机电一体化系统设计(第六版) 课件 -第9章 典型机电一体化系统与技术简介

第九章典型机电一体化系统与技术简介

§9-1先进城市轨道交通自动售检票系统与自动售票机§9-2

汽车的机电一体化技术§9-3

无人驾驶汽车技术简介§9-4

新能源汽车定义及其种类§9-5

工业机器人技术§9-6

快速成型技术与3D打印机§9-7

智能制造技术§9-8

飞秒激光微纳制造技术及其应用

§9-9

工业电子秤种类及其构成原理§9-1

先进城市轨道交通自动售检票系统与自动售票机先进城市轨道交通自动售检票系统是集计算机技术、自动控制技术、现代通信技术、网络技术等于一体的机电一体化（智能化）系统。随着我国铁路和城市等轨道交通的迅猛发展,交通运输系统的的自动化过程也得到了长足进步,其自动售检票系统就是交通运输系统实现机电一体化的具体例证。自动售检票系统（AFCS）对轨道交通的运营管理来说，其优越性是：

1）实时准确的客流及票务统计分析数据为运营调控、市场营销、新线建设提供科学决策依据；

2）使乘流井然有序的快速通过，以减少有意无意的逃票；

3）可大大减少现金交易、人工记账及统计工作，可精简人员，提高工作效率等。

§9-1

先进城市轨道交通自动售检票系统与自动售票机一、先进城市轨道交通自动售检票系统的组成一、先进城市轨道交通自动售检票系统的组成

地铁站自动售票机

地铁进出站检票机一、先进城市轨道交通自动售检票系统的组成

1.中央计算机系统（CCS）

该系统由一组计算机组成几个服务器和几个工作站,共同完成服务与系统的运营管理。系统包括中央主机（数据服务器）、通信服务器、远程拨号服务器、中央工作站（监控、系统设置、数据库、网管工作站等），其主要功能:①收集及保存车站计算机上传的各类相关票务、账务、客流、车站设备运行状态等数据；②监视和控制所有车站的运行状态,并下达给车站计算机和车站设备；③设置系统运营参数及系统运行模式，并下达给车站计算机和车站设备；④按照设定的日期（日、月、季、年）处理和统计收集到的各类数据，生成相应的各类报表并打印；⑤时钟同步等。2.车站计算机系统（SCS）

该系统主要负责将该车站的自动售票机、人工售票机、人工补票机、进出站闸机等AFCS所辖车站终端设备联系在一起。其主要功能是对车站设备的操纵控制（含关闭、开启及设置工作模式等）；监视车站相关设备的运行状态；采集、保存相关信息；提供车站一级的票务统计报表与打印；自动完成与中央计算机及格终端设备的时钟同步；与中央计算机实时通信、实时下载中央计算机数据、下发及车站数据的上传。一、先进城市轨道交通自动售检票系统的组成3.自动售票机（ATVM）该机是乘客自行操作的自动售票设备，主要完成单程车票的发售。4.人工售补票机（EFOM）

该机也称窗口式售票机，即由人工参与售票，由售票员操作设备发售车票,可发售所有种类的车票,还可以对所有车票进行加值、分析、更新等处理。5.自动检票机又称闸机（gate）闸机有进站闸机、出站闸机和双向闸机，其功能是检查乘客所持车票的有效性，如检查该车票是否为本运输系统的车票、是否有值、是否在有效期内、是否含信息码等等。如果检查结果为有效车票，则闸机在该车票上记录时间、站号、设备号、编上信息码等，提示乘客是进站、出站还是去补票亭更新或充值。6.自动售卡机（ACVM）自动售卡机的主要功能是自动出售乘车卡或为乘车卡充值等。一、先进城市轨道交通自动售检票系统的组成7.编码/分拣机（ESM）

该机一般安装在票务系统的制票中心，其主要功能是对新购入的票卡按各种类型进行初始化编码，对购入的票卡编入本运输系统所持有的密码，只有经过编码/分拣机初始化的车票才能被认为是有效乘车票卡；根据运营需求，还可以对票卡进行赋值，以满足各种各样的运营要求，这类乘车票卡可直接出售使用；对回收来的不同功能（如车票的批号、单程、多程、老人、儿童等）的乘车票卡进行分拣分类等。二、先进轨道交通自动售票机随着电子技术的发展，自动售票机和数据累计机一起将担负车站售票的重要任务。发达国家几乎所有的地铁和铁路车站都设有自动售票机。1．自动售票机的构成如图所示，自动售票机由模块组合而成，用控制部分对整个设备进行控制，各部分的主要功能介绍如下：自动售票机构成

硬币机构：它的作用是辨别投入硬币的真伪，区分钱的种类，投入硬币的一次性储存，找给零钱等。

纸币机构：纸币机构是用来判定插入纸币的真伪、按面值分类、一次统一核算和收纳纸币。

印字机构：它的作用是把卷成辊状的车票纸切成车票，按照控制部分发出的指令进行印字并发出车票。在自动检票机通过的车票，印字后，在车票的背面写入磁信息发出。二、先进轨道交通自动售票机

