手指力學(xué)特性測量裝置的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　虛擬力、觸覺再現(xiàn)是指操作者通過觸覺設(shè)備進(jìn)行觸摸、感知和操縱虛擬物體等一系列相互作用來獲得表征虛擬物體特性觸覺感知信息的過程。虛擬力觸覺再現(xiàn)在現(xiàn)代有許多的應(yīng)用，如外科手術(shù)訓(xùn)練仿真系統(tǒng)、遙操作機(jī)器人、CAD/CAD技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)同設(shè)計(jì)等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　在虛擬手交互過程中，用戶

2、若能感受到真實(shí)的作用力，有助于增強(qiáng)虛擬環(huán)境的沉浸感，提高用戶虛擬操作的效率[1]，當(dāng)虛擬手指在接觸、擠壓、觸摸物體時(shí)，用戶希望感知到虛擬物體表面的硬度、黏度和紋理等。虛擬手交互的接觸力是指一個(gè)或多個(gè)虛擬手指與物體表面接觸時(shí)手指感受的作用力，用來感知虛擬物體表面的粗糙度、硬度等物理屬性。</p><p>　　力/觸覺再現(xiàn)的主要研究內(nèi)容分為虛擬物體的力/觸覺建模研究、力/觸覺再現(xiàn)的人機(jī)交互感知設(shè)備研究、人的力/觸覺心

3、理和生理特性研究。本課題主要是關(guān)于手指力學(xué)特性的研究以及其測量裝置的設(shè)計(jì)。</p><p>　　1.1 手指力學(xué)建模</p><p>　　手指力學(xué)建模是力/觸覺再現(xiàn)技術(shù)中最為重要的環(huán)節(jié)，本質(zhì)上是一種基于物理約束的物體受力的變形模型，其所計(jì)算的作用力或變形應(yīng)當(dāng)盡可能接近真實(shí)世界中物體之間相互作用所產(chǎn)生的作用力或受力變形[2]。</p><p>　　一個(gè)物體突然發(fā)生應(yīng)變

4、，此后此應(yīng)變保持常數(shù)，該物體內(nèi)相應(yīng)的應(yīng)力隨時(shí)間而減小。這一現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛或簡稱松弛。若一個(gè)物體突然受應(yīng)力的作用，此后稱此應(yīng)力保持常數(shù)，而該物體將繼續(xù)發(fā)生變形，這一現(xiàn)象稱為蠕變。若一個(gè)物體承受循環(huán)載荷，加載時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系通常與卸載過程的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系存在某些差異，這一現(xiàn)象稱為滯后[3]。許多材料表現(xiàn)出滯后，松弛和蠕變的性質(zhì)。三者統(tǒng)稱為粘彈性特征。</p><p>　　線性粘彈性模型中，以Kelvin模型、Maxw

5、ell模型和Poynting-Thomson模型最為基本或傳統(tǒng), 其它模型則均是在上述模型的基礎(chǔ)上派生組合而成。這些模型都是由彈性常數(shù)µ的線性彈簧與粘性系數(shù)η的阻尼器組合構(gòu)成。因而, 通過這三種傳統(tǒng)粘彈性模型, 可以得出粘彈性模型比較一般性的特點(diǎn)[4]。</p><p>　　Maxwell模型表達(dá)的思想是：所有的流體在某種程度上都是彈性的。Kelvin曾指出，在各種承受循環(huán)載荷的材料中，計(jì)及能量耗散率時(shí)

6、，Maxwell模型和Voigt模型都不完善。通常稱Kelvin模型為標(biāo)準(zhǔn)線性模型，因?yàn)樗溯d荷，伸長和它們的一階（通常叫做“線性”）導(dǎo)數(shù)的最一般關(guān)系式[5]。</p><p>　　Kelvin模型由彈簧(E)與粘性元件(η)并聯(lián)而成, 其本構(gòu)方程式為：</p><p>　　σ=Eε+ηε (1.1)</p><p&g

7、t;　　Maxwell模型由彈簧（E）與粘性元件(η) 串聯(lián)而成，其本構(gòu)方程式為：</p><p><b>　　(1.2)</b></p><p>　　Poynting-Thomson模型由彈簧（E2）與粘性元件(η) 串聯(lián)后再與彈簧（E1）并聯(lián)而成, 其本構(gòu)方程式為：</p><p><b>　　(1.3)</b><

8、;/p><p>　　非線性粘彈性模型, 就本構(gòu)方程式的形式而言, 類型也較多, 這里將寫出的是基于近年試驗(yàn)結(jié)果提出的可變量本構(gòu)方程式，該本構(gòu)方程式構(gòu)成如下：</p><p><b>　　(1.4)</b></p><p><b>　　(1.5)</b></p><p>　　1.2.手指力學(xué)研究現(xiàn)狀<

9、;/p><p>　　1．2．1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　粘彈性是材料的長期力學(xué)行為，同時(shí)也是高溫等特殊條件下材料的一個(gè)重要性能指標(biāo)[6]。對粘彈性的研究是建立在適當(dāng)?shù)哪Ｐ突A(chǔ)之上，建立和改進(jìn)模型需要依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)際設(shè)計(jì)需要有關(guān)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)參數(shù)，因此近年來粘彈性實(shí)驗(yàn)研究受到學(xué)者們的普遍關(guān)注。 </p><p>　　近幾年來無論從復(fù)合材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)還是宏觀角度，

10、國內(nèi)外學(xué)者都對復(fù)合材料的粘彈性和相關(guān)性能進(jìn)行了大量卓有成效的研究工作。從研究方式上講大體可分為三類:一是理論研究，建立理論模型，如laws和Mclaughin運(yùn)用自洽方法導(dǎo)出復(fù)合材料的蠕變?nèi)崃康谋磉_(dá)式；S. Maghous. G J .Ger us在時(shí)間域中運(yùn)用均勻化方法，得到了粘彈性多層材料的有效松弛模量的表達(dá)式；二是蠕變實(shí)驗(yàn)研究，如Hashin針對某些碳纖維復(fù)合材料界面情況，考慮界面材料剪切行為服從Maxwel模型，利用實(shí)驗(yàn)研究了這

11、種粘彈性界面對纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料有效性能的影響；三是結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立有限元計(jì)算模型，進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，如Brock一enbrough等人應(yīng)用有限元方法考察了纖維的排列方式對復(fù)合材料的總體粘彈性和塑性性能的影響[7]。 </p><p>　　1.2.2 目前主要存在的問題</p><p>　　生命運(yùn)動(dòng)是包括機(jī)械運(yùn)動(dòng)，電磁運(yùn)動(dòng)，化學(xué)運(yùn)動(dòng)等在內(nèi)的多種運(yùn)動(dòng)形式的綜合，而以位移為特征的

12、機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究，是力學(xué)的本分。因此，對生命現(xiàn)象的認(rèn)識，必然涉及很多力學(xué)問題，這就是生物力學(xué)的主題[8]。</p><p>　　因?yàn)樯锝M織具有粘彈性的特征，因此粘彈性模型在生物力學(xué)中特別有用。在實(shí)驗(yàn)室里確定松弛曲線和蠕變曲線十分容易[9]。若使用合適的實(shí)驗(yàn)機(jī)，也很容易確定出承受周期力作用的材料的復(fù)數(shù)模量。</p><p>　　正確選擇與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符合的模型是關(guān)鍵問題。流體力學(xué)和固體力學(xué)

13、的數(shù)目繁浩的文獻(xiàn)，大體上都是以理想方程為根據(jù)。而在生物界，材料的性能一般并不符合這些簡單的關(guān)系式[10]。因此，通過材料實(shí)驗(yàn)以確定用簡化的本構(gòu)方程式表述生物材料的性能，準(zhǔn)確到怎樣的程度，就是十分重要的了。</p><p>　　可能除過以下的三個(gè)方面外，生物材料的力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)與工業(yè)材料的實(shí)驗(yàn)在原則上并無差別：（1）取得生物材料的大試樣的可能性極少；（2）必須嚴(yán)格留意使試樣保持活性，并使其盡量保持活體狀態(tài)；（3）很多

