显微镜Z轴电机传动与控制系统设计毕业论.docx

桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸编号：毕业设计(论文)说明书题目：显微镜Z轴电机传动与控制系统设计院（系）：机电工程学院专业：机械电子工程学生姓名：学号： 指导教师单位：机电工程学院姓名：职称：题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发2013年6月2日摘要本文主要是对显微镜的Z轴调焦机构及其控制系统进行设计，本设计的机械执行部分主要是选用机械结构的原动件步进电机、连接件联轴器、传动件齿轮齿条及其支撑机构轴承，并且选用整个系统的润滑方式，保证系统的正常使用；而电路部分主要是进行步进电机的驱动电路（为系统提供驱动信号）设计和单片机的控制电路设计（为驱动电路提供控制信号和人际交互）。本设计主要目标是实现显微镜的自动对焦。本系统的步进电机自动控制系统是一个低速、高精度的运动控制系统。本文将从系统的总体设计方案开始进行描述，并说明系统机械执行机构的原理及其设计参数，之后将对步进电机细分控制的设计进行说明。本设计主要采用混合是步进电机作为驱动电机（由于实际的步进电机价格过于昂贵，将选用小型步进电机替代，模拟实际情况），以51兼容的单片机为系统核心的控制系统，以齿轮齿条为传动机构。本文深入的研究了Z轴电机控制系统过程中所涉及到的机械传动部分、步进电机的细分驱动部分以及工作状态的显示和人际交互过程中必要的信息显示，从硬件和软件两个方面对系统进行了整体设计，是一个机电结合的控制系统。关键词：低速；步进电机；单片机；齿轮齿条传动；精密运动控制AbstractThis article is mainly talked about the Z axis focusing mechanism of the microscope and its control system design, the design of this systems main structure consist : the orginal mechanical moving partsstepper motors, fittings - couplings, transmission parts - - rack and pinion and its supporting institutions - Bearings and lubrication selection of the entire system, to ensure the normal use; while the circuit section is primarily for stepper motor drive circuit (the system provides drive signals) the design and control of the microcontroller circuit design (to provide control signals to the drive circuit and interpersonal interaction). The design of the main objectives is to achieve the microscope autofocus.The automatic control system of the stepper motor system is a low-speed, high-precision motion control system. This article from the overall design of the system begins to describe and explain the principles of the system and its mechanical actuator design parameters, and then will be stepping motor subdivision control design will be described. This design is a hybrid stepping motor as the drive motor (stepping motor because the actual price is too high, the alternative use of small stepper motors to simulate actual conditions) to 51-compatible microcontroller core of the control system for the system, with a gear rack for the drive mechanism.This in-depth study of the Z-axis motor control system are involved in the process of mechanical transmission parts breakdown of stepper motor drive section and the working status display and interpersonal interaction during the necessary information display, both from the hardware and software the overall design of the system, is combined with an electromechanical control system.Keywords:low speed; stepper motor; microcontroller;rack and pinion; precision motion control桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸第42页，共42页目录引言11 绪论21.1 论文选题的背景和意义21.2 论文的内容和目标22 显微镜Z轴电机传动与控制系统的总体设计42.1 系统的总体功能简介42.2 系统设计的初步分析42.3 系统整体设计方块图52.4 系统总体功能的实现方案及选择53 系统机械部分的设计计算93.1 步进电机的选择与计算93.2 联轴器的选择与计算103.3 齿轮齿条的设计与计算113.4 齿轮轴以及轴承的选用及设计143.5 系统其他零件的选用144 系统的电路控制部分的设计164.1 单片机控制电路164.2 人机交互电路的设计174.3 电源电路设计194.4 步进电机驱动电路195 软件部分的设计295.1 系统程序的整体设计思路以及流程图295.2 程序的主要模块功能介绍306 结论31谢辞32参考文献33附录34引言随着国家经济的发展和科学技术的提高，无论工业上或是生物科学中，对于各种精密仪器设备的使用时不可或缺的，而显微镜正是其中之一。