外部补充零钱部：它由零钱补充箱和补充盒构成，是把找零钱用硬币供给硬币机构的部分，向找零钱补充箱补充硬币由补充盒进行。工作人员操作部：它由电源的通断、发售和停售的设定、回收、数据截止、日期设定等操作开关或显示零钱及辊筒票纸的有无、异常地方的监视显示灯等构成，是进行售票机操作和监视的部分。记录部：它是把售票机的发售数据或操作数据打印输出的部分。将几台售票机连接到数据累计机上进行总的累计业务的售票机省去了记录部分，为了进行操作数据的记录，设有能连接便携式打印机的连接器。配电（电源）部：它是自动售票机AC电源的输入并将AC和DC电源分配给各部件部分，控制部分：它是将CPU、存储器、各部分的I/O，外接设备的I/O等印刷电路板装在机柜中，与各部分的数据或控制信号进行交换以及运算的部分。它对整个售票机进行集中控制。另外还附有纸币机构，该机构是输入纸币、输出车票、找回零钱，并能对插入的纸币辨别真伪。二、先进轨道交通自动售票机2．自动售票机的工作原理

图a基本工作流程从投入硬币或纸币之后到给出车票为止的基本工作流程二、先进轨道交通自动售票机2．自动售票机的工作原理各功能框间的硬币或纸币、车票及信号的流程二、先进轨道交通自动售票机（1）硬币验钞机构图示为硬币验钞机构简图。辨别硬币真伪有机械与电子两种方式。前者是测量并判定硬币的外径、厚度、图样的印痕、周缘的刻纹及有无孔等硬币形状的方式。机械检测方式速度慢，故一般用电子检测方式。电子检测方式是用检测器收集硬币的材料性质或形状等信号，与预先存储的每种钱币的信息相比较进行判定的方法。

硬币验钞机构简图3.主要部件的构成

纸币机构简图纸币机的简图如图所示。纸币真伪的辨别方法是，先把纸币的外形尺寸及纸币固有的信息等用检测器收集，然后与机构预先存储的纸币信息相比较，最后得到判定结果。一次存放处的作用与硬币机构的相同。纸币的存放张数，随着特快车票或联用票等高额票的发行，需要纸币张数增多，故设有7~15张的存放处。已存放的纸币，通过下一顾客的购票操作而被储存在纸币储存箱内。储存箱是一张张堆积储存的，可避免散乱。二、先进轨道交通自动售票机3.主要部件的构成（2）纸币机构用于印字机构的辊筒票纸有两种尺寸。一种是以车票的短边宽度卷成辊状的，使用这种车票纸的印字机构称为纵切式。另一种是以车票的长边宽度卷成辊状的，这称为横切式。纵切式从长边切断，横切式从短边切断来完成车票的尺寸。售票机用印字方法目前以热印式(即热敏点直接印字方式)为主。印字机构简图二、先进轨道交通自动售票机3.主要部件的构成（3）印字机构§9-2汽车的机电一体化技术汽车的机电一体化使汽车性能焕然一新。当今对汽车的控制已由发动机扩大到全车，例如实现发动机的燃油喷射电子点火控制、自动变速换挡、防滑制动、防抱死系统、雷达防碰撞、自动调整车高、全自动空调、自动故障诊断及自动驾驶等。汽车机电一体化的中心内容是以微机为中心的自动控制改善汽车的性能、增强汽车的功能汽车机电一体化的中心内容是以微机为中心的自动控制改善汽车的性能、增强汽车的功能。一、传感器在汽车发动机等中的应用从图中可以看出，上述控制系统中，必不可少地使用了曲轴位置传感器、吸气及冷却水温度传感器、压力传感器、氧气传感器等多种传感器。日本丰田汽车公司发动机的计算机控制系统二、微机控制的数字化电子点火系统三、汽车的自动空调系统四、电子控制的自动变速器电子控制实现变速器自动换挡的程序控制原理框图§9-3无人驾驶汽车技术简介无人驾驶汽车技术或自动驾驶汽车技术等均属于智能汽车技术范畴，所谓无人或自动驾驶汽车，指的是可以利用人工智能、视觉计算、雷达、监控装置和全球定位系统协同合作，让计算机在没有任何人类主动操作下自动安全地操作机动汽车。无人驾驶汽车与一般所说的自动驾驶有所不同，它指的是利用多种传感器和智能公路技术实现的汽车自动驾驶。智能汽车首先有一套导航信息资料库，存有全国高速公路、普通公路、城市道路以及各种服务设施(餐饮、旅馆、加油站、景点、停车场)的信息资料；其次是GPS定位系统，利用这个系统精确定位车辆所在的位置，与道路资料库中的数据相比较，确定以后的行驶方向；道路状况信息系统，由交通管理中心提供实时的前方道路状况信息，如堵车、事故等，必要时及时改变行驶路线。一、概述§9-3无人驾驶汽车技术简介无人驾驶汽车的系统分为4大类：①驾驶辅助系统：驾驶辅助系统目的是为司机提供必要的协助，包括提供一些重要的或者有益的驾驶相关信息以及在形势开始变得比较危及的时候能够发出相对明确的警告；②部分自动化系统：部分自动化系统是在驾驶者收到警告但没有及时采取相应行动时能够自动进行干预的系统；③高度自动化系统：高度自动化系统是能够在任意时间段内替代驾驶员操纵车辆的职责，但是这种系统仍然需要驾驶员对驾驶活动进行必要的监控的系统；④完全自动化系统：完全自动化系统不仅可以实现完全无人驾驶而且还能允许车内所有乘员从事其他活动而且不需要进行监控的系统。一、概述§9-3无人驾驶汽车技术简介1.基本架构从具体和现实的方面来看，无人驾驶汽车较为成熟的、可预期的功能和系统主要是包括智能驾驶系统、生活服务系统、安全防护系统、位置服务系统以及用车服务系统等，各个参与企业也主要是围绕上述这些功能系统进行发展的。2.技术特点不需要人去驾驶，人只舒服地坐在车上享受这高科技的成果就行了。因为这种汽车上装有相当于汽车的“眼睛”“大脑”和“脚”的电视摄像机、电子计算机和自动操纵系统之类的装置，这些装置都装有非常复杂的计算机程序，所以这种汽车能和人一样会“思考”“判断”“行走”，可以自动启动、加速、刹车，以自动绕过地面障碍物。在复杂多变的情况下，它的“大脑”能随机应变，自动选择最佳方案，指挥汽车正常、顺利地行驶。二、无人驾驶汽车的基本架构与技术特点无人驾驶汽车实例

