源代码的软硬件平台，构建于开放源代码 simple I/O 接口板，并且具有使用类似Java，C 语言的Processing/Wiring开发环境。Arduino UNO如何在电脑上安装操作环境3. BeagleboardBeagleboard是开源硬件领域知名社区BeagleB推出的、全球第一款开源的ARM开发板。不同于热门的开源平台Arduino，BeagleBoard的功能更强大，应用更复杂。BeagleBoard跨越了台式机和嵌入式计算机的界限，同时与开源社区展开创建全新应用的协作，为开源社区提供成本更低，更新，更出色的开发

10、平台。BeagleBone只集成了一些必不可少的接口功能，如USB、以太网口。继BeagleBone之后，德州仪器推出的BeagleBone Black，售价仅为45美元，并且只有信用卡大小，采用TI最新Cortex-A8架构Sitara处理器，主频可提升至1GHz。    4. Atmel Xplained / Xplained Pro 开发板    作为低成本单片机，Atmel Xplained / Xplained Pro 开发板有很多型号可供大家选择，如：8位或32位AVR单片机、ARM Cortex-M0+ 或 Cortex

11、-M4 或 Cortex-M4F、ARM Cortex-M0+ 加无线 SoC、ARM Cortex-A5 微处理器等。基于ARM Cortex-M0+ 架构的开发平台，低外围资源，但同时具备低功耗，二次开发简易，拥有32位ARM的计算性能等优势。Xplained Pro开发板同样具有可扩展性，可以使用标准排针在开发板侧面连接扩展板。爱板网：Atmel Xplained Pro平台专题5. MSP430 LaunchPad    LaunchPad是TI专门推出的一系列开发平台，其特点是使用简单：下载使用一体，无需额外硬件。与此同时，来自美国的工程师还向创客们演示

12、直接在电路板上方加上“Booster Pack”外围板（相当于扩展板），去完成不同外设的二次开发。Launchpad的性价比是非常高的，低功耗，低价格，性能也有保障，非常适合学习和低资源需求的应用。6. Galileo（伽利略）开发板    英特尔伽利略电路板是基于英特尔架构、兼容Arduino的系列可开发电路板的首款产品。这一可开发电路板支持Arduino软件库的开源Linux操作系统，可扩展性强，可重复使用现有软件库资源（名为“sketches”）。英特尔伽利略电路板可以采用Mac OS、微软Windows和Linux主机操作系统进行编程，也可被设计成为与Ar

13、duino生态系统兼容的软硬件产品。7.Cubieboard    Cubieboard，简称Cb，是一个由珠海的Cubietech团队推出，采用全志A10/A20处理器的开发板。三、激光切割机知识1.简介激光切割是将从激光器发射出的激光，经光路系统，聚焦成高功率密度的激光束。激光束照射到工件表面，使工件达到熔点或沸点，同时与光束同轴的高压气体将熔化或气化金属吹走。随着光束与工件相对位置的移动，最终使材料形成切缝，从而达到切割的目的。激光设备作为一种新型的工具越来越成熟的运用到各种行业，包含激光切割机、激光雕刻机、激光打标机、激光焊接机等。激光切割机设备作为一种新

14、型的工具目前越来越成熟的运用到各种行业，包含激光切割机、激光雕刻机、激光打标机、激光焊接机等。2.激光切割机特点 1、64MB高容量内存，传输快，并可脱机工作2、数码电控式Z轴调整，完全自动化对焦模式3、超大工作台及内置照明4、美国原装特种气冷式密闭型金属管5、红光模组,CCD自动定位6、功能完整,简单易学的工作平台7、模组化设计,维修容易8、美国金属激光射频管,寿命可达4.5万小时9、上吹气、下抽风系统，确保加工品质10、探针式自动对焦，有效保证切割深度11、开放空间，预留扩展端口可轻易添加辅助自动化设备，甚具扩充性12、产品成熟稳定，集成化高，选配件完善13、符合CDRH Clas1安全规

15、范、CE认证及RoSH认证14、滚珠丝杆传动15、伺服驱动系统，确保精准。首先激光的能量以光的形式集中成一条高密度的光束，光束传递到工作表面，产生足够的热量，使材料熔化，加之与光束同轴的高压气体直接除去熔化金属，从而达到切割的目的，这说明激光切割加工同机床的机械加工有着本质的区别。一般来说，激光切割质量可以由以下6个标准来衡量。1.切割表面粗糙度Rz2.切口挂渣尺寸3.切边垂直度和斜度u4.切割边缘园角尺寸r5.条纹后拖量n6.平面度F3.折叠简介激光是一种光，与自然界其它发光体一样，是由原子(分子或离子等)跃迁产生的，而且是自发辐射引起的。 激光虽然是光，但它与普通光明显不同是激光仅在最初极

