助老型全自動(dòng)“方便閱讀架”機(jī)械、控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制作【含全套CAD圖紙】【GC系列】

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1 導(dǎo)言 1.1 主題來源 讀書看報(bào)是現(xiàn)今老年人的主要娛樂方式之一。而 40 歲以后隨著人眼的晶狀體 逐漸纖維硬化，睫狀肌逐漸麻痹，使人眼無法有效調(diào)節(jié)眼球的形狀（軸向變化）， 只能通過調(diào)節(jié)眼睛與所視物體的距離，看近處的物體時(shí)必須移遠(yuǎn)才能看清楚，這 時(shí)的眼睛狀態(tài)就稱為老花眼。而隨著年齡增加，老花的度數(shù)也會(huì)隨著增加。例如， 45 歲時(shí)老花是 150 度，到了 50 歲，不管老人是否佩戴老花鏡，老花的度數(shù)都會(huì) 增加到 200 度。此時(shí)老年人看書看報(bào)等難免就會(huì)出現(xiàn)閱讀上的困難。為看清楚微 小的物體或物體的細(xì)節(jié)，就需要把物體移近眼睛，因?yàn)檫@樣可以增大視角，使在 視網(wǎng)膜上形成一個(gè)較大的實(shí)像。但當(dāng)物體離眼的距離太近時(shí)，反而無法看清楚。 換句話說話，要明察秋毫，不但應(yīng)使物體對(duì)眼睛有足夠大的張角，而且還應(yīng)取合 適的距離。顯然對(duì)眼睛來說，這兩個(gè)要求是相互制約的，若在眼睛前面配置一個(gè) 凸透鏡便能解決這一問題。此時(shí)老年人通常會(huì)佩戴老花鏡，或者使用放大鏡來幫 助自己看清物體。如果可以用機(jī)械設(shè)備控制放大鏡的位置，就可以解放老年人的 雙手，以一種更方便的方式控制放大鏡的位移，讓老年人能充分享受閱讀的樂趣。 1.2 方便閱讀架的研究目的 人口老齡化問題是當(dāng)今世界各國(guó)都要而臨的一個(gè)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。人口老齡化的發(fā) 展，導(dǎo)致老年人口過多，影響人口年齡結(jié)構(gòu)，給養(yǎng)老事業(yè)造成巨大壓力。對(duì)于我 國(guó)，這點(diǎn)尤為突出，一是我國(guó)老年人口的絕對(duì)數(shù)量很大，1996 年我國(guó) 65 歲以上 的老年人口已達(dá) 0.86 億，同年 60 歲以上的老人已達(dá) 1.30 億；二是我國(guó)人口老 齡化的發(fā)展速度快，一般西方國(guó)家從人口成年型國(guó)家進(jìn)入老年型國(guó)家要經(jīng)過 50-80 年，而我國(guó)大約用不了 20 年。 [1] 目前高齡老年人閱讀是他們了解社會(huì)的一種主要渠道，但是高齡老人閱讀確 實(shí)存在不小的困難，高齡老人的眼睛已經(jīng)嚴(yán)重老花，他們閱讀時(shí)不僅需要帶上高 深的老花鏡，還要手拿放大鏡，這樣才能勉強(qiáng)閱讀，這種閱讀方式不僅勞累，還 要隨著閱讀的部位的不同手持放大鏡不斷改變位置，增加了不少的閱讀負(fù)擔(dān)。本 設(shè)計(jì)擬設(shè)計(jì)一種老年人閱讀時(shí)使用的放大鏡擱置的擺放支架，它不僅可以按照老 人閱讀的速度自動(dòng)調(diào)整縱向（y）/橫向（x）的位置，實(shí)現(xiàn)類似我們利用電腦閱 1 讀時(shí)的自動(dòng)滾屏操作，還可以按照手動(dòng)控制的方式來實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制改變放大鏡的 位置，以實(shí)現(xiàn)閱讀不同的區(qū)域。 1.3 方便閱讀架的課題規(guī)劃 本課題基于機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化、力學(xué)、材料學(xué)、工業(yè)設(shè)計(jì)等相關(guān)專業(yè)學(xué)科 的知識(shí)體系的前提下完成設(shè)備的發(fā)明和制做。機(jī)電結(jié)合可使機(jī)械系統(tǒng)簡(jiǎn)化，性能 更完善。機(jī)電結(jié)合可獲得更高的精度。[2]應(yīng)用機(jī)械專業(yè)的相關(guān)知識(shí)完成產(chǎn)品的總 體設(shè)計(jì)，應(yīng)用力學(xué)，材料學(xué)的相關(guān)知識(shí)完成對(duì)產(chǎn)品的受力、壽命，成本等方面的 檢測(cè)，在工業(yè)設(shè)計(jì)的知識(shí)體系下應(yīng)用美學(xué)與外觀設(shè)計(jì)等知識(shí)對(duì)產(chǎn)品的外觀進(jìn)行美 化，使產(chǎn)品更人性化，更安全。應(yīng)用各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的預(yù)期設(shè)計(jì)功能，主 要運(yùn)用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠，同步齒形帶，等簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)放大鏡移動(dòng)的 控制。 1.4 方便閱讀架的意義及市場(chǎng)前景 1.該閱讀書架將傳統(tǒng)書架與放大鏡，單片機(jī)控制系統(tǒng)集成在一起，實(shí)現(xiàn)自動(dòng) 化方式從而解放雙手，極大提升了老年人閱讀體驗(yàn)。 2.該閱讀書架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單輕便，攜帶方便，成本低廉，易于生產(chǎn)制造，適合推 廣，是一款經(jīng)濟(jì)實(shí)用型產(chǎn)品。 3.該閱讀書架固定板與移動(dòng)板之間的距離可以調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同書脊厚度的 放置，提高了書籍的放置平整度，書架的傾斜角度還可以根據(jù)不同的閱讀習(xí)慣進(jìn) 行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到良好的閱讀效果。 4.結(jié)構(gòu)較為輕便，加工簡(jiǎn)單方便、成本低。 2 課題設(shè)計(jì)任務(wù)書 2.1 課題名稱 助老型全自動(dòng)“方便閱讀架”機(jī)械、控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制作 2.2 設(shè)計(jì)要求 2.2.1 設(shè)計(jì)要求Ⅰ 方便閱讀架是為老年人設(shè)計(jì)制造的一款設(shè)備，設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該著重考慮老年 人對(duì)于機(jī)器使用的學(xué)習(xí)及接受能力，機(jī)器的操作及其使用，應(yīng)該盡量簡(jiǎn)潔明了， 方便學(xué)習(xí)使用。 2 2.2.2 設(shè)計(jì)要求Ⅱ 要求方便閱讀架，在完成 X,Y,Z 坐標(biāo)，三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)時(shí)，要保證運(yùn)動(dòng)過程 的準(zhǔn)確性，使整臺(tái)設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)體占地空間小，成本低廉，讓老年人獲得更 好的閱讀體驗(yàn)。 2.2.3 設(shè)計(jì)要求Ⅲ 要求方便閱讀架具有良好的協(xié)調(diào)性，重要的部分可以進(jìn)行方便調(diào)整，如手動(dòng) 對(duì)焦部分可以方便的進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足閱讀需要。 3 工作原理與制作過程 3.1 概述 方便閱讀架的結(jié)構(gòu)主要采用基本的軸類件、桿件、絲桿、同步帶、皮帶輪、 板材等組成，采用 51 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)這一動(dòng)力機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要采取皮 帶傳動(dòng)、步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠傳動(dòng)等，結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)便，原材料完全可以選用于市 面上普通的現(xiàn)有材料，成本低廉，原材料廣泛。 3.2 工作原理 3.2.1 產(chǎn)品整體過程 簡(jiǎn)易方便閱讀架整體尺寸為長(zhǎng) 500mm，寬 400mm，高 500mm。