据悉：

二零一九年年一月重庆第一台5G无人驾驶巴士最大可容纳12人，最大时速为20公里，为纯电动行驶。该车无设驾驶舱、方向盘，仅依靠5G网络高可靠性和低时延的特性，在车载激光雷达全方位探测、车载计算机人工智能算法等新技术支撑下，准确绕过障碍物，自动调整前进速度。

据悉，该技术为重庆移动联合华为公司、东南大学先进车辆与新能源汽车实验室、法国EasyMile联合研发测试。该技术在重庆移动内部测试成功以后，后续还会应用于礼嘉5G智慧城无人定制公交场景。另据业内人士预测，未来不久，随着5G网络不断铺开，一个更安全、更有序、更快捷的崭新交通新方式，将快速到来。无人驾驶汽车实例我国重庆首台台5G无人驾驶巴士试运行视频无人驾驶汽车实例我国无人5G驾驶巴士最新视频无人驾驶汽车实例

谷歌无人驾驶汽车主要技术包括视频摄像头、激光雷达传感器以及激光测距器来了解周围的交通状况，并通过一个详尽的地图(通过有人驾驶汽车采集的地图)对前方的道路进行导航。

谷歌无人驾驶汽车（背向）

谷歌无人驾驶汽车（侧向）无人驾驶汽车实例谷歌第二代无人驾驶汽车试验视频无人驾驶汽车实例GoogleCar上核心器件是作为“眼睛”的VelodyneLidar公司生產的64光束激光雷达發射器。它可以一邊旋轉一邊不間斷的發射64束最遠射程可達120米的雷射光束，並接收反射回來的光束，依據返回時間的差別計算出物體與汽車之間的距離。從而繪製出汽車周圍即時的3D地形圖。图4HDL-64E高分辨率三维激光扫描雷达传感器（两种外形）无人驾驶汽车实例

HDL-64E的性能非常強大。每秒可以給GoogleCar的處理器提供130萬組資料，這可以保證提供給GoogleCar處理器的資訊幾乎是即時的。當然這也對處理器提出了更高的要求，這裡暫且按下不表。

图示是在HDL-64E的運作下GoogleCar看到的未经处理的图像。未经谷歌处理器处理的图像无人驾驶汽车实例

经处理看到的图像（-01）

经处理看到的图像（-02）雷达测距传感器汽车摄像头毫米波雷达（测速）§9-4新能源汽车定义及其种类

一、

新能源动力汽车定义及新能源动力汽车种类

1.新能源动力汽车定义

新能源汽车是指采用汽油、柴油之外燃料的汽车，例如利用天然气、液化石油气、甲醇、乙醇等替代燃料作为动力来源所形成的技术原理先进、具有新技术、新机构的汽车。

2.新能源动力汽车种类①纯电动汽车（EV）；②混合动力电动汽车；

③燃料电池动力电动汽车（FCEV）；④氢燃料动力电动汽车；⑤生物乙醇燃料动力电动汽车；⑥二甲醚燃料动力电动汽车；

⑦天然气燃料动力电动汽车；

⑧太阳能动力电动汽车；等。

§9-4新能源汽车定义及其种类

二、新能源动力电动汽车定义、种类、优缺点

1.新能源动力电动汽车定义

新能源电动汽车定义：新能源电动汽车是至少以一种动力源为车载电源，全部或部分由电机驱动，符合道路交通安全法规的汽车。

2.新能源动力电动汽车的种类

1）

以车载燃料电池为动力的燃料电池电动汽车；

2）以车载蓄电池为动力的蓄电池电动汽车，亦称之为纯电动汽车；

3）以车载多能源为动力的混合动力电动汽车，其动力来自2个或2个以上能源，如蓄电池、飞轮电池、太阳能、内燃机、燃气轮机、斯特林发动机等。

二、

新能源动力电动汽车定义、种类、优缺点

3.新能源动力电动汽车的优、缺点

随着能源危机和环境污染的全球两大突出问题日益严重，特别是随新能源电动汽车自身难点不断解决，使新能源动力电动汽车具有更多突出的优缺点。新能源动力电动汽车最大的的优点是能源来源丰富;运行零污染而且噪声小;汽车机构简单，维修方便；能源效率高。其缺点是能源密度低、充电时间长、成本高等。三、