14、生物材料是不均勻的。由于有這些特點(diǎn)，常常需要特殊的實(shí)驗(yàn)方法和設(shè)備[11]。</p><p>　　1.3 論文研究題目的提出</p><p>　　為了研究人類手指的粘彈性特征，我們需要進(jìn)行對人類手指的應(yīng)力測量，由于人類手指的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，論文的任務(wù)是設(shè)計(jì)出一個(gè)可以精確測量人類手指變形和受力的測量裝置。</p><p>　　2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及傳感器選型</p>

15、<p>　　2.1 測量裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　該測量裝置由力學(xué)傳感器、步進(jìn)電機(jī)和升降機(jī)構(gòu)等組成。其結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。手指放在下平臺上，傳感器等測量裝置固定在升降機(jī)構(gòu)上，升降機(jī)構(gòu)沿Z 方向運(yùn)動(dòng)。測量平臺如圖2.1所示：</p><p>　　圖2.1 手指力學(xué)測量裝置結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　測量時(shí)，將手指放在下平臺上，調(diào)節(jié)好手指與上平臺

16、之間的距離，然后通過電機(jī)控制平臺下壓，力傳感器即開始對手指所受的力進(jìn)行測量。力傳感器與配套的控制器相連，控制器通過USB總線或RS232-C總線與PC相連。</p><p>　　測量裝置的控制主要是對步進(jìn)電機(jī)的控制。裝置的主體是一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)通過聯(lián)軸器與絲杠相連，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)升降機(jī)構(gòu)做Z方向運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　2.2力傳感器的選型</p><

17、;p>　　力傳感器選用-SBC系列精巧的按鈕式微型壓力傳感器，在這里采用了SBC100型微型壓力傳感器，該傳感器小巧輕便，不銹鋼材質(zhì)，NIST校準(zhǔn)證書，具有測量精度高、穩(wěn)定性能好、溫度漂移小、輸出對稱性好、結(jié)構(gòu)緊湊，規(guī)格齊全。</p><p>　　其外型圖及硬件條件分別如圖2.2及表2.1所示：</p><p>　　圖2.2 SBC100型微型壓力傳感器外型圖</p>

18、<p>　　表2 .1 SBC100型微型壓力傳感器硬件條件</p><p>　　力傳感器尺寸圖分別如圖2.3所示：</p><p>　　圖2.3 SBC100型微型壓力傳感器外型尺寸圖</p><p>　　3 測量裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)</p><p>　　3．1 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)</p><p>　　在測量裝

19、置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，最主要的就是直線運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)圖如圖3.1所示，步進(jìn)電機(jī)通過聯(lián)軸器直接驅(qū)動(dòng)絲杠，減少了中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，可提高精度[12]，絲杠螺母副將絲杠轉(zhuǎn)化為螺母的直線運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)滑塊機(jī)構(gòu)沿導(dǎo)軌做Z軸方向的運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　圖3.1 測量裝置外型圖</p><p>　　3.1.1 絲杠螺母副的選擇</p><p>　　螺旋傳動(dòng)是利用螺桿和螺母組成的螺旋

20、副來實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)要求的。他主要用于將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)或動(dòng)力。螺旋運(yùn)動(dòng)根據(jù)螺紋副的摩擦情況，可以分為三類：滑動(dòng)螺旋，滾動(dòng)螺旋和靜壓螺旋[13]?；瑒?dòng)螺旋構(gòu)造簡單。加工方便，易于自鎖，但摩擦大，效率低（一般為30%~40%），磨損快。低速時(shí)可能爬行，定位精度和軸向剛度較差。靜壓螺旋實(shí)際上是采用靜壓流體潤滑的滑動(dòng)螺旋。靜壓螺旋傳動(dòng)效率可達(dá)99%，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要供油系統(tǒng)。滾珠絲杠傳動(dòng)是滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)的一

21、種。他具有以下優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　?。?）傳動(dòng)效率高。滾珠絲杠傳遞系統(tǒng)的效率高達(dá)90%~98%，為傳統(tǒng)的滑動(dòng)絲杠系統(tǒng)的2~4倍，所以能以較小的轉(zhuǎn)矩獲得較大的推力。</p><p>　?。?）運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)為點(diǎn)接觸滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，工作中摩擦阻力小，靈敏度高，啟動(dòng)是無顫動(dòng)。低速時(shí)無爬行現(xiàn)象，因此可精密的控制微量進(jìn)給。</p><p>　?。?）高精度。滾珠絲

22、杠傳動(dòng)系統(tǒng)中溫升較小，并可預(yù)緊消除軸向間隙和對絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸以補(bǔ)償熱伸長。因此可以獲得較高的定位精度和重復(fù)定位精度。</p><p>　?。?）高耐用性。剛球滾動(dòng)接觸處均經(jīng)硬化（HRC58~63）處理，并經(jīng)精密磨削，運(yùn)動(dòng)過程屬純滾動(dòng)，小隊(duì)磨損甚微，故具有較高的使用壽命和精度保持性。</p><p>　?。?）高可靠性。與其他傳動(dòng)機(jī)械，液壓傳動(dòng)相比，滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)故障率很低，維修保養(yǎng)也較簡

23、單，只需進(jìn)行一般的潤滑和防塵，還可在許多特殊場合下工作。</p><p>　　滾珠絲杠螺母副是數(shù)控機(jī)床中回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)常用的傳動(dòng)裝置。它以滾珠的滾動(dòng)代替絲桿螺母副中的滑動(dòng)，摩擦力小，具有良好的性能。</p><p><b>　　它的特點(diǎn)有：</b></p><p>　　（1）傳動(dòng)效率高：機(jī)械效率可高達(dá)92%~98%。</p>

24、<p>　?。?）摩擦力小：主要是用滾珠的滾動(dòng)代替了普通絲桿螺母副的滑動(dòng)。</p><p>　?。?）軸向間隙可消除：也是由于滾珠的作用，提高了系統(tǒng)的剛性。經(jīng)預(yù)緊后可消除間隙。</p><p>　?。?）使用壽命長、制造成本高：主要采用優(yōu)質(zhì)合金材料，表面經(jīng)熱處理后獲得高的硬度。</p><p>　　除此之外，目前很多廠家的滾珠絲杠產(chǎn)品已形成系列且規(guī)格齊

25、全，方便選用。鑒于此，我選擇滾珠絲杠來構(gòu)建平臺。絲杠的相關(guān)計(jì)算如下：</p><p>　?。?）確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程：</p><p><b>　　(3.1)</b></p><p>　　式中：——滾珠絲杠副的導(dǎo)程，單位為mm</p><p>　　——工作臺最大移動(dòng)速度，單位為mm/min</p><

26、p>　　——電機(jī)最大轉(zhuǎn)速，單位為r/min</p><p>　　——電機(jī)至絲杠的傳動(dòng)比</p><p>　　假設(shè)工作臺最大移動(dòng)速度為20mm/s，即1200mm/min。初步選擇步距角為的步進(jìn)電機(jī)，這一系列的步進(jìn)電機(jī)工作頻率在1000pps~3000pps之間，取3000pps。則電機(jī)最大轉(zhuǎn)速</p><p>　　=450r/min

27、 (3.2)</p><p><b>　　(3.3)</b></p><p>　　查閱優(yōu)勵(lì)聶夫滾珠絲杠尺寸標(biāo)準(zhǔn)，選取絲杠導(dǎo)程為4mm。</p><p>　　（2）絲杠螺母副的預(yù)緊</p><p>　　常見的消除間隙和預(yù)緊的方法有以下三種結(jié)構(gòu)形式。</p><p>　　墊片消隙式。采用墊片式消隙