該裝置主要由 同步帶運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，絲桿步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。絲桿步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要是 由步進(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力，通過彈性聯(lián)軸器將步進(jìn)電機(jī)與傳動(dòng)絲桿聯(lián)結(jié)，通過一個(gè)開 環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制，在此系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)受驅(qū)動(dòng)線路控 制，將進(jìn)給脈沖序列轉(zhuǎn)換成為具有一定方向、大小和速度的機(jī)械轉(zhuǎn)角位移，并通 過齒輪和絲杠帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)。 3 圖 1 總示意圖 進(jìn)給脈沖的頻率代表了驅(qū)動(dòng)速度，脈沖的數(shù)量代表了位移量，而運(yùn)動(dòng)方向是 由步進(jìn)電機(jī)的各相通電順序來決定，并且保持電機(jī)各相通電狀態(tài)就能使電機(jī)自 鎖。但由于該系統(tǒng)沒有反饋檢測(cè)環(huán)節(jié)，其精度主要由步進(jìn)電機(jī)來決定，速度也受 到步進(jìn)電機(jī)性能的限制并推送至所需位置等待安裝。同步帶運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，利用 35 步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)皮帶輪 如圖 1 所示產(chǎn)品總示意圖。 3.2.2 產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)原理介紹 運(yùn)動(dòng)過程如下： 1、將所讀書，報(bào)放在書架上，并使用夾子將書報(bào)固定好，并調(diào)整好閱讀角 度，接上直流電源。 2、啟動(dòng)單片機(jī)開關(guān)，使用紅外遙控器上設(shè)置的 8 個(gè)按鍵，可以靈活控制兩 個(gè)電機(jī)的啟動(dòng)，停止，正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，從而可以靈活變換放大鏡的位置，使放 大鏡可以隨時(shí)運(yùn)動(dòng)到老人閱讀時(shí)候所需要的位置。 上述過程簡(jiǎn)易方便，操作簡(jiǎn)單明了。經(jīng)過詳細(xì)計(jì)算，運(yùn)動(dòng)迅速準(zhǔn)確。且結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單，非標(biāo)準(zhǔn)件方便加工生產(chǎn)，大量節(jié)省制作成本。 3.3 助老型全自動(dòng)“方便閱讀架”各個(gè)零部件及其功能介紹 3.3.1 框架材料的參數(shù)及分析 圖 2 框架結(jié)構(gòu)示意圖 4 整體的框架是使用 PP 板制成，PP 板材具有質(zhì)輕、厚度均勻、表面光滑 平整、耐熱性好、機(jī)械強(qiáng)度高、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和電絕緣性、無毒等特征。PP 板廣泛應(yīng)用于化工容器、機(jī)械、電子、電器、食品包裝、醫(yī)藥、裝潢和水處理等 領(lǐng)域。PP 板實(shí)用溫度可達(dá) 100 度。 框架結(jié)構(gòu)如圖所示，主框架長(zhǎng) 480mm，寬 350mm，厚 0.8mm，在主框架左側(cè) 有一個(gè)長(zhǎng) 20mm，寬 270mm，的長(zhǎng)槽，下方有八個(gè)直徑為 3mm 的通孔，用于和下方 抬高板聯(lián)接。主框架下側(cè)是抬高板，其作用是給主框架后側(cè)步進(jìn)電機(jī)的安裝留足 空間，避免因空間不足，造成電機(jī)安裝困難。此外抬高板與主框架之間，使用四 個(gè)長(zhǎng) 25mm，寬 22mm，的合頁進(jìn)行聯(lián)接。所以主框架和抬高板之間可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn) 活動(dòng)，從而方便老人讀書時(shí)，變換閱讀視角，從而獲得更好的閱讀體驗(yàn)。主框架 右側(cè)有一長(zhǎng) 40mm，寬 350mm，厚 0.8mm 的小板用于固定夾書板。小板上開有一個(gè) 長(zhǎng) 20mm，寬 270mm，的長(zhǎng)槽，其與主框架的右側(cè)的長(zhǎng)槽的作用是為了給同步齒形 帶沿 Y 方向上下運(yùn)動(dòng)留出空間。 圖 3 框架組裝示意圖 小板于主框架使用兩個(gè)鐵制連接條，于板后使用螺釘進(jìn)行連接。主框架，連 接板，抬高板，連接圖如圖所示。 3.3.2 夾書板的參數(shù)及分析 夾書板的尺寸為長(zhǎng) 207mm，寬 270mm，厚 0.8mm，安裝在主框架的右側(cè)，其 與右側(cè)小板之間安裝有彈簧，使用時(shí)可將書籍的書脊放置于夾書板與主框架的間 隙處，在彈簧的作用下將書加緊。由于夾書板和主框架之間的間隙可調(diào)，所以可 5 以適應(yīng)不同厚度書籍的安放。 3.3.3 抬書版的參數(shù)及分析 由于主框架在老人閱讀時(shí)是處于傾斜狀態(tài)，為了保證書籍能平穩(wěn)的安放在， 主框架上安裝兩塊抬書版，對(duì)書籍進(jìn)行支撐。抬書板的尺寸為長(zhǎng) 120mm，寬 25mm， 厚 0.8mm，使用角鐵與主框架進(jìn)行連接。抬書版安裝位置如下圖所示： 圖 4 支書板安裝示意圖 [9] 3.3.4 定位導(dǎo)向板 定位導(dǎo)向板位于框架兩側(cè)，是由兩塊長(zhǎng) 30mm，寬 270mm，長(zhǎng)的 PP 板，使 用 AB 膠水，與框架粘接成一個(gè)三面導(dǎo)軌。AB 膠水是雙組份環(huán)氧樹脂 ab 膠膠粘 劑，具有高透明性能，粘接物固化后完美無痕，無需加熱，可常溫固化，環(huán)保無 毒；高粘接強(qiáng)度、韌性好、耐油、耐水等眾多優(yōu)點(diǎn)；固化物具有良好的絕緣、抗 壓、收縮率低等電氣及物理特性。廣泛應(yīng)用于各種高檔陶瓷、玻璃、金屬數(shù)碼科 技等產(chǎn)品的制造與修復(fù)。其有高粘接強(qiáng)度、韌性好、耐油、耐水、耐酸堿、防潮、 防塵性能等眾多優(yōu)點(diǎn)。可耐高低溫，耐濕熱和大氣老化；粘牢后固化物具有良好 的絕緣、抗壓、收縮率低等電氣及物理特性。 該導(dǎo)軌作用是對(duì)同步齒形帶 Y 方向運(yùn)動(dòng)，起到一定程度的限位作用。具體 結(jié)構(gòu)如圖所示： 6 圖 5 導(dǎo)軌安裝俯視圖 3.3.5 絲杠固定螺母 絲杠固定螺母，不僅要實(shí)現(xiàn)自身沿 Y 方向的的運(yùn)動(dòng)，而且要帶動(dòng)整個(gè)同步 齒形帶沿 Y 方向運(yùn)動(dòng)，整體結(jié)構(gòu)如下圖所示，該零件采用 3D 打印技術(shù)制作。3D 打印，即快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金 屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。由于該零件結(jié) 構(gòu)較為復(fù)雜，為非標(biāo)準(zhǔn)件，且體積較小，用 3D 打印技術(shù)制作，可節(jié)約大量成本， 并縮短生產(chǎn)周期，且可以滿足所需要的負(fù)載要求。在零件上下表面各開有一個(gè)六 方孔，用于放置螺母。側(cè)面開有一個(gè)直徑為 6mm 的孔，用于放置聯(lián)結(jié)前方皮帶 輪的橫軸。 圖 6 絲杠螺母示意圖 3.3.6 軸承座 該軸承座固定在板后，與軸承相配合，可起到支承絲杠的作用。該零件尺寸 較小，同絲杠螺母一樣，采用 3D 打印技術(shù)制作，使用螺釘固定在板后。 7 圖 7 軸承座示意圖 3.3.7 同步齒形帶 在機(jī)械設(shè)備傳動(dòng)中，有許多部位都需要大跨距傳動(dòng)大多采用皮帶傳動(dòng)或鏈條 傳動(dòng)，這兩種傳動(dòng)方式都存在缺陷，后來人們發(fā)明了同步帶，同步帶不但具有皮 帶傳動(dòng)適應(yīng)高速無噪聲的優(yōu)點(diǎn)，還具有鏈條傳動(dòng)比準(zhǔn)確的特點(diǎn)。[14] 同步帶傳動(dòng)是由一根內(nèi)周表面設(shè)有等間距齒形的環(huán)行帶及具有相應(yīng)吻合的 輪所組成。它綜合了帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)各自的優(yōu)點(diǎn)。轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過帶齒 與輪的齒槽相嚙合來傳遞動(dòng)力。 傳輸用同步帶傳動(dòng)具有準(zhǔn)確的傳動(dòng)比，無滑差， 可獲得恒定的速比，傳動(dòng)平穩(wěn)，能吸振，噪音小，傳動(dòng)比范圍大，一般可達(dá) 1:10。 允許線速度可達(dá) 50M/S，傳遞功率從幾瓦到百千瓦。傳動(dòng)效率高，一般可達(dá) 98%， 結(jié)構(gòu)緊湊，適宜于多軸傳動(dòng)，不需潤(rùn)滑，無污染，因此可在不允許有污染和工作 環(huán)境較為惡劣的場(chǎng)所下正常工作。[2] 同步帶具有以下優(yōu)點(diǎn)[5]： （1）傳動(dòng)準(zhǔn)確，工作時(shí)無滑動(dòng)，具有恒定的傳動(dòng)比； （2）傳動(dòng)平穩(wěn)，具有緩沖、減振能力，噪聲低； （3）傳動(dòng)效率高，可達(dá) 0.98，節(jié)能效果明顯； （4）維護(hù)保養(yǎng)方便，不需潤(rùn)滑，維護(hù)費(fèi)用低； （5）速比范圍大，一般可達(dá) 10，線速度可達(dá) 50m/s，具有較大的功率傳遞范圍， 可達(dá)幾瓦到幾百千瓦； （6）可用于長(zhǎng)距離傳動(dòng)，中心距可達(dá) 10m 以上。 8 （7）相對(duì)于 V 型帶傳送，預(yù)緊力較小，軸和軸承上所受載荷小； 主板兩側(cè)導(dǎo)槽中心距為 450mm,考慮到制造誤差和實(shí)際尺寸，皮帶松緊程度等因 素，本設(shè)計(jì)采用的同步帶型號(hào)為 380XL，具體參數(shù)見圖： 圖 8 同步齒形帶參數(shù)圖 [2] 3.3.8 步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。 在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)， 而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī) 按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度 一步一步運(yùn)行的。可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的 目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào) 速的目的。它能按照控制脈沖的要求，能迅速完成啟動(dòng)，正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，加速，減 速，制動(dòng)。[15] 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在工業(yè)上的應(yīng)用。它們主要用于低成本的開環(huán)高 性能。然而，作為動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的更新越來越快，他們的運(yùn)動(dòng)更精確，作為一個(gè)開環(huán) 系統(tǒng)，準(zhǔn)確可靠顯得更加的重要。[16]步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要是由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū) 動(dòng)器和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)構(gòu)成。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能，不但要取決于步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 啟動(dòng)器的好壞，也取決于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的自身性能。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn) 化為角位移的執(zhí)行元件。當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)來自控制器的脈沖信號(hào) 時(shí)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按照設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的步矩角，它的旋轉(zhuǎn)是通 過固定的步矩角一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)來運(yùn)行的。 9 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不能直接接通直流或交流電源工作，必須使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng) 器。脈沖信號(hào)發(fā)生器可以通過控制脈沖的個(gè)數(shù)來控制角位移量，這樣可以進(jìn)行準(zhǔn) 確定位；同時(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度和加速度可以通過控制脈沖頻率來控制可，從而 達(dá)到調(diào)速的目的。 圖 12 步進(jìn)電機(jī) 3.3.9 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 步進(jìn)電機(jī)是一種感應(yīng)電機(jī)，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分 時(shí)供電的，多相時(shí)序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機(jī)供電，步進(jìn)電機(jī)才能正常 工作，驅(qū)動(dòng)器就是為步進(jìn)電機(jī)分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制器。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接 收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱為 “步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè) 數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控 制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速和定位的目的。 驅(qū)動(dòng)器上的信號(hào)接口有六個(gè)，PUL＋和 PUL－為控制脈沖信號(hào)正端和負(fù)端； DIR＋和 DIR－為方向信號(hào)正端和負(fù)端；EN＋和 ENA－為使能信號(hào)的正端和負(fù) 端。電機(jī)接口有四個(gè)，A＋和 A－接步進(jìn)電機(jī) A 相繞組的正負(fù)端；B＋和 B－接 步進(jìn)電機(jī) B 相繞組的正負(fù)端。當(dāng) A、B 兩相繞組調(diào)換時(shí)，可使電機(jī)方向反向。電 源接口兩個(gè)，分別為 GND（負(fù)極），VCC（正極），采用直流電源供電，工作 電壓范圍建議為 20－50VDC。驅(qū)動(dòng)器有紅綠兩個(gè)指示燈。其中綠燈為電源指示 燈，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器上電后綠燈常亮；紅燈為故障指示燈，當(dāng)出現(xiàn)過溫、過流故障時(shí)， 10 故障燈常亮。故障清除后，紅燈滅。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器出現(xiàn)故障時(shí)，只有重新上電和重新 使能才能清除故障。驅(qū)動(dòng)器的外形尺寸為：118×75.5×34mm，安裝孔距為 112mmmm。既可以臥式和立式安裝，安裝時(shí)本設(shè)計(jì)采用立式安裝，有利于驅(qū)動(dòng) 器的散熱。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接線采用共陽極接法，PUL－（脈沖信號(hào)負(fù)端）接到單片機(jī) 上 P1.0 端口，DIR－（方向信號(hào)負(fù)端）接到單片機(jī) P1.1 端口，其正端接到單片 機(jī) VCC 端口。由于單片機(jī) VCC 電源為+5V，所以無需串接電阻 R。 