新能源-纯电动汽车（EV）

纯电动汽车一般由底盘、车身、蓄电池、电机、控制器和辅助设施蓄电池六部分组成。由于电动机具有良好的牵引特性，因此蓄电池汽车的传动系统不需要离合器和变速器。车速控制由控制器通过调速系统改变电动机的转速即可实现。其工作原理是：由蓄电池向电动机提供电能来驱动汽车。在制动或减速时，电机作为发电机来回收能量。表示电能流表示机械能图1电流能与机械能三、

新能源-纯电动汽车（EV）图2纯电动汽车主要组成三、

新能源-纯电动汽车（EV）驱动形式一37三、

新能源-纯电动汽车（EV）驱动形式二

四、

新能源-混合动力电动汽车（HEV)

1.混合动力电动汽车定义

混合动力电动汽车是指同时装备两种动力来源—热动力源（由传统的汽油机或者柴油机产生）与电动力源（电池与电动机）的汽车。通过在混合动力汽车上使用电机，使得动力系统可以按照整车的实际运行工况要求灵活调控，而发动机保持在综合性能最佳的区域内工作，从而降低油耗与排放。

2.混合动力电动汽车（HEV）的主要技术组成1)发动机-采用四冲程内燃机（包括汽油机和柴油机）、二冲程内燃机（包括汽油机和柴油机）、转子发动机、燃气轮机和斯特林发动机等。2)电动机-采用直流电动机、交流感应电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机等。3)电池-采用不同的蓄电池、燃料电池、储能器和超级电容器等。

四、

新能源-混合动力电动汽车（HEV)

3.混合动力电动汽车的工作原理(以TOYOTA为例)

TOYOTA油电混合动力系统可完美地分别使用电动机和发动机来行驶，油耗与低一等级排量／车体尺寸的车辆相当，功率却与高一等级车辆相当。与同等排量的车辆相比，其低油耗性能居世界最高水平。其低油耗的工作原理是电动机和发动机分担各自的优势领域。

为了实现最高水准的低油耗，TOYOTA油电混合动力系统分别发挥电动机和发动机各自的特长来行驶。a．在启动及低速行驶时，TOYOTA油电混合动力系统仅利用电动机的动力来行驶，因为这时发动机的效率不高。b．在一般行驶时发动机效率很高，发动机产生的动力不仅是车轮的驱动力，同时也用来发电带动电动机，并给HV蓄电池充电。c．在减速或制动时，TOYOTA油电混合动力系统以车轮的旋转力驱动电动机发电，将能量回收到HV蓄电池中。

五、

新能源-燃料电池动力电动汽车（FCEV）

采用燃料电池作电源的电动汽车称为燃料电池电动汽车，即FuelCellElectricVhicle(FCEV)。其动力源是用燃料电池发动机-电动机系统。燃料电池驱动系统是FCEV的核心部分，不同燃料作为动力源，发电机系统组成是有差别的。目前，多以压缩氢气或液化氢气作为基本燃料。1.燃料电池（FuelCell）的基本原理燃料电池通过氧与氢结合成水的简单电化学反应而发电。燃料电池的基本组成有：电极、电解质、燃料和催化剂。二个电极被一个位于它们之间的、携带有充电电荷的固态或液态电解质分开。在电极上，催化剂，例如白金，常用来加速电化学反应。

为燃料电池基本原理示意图

燃料可以是H2、CH4、CH3OH、CO等，氧化剂一般是氧气或空气，电解质可为水溶液（H2SO4、H3PO4、NaOH等）、熔融盐（NaCO3、K2CO3）、固体聚合物、固体氧化物等。

五、

新能源-燃料电池动力电动汽车（FCEV）

单独的燃料电池堆是不能发电并用于汽车的，它必需和燃料供给与循环系统、氧化剂供给系统、水/热管理系统和一个能使上述各系统协调工作的控制系统组成燃料电池发电系统，简称燃料电池系统。燃料电池组辅助装置和关键设备：

(1)燃料和燃料储存器（包括碳氢化合物转化的重整器）

(2)氧化剂和氧化剂存储器(3)供给管道系统和调节系统(4)水和热管理系统2.燃料电池系统组成

五、

新能源-燃料电池动力电动汽车（FCEV）

燃料电池依据其电解质的性质而分为不同的类型，每类燃料电池需要特殊的材料和燃料，且使用于其特殊的应用。按电解质划分，燃料电池大致上可分为五类：质子交换膜燃料电池碱性燃料电池磷酸燃料电池溶化的碳酸盐燃料电池固态氧化物燃料电池。3.燃料电池的分类