28、和預(yù)緊的結(jié)構(gòu)原理，用螺釘連接滾珠絲杠兩個(gè)螺母的凸緣，在凸緣間加墊片。調(diào)整墊片的厚度使螺母產(chǎn)生軸向位移，以達(dá)到消隙和產(chǎn)生預(yù)緊力的目的。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，可靠性好，剛度高，裝卸方便。但調(diào)整費(fèi)時(shí)，很難在一次修磨中調(diào)整完成，除非更換不同厚度的墊片，故僅適用與一般精度的數(shù)控機(jī)床。</p><p>　　螺紋消隙式。這種結(jié)構(gòu)簡單可靠，工作可靠，調(diào)整方便，故應(yīng)用較多。但調(diào)整精度較差，預(yù)緊力不能準(zhǔn)確控制。</p>

29、;<p>　　3）齒差消隙式。這種調(diào)整方式的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，尺寸較大，但調(diào)整精確可靠，不會松動(dòng)。故目前在數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用較廣。</p><p>　　滾珠絲杠副的軸向間隙，是指在無負(fù)載情況下的原始軸向間隙，和在負(fù)載作用下由于滾珠與滾道型面接觸點(diǎn)的彈性變形，而引起螺母軸向位移量的總和。預(yù)緊是為了消除滾珠絲杠副的軸向間隙并提高其剛度，最終是為了達(dá)到定位精度的需要。預(yù)緊的方法有很多種，最普遍和常用的是雙螺母結(jié)構(gòu)

30、，在兩個(gè)螺母之間配有墊片來達(dá)到預(yù)緊。雙螺母預(yù)緊方式如圖所示，在一根絲杠上裝兩個(gè)螺母，通過墊片對其施加一定的預(yù)緊力Fa0.使?jié)L珠與滾道接觸處產(chǎn)生一定的預(yù)變形，這樣，滾珠絲杠副不論在哪一個(gè)方向承受軸向力，只有軸向力的大小在一定范圍內(nèi)，滾珠絲杠螺母副間都不會出現(xiàn)軸向間隙。還有一種預(yù)緊是在單螺母和絲杠間通過控制中徑，并調(diào)節(jié)增大剛球直徑，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)緊目的。四點(diǎn)接觸預(yù)緊方式如圖3.2與圖3.3所示。</p><p>　　圖3

31、.2 雙螺母預(yù)緊</p><p>　　圖3.3 四點(diǎn)接觸式預(yù)緊方式</p><p>　　本測量裝置選用雙螺母預(yù)緊方式。查優(yōu)勵(lì)聶夫滾珠絲杠尺寸標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)程4mm，底徑9.5mm的絲杠，其額定動(dòng)載荷Ca為4380N。根據(jù)下面公式可計(jì)算預(yù)緊載荷Fao:</p><p><b>　　(3.4)</b></p><p>　　其中ζ為

32、預(yù)緊系數(shù)，其值可查表3.1</p><p>　　表3.1 預(yù)緊系數(shù)表</p><p>　　本裝置中的絲杠承受輕載荷，故取ζ=0.05，則得預(yù)緊載荷</p><p>　　Fao= 0.05 *4380=219N (3.5)</p><p>　　絲杠結(jié)構(gòu)圖如圖3.4所示：</p><p>

33、;　　圖3.4 絲杠結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　3.1.2 滾珠絲杠的支承方式選擇</p><p>　　滾珠絲杠的支承方式主要有四種：</p><p>　?。?）兩端固定。這種支承方式適用于高轉(zhuǎn)速，高精度的情況，其結(jié)構(gòu)如圖3.5所示：</p><p>　　圖3.5 兩端固定方式</p><p>　?。?）一端固定，一端

34、支承。適用于中等轉(zhuǎn)速，高精度的情況，其結(jié)構(gòu)如圖3.6所示：</p><p>　　圖3.6 一端固定，一端支承方式</p><p>　?。?）兩端支承。適用于中等轉(zhuǎn)速，中等精度的情況，其結(jié)構(gòu)如圖3.7所示：</p><p>　　圖3.7 兩端支承方式</p><p>　?。?）一端固定，一端自由。適用于低轉(zhuǎn)速，中精度，短軸絲杠，其結(jié)構(gòu)如圖3.8

35、所示：</p><p>　　圖3.8 一端固定，一端自由方式</p><p>　　本文選擇兩端固定的支承方式。固定端具體結(jié)構(gòu)如圖3.9所示：</p><p>　　圖3.9 固定端剖視圖</p><p>　　3.1.3 軸承的選擇</p><p>　　與滑動(dòng)軸承比較，滾動(dòng)軸承有下列優(yōu)點(diǎn)：</p><p

36、>　?。?）摩擦系數(shù)小，啟動(dòng)力矩小，效率高（與混合潤滑滑動(dòng)軸承比較）。</p><p>　　（2）徑向游隙小，還可用預(yù)緊方法消除游隙，因此運(yùn)轉(zhuǎn)精度高。</p><p>　　（3）軸向尺寸（寬度）較小，可使機(jī)器的軸向尺寸緊湊。</p><p>　?。?）某些滾動(dòng)軸承能同時(shí)承受徑向與軸向載荷，因此可使機(jī)器結(jié)構(gòu)簡化，緊湊。</p><p>　

37、　（5）潤滑簡單，耗油量少，便于密封，易于維護(hù)。</p><p>　?。?）為標(biāo)準(zhǔn)件，互換性好，易于選用與更換，且成本較低。</p><p>　　各種結(jié)構(gòu)類型軸承由于不同的結(jié)構(gòu)特性，可適應(yīng)于不同的使用條件，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)自己的需要進(jìn)行選擇。通常選擇軸承類型時(shí)應(yīng)綜合考慮下列各主要因素： （1）載荷情況：載荷是選擇軸承最主要的依據(jù)，通常應(yīng)根據(jù)載荷的大小、方向和性質(zhì)選擇軸承。 

38、    （2）載荷大?。阂话闱闆r下，滾子軸承由于是線接觸，承載能力大，適于承受較大載荷；球軸承由于是點(diǎn)接觸，承載能力小，適用于輕、中等載荷。各種軸承載荷能力一般以額定載荷比表示。  （3）載荷方向：純徑向力作用，宜選用深溝球軸承、圓柱滾子軸承或滾針軸承，也可考慮選用調(diào)心軸承。純軸向載荷作用，選用推力球軸承或推力滾子軸承。徑向載荷和軸向載荷聯(lián)合作用時(shí)，一般選用角接觸球軸承或圓錐滾子軸

39、承，這兩種軸承隨接觸角。增大承受軸向載荷能力提高。若徑向載荷較大而軸向載荷較小時(shí)，也可選用深溝球軸承和內(nèi)、外圈都有擋邊的圓柱滾子軸承。若軸向載荷較大而徑向載荷較小時(shí)，可選用推力角接觸球軸承、推力圓錐滾子軸承。  （4）載荷性質(zhì)：有沖擊載荷時(shí)，宜選用滾子軸承。 （5）高速性能：一般摩擦力矩小、發(fā)熱量小的軸承高速性能好。球軸承比滾子軸承有較高的極限轉(zhuǎn)速，</p><p>　　除上述因素外，還應(yīng)考

40、慮軸承的工作環(huán)境溫度、軸承密封及對摩擦力矩、振動(dòng)、噪聲等的特殊要求。</p><p>　　滾動(dòng)軸承廣泛應(yīng)用于中速，中載和一般工作條件下運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械設(shè)備中。儀器精密軸承多為微型深溝球軸承。本測量裝置要求精度較高，且所用軸承主要承受徑向載荷，故選用深溝球軸承。查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》，根據(jù)GB/T276-1994，選擇內(nèi)徑為8的60000型深溝球軸承，軸承代號為628。軸承結(jié)構(gòu)圖如圖3.10所示：</p>&l