16、短的时间内依赖于自发辐射，此后的过程完全由激辐射决定，因此激光具有非常纯正的颜色，几乎无发散的方向性,极高的发光强度。 激光同时又具有高相干性、高强度性、高方向性，激光通过激光器产生后由反射镜传递并通过聚集镜照射到加工物品上，使加工物品（表面）受到强大的热能而温度急剧增加，使该点因高温而迅速的融化或者汽化，配合激光头的运行轨迹从而达到加工的目的。折叠激光切割：我们可以理解为是边缘的分离。对这样的加工目的，我们应该先在CORELDRAW、AUTOCAD里将图形做成矢量线条的形式,气动打标机，然后存为相应的PLT、DXF格式，用激光切割机操作软件打开该文件，根据我们所加工的材料进行能量和速度等参数

17、的设置再运行即可。激光切割机在接到计算机的指令后会根据软件产生的飞行路线进行自动切割。如：现有激光切割机，可以根据电脑绘制好的模板，然后直接输入电脑，自动切割图形。现有的激光切割机一般都有自己的硬盘，可输入海量数据源。折叠激光熔化切割在激光熔化切割中，工件被局部熔化后借助气流把熔化的材料喷射出去。因为材料的转移只发生在其液态情况下，所以该过程被称作激光熔化切割。 激光光束配上高纯惰性切割气体促使熔化的材料离开割缝，而气体本身不参于切割。激光熔化切割可以得到比气化切割更高的切割速度。气化所需的能量通常高于把材料熔化所需的能量。在激光熔化切割中，激光光束只被部分吸收。最大切割速度随着激光功率的增加

18、而增加，随着板材厚度的增加和材料熔化温度的增加而几乎反比例地减小。在激光功率一定的情况下，限制因数就是割缝处的气压和材料的热传导率。激光熔化切割对于铁制材料和钛金属可以得到无氧化切口。产生熔化但不到气化的激光功率密度，对于钢材料来说，在104W/cm2105 W/cm2之间。折叠激光火焰切割激光火焰切割与激光熔化切割的不同之处在于使用氧气作为切割气体。借助于氧气和加热后的金属之间的相互作用，产生化学反应使材料进一步加热。由于此效应，对于相同厚度的结构钢，采用该方法可得到的切割速率比熔化切割要高。另一方面，该方法和熔化切割相比可能切口质量更差。实际上它会生成更宽的割缝、明显的粗糙度、增加的热影响

19、区和更差的边缘质量。激光火焰切割在加工精密模型和尖角时是不好的（有烧掉尖角的危险）。可以使用脉冲模式的激光来限制热影响，激光的功率决定切割速度。在激光功率一定的情况下，限制因数就是氧气的供应和材料的热传导率。折叠激光气化切割在激光气化切割过程中，材料在割缝处发生气化，此情况下需要非常高的激光功率。为了防止材料蒸气冷凝到割缝壁上，材料的厚度一定不要大大超过激光光束的直径。该加工因而只适合于应用在必须避免有熔化材料排除的情况下。该加工实际上只用于铁基合金很小的使用领域。竞争优势：激光切割机是钣金加工的一次工艺革命，是钣金加工中的“加工中央”；激光切割机柔性化程度高，切割速度快，出产效率高，产品出产

20、周期短，为客户赢得了广泛的市场，该技术的有效生命期长，国外超过2毫米厚度的板材大都采用激光切割机，很多国外的专家一致认为今后30-40年是激光加工技术发展的黄金时期。4.技术激光切割机的几项关键技术是光、机、电一体化的综合技术。在激光切割机中激光束的参数、机器与数控系统的性能和精度都直接影响激光切割的效率和质量。特别是对于切割精度较高或厚度较大的零件,必须掌握和解决以下几项关键技术： 1、焦点位置控制技术：激光切割的优点之一是光束的能量密度高,一般10W/cm2。由于能量密度与4/d2成正比,所以焦点光斑直径尽可能的小,以便产生一窄的切缝；同时焦点光斑直径还和透镜的焦深成正比。聚焦透镜焦深越小

21、,焦点光斑直径就越小。但切割有飞溅,透镜离工件太近容易将透镜损坏,因此一般大功率CO2激光切割机工业应用中广泛采用57.5(127190mm)的焦距。实际焦点光斑直径在0.10.4mm之间。对于高质量的切割,有效焦深还和透镜直径及被切材料有关。例如用5的透镜切碳钢,焦深为焦距的+2%范围内,即5mm左右。因此控制焦点相对于被切材料表面的位置十分重要。顾虑到切割质量、切割速度等因素,原则上6mm的金属材料,焦点在表面上； 6mm的碳钢,焦点在表面之上； 6mm的不锈钢,焦点在表面之下。具体尺寸由实验确定。在工业生产中确定焦点位置的简便方法有三种：（1）打印法：使切割头从上往下运动,在塑料板上进行