五、

新能源-燃料电池动力电动汽车（FCEV）

五、

新能源-燃料电池动力电动汽车（FCEV）六、

新能源-氢燃料动力电动汽车通用Hy-wire（通用氢燃料电池车）的氢动三号：由200块相互串联挨一起的燃料电池块组成的电池组产生电力，通过68升氢气储存罐向燃料电池提供氢气。电池组所产生的电能输入电动机后，通过功率为60千瓦/82马力三相异步电机驱动车辆行驶，并几乎不产生任何噪声。氢储存罐分为两种，一种罐内储存的是温度为-353℃的液态氢气。另一种罐内储存的是承受最高压力可达700Pa的高压氢气。一次充气行驶里程分别可达400公里和270公里。下图为该汽车外形。六、新能源-氢燃料动力电动汽车我国最新研制的氢燃料动力车‘格罗夫氢能源电动汽车’简介：2019年3月由中国武汉资环工研院子公司“武汉格罗夫氢能源汽车有限公司”研制的中国首款自主品牌‘格罗夫氢能源电动汽车’，该车采用的是全球最先进的氢燃料电池组，经过氢氧电化学反应原理产生电动力，然后通过电动机推动车辆行驶，行驶过程中无比环保，所排放的只有水，真正做到了零排放。图示为其电池组示意图及首款黑莓红SUV轿车外形。据悉，这款氢能源乘用车的能源供给主要依靠氢气站加氢气，加氢仅需数分钟，续航就可达1000公里。七、

新能源-生物乙醇燃料动力电动汽车

在汽车上使用乙醇，可以提高燃料的辛烷值，增加氧含量，使汽车缸内燃烧更完全，可以降低尾气的害物的排放。

乙醇汽车的燃料应用方式：（1）掺烧，指乙醇和汽油掺合应用。在混合燃料中，乙醇和容积比例以“E”表示，如乙醇占10%，15%，则用E10，E15来表示，目前，掺烧占乙醇汽车占主要地位；（2）纯烧，即单烧乙醇，可用E100%表示，目前应用并不多，属于试行阶段；（3）变性燃料乙醇，指乙醇脱水后，再添加变性剂而生成乙醇，这也是属于试验应用阶步；（4）灵活燃料，指燃料既可用汽油，又可以使用乙醇或甲醇与汽油比例混合的燃料，还可以用氢气，并随时可以切换。如福特，丰田汽车均在试验灵活燃料汽车（FFV）七、新能源-生物乙醇燃料动力电动汽车

乙醇汽车的优、劣势：

作为生物燃料的一种，乙醇具备诸多优势，首先生产乙醇的原材料都是可再生的植物和农作物，很容易在自然界或通过种植而获得。其次，使用乙醇燃料还可以减少对石油的依赖。但是乙醇燃料还不能取代汽油或柴油，而只能作为补充。由于乙醇的能量密度比较低，因而使用E85的车型在理论上要比使用普通汽油的车型油耗高出30%，这样与汽油相比，使用E85%的优势就被平衡掉了。

乙醇汽车的市场应用：在目前已经上市的车型中，福特福克斯Flexifuel和萨博9-5Biopower都可以使用E85。在瑞典使用E85的福克斯占这一车型的80%，发动机配气机构通过传感器测量进入汽缸的燃料成分，并使点火时间和喷射量与之匹配。使用这种燃料的福克斯依然具有出色的行驶性能。大众汽车和奔驰的车型都采用在汽油中加入少量乙醇的方法，因为在德国只允许在汽油中加入5%的乙醇—这是一个所有汽油发动机都可以承受的比例。因为乙醇具有一定的腐蚀性，因此发动机的配气机构需要随着燃料的改变而作出相应的调整。八、

新能源-二甲醚燃料动力电动汽车

二甲醚汽车定义：二甲醚(DME)是一种无色无味的气体，具有优良的燃烧性能，清洁、十六烷值高、动力性能好、污染少，稍加压即为液体，非常适合作为压燃式发动机的代用能源，使用该燃料的车辆可达到美国加州的超低排放标准。日本NKK公司成功地开发出用劣质煤生产二甲醚的设备，并且和住友金属工业公司于1998年完成了用二甲醚作为汽车燃料的试验，二甲醚汽车(DMEV)不会排放黑色气体污染环境，产生的NOX比柴油少20%。

二甲醚汽车优势：

二甲醚用作车用燃料可以很好地替代柴油工作于压燃式发动机。研究表明，与柴油发动机相比，二甲醚发动机优势明显，其功率比柴油机高１０％至１５%，热效率比柴油机高２到３个百分点，噪音比柴油机低１０至１５分贝。更大的优势是，它能实现无烟燃烧、超低排放，能满足欧洲Ⅲ甚至欧洲Ⅳ排放标准和美国的加州超低排放（ULEV）标准。九、新能源-天然气动力电动汽车

1.天然气动力电动汽车定义天然气汽车又被称为“蓝色动力”汽车，主要以压缩天然气(CNG)、液化天然气(LNG)、吸附天然气(ANG)为燃料，常见的是压缩天然气汽车(CNGV)。