41、t;p>　　圖3.10 軸承結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　3.1.4 導(dǎo)軌的選擇</p><p>　　導(dǎo)軌主要是用來保證各運(yùn)動(dòng)部件的相對位置和和相對運(yùn)動(dòng)精度，以及用來承受載荷（包括工作臺、滑板部件的重量）[14]。依定位原理，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須限制運(yùn)動(dòng)件的5個(gè)自由度，而僅保留其按規(guī)定方向移動(dòng)的自由度[15]。對導(dǎo)軌的基本要求為：</p><p>　　方向精度——運(yùn)

42、動(dòng)件沿規(guī)定方向做直線運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確程度，它取決于導(dǎo)軌本身的直線度；</p><p>　　運(yùn)動(dòng)的靈便型和平穩(wěn)性——主要取決于導(dǎo)軌中的摩擦力和導(dǎo)軌表面的幾何形狀誤差；</p><p>　　對溫度變化的不敏感性——當(dāng)溫度變化時(shí)導(dǎo)軌仍能正常工作，即不“卡死”又不晃動(dòng)；</p><p>　　耐磨性——導(dǎo)軌在長時(shí)間使用后不降低精度。它主要取決于相配材料、導(dǎo)軌表面粗糙度及表面硬化；&

43、lt;/p><p>　　結(jié)構(gòu)工藝性——導(dǎo)軌應(yīng)在保證儀器工作性能的條件下，結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、裝修簡易、造價(jià)低。</p><p>　　按摩擦性質(zhì)分，導(dǎo)軌可分為滑動(dòng)摩擦導(dǎo)軌、滾動(dòng)摩擦導(dǎo)軌和彈性摩擦導(dǎo)軌。</p><p>　　滑動(dòng)導(dǎo)軌是支承件和運(yùn)動(dòng)件直接接觸的導(dǎo)軌，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、制造容易且接觸剛度大。缺點(diǎn)是摩擦阻力大，磨損快?；瑒?dòng)摩擦導(dǎo)軌按承導(dǎo)面形狀可分為兩類：圓柱面滑動(dòng)摩

44、擦導(dǎo)軌和棱柱面滑動(dòng)摩擦導(dǎo)軌。圓柱面滑動(dòng)摩擦導(dǎo)軌的承導(dǎo)面是圓柱面。它的主要優(yōu)點(diǎn)是承導(dǎo)面的加工和檢驗(yàn)比較簡單，易于達(dá)到較高的精度。單一的圓柱面導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)件除可沿其軸線做直線運(yùn)動(dòng)外，還可繞其軸線運(yùn)動(dòng)，但這種轉(zhuǎn)動(dòng)必須消除。通常情況下多采用雙圓柱形式，它既能保證定位的要求。又同時(shí)能保證較好的承載能力?？紤]到圓柱導(dǎo)軌工藝性較好且本測量裝置負(fù)載較輕，本裝置選用雙圓柱導(dǎo)軌形式。</p><p>　　3.1.5 聯(lián)軸器的選擇<

45、/p><p>　　聯(lián)軸器的選擇主要考慮所需傳遞軸轉(zhuǎn)速的高低、載荷的大小、被聯(lián)接兩部件的安裝精度等、回轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性、價(jià)格等，參考各類聯(lián)軸器的特性，選擇一種合用的聯(lián)軸器類型。具體選擇時(shí)可考慮以下幾點(diǎn)： </p><p>　?。?）由于制造、安裝、受載變形和溫度變化等原因，當(dāng)安裝調(diào)整后，難以保持兩軸嚴(yán)格精確對中。存在一定程度的 x、y方向位移和偏斜角C1。當(dāng)徑向位移較大時(shí)，可選滑塊聯(lián)軸器，角位移較大或

46、相交兩軸的聯(lián)接可選用萬向聯(lián)軸器等。當(dāng)工作過程中兩軸產(chǎn)生較大的附加相對位移時(shí)，應(yīng)選用撓性聯(lián)軸器。</p><p>　?。?）聯(lián)軸器的工作轉(zhuǎn)速高低和引起的離心力大小。對于高速傳動(dòng)軸，應(yīng)選用平衡精度高的聯(lián)軸器，例如膜片聯(lián)軸器等，而不宜選用存在偏心的滑塊聯(lián)軸器等。 </p><p>　　（3）所需傳遞的轉(zhuǎn)矩大小和性質(zhì)以及對緩沖振動(dòng)功能的要求。例如，對大功率的重載傳動(dòng)，可選用齒式聯(lián)軸器。對嚴(yán)重沖擊載

47、荷或要求消除軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的傳動(dòng)，可選用輪胎式聯(lián)軸器等。</p><p>　　絕大多數(shù)聯(lián)軸器均已標(biāo)準(zhǔn)化或規(guī)格化(見有關(guān)手冊)。設(shè)計(jì)者的任務(wù)是選用，而不是設(shè)計(jì)。選用聯(lián)軸器的基本步驟如下：</p><p><b>　　選擇聯(lián)軸器的類型：</b></p><p>　　根據(jù)傳遞載荷的大小，軸轉(zhuǎn)速的高低，被聯(lián)接兩部件的安裝精度等，參考各類聯(lián)軸器特性，選擇一

48、種合用的聯(lián)軸器類型。具體選擇時(shí)可考慮以下幾點(diǎn)：</p><p>　?。?）所需傳遞的轉(zhuǎn)矩大小和性質(zhì)以及對緩沖減振功能的要求。例如，對大功率的重載傳動(dòng)，可選用齒式聯(lián)軸器；對嚴(yán)重沖擊載荷或要求消除軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的傳動(dòng)，可選用輪胎式聯(lián)軸器等具有高彈性的聯(lián)軸器。</p><p>　?。?）聯(lián)軸器的工作轉(zhuǎn)速高低和引起的離心力大小。對于高速傳動(dòng)軸，應(yīng)選用平衡精度高的聯(lián)軸器，例如膜片聯(lián)軸器等，而不宜選用存

49、在偏心的滑塊聯(lián)軸器等。</p><p>　　（3）兩軸相對位移的大小和方向。當(dāng)安裝調(diào)整后，難以保持兩軸嚴(yán)格精確對中，或工作過程中兩軸將產(chǎn)生較大的附加相對位移時(shí)，應(yīng)選用撓性聯(lián)軸器。例如當(dāng)徑向位移較大時(shí)，可選滑塊聯(lián)軸器，角位移較大或相交兩軸的聯(lián)接可選用萬向聯(lián)軸器等。</p><p>　?。?）聯(lián)軸器的可靠性和工作環(huán)境。通常由金屬元件制成的不需潤滑的聯(lián)軸器此較可靠；需要潤滑的聯(lián)軸器，其性能易受潤

50、滑完善程度的影響，且可能污染環(huán)境。含有橡膠等非金屬元件的聯(lián)軸器對溫度、腐蝕性介質(zhì)及強(qiáng)光等比較敏感，而且容易老化。</p><p>　　（5）聯(lián)軸器的制造、安裝、維護(hù)和成本。在滿足便用性能的前提下，應(yīng)選用裝拆方便、維護(hù)簡單、成本低的聯(lián)軸器。例如剛性聯(lián)軸器不但結(jié)構(gòu)簡單，而且裝拆方便，可用于低速、剛性大的傳動(dòng)軸。一般的非金屬彈性元件聯(lián)軸器(例如彈性套柱銷聯(lián)軸器、彈性柱銷聯(lián)軸器、梅花形彈性聯(lián)軸器等)，由于具有良好的綜合能

51、力，廣泛適用于一般的中、小功率傳動(dòng)。</p><p>　　本測量裝置將電機(jī)軸與絲杠直接相連，減少了中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，可提高測量裝置的精度。聯(lián)軸器是連接兩軸或軸和回轉(zhuǎn)件，在傳遞轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動(dòng)過程中一同回轉(zhuǎn)而不脫開的一種裝置，在傳動(dòng)過程中不改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)矩的大小，這是各類聯(lián)軸器的共性功能。聯(lián)軸器連接的兩軸，由于制造及安裝誤差，承載后的變形以及溫度變化的影響等，往往不能保證嚴(yán)格的對中，而是存在著某種程度的相對位移，相對位移的