22、激光束打印,打印直径最小处为焦点。（2）斜板法：用和垂直轴成一角度斜放的塑料板使其水平拉动,寻找激光束的最小处为焦点。（3）蓝色火花法：去掉喷嘴,吹空气,将脉冲激光打在不锈钢板上,使切割头从上往下运动,直至蓝色火花最大处为焦点。对于飞行光路的切割机,由于光束发散角,切割近端和远端时光程长短不同,聚焦前的光束尺寸有一定差别。入射光束的直径越大,焦点光斑的直径越小。为了减少因聚焦前光束尺寸变化带来的焦点光斑尺寸的变化,国内外激光切割系统的制造商提供了一些专用的装置供用户选用：（1）平行光管。这是一种常用的方法,即在CO2激光器的输出端加一平行光管进行扩束处理,扩束后的光束直径变大,发散角变小,使在

23、切割工作范围内近端和远端聚焦前光束尺寸接近一致。（2）在切割头上增加一独立的移动透镜的下轴,它与控制喷嘴到材料表面距离（stand off）的Z轴是两个相互独立的部分。当机床工作台移动或光轴移动时,光束从近端到远端F轴也同时移动,使光束聚焦后光斑直径在整个加工区域内保持一致。如图二所示。（3）控制聚焦镜（一般为金属反射聚焦系统）的水压。若聚焦前光束尺寸变小而使焦点光斑直径变大时,自动控制水压改变聚焦曲率使焦点光斑直径变小。（4）飞行光路切割机上增加x、y方向的补偿光路系统。即当切割远端光程增加时使补偿光路缩短；反之当切割近端光程减小时,使补偿光路增加,以保持光程长度一致。2.切割穿孔技术：任何

24、一种热切割技术,除少数情况可以从板边缘开始外,一般都必须在板上穿一小孔。早先在激光冲压复合机上是用冲头先冲出一孔,然后再用激光从小孔处开始进行切割。对于没有冲压装置的激光切割机有两种穿孔的基本方法：（1）爆破穿孔：(Blast drilling)，材料经连续激光的照射后在中心形成一凹坑,然后由与激光束同轴的氧流很快将熔融材料去除形成一孔。一般孔的大小与板厚有关,爆破穿孔平均直径为板厚的一半,因此对较厚的板爆破穿孔孔径较大,且不圆,不宜在要求较高的零件上使用（如石油筛缝管）,只能用于废料上。此外由于穿孔所用的氧气压力与切割时相同,飞溅较大。（2）脉冲穿孔：（Pulse drilling）采用高峰

25、值功率的脉冲激光使少量材料熔化或汽化,常用空气或氮气作为辅助气体,以减少因放热氧化使孔扩展,气体压力较切割时的氧气压力小。每个脉冲激光只产生小的微粒喷射,逐步深入,因此厚板穿孔时间需要几秒钟。一旦穿孔完成,立即将辅助气体换成氧气进行切割。这样穿孔直径较小,其穿孔质量优于爆破穿孔。为此所使用的激光器不但应具有较高的输出功率；更重要的时光束的时间和空间特性,因此一般横流CO2激光器不能适应激光切割的要求。此外脉冲穿孔还须要有较可靠的气路控制系统,以实现气体种类、气体压力的切换及穿孔时间的控制。在采用脉冲穿孔的情况下,为了获得高质量的切口,从工件静止时的脉冲穿孔到工件等速连续切割的过渡技术应以重视。

26、从理论上讲通常可改变加速段的切割条件：如焦距、喷嘴位置、气体压力等,但实际上由于时间太短改变以上条件的可能性不大。在工业生产中主要采用改变激光平均功率的办法比较现实,具体方法有以下三种：（1）改变脉冲宽度；（2）改变脉冲频率；（3）同时改变脉冲宽度和频率。实际结果表明,第（3）种效果最好。3.喷嘴设计及气流控制技术： 激光切割钢材时,氧气和聚焦的激光束是通过喷嘴射到被切材料处,从而形成一个气流束。对气流的基本要求是进入切口的气流量要大,速度要高,以便足够的氧化使切口材料充分进行放热反应；同时又有足够的动量将熔融材料喷射吹出。因此除光束的质量及其控制直接影响切割质量外,喷嘴的设计及气流的控制（如