圖 13 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接線圖 3.3.10 51 單片機(jī) 單片機(jī)（Microcontrollers）是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路 技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器 CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM、只讀存儲(chǔ)器 ROM、多種 I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電 路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D 轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu) 成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。 MCS-51 系列單片機(jī)是集中 CPU，它有如下特點(diǎn)： 1.可靠性高 因?yàn)樾酒前垂I(yè)測(cè)控環(huán)境要求設(shè)計(jì)的，故抗干擾的能力優(yōu)于 PC 機(jī)。系統(tǒng) 軟件(如：程序指令，常數(shù)，表格)固化在 ROM 中，不易受病毒破壞。許多信號(hào) 的通道均在一個(gè)芯片內(nèi)，故運(yùn)作時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。 2.控制功能強(qiáng) 具有豐富的控制指令，如：條件分支轉(zhuǎn)移指令，I/O 口的邏輯操作指令，位 11 處理指令。 3.便于擴(kuò)展 片內(nèi)具有計(jì)算機(jī)正常運(yùn)行所必需的部件，片外有很多供擴(kuò)展用的(總線，并 行和串行的輸入/輸出)管腳，很容易組成一定規(guī)模的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。 4.實(shí)用性好 體積小，功耗低，價(jià)格便宜，易于產(chǎn)品化。 3.3.11 鋰電池 整臺(tái)設(shè)備使用鋰電池供電，鋰電池有體積小，容量大，電壓穩(wěn)定，可以循環(huán) 使用，安全性強(qiáng)，擁有減少污染，有利于可持續(xù)發(fā)展等優(yōu)點(diǎn)。 以上為助老型全自動(dòng)“方便閱讀架”的主要零件及部件。 3.3.12 放大鏡 放大鏡固定在皮帶上，通過皮帶的運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)放大鏡左右運(yùn)動(dòng)。放大鏡通 過支架固定在兩皮帶輪間的連桿上，因此皮帶不會(huì)發(fā)生側(cè)翻的現(xiàn)象，支架和連桿 之間安裝有一個(gè)直線軸承，可以保證放大鏡正常的左右運(yùn)動(dòng)。在放大鏡左側(cè)安裝 了調(diào)焦絲杠，讀者可以通過轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)焦旋鈕，可以控制放大鏡沿 Z 軸運(yùn)動(dòng)，達(dá)到 調(diào)焦的目的。 圖 14 放大鏡 4 各部件設(shè)計(jì)及參數(shù)設(shè)定 4.1 同步齒形帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 同步齒形帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括 39 步進(jìn)電機(jī)，同步帶，皮帶輪，連接桿，放大鏡， 連接片，直線軸承，緊定螺釘，緊固螺母，螺栓等組成。 12 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：由安裝在左側(cè)的 39 步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)左側(cè)皮帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，放大鏡調(diào)整 結(jié)構(gòu)通過螺栓固定在皮帶上上方通過連接片將放大鏡與連接桿上的直線軸承連 接固定，從而可以使皮帶可以帶動(dòng)整個(gè)放大鏡調(diào)整機(jī)構(gòu)沿 X 方向平移。由于整個(gè) 放大鏡調(diào)整裝置是吊裝在連接桿上的，從而皮帶不會(huì)發(fā)生傾覆現(xiàn)象，可以正常平 穩(wěn)運(yùn)行。 圖 15 同步齒形帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖 4.2 步進(jìn)電機(jī)絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 步進(jìn)電機(jī)絲杠機(jī)構(gòu)包括 42 步進(jìn)電機(jī)、彈性聯(lián)軸器、絲杠螺母、軸承座、橫 向連接軸、螺釘、十字螺釘、托板支架、緊定螺釘、緊固螺母等組成。 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：由 42 步進(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠上的絲杠螺母通過 橫向連接軸帶動(dòng)整個(gè)同步齒形帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu) Y 方向運(yùn)動(dòng)。 圖 16 步進(jìn)電機(jī)絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖 滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算：螺旋傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)主要是指螺桿，螺母的固定和支 13 承的結(jié)構(gòu)形式。螺旋傳動(dòng)的工作剛度與精度等和支承結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系。[6]滑動(dòng)螺 旋的磨損與螺紋工作面上的壓力、滑動(dòng)速度、螺紋表面粗糙度以及潤(rùn)滑狀態(tài)等因 素有關(guān)。其中最主要的是螺紋工作面上的壓力，壓力越大螺旋副間越容易形成過 度磨損。因此，滑動(dòng)螺旋的耐磨性計(jì)算，主要是限制螺紋工作面上的壓力 p，使 其小于材料的許用壓力[p]。假設(shè)作用于螺桿的軸向力為 F（N），螺紋的承壓面 積（指螺紋工作表面投影到垂直于軸向力的平面上的面積）為 A（mm2），螺紋中 徑為 d2（mm），螺紋工作高度為 H（mm），螺紋螺距為 P（mm），螺母高度為 D （mm），螺紋工件圈數(shù)為 u＝H/P 。則螺紋工作面上的耐磨性條件為: F F FP p = = = ￡ A d hu d hH p p 2 2 [p] （1） 上式可作為校核計(jì)算用。為了導(dǎo)出設(shè)計(jì)計(jì)算式，令ф=H/d2， 則 H=фd2，， 代入式（5－43）引整理后可得: d 2 3 FP phf[ p] （2） 對(duì)于 30 度鋸齒形螺紋，h=0.75P，則： d 2 F 3 （3） 0.65 f [P] 螺母高度： H = f （4） d 2 [P]為材料的許用壓力，單位為 MPa，見表 1； ф值一般取 1.2～3.5。（對(duì)于整體螺母，由于磨損后不能凋整間隙，為使受力分 布比較均勻，螺紋工作圈數(shù)不宜過多，故取ф＝1.2～2.5 對(duì)于剖分螺母和兼作支 承的螺母，可取ф=2.5～3.5 只有傳動(dòng)精度較高；載荷較大，要求壽命較長(zhǎng)時(shí)，才 允許取ф=4。） 根據(jù)公式算得螺紋中徑 d2 后，應(yīng)按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)選取相應(yīng)的公稱直徑 d 及 P 螺紋工作圈數(shù)不宜超過 10 圈。 螺桿—螺母的材料 滑動(dòng)速度/ (m/min) 許用壓力 /MPa 鋼—青銅 低速 18~25 ≤3.0 11~18 14 6~12 7~10 >15 1~2 淬火鋼—青銅 6~12 10~13 鋼—鑄鐵 <2.4 13~18 6~12 4~7 鋼—鋼 低速 7.5~13 注：1、表中數(shù)值適用于ф=2.5～4 的情況。當(dāng)ф＜2.5 時(shí)，[p]值可提高 20％；若為剖分 螺母時(shí)則[p]值應(yīng)降低 15～20％。 2、表中摩擦系數(shù)啟動(dòng)時(shí)取大值，運(yùn)轉(zhuǎn)中取小值。 資料來源: 濮良貴等. 機(jī)械設(shè)計(jì) [M]（第八版）. 