52、基本形式如圖3.11所示：</p><p>　　圖3.11 被連接兩軸相對位移基本形式</p><p>　　圖中，（1）表示兩軸平行但中心線不在同一直線上，這時(shí)產(chǎn)生的偏差稱為徑向偏差。（2）表示安裝時(shí)兩軸互成一個(gè)角度，這時(shí)產(chǎn)生的偏差稱為角向偏差。（3）表示由于機(jī)械原因產(chǎn)生的軸間往復(fù)微動(dòng)的偏差，稱為軸向偏差。（4）表示的是前述三種偏差的組合，稱為復(fù)合偏差。</p><p&

53、gt;　　相對位移的存在，要求在設(shè)計(jì)聯(lián)軸器時(shí)，要從結(jié)構(gòu)上采取各種不同的措施，使之具有適應(yīng)一定范圍的相對位移的性能。根據(jù)對各種相對位移有無補(bǔ)償能力（即能否在發(fā)生相對位移條件下保持聯(lián)接的功能），聯(lián)軸器可分為剛性聯(lián)軸器（無補(bǔ)償能力）和撓性聯(lián)軸器（有補(bǔ)償能力）兩大類。撓性聯(lián)軸器又可按是否具有彈性元件分為無彈性元件的撓性聯(lián)軸器和有彈性元件的撓性聯(lián)軸器兩個(gè)類別。撓性聯(lián)軸器因其具有撓性，故可在不同程度上補(bǔ)償兩軸間某種相對位移。撓性聯(lián)軸器品種多，用量大

54、，是最常用的聯(lián)軸器。</p><p>　　十字滑塊聯(lián)軸器屬于撓性聯(lián)軸器[16]。十字滑塊聯(lián)軸器由兩個(gè)在端面上開有凹槽的半聯(lián)軸器和一個(gè)兩面帶有凸牙的中間盤組成。因凸牙可在凹槽中滑動(dòng)，故可補(bǔ)償安裝及運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)兩軸間的相對位移。十字滑塊聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)如圖3.12所示：</p><p>　　圖3.12 十字滑塊聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　十字滑塊聯(lián)軸器適用于多種場合，如轉(zhuǎn)速計(jì)

55、、編碼器、絲杠、機(jī)床、產(chǎn)業(yè)機(jī)械等。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，使用方便、容易安裝、節(jié)省時(shí)間、尺寸范圍廣、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，便于目測檢查，可電氣絕緣等。半聯(lián)軸器和中間盤之間的滑動(dòng)能容許大的徑向和角向偏差。</p><p>　　聯(lián)軸器的固定方式有如下幾種：</p><p>　?。?）定位螺絲固定：兩個(gè)定位螺絲間隔90°對所固定的軸進(jìn)行鎖緊，是一種傳統(tǒng)的固定方式。</p><p&g

56、t;　?。?）夾緊螺絲固定：利用內(nèi)六角螺栓擰緊的力量，使狹縫收縮，而將軸心緊緊夾持住。</p><p>　　（3）鍵槽型：這種類型與定位螺絲固定型一樣，是一種最傳統(tǒng)的固定方式，適合高扭矩的傳動(dòng)，為防止軸向滑動(dòng)，通常與定位螺絲固定型、夾緊螺絲固定型并用。</p><p>　?。?）復(fù)合固定方式：在聯(lián)軸器的固定中，采用兩種固定方式來進(jìn)行聯(lián)接固定稱為復(fù)合固定方式。</p><

57、p>　　查閱《聯(lián)軸器設(shè)計(jì)選用手冊》，根據(jù)絲杠小端直徑選擇HL-24-06 型十字滑塊聯(lián)軸器，選用夾緊螺絲固定方式，聯(lián)軸器聯(lián)接電機(jī)和絲杠的效果見圖3.13：</p><p>　　圖3.13 聯(lián)軸器聯(lián)接圖</p><p>　　十字滑塊聯(lián)軸器產(chǎn)生的空程誤差，主要由于凸起部分和凹槽之間的配合間隙產(chǎn)生的，采用概率綜合法計(jì)算。</p><p><b>　　最大空

58、程誤差</b></p><p><b>　　(3.6)</b></p><p>　?。?） 最小空程誤差</p><p><b>　　(3.7)</b></p><p>　　式中：Δmax──最大間隙，單位為mm；</p><p>　　Δmin ──最小間隙，單位

59、為mm</p><p>　　r──聯(lián)軸器圓盤半徑，單位為mm</p><p>　　3.1.6 電機(jī)的選擇</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)又稱為脈沖電機(jī)或階躍電機(jī)，國外一般稱為Step motor或Stepping motor,Pulse motor,Stepper servo,Stepper等等。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)可簡單的定義為：根

60、據(jù)輸入的脈沖信號，每改變一次勵(lì)磁狀態(tài)就前進(jìn)一定的角度（或長度），若不改變勵(lì)磁狀態(tài)則保持一定位置而靜止的電動(dòng)機(jī)。從廣義上講，步進(jìn)電機(jī)是一種受脈沖控制的無刷式直流電動(dòng)機(jī)，也可以看作是在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速與控制脈沖頻率同步的電動(dòng)機(jī)。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)如同普通電機(jī)，有轉(zhuǎn)子和定子，定子上有繞組，它們分為若干相，每像磁極上有極齒，轉(zhuǎn)子上也有若干個(gè)齒。當(dāng)某相定子繞組通以直流電激勵(lì)后，便能吸引轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子上的齒與定子的該

61、相極齒對齊，而其他相定子齒與轉(zhuǎn)子錯(cuò)開一個(gè)小的角度。當(dāng)各相繞組輪流通以電流時(shí)，步進(jìn)電機(jī)就一步一步的轉(zhuǎn)動(dòng)，它是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移的機(jī)電設(shè)備。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)分3種：永磁式，反應(yīng)式和混合式[17]。</p><p>　　永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成的，轉(zhuǎn)子本身就是一個(gè)線圈。它的輸出轉(zhuǎn)距大，動(dòng)態(tài)性能好。轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子的極數(shù)相同。</p><p&

62、gt;　　反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒有繞組。他的結(jié)構(gòu)簡單，成本低，步距角可以做得很小，但動(dòng)態(tài)性能較差。</p><p>　　混合式步進(jìn)電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)，他的輸出轉(zhuǎn)距大，步距角小。與反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)相比，混合式步進(jìn)電機(jī)具有功耗低，輸出功率大，動(dòng)態(tài)性能好，運(yùn)行平穩(wěn)，噪聲低，步距精度高等優(yōu)點(diǎn)。混合式步進(jìn)電機(jī)配合帶細(xì)分的驅(qū)動(dòng)器，可獲得優(yōu)越的性能，因而在實(shí)際中獲得了廣泛的應(yīng)用。<

63、/p><p>　　步進(jìn)電機(jī)有如下優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　?。?）可以用數(shù)字信號直接進(jìn)行開環(huán)控制，整個(gè)系統(tǒng)廉價(jià)。</p><p>　?。?）位移與輸入脈沖信號相對應(yīng)，步距誤差不長期累積，可以組成結(jié)構(gòu)較為簡單又有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)，也可以在要求更高精度時(shí)組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。</p><p>　?。?）無刷，電機(jī)本體部件少，可靠性高。</p&

64、gt;<p>　?。?）易于啟動(dòng)，停止，正反轉(zhuǎn)及變速，響應(yīng)性能好。</p><p>　?。?）停止時(shí)，有自鎖功能。</p><p>　?。?）步距角選擇范圍大，可在幾十度到180度大范圍內(nèi)選擇。在小步距情況下，通常可以在超低速下高轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定運(yùn)行，通常不經(jīng)減速器直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。、</p><p>　　（7）速度可在相當(dāng)范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)?？捎靡慌_控制器控制幾臺電