27、喷嘴压力、工件在气流中的位置等）也是十分重要的因素。目前激光切割用的喷嘴采用简单的结构,即一锥形孔带端部小圆孔。通常用实验和误差方法进行设计。由于喷嘴一般用紫铜制造,体积较小,是易损零件,需经常更换,因此不进行流体力学计算与分析。在使用时从喷嘴侧面通入一定压力Pn(表压为Pg)的气体,称喷嘴压力,从喷嘴出口喷出,经一定距离到达工件表面,其压力称切割压力Pc,最后气体膨胀到大气压力Pa。研究工作表明随着Pn的增加,气流流速增加,Pc也不断增加。可用下列公式计算： V=8.2d2(Pg+1)V-气体流速 L/mind-喷嘴直径 mmPg-喷嘴压力（表压）bar对于不同的气体有不同的压力阈值,当喷嘴

28、压力超过此值时,气流为正常斜激波,气流速从亚音速向超音速过渡。此阈值与Pn、Pa比值及气体分子的自由度（n）两因素有关：如氧气、空气的n=5,因此其阈值Pn=1bar×(1.2)3.5=1.89bar。当喷嘴压力更高Pn/Pa=(1+1/n)1+n/2时（Pn；4bar）,气流正常斜激波封变为正激波,切割压力Pc下降,气流速度减低,并在工件表面形成涡流,削弱了气流去除熔融材料的作用,影响了切割速度。因此采用锥孔带端部小圆孔的喷嘴,其氧气的喷嘴压力常在3bar以下。为进一步提高激光切割速度,可根据空气动力学原理,在提高喷嘴压力的前提下不产生正激波,设计制造一种缩放型喷嘴,即拉伐尔（La

29、val）喷嘴。为方便制造可采用如图4的结构。德国汉诺威大学激光中心使用500WCO2激光器,透镜焦距2.5,采用小孔喷嘴和拉伐尔喷嘴分别作了试验,见图4。试验结果如图5所示：分别表示NO2、NO4、NO5喷嘴在不同的氧气压力下,切口表面粗糙度Rz与切割速度Vc的函数关系。从图中可以看出NO2小孔喷嘴在Pn为400Kpa（或4bar）时切割速度只能达到2.75m/min（碳钢板厚为2mm）。NO4、NO5二种拉伐尔喷嘴在Pn为500Kpa到600Kpa时切割速度可达到3.5m/min和5.5m/min。应指出的是切割压力Pc还是工件与喷嘴距离的函数。由于斜激波在气流的边界多次反射,使切割压力呈周

30、期性的变化。第一高切割压力区紧邻喷嘴出口,工件表面至喷嘴出口的距离约为0.51.5mm,切割压力Pc大而稳定,是目前工业生产中切割手扳常用的工艺参数。第二高切割压力区约为喷嘴出口的33.5mm,切割压力Pc也较大,同样可以取得好的效果,并有利于保护透镜,提高其使用寿命。曲线上的其他高切割压力区由于距喷嘴出口太远,与聚焦光束难以匹配而无法采用。综上所述,CO2激光切割机技术正在我国工业生产中得到越来越多的应用,国外正研究开发更高切割速度和更厚钢板的切割技术与装置。为了满足工业生产对质量和生产效率越来越高的要求,必须重视解决各种关键技术及执行质量标准,以使这一新技术在我国获得更广泛的应用。激光切割

31、技术激光切割技术广泛应用于金属和非金属材料的加工中，可大大减少加工时间，降低加工成本，提高工件质量。 激光切割技术有两种： 一种是脉冲激光适用于金属材料。第二种是连续激光适用于非金属材料，后者是激光切割技术的重要应用领域。现代的激光成了人们所幻想追求的“削铁如泥”的“宝剑”。折叠激光切割技术是用聚焦镜将CO2激光束聚焦在材料表面使材料熔化,同时用与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料,并使激光束与材料沿一定轨迹作相对运动,从而形成一定形状的切缝。从二十世纪七十年代以来随着CO2激光器及数控技术的不断完善和发展,目前已成为工业上板材切割的一种先进的加工方法。在五、六十年代作为板材下料切割的主要方

32、法中：对于中厚板采用氧乙炔火焰切割；对于薄板采用剪床下料,成形复杂零件大批量的采用冲压,单件的采用振动剪。七十年代后,为了改善和提高火焰切割的切口质量,又推广了氧乙烷精密火焰切割和等离子切割。为了减少大型冲压模具的制造周期,又发展了数控步冲与电加工技术。各种切割下料方法都有其有缺点,在工业生产中有一定的适用范围。激光切割机的研发与应用无疑是对现代工业生产的重大提高和创新突破。目前有很多大型激光切割机厂家在研发和投入使用中做的都非常出色，例如：武汉高能激光、深圳大族激光、深圳民升激光、武汉华工激光。5.作用分析激光切割机的诞生给了我们工业的发展得到空前的提升，假如没有激光切割机，我们生活中很多复