天然气汽车按所用气体燃料的种类分为以下几类：

按所用气体燃料的种类有：液化天然气汽车，它以液化石油气LNG作为燃料；压缩天然气汽车以天然气CNG作为燃料；吸附天然气汽车以天然气ANG作为燃料。

按所用燃料的数量和形式的分类有：单燃料燃气汽车；两用燃料燃气汽车、混合燃料燃气汽车。

2.天然气动力电动汽车原理天然气汽车的基本原理与汽油动力汽车的原理一样。

也就是说，燃料（本例中为天然气）在四冲程发动机的气缸中与空气混合，通过火花塞点火，推动活塞上下移动。

十、新能源-太阳能动力电动汽车

太阳能动力电动汽车是一种靠太阳能来驱动的汽车。相比传统热机驱动的汽车，太阳能汽车是真正的零排放。太阳能动力汽车的优、缺点：

其优点是有阳光的地方就能补充电能，行驶时不产生任何污染物。

其缺点是受现有太阳能电池转换效率制约，常见的汽车外形尺寸不能满足接收太阳光的光电板面积需求。而且受天气及云层的影响比较大。另外，普通电池组所提供的动力及续航能力很难达到需求(一般低于50km/h)，而采用高科技研发的电池组又面临造价高的难题。§9-5工业机器人技术

工业机器人(IndustrialRobot)是一种能模拟人的手、臂的部分动作，按照预定的程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具的自动化装置，是典型的机电一体化产品，在实现柔性制造、提高产品质量、代替人在恶劣环境条件下工作中发挥着重要作用。工业机器人一般应由机械系统、驱动系统、控制系统、检测传感系统和人工智能系统等组成。

一、工业机器人的组成、分类及规格指标

一、工业机器人的组成、分类及规格指标通常按坐标形式可分为图示五类。

一、工业机器人的组成、分类及规格指标工业机器人的技术参数是说明机器人规格指标，一般有以下几个方面：1.握取重量(即臂力)2.运动速度3.自由度4.定位精度5.程序编制与存储容量二、电动喷砂机器人（多关节型）该机器人为全电动式、五自由度、具有连续轨迹控制等功能的多关节型示教再现型机器人，用于高噪声、高粉尘等恶劣环境的喷砂作业。

图a图b

1.机器人机构原理五个自由度分别是：立柱回转（L）大臂回转（D）小臂回转（X）腕部俯仰（W1）腕部转动（W2）二、电动喷砂机器人（多关节型）

2.控制(驱动与检测)系统组成框图机器人控制系统框图如下图所示，控制系统(包括驱动与检测)主要由微型计算机、接口电路、速度控制单元、位置检测(码盘一编码器)电路、示教盒等组成。3.

机器人规格参数

4.运动学正运动学逆运动学§9-63D打印技术

一、

3D打印技术及应用领域3D打印技术是指：使用标准喷墨打印技术，通过将液态连结体铺放在粉末薄层上，以打印横截面数据的方式逐层创建各部件，创建三维实体模型，采用这种技术打印成型的样品模型与实际产品具有同样的色彩，还可以将彩色分析结果直接描绘在模型上，模型样品所传递的信息较大。

一、3D打印技术及应用领域理论上说，几乎只要存在的东西都可以通过3D打印机复制出来。随着技术的不断成熟，3D打印技术有望在以下几个行业中得到广泛使用：1）传统制造业2）医疗行业3）文物保护4）建筑设计行业5）配件饰品行业输送打印材料管道X-轴导轨工作台Z-轴升降导轨Y-轴导轨3D打印喷头3D打印机基本构成（控制组件未列出）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(X-Y-Z运动组件及工作台)、打印喷头、耗材（打印材料）及相关附件等组成，图示为3D打印机基本构成。二、3D打印机二、3D打印机---原理样机二、3D打印机---演示视频增材制造3D打印机与打印视频二、3D打印机3D打印机流程§9-7智能制造技术一、机械加工中心（MC）1.基本组成

机械加工中心作为机电一体化的典型产品，靠机电之间的互相促进，得到了很大发展，开发加工中心的目的是实现加工过程自动化，减少切削加工时间和非切削加工时间，提高劳动生产率。以日本FHNl00T机械加工中心为例，其机械装置的规格如下表所示。机械加工中心通常由以下几部分构成：①数控x、y、z三个移动装置；②能够进行工件多面加工的回转工作台；③自动换刀装置(ATC)；④CNC控制器。一、机械加工中心（MC）一、机械加工中心（MC）3轴加工中心5轴加工中心二、并联机构机床1.并联机床结构原型Stewart平台二、并联机构机床1.并联机床BKX-I型并联机床混联机床北理工研制的六杆并联数控加工视频北理工研制的PRS-XY型混联数控加工视频并联机床加工自动线视二、并联机构机床2.并联机床BKX-I型并联机床混联机床3.混联机床原理刀具姿态和Z坐标由并联部分实现，刀尖XY位置有XY工作台实现I.并联部分各点或轴的坐标3.混联机床原理动坐标系01X1Y1Z1对定坐标系OXYZ的齐次坐标变换矩阵可表示为I.并联部分各点或轴的坐标3.混联机床原理I.并联部分各点或轴的坐标3.混联机床原理II.XY平台部分各点或轴的坐标通常在轨迹规划中给定的是刀尖的位置0t=(xt,yt,zt)T和刀轴的方向矢量Nt=(ntx,nty,ntz)T。动平台中心与刀尖位于刀轴矢量的两端,可直接建立二者之间的关系zc=zt+ltntz可得，3.混联机床控制系统3.混联机床控制系统3.混联机床控制系统3.混联机床控制系统§9-8飞秒激光微纳制造技术及其应用1.飞秒激光概念