65、動(dòng)機(jī)同時(shí)運(yùn)</p><p><b>　　行。</b></p><p>　　本測量裝置選用混合式步進(jìn)電機(jī)，初步選定步距角為0.9度。假設(shè)單個(gè)平臺質(zhì)量為3kg,傳感器及其固定裝置的質(zhì)量為1kg，則對于下平臺，其載荷為4kg，上平臺絲杠荷載：</p><p><b>　　(3.8)</b></p><p>

66、;　　其中9.8為重力加速度，0.1為摩擦系數(shù)。有工作載荷產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩：</p><p><b>　　(3.9)</b></p><p>　　其中為導(dǎo)程，等于4mm,為機(jī)械效率，取0.9。由預(yù)緊載荷產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩：</p><p><b>　　(3.10)</b></p><p>　　其中為預(yù)緊載荷，等于

67、219N，為預(yù)緊螺母內(nèi)的摩擦系數(shù)，取0.2，則驅(qū)動(dòng)力矩：</p><p><b>　　(3.11)</b></p><p>　　一般要求不超過電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的30%，對于步進(jìn)電機(jī)，即要求不超過其保持轉(zhuǎn)矩的30%，即：</p><p><b>　　(3.12)</b></p><p>　　查閱《微特電機(jī)

68、應(yīng)用手冊》，選擇42BYG3430-0.9型步進(jìn)電機(jī)，其保持轉(zhuǎn)矩為，符合使用要求。</p><p>　　電機(jī)外形圖如圖3.14所示：</p><p>　　圖3.14 電機(jī)外形圖</p><p>　　3．2 升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)</p><p>　　升降機(jī)構(gòu)的作用是帶動(dòng)傳感器做Z方向的運(yùn)動(dòng)，機(jī)構(gòu)三維圖如圖3.15所示：</p><

69、p>　　圖3.15 升降機(jī)構(gòu)三維圖</p><p>　　該機(jī)構(gòu)是通過絲杠與電機(jī)相連的一個(gè)滑塊，在滑塊與下平臺對應(yīng)的地方安裝一個(gè)傳感器，用以測量手指受到的壓力，通過控制電機(jī)使滑塊上下移動(dòng)來測量出手指上的作用力。</p><p><b>　　4 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　本測量裝置的控制主要是針對 X-Y 平臺內(nèi)的步進(jìn)電機(jī)的

70、控制。本裝置選用的步進(jìn)電機(jī)為42BYG3430-0.9 型兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，該型步進(jìn)電機(jī)的步距角為0.9°，保持轉(zhuǎn)矩為240×10-3N·m，額定電流為0.4A。</p><p>　　4.1 步進(jìn)電機(jī)工作原理</p><p>　　圖4.1為兩相步進(jìn)電機(jī)的工作原理示意圖，它有兩個(gè)繞組。當(dāng)一個(gè)繞組通電后，其定子磁極產(chǎn)生磁場，將轉(zhuǎn)子吸合到此磁極處。若繞組在控制脈沖

71、的作用下，通電方向順序按照A→ B→ A→ B四個(gè)狀態(tài)周而復(fù)始進(jìn)行變化，電機(jī)可順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；通電順序?yàn)锳→ B→ A→ B時(shí)，電機(jī)就逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)?？刂泼}沖每作用一次，通電方向就變化一次，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一步，即90°。四個(gè)脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈。脈沖頻率越高，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)越快。</p><p>　　圖4.1 步進(jìn)電機(jī)工作原理圖</p><p>　　實(shí)際步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)要比圖4.1所示的模型復(fù)雜。其轉(zhuǎn)

72、子鐵芯和定子磁極上均有小齒，齒距相等[18]。步進(jìn)電機(jī)步距角的大小由轉(zhuǎn)子的齒數(shù)、控制繞組的相數(shù)和通電方式?jīng)Q定，它們之間存在以下關(guān)系：</p><p><b>　　(4.1)</b></p><p>　　其中θa為步距角，m為步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)，C為通電狀態(tài)系數(shù)，當(dāng)單極性通電時(shí)C=1，而雙極性通電時(shí)C=2，Zr為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)?？刂评@組通電狀態(tài)的改變是由外加輸入脈沖驅(qū)動(dòng)電

73、路來實(shí)現(xiàn)的。每當(dāng)外電路送入一個(gè)脈沖，控制繞組的通電狀態(tài)即改變一次，與此對應(yīng)的是步進(jìn)電機(jī)將轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角。因此步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的步距角數(shù)等于外加脈沖數(shù)，則步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為：</p><p><b>　　(4.2)</b></p><p>　　式中，f為步進(jìn)電機(jī)通電的脈沖頻率，單位為Hz；n為步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位為r/min。</p><p>　　步進(jìn)

74、電機(jī)的轉(zhuǎn)速用步距角表示，則為：</p><p><b>　　(4.3)</b></p><p>　　由上面三式可知，電機(jī)的相數(shù)和轉(zhuǎn)子的齒數(shù)越多，步距角就越小，電機(jī)在脈沖頻率一定時(shí)的轉(zhuǎn)速也越低。當(dāng)電機(jī)的相數(shù)和轉(zhuǎn)子的齒數(shù)一定時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和輸入的脈沖頻率成正比。因此，改變輸入的脈沖頻率就可以改變轉(zhuǎn)速，改變通電狀態(tài)順序就可以實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。</p><p&g

75、t;　　4.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制策略綜述</p><p>　　要確保步進(jìn)電機(jī)性能，它的驅(qū)動(dòng)與控制是至關(guān)重要的[19]。下面對步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)與控制原理進(jìn)行介紹。</p><p>　　4.2.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)必須有驅(qū)動(dòng)器和控制器才能正常工作[20]。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路完成由弱電到強(qiáng)電的轉(zhuǎn)換和放大，也就是將邏輯電平信號變換成電機(jī)繞組所需的

76、具有一定功率的電流脈沖信號。驅(qū)動(dòng)控制電路由環(huán)形分配器和功率放大器組成。環(huán)形分配器是用于控制步進(jìn)電機(jī)的通電方式的，其作用是將控制器送來的一系列指令脈沖按照一定的順序和分配方式加到功率放大器上，控制各相繞組的通電、斷電。環(huán)形分配器功能可由硬件或軟件產(chǎn)生，硬件環(huán)形分配器是根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)和控制方式設(shè)計(jì)的。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)示意圖見圖4.2。當(dāng)給驅(qū)動(dòng)器一個(gè)脈沖信號和一個(gè)正方向信號時(shí)，驅(qū)動(dòng)器經(jīng)過環(huán)形分配器和功率放大后，給電機(jī)繞組通電的順序?yàn)锳→

77、B→ A→ B，其四個(gè)狀態(tài)周而復(fù)始進(jìn)行變化，電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；若方向信號變?yōu)樨?fù)時(shí)，通電時(shí)序就變?yōu)锳→ B→ A→ B，電機(jī)就逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。</p><p>　　隨著電子技術(shù)的發(fā)展，功率放大電路由單電壓電路、高低壓電路發(fā)展到現(xiàn)在的斬波電路。其基本原理是：在電機(jī)繞組回路中，串聯(lián)一個(gè)電流檢測回路，當(dāng)繞組電流降低到某一下限值時(shí)，電流檢測回路發(fā)出信號，控制高壓開關(guān)管導(dǎo)通，讓高電壓再次作用在繞組上，使繞組電流重新上升；當(dāng)電流回升

78、到上限值時(shí)，高壓電源又自動(dòng)斷開。重復(fù)上述過程，使繞組電流的平均值恒定，電流波形的波頂維持在預(yù)定數(shù)值上，解決了高低壓電路在低頻段工作時(shí)電流下凹的問題，使電機(jī)在低頻段力矩增大。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)一定時(shí)，供給驅(qū)動(dòng)器的電壓值對電機(jī)性能影響較大，電壓越高，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速越高、加速度越大；在驅(qū)動(dòng)器上一般有相電流調(diào)節(jié)開關(guān)，相電流設(shè)的越大，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速越高、力矩越大。</p><p>　　圖4.