33、杂的时尚产品将会怎么样？我们国民经济又会怎么样？一切无法想象！既然激光切割机给我们经济、生活带来如此大的作用，关于激光切割机各个部分的重要作用，就是因为有以下的作用才能完成那高科技的产物。1)机床主机部分：激光切割机机床部分，实现X、Y、Z轴的运动的机械部分，包括切割工作平台。用于安放被切割工件，并能按照控制程序正确而精准的进行移动，通常由伺服电机驱动。2)激光发生器：产生激光光源的装置。3)外光路：折射反射镜，用于将激光导向所需要的方向。为使光束通路不发生故障，所有反射镜都要保护罩加以保护，并通入洁净的正压保护气体以保护镜片不受污染。4)数控系统：控制机床实现X、Y、Z轴的运动，同时也控制激

34、光器的输出功率。5)稳压电源：连接在激光器，数控机床与电力供应系统之间。主要起防止外电网干扰的作用。6)切割头：主要包括腔体、聚焦透镜座、聚焦镜、电容式传感器和辅助气体喷嘴等零件。切割头驱动装置用于按照程序驱动切割头沿Z轴方向运动，由伺服电机和丝杆或齿轮等传动件组成。7)操作台：用于控制整个切割装置的工作过程。8)冷水机组：用于冷却激光发生器。激光器是利用电能转换成光能的装置，如CO2气体激光器的转换率一般为20%，剩余的能量就变换成热量。冷却水把多余的热量带走以保持激光发生器的正常工作。冷水机组还对机床外光路反射镜和聚焦镜进行冷却，以保证稳定的光束传输质量，并有效防止镜片温度过高而导致变形或

35、炸裂。9)气瓶：包括激光切割机工作介质气瓶和辅助气瓶，用于补充激光震荡的工业气体和供给切割头用辅助气体。10)空压机、储气罐：提供和存储压缩空气。11)空气冷却干燥机、过滤器：用于向激光发生器和光束通路供给洁净的干燥空气，以保持通路和反射镜的正常工作。12)抽风除尘机：抽出加工时产生的烟尘和粉尘，并进行过滤处理，使废气排放符合环境保护标准。13)排渣机：排除加工时产生的边角余料和废料等。总和以上的分析，激光切割机的作用给社会的发展带来无可估量的财富，解决我们日常生活中的精、细、美苛刻的要求，带我们带来无限的创意产物。四、3D打印机知识1.简介 三维打印（3D printin

36、g），即快速成形技术的一种，它是一种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。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造。特别是一些高价值应用（比如髋关节或牙齿，或一些飞机零部件）已经有使用这种技术打印而成的零部件。“三维打印”意味着这项技术的普及。三维打印通常是采用数字技术材料打印机来实现。这种打印机的产量以及销量在二十一世纪以来就已经得到了极大的增长，其价格也正逐年下降。2.技术原理3D打印机又称三维打印机，是一种累积制造技术，即快速成形技术的一种机器，它是一种数字模型文件为基础，运用特殊蜡材、粉末状金属

37、或塑料等可粘合材料，通过打印一层层的粘合材料来制造三维的物体。现阶段三维打印机被用来制造产品。逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印机堆叠薄层的形式有多种多样。3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的"墨水"是实实在在的原材料，堆叠薄层的形式有多种多样，可用于打印的介质种类多样，从繁多的塑料到金属、陶瓷以及橡胶类物质。有些打印机还能结合不同介质，令打印出来的物体一头坚硬而另 一头柔软。3.主要特点3D打印带来了世界性制造业革命，以前是部件设计完全依赖于生产工艺能否实现，而3D打印机的出现，将会颠覆这一生产思路，这使得企业在生产部件的时候不再考虑生产工艺问题，任何复杂形

38、状的设计均可以通过3D打印机来实现。3D打印无需机械加工或模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的物体， 从而极大地所缩短了产品的生产周期，提高了生产率。尽管仍有待完善，但3D打印技术市场潜力巨大，势必成为未来制造业的众多突破技术之一。3D打印使得人们可以在一些电子产品商店购买到这类打印机，工厂也在进行直接销售。科学家们表示，三维打印机的使用范围还很有限，不过在未来的某一天人们一定可以通过3D打印机打印出更实用的物品。工作步骤：折叠软件建模3D打印机工作步骤是这样的:先通过计算机建模软件建模，如果你有现成的模型也可以，比如动物模型、人物、 3d打印机实际过程或者微缩建筑等等。然

39、后通过SD卡或者USB优盘把它拷贝到3D打印机中，进行打印设置后，打印机就可以把它们打印出来，其工作结构分解图如下。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、打印头、耗材和介质等架构组成的，打印原理是一样的。3D打印机主要是在打印前在电脑上设计了一个完整的三维立体模型，然后再进行打印输出。3D打印与激光成型技术一样，采用了分层加工、叠加成型来完成3D实体打印。每一层的打印过程分为两步，首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水，胶水液滴本身很小，且不易扩散。然后是喷洒一层均匀的粉末，粉末遇到胶水会迅速固化黏结，而没有胶水的区域仍保持松散状态。这样在一层胶水一层粉末的交替下，