高等教育出版社,2006.5[6] 表 1 滑動(dòng)螺旋副材料的許用壓力[P] 對(duì)于升降運(yùn)動(dòng)的絲桿，其軸向力等于大臂、小臂、手指各部分及負(fù)載重量的 總和約為 25N，即 F=25N，取ф=1.2，[p]=7MPa,則由式（3）求出 25 d 0.8 1.38mm 2 ′ = 3 1.2 7 ′ 根據(jù)實(shí)物本身尺寸，以及市場(chǎng)實(shí)際情況選擇直徑為 M5，取中徑為 4.5mm. H =f 2 =1.2′4.5 = 5.4 d mm 查表取螺距 P=2mm,則工作圈數(shù) U＝H/P=5.4/2=2.7<3。根據(jù)其 200mm 的行程及 運(yùn)動(dòng)和安裝余量，設(shè)計(jì)其長(zhǎng)度為 270mm。 4.3 動(dòng)力及控制機(jī)構(gòu) 4.3.1 常見的步進(jìn)電機(jī)控制方案 1、基于電子電路的控制 步進(jìn)電機(jī)受電脈沖信號(hào)控制，電脈沖信號(hào)的產(chǎn)生、分配、放大全靠電子元器 件的動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)。由于脈沖控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力一般都很弱，因此必須有功率放 大驅(qū)動(dòng)電路。步進(jìn)電機(jī)與控制電路、功率放大驅(qū)動(dòng)電路組成一體，構(gòu)成步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。此種控制電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)一般步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分任務(wù)。 這個(gè)系統(tǒng)由三部分組成：脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路、脈沖信號(hào)分配電路、功率放大驅(qū)動(dòng) 電路。 此種方案即可為開環(huán)控制，也可閉環(huán)控制。開環(huán)時(shí)，其平穩(wěn)性好，成本低， 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但未能實(shí)現(xiàn)高精度細(xì)分。采用閉環(huán)控制，即能實(shí)現(xiàn)高精度細(xì)分，實(shí)現(xiàn) 15 無級(jí)調(diào)速。閉環(huán)控制是不斷直接或間接地檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置和速度，然后通過反饋 和適當(dāng)?shù)奶幚恚詣?dòng)給出脈沖鏈，使步進(jìn)電機(jī)每一步響應(yīng)控制信號(hào)的命令，從而 只要控制策略正確電機(jī)不可能輕易失步。該方案多通過一些大規(guī)模集成電路來控 制其脈沖輸出頻率和脈沖輸出數(shù)，功能相對(duì)較單一，如需改變控制方案，必須需 重新設(shè)計(jì)，因此靈活性不高。 2、基于 PLC 的控制 PLC 也叫可編程控制器，是一種工業(yè)上用的計(jì)算機(jī)。PLC 作為新一代的工業(yè) 控制器，由于具有通用性好、實(shí)用性強(qiáng)、硬件配套齊全、編程簡(jiǎn)單易學(xué)和可靠性 高等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的自動(dòng)控制系統(tǒng)中。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)有 PLC、環(huán) 形分配器和功率驅(qū)動(dòng)電路組成?？刂葡到y(tǒng)采用 PLC 來產(chǎn)生控制脈沖。通過 PLC 編程輸出一定數(shù)量的方波脈沖，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角進(jìn)而控制伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給 量，同時(shí)通過編程控制脈沖頻率來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，進(jìn)而控制伺服機(jī)構(gòu) 的進(jìn)給速度。環(huán)形脈沖分配器將 PLC 輸出的控制脈沖按步進(jìn)電機(jī)的通電順序分配 到相應(yīng)的繞組。PLC 控制的步進(jìn)電機(jī)可以采用軟件環(huán)形分配器，也可采用硬件環(huán) 形分配器。采用軟件環(huán)形分配器占用 PLC 資源較多，特別是步進(jìn)電機(jī)繞組相數(shù)大 于 4 時(shí)，對(duì)于大型生產(chǎn)線應(yīng)該予以考慮。采用硬件環(huán)形分配器，雖然硬件結(jié)構(gòu)稍 微復(fù)雜些，但可以節(jié)省 PLC 資源，目前市場(chǎng)有多種專用芯片可以選用。步進(jìn)電機(jī) 功率驅(qū)動(dòng)電路將 PLC 輸出的控制脈沖放大，達(dá)到比較大的驅(qū)動(dòng)能力，來驅(qū)動(dòng)步進(jìn) 電機(jī)。 采用軟件來產(chǎn)生控制步進(jìn)電機(jī)的環(huán)型脈沖信號(hào)，并用 PLC 中的定時(shí)器來產(chǎn)生 速度脈沖信號(hào)，這樣就可以省掉專用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，降低硬件成本。但由于 PLC 的掃描周期一般為但由于 PLC 的掃描周期一般為幾毫秒到幾十毫秒，相應(yīng)的 頻率只能達(dá)到幾百赫茲，因此，受到 PLC 工作方式的限制及其掃描周期的影響， 步進(jìn)電機(jī)不能在高頻下工作，無法實(shí)現(xiàn)高速控制。并且在速度較高時(shí)，由于受到 掃描周期的影響，相應(yīng)的控制精度就降低了。 3、基于單片機(jī)的控制 采用單片機(jī)來控制步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了軟件與硬件相結(jié)合的控制方法。用軟件 代替環(huán)形分配器，達(dá)到了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制。系統(tǒng)中采用單片機(jī)接口線直接 去控制步進(jìn)電機(jī)各相驅(qū)動(dòng)線路。由于單片機(jī)的強(qiáng)大功能，還可設(shè)計(jì)大量的外圍電 16 路，鍵盤作為一個(gè)外部中斷源，設(shè)置了步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、檔次、停止等功能， 采用中斷和查詢相結(jié)合的方法來調(diào)用中斷服務(wù)程序，完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控 制，顯示器及時(shí)顯示正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)速度等狀態(tài)。環(huán)形分配器其功能由單片機(jī)系統(tǒng)實(shí) 現(xiàn)，采用軟件編程的辦法實(shí)現(xiàn)脈沖的分配。 本方案有以下優(yōu)點(diǎn)： (1)單片機(jī)軟件編程可以使復(fù)雜的控制過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和精確控制，避免 了失步、振蕩等對(duì)控制精度的影響； (2)用軟件代替環(huán)形分配器，通過對(duì)單片機(jī)的設(shè)定，用同一種電路實(shí)現(xiàn)了多 相步進(jìn)電機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)，大大提高了接口電路的靈活性和通用性； (3)單片機(jī)的強(qiáng)大功能使顯示電路、鍵盤電路、復(fù)位電路等外圍電路有機(jī)的 組合，大大提高系統(tǒng)的交互性。 基于以上優(yōu)點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)采用基于單片機(jī)的控制方案。 4.3.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù) 步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件.是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自 動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展.步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增. 在各個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。