79、2 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)示意圖</p><p>　　4.2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制方式</p><p>　　根據(jù)輸出電壓極性的不同，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)及其控制電路可分為兩類：一類是單極性驅(qū)動(dòng)電路，適用于電磁轉(zhuǎn)矩與電流極性無關(guān)的反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；另一類是雙極性驅(qū)動(dòng)電路，適用于與電磁轉(zhuǎn)矩和電流極性有關(guān)的永磁式或混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。就具體電路型式而言，常見的有單極性驅(qū)動(dòng)電路、雙極性驅(qū)動(dòng)電路、高低壓驅(qū)動(dòng)電

80、路、斬波恒流驅(qū)動(dòng)電路、雙繞組電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制電路、調(diào)頻調(diào)壓型驅(qū)動(dòng)電路、細(xì)分(或微步)控制電路等。下面主要對雙極性驅(qū)動(dòng)、高低壓驅(qū)動(dòng)、調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動(dòng)和細(xì)分控制等進(jìn)行介紹。</p><p><b>　　雙極性驅(qū)動(dòng)</b></p><p>　　雙極性驅(qū)動(dòng)電路采用H橋結(jié)構(gòu)，每相繞組驅(qū)動(dòng)電路由四個(gè)開關(guān)管構(gòu)成。每相繞組電流可以獨(dú)立控制，而且在續(xù)流階段，能實(shí)現(xiàn)能量回饋。因此，雙極性驅(qū)動(dòng)電

81、路效率高，特別適用于大功率步進(jìn)電機(jī)，但電機(jī)繞組相數(shù)增多時(shí)，所需功率器件增多，成本升高。</p><p><b>　　高低壓驅(qū)動(dòng)</b></p><p>　　高低壓驅(qū)動(dòng)電路中，在開通或關(guān)斷時(shí)使用高電壓，以縮短電流的上升和下降時(shí)間，而導(dǎo)通期間則采用低電壓，以維持繞組電流。該控制的優(yōu)點(diǎn)是在很寬的頻段內(nèi)保證相繞組有較大的平均電流，在截止時(shí)又能迅速泄放，并實(shí)現(xiàn)能量回饋，電磁轉(zhuǎn)矩

82、較大且較穩(wěn)定，系統(tǒng)有較高的響應(yīng)；不足之處是低頻時(shí)電機(jī)振動(dòng)噪聲大，低頻共振現(xiàn)象存在。</p><p><b>　　調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動(dòng)</b></p><p>　　調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動(dòng)方式是20世紀(jì)80年代對步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式研究的重要成果。這種方式采用脈寬調(diào)制改變驅(qū)動(dòng)器功率電路的入端電壓值，使電動(dòng)機(jī)繞組電壓在低頻時(shí)較低，在高頻時(shí)較高，采用不同的頻率—電壓控制關(guān)系可以得到不同的力矩特性。

83、這種方法在步進(jìn)電機(jī)的低速阻尼和高速運(yùn)行的矛盾要求之間做出折中，可以使步進(jìn)電機(jī)在整個(gè)步進(jìn)頻域內(nèi)具有較好的性能。</p><p><b>　　細(xì)分控制</b></p><p>　　細(xì)分控制將步進(jìn)電機(jī)的固定步距角變?yōu)榭删幊虒?shí)現(xiàn)的任意步距角，能夠在一定程度上抑制震蕩，改善電機(jī)性能。細(xì)分驅(qū)動(dòng)是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的一次飛躍，它是在對步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行機(jī)理深刻認(rèn)識的基礎(chǔ)上提出的。細(xì)分驅(qū)動(dòng)技

84、術(shù)從20世紀(jì)70年代開始研究，逐步發(fā)展到90年代完全成熟。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行需要各相電流滿足一定的時(shí)序要求，而電磁力的大小與繞組通電電流的大小有關(guān)，如果繞組中電流不再是方波，而是一個(gè)分成n個(gè)臺階的近似階梯波，電機(jī)每運(yùn)行一個(gè)階梯即轉(zhuǎn)動(dòng)一步。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)n小步時(shí)，實(shí)際上相當(dāng)于轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角，這就是所謂的細(xì)分。</p><p>　　4.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)</p>&

85、lt;p>　　4.3.1 系統(tǒng)概述</p><p>　　本系統(tǒng)主要由上位機(jī)、AT89S52單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路和步進(jìn)電機(jī)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4.3所示。其中，上位機(jī)是PC機(jī)，將用戶輸入的控制命令通過串行口輸出到下位的AT89S52單片機(jī)，單片機(jī)按照上位機(jī)的命令，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，通過驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按照預(yù)先設(shè)定好的路徑運(yùn)行。各單片機(jī)接收到上位機(jī)發(fā)出的指令后，由單片機(jī)通過軟件編程來控制X電機(jī)和Y電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方

86、向、步數(shù)和速度，達(dá)到自動(dòng)定位的目的。</p><p>　　圖4.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　一般的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路較多采用斬波恒流驅(qū)動(dòng)方式，由于這種方式利用邏輯環(huán)節(jié)控制器件的通斷，采用的器件較多，所以電路設(shè)計(jì)較復(fù)雜，不易達(dá)到穩(wěn)定[21]。本裝置采用UC3842芯片生成步進(jìn)電機(jī)的PWM步進(jìn)驅(qū)動(dòng)信號，結(jié)構(gòu)較簡單，既能使步進(jìn)電機(jī)準(zhǔn)確快速地?fù)Q向，又能通過構(gòu)成電流反饋閉環(huán)使電流達(dá)到恒定。&

87、lt;/p><p>　　4.3.2 硬件電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　本系統(tǒng)的硬件電路由通信模塊、控制信號發(fā)生模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成。</p><p><b>　　通信模塊</b></p><p>　　由于本系統(tǒng)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不多，為此采用了簡單易用的串行通信方式。雖然PC機(jī)和AT89S52單片機(jī)上都有串行口，但是并不

88、能直接把它們相連，必須先要解決電平轉(zhuǎn)換問題。</p><p>　　完成TTL和RS232C電平邏輯轉(zhuǎn)換的方法很多，一般是選用集成電路芯片。本裝置中，選用MAX232轉(zhuǎn)換出RS232C作為電平轉(zhuǎn)換的器件，經(jīng)MAX232轉(zhuǎn)換出RS232C串行信號，便可建立與PC機(jī)的RS232C通信連接。</p><p><b>　　控制信號發(fā)生模塊</b></p><

89、p>　　本系統(tǒng)中，采用環(huán)形分配器PMM8713產(chǎn)生控制信號，再通過驅(qū)動(dòng)電路控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行。PMM8713是日本三洋電機(jī)公司生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)脈沖分配器，它采用DIP16封裝 ,適用于二相或四相步進(jìn)電機(jī)。PMM8713在控制二相或四相步進(jìn)電機(jī)時(shí)都可選擇三種勵(lì)磁方式(1相勵(lì)磁 ,2相勵(lì)磁 ,1 - 2相勵(lì)磁三種勵(lì)磁方式之一) , 每相最小的拉電流和灌電流為 20mA 。它有兩種脈沖輸入法：雙脈沖輸入法和單脈沖輸入法。選用單脈沖輸入法，

90、如圖4.4所示，圖中的CK為時(shí)鐘脈沖輸入，步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)方向由U/D的高、低電位決定。</p><p>　　圖4.4 環(huán)形分配器接口電路</p><p><b>　　驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　驅(qū)動(dòng)電路采用的是PWM閉環(huán)恒流驅(qū)動(dòng)方式。恒流驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)思想是設(shè)法使</p><p>　　通過導(dǎo)通相繞組的電流不