40、实体模型将会被"打印"成型，打印完毕后只要扫除松散的粉末即可"刨"出模型，而剩余粉末还可循环利用。折叠三维设计三维打印的设计过程是:先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型"分区"成逐层的截面，即 切片，从而指导打印机逐层打印。设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式。一个STL文件使用三角面来近似模拟物体的表面。三角面越小其生成的表面分辨率越高。PLY是一种通过扫描产生的三维文件的扫描器，其生成的VRML或者WRL文件经常被用作全彩打印的输入文件。折叠打印过程打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的

41、材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品。传统的制造技术如注塑法可以以较低的成本大量制造聚合物产品，而三维打印技术则可以以更快，更有弹性以及更低成本的办法生产数量相对较少的产品。一个桌面尺寸的三维打印机就可以满足设计者或概念开发小组制造模型的需要。4.应用领域3d打印技术可用于珠宝，鞋类，工业设计，建筑，工程和施工(AEC)，汽车，航空航天，牙科和医疗产业，教育，地理信息系统，土木工程，和许多其他领域。常常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型或者用于一些产品的直接制造，意味着这项技术正在普及。通过3D打印

42、机也可以打印出食物，是3D打印机未来的发展方向。折叠航天科技GE中国研发中心的工程师们仍在埋头研究3D打印技术。就在这之前，他们刚刚用3D打印机成功"打印"出了航空发动机的重要零部件。与传统制造相比，这一技术将使该零件成本缩减30%、制造周期缩短40%。来不及庆祝这一喜人成果，他们就又匆匆踏上了新的征程。鲜为人知的是，他们已经"秘密"研发3D打印技术十年之久了。3D打印技术已经日趋成熟，未来人们用它来造房子、造汽车，甚至更多东西也不无可能。2015年6月22日报道，国营企业俄罗斯技术集团公司以3D打印技术制造出一架无人机样机，重3.8公斤，翼展2.4米，

43、飞行时速可达90至100公里，续航能力1至1.5小时。公司发言人弗拉基米尔·库塔霍夫介绍，公司用两个半月实现了从概念到原型机的飞跃，实际生产耗时仅为31小时，制造成本不到20万卢布(约合3700美元)。折叠音乐行业打印音乐的3D打印机为了探索3D打印机更多的应用，Rickard Dahlstrand使用Lulzbot 3D打印机创造出独特的艺术。在2013斯德哥尔摩艺术黑客节上，Lulzbot 3D打印机不仅为参加的艺术家和黑客们打印出艺术节的LOGO，而且作为一个表演项目，它还一边播放古典音乐一边相应地打印出可视化的音乐作品。Lulzbot 3D打印机打印可视化音乐的原理是:该步进

44、电机的运动进行控制可以以不同的速度运行，声音的音调决定速度，从而音乐控制了打印过程。三台电机分别代表一个音轨，它们使用独特的模式运动。两个马达控制Z轴移动。折叠医疗行业骨骼打印3D骨骼将来外科医生们或许就将可以在手术中现场利用打印设备打印出各种尺寸的骨骼用于临床使用。这种神奇的3D打印机已经被制造出来了，而用于替代真实人体骨骼的打印材料则正在紧锣密鼓地测试之中。在实验室测试中，这种骨骼替代打印材料已经被证明可以支持人体骨骼细胞在其中生长，并且其有效性也已经在老鼠和兔子身上得到了验证。未来数年内，打印出的质量更好的骨骼替代品或将帮助外科手术医师进行骨骼损伤的修复，用于牙医诊所，甚至帮助骨质疏松症

45、患者恢复健康。3D打印技术迅速兴起，成为炙手可热的新型产业，它可以打印的立体产品种类正迅速增加。为了打印骨 骼材料，博斯和她的同事们使用了一台商业销售的ProMetal 3D打印机进行测试。这种3D打印机最初的设计目的是为了打印金属件。它会逐层喷洒塑料胶粒在一层粉末基底之上并逐层成型。每一层的厚度仅相当于人的头发丝宽度的一半。这种骨骼支架的主要材料成分是磷酸钙，其中还额外添加了硅和锌以便增强其强度。当它被植入人体内之后可以暂时起到骨骼的支撑作用，并在此过程中帮助正常骨骼细胞生长发育并由此修复之前的损伤，随后这种材料可以在人体内自然溶解。科学家们花费4年时间才找出这种材料的合适配方，其中涉及化学