[11]步進(jìn)電動(dòng)機(jī)上個(gè)世紀(jì)就出現(xiàn)了，它的組成、工 作原理和今天的反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)沒有什么本質(zhì)區(qū)別，也是依靠氣隙間的磁導(dǎo)變 化來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。上世紀(jì) 80 年代以后，由于廉價(jià)的微型計(jì)算機(jī)以多功能的姿 態(tài)出現(xiàn)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制方式變得更加靈活多樣。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)指的是用 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)級(jí)來實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)各相繞組的通電和斷電，同時(shí)也是對(duì) 繞組承受的電壓和電流進(jìn)行控制的技術(shù)。到目前為止，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)通常分 為單電壓驅(qū)動(dòng)、單電壓串電阻驅(qū)動(dòng)、高低壓驅(qū)動(dòng)、斬波恒流驅(qū)動(dòng)、升頻升壓驅(qū)動(dòng) 和細(xì)分驅(qū)動(dòng)等。 單電壓驅(qū)動(dòng)是通過改變電路的時(shí)間常數(shù)以提高電機(jī)的高頻特性。該驅(qū)動(dòng)方式 早在六十年代初期國(guó)外就已大量使用，它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低；缺點(diǎn)是串 接電阻器的做法將產(chǎn)生大量的能量損耗，尤其是在高頻工作時(shí)更加嚴(yán)重，因而它 只適用于小功率或?qū)π阅苤笜?biāo)要求不高的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。單電壓串電阻驅(qū)動(dòng)是在 單電壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)的基礎(chǔ)上為電樞繞組回路串入電阻，用以改善電路的時(shí)間常數(shù)以 提高電機(jī)的高頻特性。它提高了步進(jìn)電機(jī)的高頻響應(yīng)、減少了電動(dòng)機(jī)的共振，也 17 帶來了損耗大、效率低的缺點(diǎn)。這種驅(qū)動(dòng)方式目前主要用于小功率或啟動(dòng)、運(yùn)行 頻率要求不高的場(chǎng)合。 高低壓驅(qū)動(dòng)是指不論電動(dòng)機(jī)的工作頻率是多少，在導(dǎo)通相的前沿用高電壓供 電來提高電流的上升沿斜率，而在前沿過后采用低電壓來維持繞組的電流，即采 用加大繞組電流的注入量以提高出力，而不是通過改善電路的時(shí)間常數(shù)來使矩頻 性能得以提高。但是使用這種驅(qū)動(dòng)方式的電機(jī)，其繞組的電流波形在高壓工作結(jié) 束和低壓工作開始的銜接處呈凹形，致使電機(jī)的輸出力矩有所下降。這種驅(qū)動(dòng)方 式目前在實(shí)際應(yīng)用中還比較常見。 為了彌補(bǔ)高低壓電路中電流波形的下凹，提高輸出轉(zhuǎn)矩，七十年代中期研制 出斬波電路，該電路由于采用斬波技術(shù)，使繞組電流在額定值上下成鋸齒形波動(dòng)， 流過繞組的有效電流相應(yīng)增加，故電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩增大，而且不需外接電阻，整 個(gè)系統(tǒng)的功耗下降，效率較高，因而恒流斬波電路得到了廣泛應(yīng)用，本文正是應(yīng) 用恒流斬波技術(shù)實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)控制[15]。 為改善恒流驅(qū)動(dòng)方式的低頻特性，設(shè)計(jì)一個(gè)低速時(shí)低電壓驅(qū)動(dòng)，高速時(shí)高電 壓驅(qū)動(dòng)的電路，使其成為一個(gè)由脈沖頻率控制的可變輸出電壓的開關(guān)穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)電 源。在低速運(yùn)行時(shí)，電子控制器調(diào)節(jié)功率開關(guān)管的導(dǎo)通角，使線路輸出的平均電 壓較低，電動(dòng)機(jī)不會(huì)像在恒流斬波驅(qū)動(dòng)下那樣在低速容易出現(xiàn)過沖或共振現(xiàn)象， 從而避免產(chǎn)生明顯的振蕩。當(dāng)運(yùn)行速度逐漸變快時(shí)，平均電壓漸漸提高以提供給 繞組足夠的電流。調(diào)頻調(diào)壓線路性能優(yōu)于恒電壓和恒電流線路，但實(shí)際運(yùn)行中需 要針對(duì)不同參數(shù)的電機(jī)，相應(yīng)調(diào)整其輸出電壓與輸入頻率的特性。 細(xì)分驅(qū)動(dòng)是指在每次脈沖切換時(shí)，不是將繞組的全部電流通入或切除，而是 只改變相應(yīng)繞組中電流的一部分，電動(dòng)機(jī)的合成磁勢(shì)也只旋轉(zhuǎn)步距角的一部分。 細(xì)分驅(qū)動(dòng)時(shí)，繞組電流不是一個(gè)方波而是階梯波，額定電流是臺(tái)階式的投入或切 除。比如：電流分成 n 個(gè)臺(tái)階，轉(zhuǎn)子則需要 n 次才轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角，即 n 細(xì)分細(xì) 分驅(qū)動(dòng)最主要的優(yōu)點(diǎn)是步距角變小，分辨率提高，且提高了電機(jī)的定位精度、啟 動(dòng)性能和高頻輸出轉(zhuǎn)矩：其次，減弱或消除了步進(jìn)電機(jī)的低頻振動(dòng)，降低了步迸 電機(jī)在共振區(qū)工作的幾率?？梢哉f細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)的 一個(gè)飛躍。 在一般的步進(jìn)電機(jī)工作中，其電源均采用單極性直流電，通過對(duì)步進(jìn)電機(jī)的 18 各相繞組按恰當(dāng)?shù)臅r(shí)序方式通電，就可使其執(zhí)行步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)某一相繞組通電時(shí) 相應(yīng)的兩個(gè)磁極就分別形成 N-S 極產(chǎn)生磁場(chǎng)，并與轉(zhuǎn)子形成磁路。在磁場(chǎng)的作用 下，轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，使轉(zhuǎn)子齒與定子齒對(duì)其，從而使步進(jìn)電機(jī)向前“走” 一步。轉(zhuǎn)子的角位移大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)及頻率成正比，并在時(shí)間 上與輸入的脈沖同步。只要能正確控制輸入的電脈沖數(shù)、頻率以及電機(jī)各相繞組 通電的相序，即可得到所需要的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，通過單片機(jī)很容易實(shí)現(xiàn)對(duì)步 進(jìn)電機(jī)的數(shù)字控制。 本設(shè)計(jì)采用 51 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)兩相步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。由單片機(jī)產(chǎn)生的脈 沖信號(hào)經(jīng)過脈沖分配器后分解出對(duì)應(yīng)的脈沖，分解出的脈沖經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路功率放大 后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。其動(dòng)力提供主要來源于步進(jìn)電機(jī)以及運(yùn)用 51 單片機(jī)控 制電機(jī)的運(yùn)行。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器必須與步進(jìn)電機(jī)型號(hào)相匹配，否則，將會(huì)損壞步 進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器。 