91、論在鎖定、低頻、或高頻工作時(shí)均保持額定值，使電機(jī)具有恒轉(zhuǎn)矩的輸出特性[22]。這是目前使用較多，效果較好的一種功率接口電路。</p><p>　　斬波恒流驅(qū)動(dòng)電路如圖4.5所示。圖中主開關(guān)T2的發(fā)射極與地之間接一取樣電阻R，通過電阻R檢測繞組中的電流大小。將給定電壓uc與取樣電阻上的電壓比較，一旦uc高于取樣電阻上的電壓，則比較器輸出高電平。若此時(shí)控制脈沖ui為高電平，主開關(guān)T1、T2同時(shí)導(dǎo)通，電源向相繞組供電，

92、繞組電流增加，電阻R的電壓也相應(yīng)升高。當(dāng)R上的電壓超過uc時(shí)，比較器輸出低電平，在與門的作用下，T1截止，相繞組中通過D1、D2續(xù)流，電流減小，電阻R上的電壓也相應(yīng)地減小。一旦電阻R上的電壓低于uc，則比較器重新輸出高電平，主開關(guān)T又恢復(fù)導(dǎo)通，電源又向相繞組供電，這樣反復(fù)循環(huán)，直至ui為低電平為止。此時(shí)，T1、T2均截止。</p><p>　　圖4.5 斬波恒流驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　

93、　斬波恒流驅(qū)動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn)：由于使用了電流反饋，繞組電流可以恒定，且不隨電機(jī)的轉(zhuǎn)速而變化，從而保證在很大的頻率范圍內(nèi)電機(jī)都能輸出恒定的轉(zhuǎn)矩，這樣，高頻響應(yīng)大大提高，且輸出轉(zhuǎn)矩均勻，電源效率高。</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用UC3842為脈沖調(diào)制驅(qū)動(dòng)芯片，芯片管腳見圖4.6。</p><p>　　圖4.6 UC3842管腳圖</p><p>　　PMM8713輸出信號

94、與UC3842的1腳相連，UC3842的6腳輸出步進(jìn)脈沖信號，控制步進(jìn)電機(jī)。為防止步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)干擾單片機(jī)的工作，還必須在單片機(jī)輸出口和驅(qū)動(dòng)電路之間加一隔離電路。這里使用光耦合器來達(dá)到光電隔離的目的。</p><p>　?。?）步進(jìn)電機(jī)的限位保護(hù)</p><p>　　X-Y平臺的運(yùn)動(dòng)范圍是有限制的，當(dāng)電機(jī)走到每個(gè)極限位置時(shí)，就不能繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，否則，將會引起機(jī)械的損傷[23]。為了避免這一情況

95、的發(fā)生，在分平臺的左右端各安裝一個(gè)限位開關(guān)。</p><p>　　4.3.3 軟件程序設(shè)計(jì)</p><p>　　軟件部分分為上位機(jī)程序和單片機(jī)程序兩部分。其中上位機(jī)程序主要是通過編程實(shí)現(xiàn)用戶界面和串口通信功能；單片機(jī)程序除了串口編程，更重要的是產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)控制信號。</p><p><b>　　上位機(jī)編程</b></p><

96、p>　　上位機(jī)程序可以使用VB編寫，利用MSComm控件通過串口給下位機(jī)傳送數(shù)</p><p>　　據(jù)。通過用戶界面，用戶可以輸入兩臺電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)，這些電機(jī)的控制命令被通過串口送到下位單片機(jī)，由單片機(jī)產(chǎn)生控制信號，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按照命令運(yùn)轉(zhuǎn)。</p><p><b>　?。?）單片機(jī)編程</b></p><p>　　上

97、位機(jī)通過串口發(fā)送給單片機(jī)的數(shù)據(jù)，單片機(jī)通過中斷方式接受并保存。串行口設(shè)置為工作方式1，一幀數(shù)據(jù)為10位，定時(shí)器T1為通信產(chǎn)生時(shí)序信號控制其波特率。</p><p>　　接收程序中，在串口中斷服務(wù)子程序中保存接收的數(shù)據(jù)到預(yù)定的存儲區(qū)域。在以后的控制中，可以從這些存儲區(qū)域中獲得各臺電機(jī)的運(yùn)行要求，從而控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的最高起動(dòng)頻率一般為幾百赫茲到三四千赫茲，而最

98、高運(yùn)行頻率則可達(dá)到幾萬赫茲[24]。以超過最高起動(dòng)頻率的頻率直接起動(dòng)，將出現(xiàn)“失步”現(xiàn)象。而對于正在快速旋轉(zhuǎn)的步進(jìn)電機(jī)，若到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，立即停發(fā)脈沖，令其立即準(zhǔn)確鎖定，也是很難實(shí)現(xiàn)的；由于慣性，電機(jī)往往會沖過頭，也會出現(xiàn)“失步”現(xiàn)象[25]。</p><p>　　加減速定位控制的方法可以充分發(fā)揮步進(jìn)電機(jī)的潛力，此時(shí)步進(jìn)電機(jī)的定位過程如圖4.7所示，通過加速—恒定高速—減速—恒定低速—鎖定，就可以既快又穩(wěn)地準(zhǔn)確定位。

99、本系統(tǒng)的加減速規(guī)律采用直線規(guī)律，這樣計(jì)算起來比較簡單。加速過程與減速過程的斜率相等。這里關(guān)鍵的是要保證總步數(shù)要符合給定值， 即總步數(shù)N=N1+N2+N3+N4。那么在軟件設(shè)計(jì)中為了保證總步數(shù)不出錯(cuò)，要建立隨時(shí)校核總步數(shù)是否達(dá)到給定值的機(jī)制。</p><p>　　圖4.7 加減速定位過程</p><p>　　本程序的關(guān)鍵是定時(shí)器中斷服務(wù)程序，它主要做三件事情：使步進(jìn)電機(jī)走一步，累計(jì)轉(zhuǎn)過的步數(shù)

100、，向定時(shí)器送下一個(gè)延時(shí)參數(shù)。整個(gè)定時(shí)器中斷服務(wù)程序的運(yùn)行時(shí)間必須比走步脈沖間隔短。在電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，運(yùn)算可能來不及，可以采用查表方式查出每一檔頻率所需要的裝載值。</p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　本測量裝置的設(shè)計(jì)主要包括機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩部分。機(jī)械結(jié)構(gòu)部分主要設(shè)計(jì)了X-Y 工作臺和滑塊機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)采用開環(huán)結(jié)構(gòu)，給出了控制

101、框圖。</p><p>　　本測量裝置的設(shè)計(jì)過程中，參考了一些成熟產(chǎn)品的技術(shù)。設(shè)計(jì)過程中，參考借鑒前人的研究成果，可以少走彎路，縮短了設(shè)計(jì)周期。</p><p>　　基于降低成本和易于實(shí)現(xiàn)的考慮，本測量裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制方法都比較簡單，這也在一定程度上影響了系統(tǒng)的綜合性能。比如X-Y 平臺使用的圓柱形導(dǎo)軌，雖然制造簡單，成本較低，但比較容易磨損，磨損后精度下降。又如控制系統(tǒng)采用開環(huán)控制，

102、雖然系統(tǒng)簡單，但精度與閉環(huán)控制還有差距。若加裝光電編碼器引入反饋，則系統(tǒng)的控制精度可以得到提升。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　本文的研究工作是在我的導(dǎo)師孫中圣老師的精心指導(dǎo)和悉心關(guān)懷下完成的，在我的論文的研究工作中傾注著導(dǎo)師辛勤的汗水和心血。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的知識使我深受啟迪。導(dǎo)師對于細(xì)節(jié)的重視尤其讓我難忘。從尊敬的導(dǎo)

103、師身上，我不僅學(xué)到了扎實(shí)、寬廣的專業(yè)知識，也學(xué)到了做人的道理。在此我要向我的導(dǎo)師致以最衷心的感謝和深深的敬意。</p><p>　　在此，向所有關(guān)心和幫助過我的領(lǐng)導(dǎo)、老師、同學(xué)、朋友和家人表示由衷的謝意。</p><p>　　同時(shí)，衷心的感謝在百忙之中評閱論文和參加答辯的各位專家、教授。</p><p><b>　　參 考 文 獻(xiàn)</b><

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