46、，材料学，生物学和工艺科学的诸多学科。折叠文物行业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，不但保留了原化石所有的外在特征，同时还做了比例缩减，更适合研究。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传递给更多更远的人。史密森尼博物馆就因为原始的托马斯·杰弗逊像要放在弗吉尼亚州展览，所以博物馆用了一个巨大的3D打印替代品放在了原来雕塑的位置。折叠建筑领域3D打印建筑在建筑业里，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。完全

47、合乎设计者的要求，同时又能节省大量材料。折叠制造业制造业也需要很多3D打印产品，因为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，甚至连质量控制都不再是个问题。汽车打印2014年10 月10日，世界首款3D打印汽车终成现实，这辆由"本地汽车"公司打造的3D打印汽车只有两个座位，名字叫"斯特拉迪"，它的制作周期为44个小时，并且最高时速可以达到80公里每小时。"斯特拉迪"全身是碳纤维及塑料，利用"3D打印技术"制造而成。据悉，全车

48、只使用了40个零件，且依靠电动能源，充一次电花费3.5小时，可以行驶大约100公里。折叠食品产业3D食物打印机Atomium2013年5月22日，NASA已选中总部位于得克萨斯州的系统和材料研究公司，向其投资12.5亿美元，研发能为宇航员制造"营养可口"食品的3D打印机。3D食物打印机的概念设计方案中，打印机的"墨盒"-也就是装载食物的部分使用寿命长达30年。这款产品的实验版本已经可以成功"打印"巧克力，而比萨饼将是它未来几周内的下一个目标。据透露，食物打印机制造比萨饼的步骤如下:首先，打印一层面饼，并在打印的同时烤好;然后机器会将使

49、用装载番茄的"墨盒"和水、油混合，打印出番茄酱。最后将酱料和奶油打印在比萨饼的表面。折叠生活用品配件、饰品这是最广阔的一个市场。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。甚至不用等到未来，就可以实现。美容护肤3D打印技术未来也可能会帮助爱美人士进行整容，说不定未来最有效果的青春痘的治疗方法就是通过3D打印技术来实现呢!不仅青春痘,包括祛斑、美白等领域都有希望使用到3D打印技术的!第二节 创客空间一、空间的基础设施什么是创客空间？一个独具创新的创客空间应该由具备以下要素：开源、众创、生长

50、。首先，是一个开源的空间：空间内的基础设施、运营的设备、开展的项目都应该是开源、开放且持续发展的；强调动手和实践，注重培养创意创新能力，提倡团队协作和分享；其所运行的内容和STEAM理论结合，并和现有的知识体系挂钩，其目的是服务和补充现有教学体系，并为创新创造突破。此外，是一个众创的空间：空间是由“创客”们运营和管理的； 空间的设备和项目由管理者和成员共同提供、发起、开发和维护；当空间的设备建设完成，尤其是开源设备建设完成后，其作品应由创造者冠名，在每个设备应由相应的项目标签进行说明，包含创造者信息、项目说明内容、项目起始时间、下一步目标、项目开源手册和更新日志等等；并有相应的二维码指向项目网

51、页为更多的人讨论、分析、改进。最后，是一个生长的空间：这个空间的内容是在美科产品美科创新方法论指导下开展科普教育、创新实践、创新创造教育的；创新的理论指导和实践创造创新相结合，设备、项目和方法得以不断迭代和生长。创客空间是围绕实践和创新创意，与国家创新教育改革的目标一致的。创客空间是开放开源、便于组建、利于成长、可以复制和推广的。创客空间的组织和实施要有吸引力和延续性。，并不断的推广创客空间的理念、思想、内容，吸引和鼓励青少年投入科技创造、创新活动，推动全民创造、创新。创客空间生态体系一个创客空间必须具备“开源”“众创”“生长”三个要素，在具体构建层面，创客空间是由三个相辅相成的部分组成，分别

52、为：“人”、“物”、“事”。三个部分相互吸引、造就和推动生长的创客空间。“人”“人”是生长空间的主体：包括空间的管理者、空间所服务的的公众群体和社会第三方的关注者。在这一人群中，以空间会员和受众为主体，即在校高中学生、初中学生、小学生等；以及社会创客、DIY爱好者、以及空间周边的社区群众，还有第三方内容志愿者，义务支持人员；所有的会员以实名制的方式参与到空间的运营和活动的展开，空间的作品和项目也以实名制的方式进行，并在显著的位置标识冠名的作品，从而激发参与者的热情和成就感，增加社区的黏度和深度。社区的运营人员，其本身也是创客团体的一部分，需要不断的自我管理和培训，积极的开发相关的技术，并指导和