飞秒激光被誉为“最亮的光”“最快的刀”“最准的尺”，是脉冲时间极短、峰值功率极高的脉冲激光。飞秒，是一个时间尺度，1fs是10-15s，即一千万亿分之一秒，大约是电子从一个原子运动到另一个原子的时间。光在真空中的运动速度是300nm/fs，微观现象尤其是纳米尺度下的物理现象基本上都是超快现象，如图1所示。超快现象的研究是新材料、新工艺的基础，对以微纳科技为核心的现代制造业具有重要意义。各种微观过程的时间尺度如图所示。

各种微观过程的时间尺度§9-8飞秒激光微纳制造技术及其应用2.飞秒激光之特点①飞秒激光以脉冲形式运转，持续时间非常短，只有几个几十个飞秒;②飞秒激光具有非常高的瞬时功率，可达到百万亿瓦，比目前全世界发电总功率还要多出百倍；③它能聚焦到比头发的直径还要小的空间区域，使电磁场的强度比原子核对其周围电子的作用力还要高数倍；④物质在飞秒激光的作用下会产生非常奇特的现象，气态的物质、液态的物质、固态的物质瞬间都会变成等离子体;⑤它具有精确的靶向聚焦定位特点，能够聚焦到比头发的直径还要小的多的超细微空间区域;⑥用飞秒激光进行手术，没有热效应和冲击波，在整个光程中都不会有组织损伤。§9-8飞秒激光微纳制造技术及其应用飞秒激光具有极短的脉冲持续时间和极高的峰值功率，能直接作用于原子和电子，飞秒激光微加工过程热影响极小，几乎不对周边材料造成损害，加工区域极其精确并具有高度可重复性。与长脉冲激光（如纳秒）相比，飞秒脉冲激光加工的边缘极其整齐和精确，并能克服热效应所带来的弊端，是一种真正的“冷”加工方式，被誉为“最快的刀”。飞秒激光进行微纳米尺度“冷加工”具有绝对优势。

飞秒激光进行微纳“冷加工”的优势§9-8飞秒激光微纳制造技术及其应用

在脆性材料加工方面的应用

§9-8飞秒激光微纳制造技术及其应用

飞秒激光用于柔性材料加工

§9-8飞秒激光微纳制造技术及其应用飞秒激光用于微孔加工

在1mm厚的钢材下钻70µm的孔的结果，脉宽分别为:（a）200fs;（b）80ps;（c）3.3ns

相同激光能量，重复频率对出入口直径影响:(a}空气环境，（b）真空环境;不锈钢材料上空气环境加工直径100µm高品质微孔；（c)SEM图像，(d)孔型复制结构§9-8飞秒激光微纳制造技术及其应用可用于高密度三维光学数据存储、光波导、光波导分束器和光子晶体等的三维微细加工;当波长为800nm，能量为0.5µJ时，脉宽为100fs的脉冲经NA=0.65的显微物镜聚集到材料内部时，微爆炸形成的微腔直径约为300nm，小于光学衍射极限，如图（a）所示。由于材料内部因微爆炸形成的空腔非常小，所以可以实现高密度三维存储，存储密度可达到101zbit/cm3;同时根据毛细波理论研究了硅片表面制作大面积的直径为200nm左右的钉型阵列结构，如图（b）所示。透明材料内的三维光存储硅片表面亚微米结构阵列§9-8飞秒激光微纳制造技术及其应用美国罗切斯特大学的A.YVorobyev和ChunleiGuo等人通过飞秒激光在金属表面的烧蚀，得到了微米和各种纳米结构，如纳米腔、纳米突起和纳米轮缘。

飞秒激光在金属表面烧蚀得到的微米和各种纳米结构§9-8飞秒激光微纳制造技术及其应用

利用双光子微细加工技术加工出的三维微结构样件日本的H.B.Sun,T.kawata小组是开展飞秒激光双光子微细加工研究最多、最深入的研究单位。下图为他们利用双光子技术加工的世界上最小的纳米牛，以及齿轮、链等结构。§9-8飞秒激光微纳制造技术及其应用

由于多光子吸收必须在功率密度极高的焦点内很小的区域才会发生，光束几乎可以毫无哀减地到达材料内部的聚焦点，实现透明材料内部三维空间上任意部位的超精细加工，使得飞秒激加工过程具有严格的空间选择定位能力。下图为飞秒激光加工的一些三维微结构。利用飞秒激光多光子加工的一些三维微结构§9-8飞秒激光微纳制造技术及其应用