4.3.3 步進(jìn)電機(jī)的選擇 （1）電動(dòng)機(jī)類型和結(jié)構(gòu)的選擇： 步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)和無刷直流電機(jī)的主要區(qū)別在于他們的驅(qū)動(dòng)方式。步進(jìn) 電機(jī)是以步階方式分段移動(dòng)，直流電機(jī)和無刷直流電機(jī)通常采用連續(xù)移動(dòng)的控制 方式。步進(jìn)電機(jī)采用直接控制方式，它的主要命令和控制變量都是步階位置。 直 流電機(jī)則是以電機(jī)電壓為控制變量，以位置或速度為命令變量。直流電機(jī)需要反 饋控制系統(tǒng)，他會(huì)以間接方式控制電機(jī)位置。步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)多半以“開環(huán)方式” 進(jìn)行操作。 （2）螺桿的扭矩計(jì)算及步進(jìn)電機(jī)的選用 螺桿的的扭矩為 T，負(fù)載為 F，導(dǎo)程為 P，η為螺桿傳遞效率，它們之間存 在： T = FP 2 ph （1） 首先計(jì)算水平伸縮絲桿的相關(guān)參數(shù)： 其中 F=100N,P=1.5mm,η在 0.3-0.4 之間，取η=0.4，則由式（1）求出 19 由以上計(jì)算結(jié)果可知絲桿所需扭矩均不大，所以選擇 42 步進(jìn)電機(jī)較為合適。 由相關(guān)手冊(cè)查出適用的電動(dòng)機(jī)型號(hào)：（如下表 2） 根據(jù)步進(jìn)電機(jī)工作特性，靜力矩需要為負(fù)載轉(zhuǎn)矩的 2—3 倍，將 T1 和 T2 進(jìn)行 單位換算：T1=48N·mm=0.483kg·cm，3T1=3′0.483kg·cm=1.449kg·cm 根據(jù)表 2 選取步進(jìn)電機(jī)，升降絲杠選配 42BYGH202 型步進(jìn)電機(jī)即可。 表 2 42 電動(dòng)機(jī)型號(hào) 資料來源：王文斌等.機(jī)械手冊(cè)[K] 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.8 [9] 電動(dòng)機(jī)主要外形和電機(jī)接線圖如圖： 20 4.4 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4.4.1 控制系統(tǒng)的選擇 控制系統(tǒng)主要用來控制電機(jī)的啟停以及正反轉(zhuǎn)，綜合幾種控制系統(tǒng)，最終 選擇 51 單片機(jī)進(jìn)行控制，該系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)： (1) 系統(tǒng)構(gòu)成靈活，擴(kuò)展容易，以開關(guān)量控制為其特長(zhǎng)；也能進(jìn)行連續(xù)過程 的 PID 回 路控制；并能與上位機(jī)構(gòu)成復(fù)雜的控制系統(tǒng)，如 DDC 和 DCS 等，實(shí)現(xiàn) 生產(chǎn)過程的綜合自動(dòng)化。 (2) 使用方便，編程簡(jiǎn)單，采用簡(jiǎn)明的梯形圖、邏輯圖或語句表等編程語言， 而無需計(jì)算機(jī)知識(shí)，因此系統(tǒng)開發(fā)周期短，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試容易。另外，可在線修改程 序，改變控制方案而不拆動(dòng)硬件。 (3) 能適應(yīng)各種惡劣的運(yùn)行環(huán)境，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性強(qiáng)，遠(yuǎn)高于其他各 種機(jī)型。[18] 程序燒錄：hex 文件需要通過燒錄軟件，燒錄進(jìn)單片機(jī)中。 編輯程序如下： /******************************************************************** *********** --------------------------------------------------------------------- * 實(shí) 驗(yàn) 名 : 紅外線試驗(yàn) * 實(shí)驗(yàn)說明 : 數(shù)碼管顯示紅外線發(fā)送過來的鍵值。 * 連接方式 : 見連接圖 * 注 意 : ********************************************************************* **********/ #include unsigned char bdata flag=0; sbit RunOrStop_flag_One=flag^0; sbit RunOrStop_flag_Two=flag^1; 21 sbit IRIN=P3^2; sbit Cp_Motor_One=P1^0;//接 IN1 控制轉(zhuǎn)速 sbit Dir_Motor_One=P1^1;//接 IN2 控制方向 （1--逆時(shí)針；0--順時(shí)針） sbit Cp_Motor_Two=P1^2;//接 IN1 控制轉(zhuǎn)速 sbit Dir_Motor_Two=P1^3;//接 IN2 控制方向 （1--逆時(shí)針；0--順時(shí)針） unsigned char IrValue[4]; //用來存放讀取到的紅外值 unsigned char Time; void IrInit(); void DelayMs(unsigned int ); ////////////////////////////////////////////// /////////// 初始化函數(shù) //////////////// //////////////////////////////////////////// void Iint_Parameter(void) { TMOD=0x01; //設(shè)置定時(shí)器模式 TL0=0x8d; //設(shè)置定時(shí)初值 TH0=0xFf; //設(shè)置定時(shí)初值 ET0=1; //允許定時(shí)器中斷 TR0=1; EA=1; //開總中斷 } void main() { IrInit(); Iint_Parameter(); while(1) { ; } 22 } /******************************************************************** *********** * 函數(shù)名 : DelayMs() * 函數(shù)功能 : 延時(shí) * 輸入 : x * 輸出 : 無 ********************************************************************* **********/ void DelayMs(unsigned int x) //0.14ms 誤差 0us { unsigned char i; while(x--) { for (i = 0; i<13; i++) {} } } /******************************************************************** *********** * 函數(shù)名 : IrInit() * 函數(shù)功能 : 初始化紅外線接收 * 輸入 : 無 * 輸出 : 無 ********************************************************************* **********/ void IrInit() 23 { IT0=1;//下降沿觸發(fā) EX0=1;//打開中斷 0 允許 EA=1; //打開總中斷 IRIN=1;//初始化端口 } /******************************************************************** *********** * 函數(shù)名 : ReadIr() * 函數(shù)功能 : 讀取紅外數(shù)值的中斷函數(shù) * 輸入 : 無 * 輸出 : 無 ********************************************************************* **********/ void ReadIr() interrupt 0 { unsigned char j,k; unsigned int err; Time=0; DelayMs(70); if(IRIN==0) //確認(rèn)是否真的接收到正確的信號(hào) { err=1000; //1000*10us=10ms,超過說明接收到錯(cuò)誤的信號(hào) 24 /*當(dāng)兩個(gè)條件都為真是循環(huán)，如果有一個(gè)條件為假的時(shí)候跳出循環(huán)，免 得程序出錯(cuò)的時(shí)侯，程序死在這里*/ while((IRIN==0)&&(err>0))//等待前面 9ms 的低電平過去 { DelayMs(1); err--; } if(IRIN==1) //如果正確等到 9ms 低電平 { err=500; while((IRIN==1)&&(err>0)) //等待 4.5ms 的起始高電平過去 { DelayMs(1); err--; } for(k=0;k<4;k++) //共有 4 組數(shù)據(jù) { for(j=0;j<8;j++) //接收一組數(shù)據(jù) { err=60; while((IRIN==0)&&(err>0)) //等待信號(hào)前面的 560us 低電平過去 { DelayMs(1); err--; } err=500; 25 while((IRIN==1)&&(err>0)) //計(jì)算高電平的時(shí)間長(zhǎng)度。 { DelayMs(1);//0.14ms Time++; err--; if(Time>30) { EX0=1; return; } } IrValue[k]>>=1; //k 表示第幾組數(shù)據(jù) if(Time>=8) //如果高電平出現(xiàn)大于 565us，那么是 1 { IrValue[k]|=0x80; } Time=0; //用完時(shí)間要重新賦值 } } } switch(IrValue[2]) { case 0x45:RunOrStop_flag_One=1;break; case 0x44:RunOrStop_flag_One=0;break; case 0x07:Dir_Motor_One=1;break; case 0x16:Dir_Motor_One=0;break; 26 case 0x46:RunOrStop_flag_Two=1;break; case 0x40:RunOrStop_flag_Two=0;break; case 0x15:Dir_Motor_Two=1;break; case 0x19:Dir_Motor_Two=0;break; default:break; } return; } } ////////////////////////////////////////////// /* 定時(shí)器 0 數(shù)據(jù)處理中斷函數(shù) */ ///////////////////////////////////////////// void T0_ISR(void) interrupt 1 { TL0=0x8d; //設(shè)置定時(shí)初值 TH0=0xFf; if(RunOrStop_flag_One==1) { Cp_Motor_One=!Cp_Motor_One; } if(RunOrStop_flag_Two==1) { Cp_Motor_Two=!Cp_Motor_Two; } } 5 總結(jié) 目前市場(chǎng)上的閱讀架，功能比較單一，大多只單單提供了固定書籍位置的功 能，并不能滿足高齡老年人閱讀的需求，本設(shè)計(jì)要解決的問題主要是為老年人閱 27 讀看報(bào)提供一個(gè)操作簡(jiǎn)單，方便實(shí)用的自動(dòng)化機(jī)械產(chǎn)品，以幫助老年人在視力受 老花眼限制的狀況下更好地閱讀。有了既定結(jié)構(gòu)的放大鏡閱讀架能夠免去老年人 手持放大鏡的不便，可以讓雙手解放出來去做其它事情，還能避免佩戴眼鏡的不 適。閱讀架可以通過調(diào)節(jié)按鈕實(shí)現(xiàn)放大鏡上下左右平移，同時(shí)能夠保證移動(dòng)速度 均勻，優(yōu)化老年人的讀書條件。整個(gè)控制過程使用紅外遙控實(shí)現(xiàn)，讓使用者可以 通過按鍵選擇放大鏡的移動(dòng)狀態(tài)。讓產(chǎn)品充分發(fā)揮機(jī)電一體化產(chǎn)品的特點(diǎn)，使其 運(yùn)行簡(jiǎn)單可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易輕便，滿足老年人的讀書看報(bào)需求。 5.1 方便閱讀架的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì) 1.該閱讀書架將傳統(tǒng)書架與放大鏡，單片機(jī)控制系統(tǒng)集成在一起，實(shí)現(xiàn)自動(dòng) 化方式從而解放雙手，極大提升了老年人閱讀體驗(yàn)。 2.該閱讀書架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單輕便，攜帶方便，成本低廉，易于生產(chǎn)制造，適合推 廣，是一款經(jīng)濟(jì)實(shí)用型產(chǎn)品。 3.該閱讀書架固定板與移動(dòng)板之間的距離可以調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同書脊厚度的 放置，提高了書籍的放置平整度，書架的傾斜角度還可以根據(jù)不同的閱讀習(xí)慣進(jìn) 行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到良好的閱讀效果。 4.結(jié)構(gòu)輕便，加工簡(jiǎn)單方便、成本低。 5.2 方便閱讀架的不足及未來發(fā)展 本設(shè)計(jì)提出了一份靈活的、簡(jiǎn)單便捷的方便閱讀架。本的目的是設(shè)計(jì)一個(gè)方 便老年人讀書的閱讀架。通過紅外遙控靈活控制放大鏡的位置，方便老年人閱讀。 穩(wěn)定的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以有效保證運(yùn)動(dòng)的可靠性與精確性。此外，通過單片機(jī)控制及 紅外控制等可以實(shí)現(xiàn)隨開隨停。 未來需要改進(jìn)的部分包括增加傳感器和控制部分，通過傳感器的信號(hào)采集與 控制系統(tǒng)的相互配合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別書籍位置，并通過機(jī)械結(jié)構(gòu)完成運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn) 其自動(dòng)化和智能化。由于每個(gè)人的閱讀速度都不一樣，建議設(shè)計(jì)調(diào)速系統(tǒng)，使得 步進(jìn)電機(jī)速度可以靈活調(diào)節(jié)，可以滿足不同人的閱讀需求。在今后的改進(jìn)過程中， 還應(yīng)注重于將本設(shè)計(jì)朝輕型化，簡(jiǎn)單化發(fā)展，選用更合適的材料和零件，使整體 結(jié)構(gòu)更加輕巧。同時(shí)簡(jiǎn)化操作，使老年人可以很容易掌握設(shè)備的主要操作。今后 在設(shè)計(jì)過程中還應(yīng)注意將產(chǎn)品的每一個(gè)細(xì)節(jié)需求點(diǎn)和每一個(gè)設(shè)計(jì)策略相結(jié)合，把 他們的意識(shí)到的和他們下意識(shí)的情感需求放到首位[17]。在后期也可增加自動(dòng)翻頁 結(jié)構(gòu)，更大程度上解放老年人的雙手，將整個(gè)讀書過程自動(dòng)化，簡(jiǎn)易化，讓老年 28 人獲得更好的閱讀體驗(yàn)。 參考文獻(xiàn) [1] 李日邦，王五一，譚見安，何洋，楊林生. 我國(guó)人口老齡化發(fā)展的階段、趨勢(shì)和區(qū)域差 異[J].1999,(06),No 2,Vol 18. [2]孫桓，陳作模，葛文杰，機(jī)械原理 [M]（第七版）.高等教育出版社,1996.11. [3]洪鐘德. 簡(jiǎn)明機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) [K] 同濟(jì)大學(xué)出版社,2002.5 [5]劉鴻文. 材料力學(xué).[M] 高等教育出版社,2001.11 [6]濮良貴等. 機(jī)械設(shè)計(jì) [M]（第八版）. 高等教育出版社,2006.5 [7]吳宗澤. 機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè).[K] 機(jī)械工業(yè)出版社,2004.1 [8]朱家誠(chéng). 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì) [M] 合肥工業(yè)大學(xué)出版社,2005.7 [9]王文斌等.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) [K] 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.8 [10]江洋，基于單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)速度控制的研究 [M] 湖北工業(yè)大學(xué),2005.9 [11]張明，步進(jìn)電機(jī)的基本原理.[D]天津工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院自動(dòng)化 機(jī)械與電子 2007. 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