53、帮助空间会员组织、建设、维护和管理空间的开源设备和项目。以空间的工作人员和老师为主体，美科科技提供技术、内容、方案支持工作。“物”“物”是创客空间生长的载体：包括空间的技术平台、空间基础设施、功能设备和各种材料物件载体。创客空间最为突出的一点是所有创客空间中的所有设备既能发挥相应的功能作用，其本身又可以成为空间开展教学的载体，内容都是开源、众创和可生长的。这是因为绝大部分的设备都可基于现有的美科产品开源硬件构建的技术和物联体系构建，项目的内容和执行过程的全部透明化，通过社交网络进行推广和交流。空间内容形式也具备多元化的特征：包括在线教程、视频微课、纸质教材等。创客空间强调模块化的构建空间的基础

54、设施，公共活动空间、加工设备区、知识分享区、项目执行区域各自成为一个独立的单元，可以灵活的拆分、组建和系统集成。“事”“事”是创客运营的关键，是空间生长的能量：包括定期举办的培训课程、分享会、工作坊和其他学习的社交活动；贯穿其中的是美科创新方法论课程，针对“人”进行培养培训；针对“物”进行建设和开发。面向空间内的教师和运营管理人员，需要用美科创新方法论进行武装培训，教育和引导同学们参与项目实践、激发创新灵感、培养团队协作精神，进而有能力提出自有的项目提案，制定项目计划，组建项目团队，完成项目目标，分享项目内容等。具体内容包括美科创新课程；开源硬件技术培训；案例、应用、图形化编程；3D打印技术原

55、理、技术、应用的培训；机械加工原理、技术、实践的培训；和其他基础应用技术培训；还有关于空间培训教材的编写活动、与创客组织交流合作等。面向学生和创客受众的活动主题应该难度适中、有乐趣和延伸性；活动应该强调动手能力；注重创造和分享；并与学生的学习目标结合并综合实施、寓教于乐；要求社区项目组织开展开发过程是开源开放的，并结合社区共同推进和完成；项目成功完成后会设置相应的奖励、奖赏，以激发学生的自主性和参与的热情。作为发展中的理念，创客建设理论的提出，是对“创客空间”的一次实践探索，是落实国务院会议关于打造良好创业创新生态环境的具体步骤，有利于在“创客空间”内健全创业辅导指导制度，培育创客文化，让创业

56、创新蔚然成风，成为科技文化领域的最新焦点。学习者可以在“群体创新空间”中，酝酿与兴趣、与创新、与未来有关的实验，完成从学习者向创新者、分享者的角色转变，尤其有利于培育包括大学生在内的各类青年创新人才和创新团队。一个完美的可持续发展的创客空间，包括合理的空间布局和基础设施、专业和开源的设备载体、鼓励创新的课程体系、有分享和协作精神的团队成员、丰富的项目、专业素质的导师、专业负责任的管理者等。而贯穿其中的“人”、“事”、“物”三个元素不断的相互促进和化学反应哺育创客不断的健康成长。二、技术平台构建创客空间的基础技术平台-即物联网平台物联网是新一代信息技术的重要组成部分，也是"信息化&qu

57、ot;时代的重要发展阶段。其英文名称是:"Internet of things(IoT)"。顾名思义，物联网就是物物相连的互联网。这有两层意思:其一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络;其二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信，也就是物物相息。物联网通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术，广泛应用于网络的融合中，也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。物联网是互联网的应用拓展，与其说物联网是网络，不如说物联网是业务和应用。因此，应用创新是物联网发展的核心，以用户体验为核心的创新2.0是物

58、联网发展的灵魂。活点定义:利用局部网络或互联网等通信技术把传感器、控制器、机器、人员和物等通过新的方式联在一起，形成人与物、物与物相联，实现信息化、远程管理控制和智能化的网络。物联网是互联网的延伸，它包括互联网及互联网上所有的资源，兼容互联网所有的应用，但物联网中所有的元素(所有的设备、资源及通信等)都是个性化和私有化。物联网平台也需要是开源、开放的，以便于更多的人基于已有的基础进行技术改进和项目开发；并在此基础上构建物联体系、社交化的社区等。基础技术平台还需要多元化的接入手段，如：网站访问、APP访问、微信接入、Wiki内容、QQ互动、微博互动，从而使空间本身剧本多元性、开放性和自我生长的潜力。三、功能设备构建创客空间的功能设备包括：模块化的电子设备（美科产品、MicroWrt, MicroPi，Arduino, 树莓派，其他第三方硬件）；模块化的机械设备（MakeBlock、德国慧鱼）；商用和开源的3D打印设备（FDM：开源，磐纹，MakerBot，太尔时代；光固化：材质：塑料材质、金属材质、生物、食品）3D加工设备（激光切割设备，CNC数控机床）；以及针对手工技艺实践的材质（折纸、纸板，粘土、陶瓷，木头、木器）和相关的物理、化学实践设备。创客空间的建设方案和理念始终贯穿了“开源”“众创”“生长”的要素。总体而言，创客空间的建设方案具备四大特点优势。开源的可生长的设