1999年，B.H.Cumpston等人在NATURE上报道了双光子吸收截面高达1250x10-50cm4s的共扼化合物，并制备出了丙烯酸光聚合材料。将波长为800nm、脉宽为150fs的飞秒激光束聚焦到这类光聚合预聚物材料里进行三维制造，制作了具有光子带隙的三维微器件(图a)，引起科学界的轰动。同年，美国《Science》杂志把光子晶体列为本年度十大科学进展之一。2004年，德国卡尔斯鲁厄大学M.Deubel等人在Naturematerials杂志上发表了采用双光子光聚合方法制备的三维木堆光子晶体结构(图b)，通过调节横向的光子晶体常数，得到了1.3-1.7微米的光子带隙，该带隙位于通讯波段。2006年，加拿大多伦多大学的S.John等人采用同样的方法分别在OPTICSLATTERS和OPTICSEXPRESS+x，上发表了3D-2D-3D(图c)和3+1D(图d)异质结构光子晶体的设计和制造，为集成光路和全光计算机时代的到来打下了坚实的基础。飞秒激光双光子光聚合制备的光子品体及异质结构光子晶体§9-8飞秒激光微纳制造技术及其应用

飞秒激光双光子光聚合微细加工生物器件。例如，血栓和溶血问题仍然是当前和今后要研究的两大课题。这些医学难题可以通过向血液里引入微型血泵来解决。下图是采用飞秒激光双光子光聚合制作的半开式微叶轮，加工功率为100mW，加工速度为60μm/s，叶轮内径为5µm，外径20μm，齿宽约为2µm,可作为医用器件用于人体。可将此叶轮植入血管作为血泵的组件，在外加动力下旋转，改变血液的运动和运输，防止溶血和凝血的形成。

生物器件微叶轮;(a)俯视图;(b)斜视图§9-8飞秒激光微纳制造技术及其应用飞秒激光在航空航天领域的应用（1）引擎喷油嘴打孔传统的微孔加工多用电火花，但对于孔径小于200µm的微孔，电火花的加工精度受到限制。近几年，德国开发出了飞秒激光加工微孔的技术，能够精密加工100µm以下的微孔。上图展示了引擎喷油嘴喷射燃油的情况，下图是利用飞秒激光在气缸内壁加工微槽用于储油，进而大幅度降低摩擦力，延长零部件的寿命,同时还可降低发热、磨损及噪声。

引擎喷油嘴打孔

飞秒激光表面处理可降低磨损100倍§9-8飞秒激光微纳制造技术及其应用（2）航空发动机叶片斜孔加工

航空飞机发动机叶片有大量的斜孔，加工难度大，效率低下。用飞秒激光进行斜孔加工也是近年各国大力投入研究的新型加工技术，下图展示了一个经激光斜孔加工后的发动机叶片。

经激光斜孔加工后的发动机叶片图中（a）为发动机；（b）为经飞秒激光斜孔加工的发动机叶片§9-8飞秒激光微纳制造技术及其应用飞秒激光的核心技术：由于飞秒激光的峰值功率非常高，无法直接对脉冲进行放大，主流的技术方案是先将飞秒脉冲进行展宽（如展宽到纳秒量级），再对展宽后的脉冲进行放大，最后对放大后的脉冲进行压缩，使其恢复到原来的飞秒量级，这就是啁啾脉冲放大技术（ChirpedPulseAmplification,CPA）。典型的啁啾（zhoujiu）脉冲放大飞秒激光器结构如图所示。啁啾脉冲放大飞秒激光器原理图

§9-8飞秒激光微纳制造技术及其应用北理工飞秒激光高质量高深径比微孔加工实验系统光路布局原理图飞秒激光微孔加工系统实际图，包括飞秒激光加工光路引入真空系统及相应的在线观测整体布局结构§9-8飞秒激光微纳制造技术及其应用飞秒激光加工所用真空加工系统原理图

§9-8飞秒激光微纳制造技术及其应用§9-8飞秒激光微纳制造技术及其应用

右图为利用上述飞秒激光微孔加工系统，在使用脉冲能量40µJ，脉冲个数5000个，焦距100mm的平凸透镜聚焦，设置1kHz重复频率，对比空气环境下(lO5Pa)（a）和真空环境下(1Pa>（f）所加工的直径为25微米深径比为110:1的微孔。其中（c）、（d）、（e）和(h）、（i）、（j）分别为(a)和（f）的局部放大图。（b）和(g)分别是空气和真空中所加工微孔的入口SEM图。实际加工深径比为110:1的孔§9-8飞秒激光微纳制造技术及其应用

图（a)和(b)分别为大气压(lOSPa)和真空(1Pa)环境下所加工的微孔，从左到右分别为200,500,1000,2000个脉冲的加工结果;（c）为(a)的基础上，在真空环境中保持激光聚焦位置不变再次作用2000个脉冲后的加工结果;（d）为(b)的基础上，在大气环境中保持激光聚焦位置不变再次作用2000个脉冲后的加工结果;（e）为(b)的基础上进一步在真空中加工的结果。右图为上述飞秒激光微孔加工系统在大气压与在真空环境下加工的微孔深度的比较。§9-9工业电子秤种类及其构成原理

典型的电子秤通常都采用模拟伺服系统或光电编码器来显示重量值，结构比较简单。但是随着电子秤外部设备的省力化和系统化的进展，对电子秤也开始要求更高的精度，更多的功能、更高速的数据处理和数据传输。这些如果不采用最新的电子技术是不可能实现的。在电子秤的重量传感部分、A/D转换部分、控制运