而随着技术的发展，越来越多的仪器设计从人为操作向着自动化的发展，变得更加智能化，不仅相对于传动的手工操作更加方便，控制精度也变得越来越高。显微镜，可以说是人类最伟大的发明之一，在它之前，人类关于世界的观念仅仅局限于肉眼所能看到的事物，而显微镜带给了人类一个崭新的世界，成为了人类观察、了解微观世界不可或缺的工具。普通的显微镜已经发展了几百年的历史了，而自动显微镜的出现也就是最近几十年而已。在显微镜发展的早期阶段，人们通过在普通显微镜的基础上安装用于XY方向移动的载物台和Z轴方向用于调焦的三向控制平台，这便是最初的自动控制显微镜的原型。随着自动控制的发展，显微镜的自动化也得到了发展，通过摄像头对观测物体拍摄的图像进行处理，得出显微镜需要调焦的参数，并发送指令给控制系统，控制系统在接收到指令以后则发出指令控制电机做出相应的动作实现自动调焦，由于过程中几乎不需要人为的手动操作，速度非常快，大大提高了工作的效率。本文所提出的显微镜Z轴调焦自动控制系统则是以以上的结构为基础进行的设计，本设计融合了机械设计和控制系统的设计两大部分，使得工程技术人员能够以更加高效的方法操作使用显微镜，而且还能够设计相应的接口电路连接计算机，通过计算机对图像进行处理从而给出控制信号，大大提高了工程技术人员、医学工作者、生物学专业人士的工作效率。1绪论显微镜Z轴电机自动调焦控制系统属于自动控制系统的范畴，用于用于控制被控对象连续地，精确地复现输入信号的变化规律。自动控制伺服系统通常分为闭环控制系统，半闭环控制系统和开环控制系统几类。本次设计由于成本以及系统本身的要求并不高，因此采用其中最为简单的无需反馈的开环控制系统即可满足要求：实时精确的控制步进电机的转动角度，经齿轮齿条的传动转化为Z轴方向上的精确移动，从而实现Z轴方向的自动调焦。1.1论文选题的背景和意义随着国家经济的发展和科学技术的提高，无论工业上或是生物科学中，对于各种精密仪器设备的使用时不可或缺的，而显微镜正是其中之一。而随着技术的发展，越来越多的仪器设计从人为操作向着自动化的发展，变得更加智能化，不仅相对于传动的手工操作更加方便，控制精度也变得越来越高。显微镜，可以说是人类最伟大的发明之一，在它之前，人类关于世界的观念仅仅局限于肉眼所能看到的事物，而显微镜带给了人类一个崭新的世界，成为了人类观察、了解微观世界不可或缺的工具。普通的显微镜已经发展了几百年的历史了，而自动显微镜的出现也就是最近几十年而已。在显微镜发展的早期阶段，人们通过在普通显微镜的基础上安装用于XY方向移动的载物台和Z轴方向用于调焦的三向控制平台，这便是最初的自动控制显微镜的原型。随着自动控制的发展，显微镜的自动化也得到了发展，通过摄像头对观测物体拍摄的图像进行处理，得出显微镜需要调焦的参数，并发送指令给控制系统，控制系统在接收到指令以后则发出指令控制电机做出相应的动作实现自动调焦，由于过程中几乎不需要人为的手动操作，速度非常快，大大提高了工作的效率。1.2论文的内容和目标1.2.1自动对焦系统的好处与优势本次设计属于目前已经在工业上广泛运用的伺服系统，在自动控制领域，伺服系统就是将指令信号精确、快速的转换为相应的物理实现。自动控制系统相对于普通的手工操作来说主要有以下优势：1. 稳定性。由手工操作来实现显微镜的调焦不仅速度慢，而且人手的力度不能精确控制，导致在对焦过程中经常要反复操作才能得到需要的视场，而有时候不小心用力过大又要重新操作，而自动对焦则没有这方面的问题。2. 快速性。自动对焦在保证系统稳定性的技术上，能够快速相应计算机发送的指令信号，从而快速执行相应的动作，步进电机电机的转速比较高，能够很快的调焦。3. 准确性。由于人眼的极限，对于显微镜的对焦只能调节到合适的范围内，而自动对焦由于摄像头和相应的软件能够更加精确的判断出需要对焦的距离，比人眼更加精确。1.2.2论文研究的主要内容本次设计的主要内容是实现对显微镜Z轴的步进电机自动调焦功能，即由MCU接收和发送控制指令，通过步进电机驱动电路对步进电机输出驱动脉冲，从而实现系统的自动对焦功能。因此，本文将主要对步进电机驱动的原理及其电路设计进行描述说明，并详细的硬件和软件方面分别描述整个系统的设计实现过程。1.2.3完成显微镜Z轴电机调焦自动控制系统概述本文的设计主要分为两个大的部分：机械执行机构部分和步进电机控制和驱动部分。在步进电机控制和驱动设计中，主要采用了8051兼容的单片机作为系统的主要MCU，而人际交互部分则采用1602液晶显示器显示相关的系统工作状态和普通的按键用于对系统发出相应的控制操作指令；而最主要的步进电机的驱动则采用了东芝公司的专用步进电机驱动芯片TB6560AHQ，在设计相应的外围电路后，步进电机驱动版能够驱动57mm以下的步进电机，并且通过相应的拨盘开关调整驱动过程的衰减和细分数，为了在系统非工作状态时节约能源，减少步进电机的铜损和铁孙，还设计了步进电机的自动半流电路，在步进电机处于空闲状态（没有控制信号）时能够自动减少通过步进电机的电流，大大节省了系统空闲状态的能源损耗。而机械部分的设计主要是采用齿轮齿条进行运动状态的转换：将步进电机的周转运动转换为Z轴方向的直线运动，之所以采用齿轮齿条是因为系统大部分时间，整个显微镜的载物台都是加载在整个传动系统之上，采用普通的滚珠丝杠传动的话，压力太大，长时间使用的话滚珠丝杠不能承受相应的压力，影响系统的工作寿命，而相对来说，齿轮齿条能够承受相对较大的压力，适合本次设计的要求。2显微镜Z轴电机传动与控制系统的总体设计2.1系统的总体功能简介本系统主要是对显微镜的Z轴的步进电机的传动系统以及控制系统进行设计，可以实现显微镜Z轴方向的移动距离300mm，粗调的过程中精度能够达到25mm，而细调的精度能够达到0.5mm，系统能够通过相应的按键进行手动控制。2.2系统设计的初步分析作为一个基本的控制系统，首先是需要一片MCU负责对系统接收和发送控制信号，本次设计采用的就是Atmel公司的一款8051兼容的单片机AT89S52，通过单片机给步进电机驱动版发送相应的信号（如使能信号、驱动脉冲、方向信号等），步进电机驱动板再根据相应的信号输出脉冲驱动步进电机。其次步进电机驱动板则采用专门的步进电机驱动芯片加上合适的外围电路组成，主要是接收控制信号，并转换为驱动步进电机的脉冲信号输出。再者，系统的操作最终还是需要人来进行，而负责与人进行交互的界面最合适的就是显示器和键盘了，显示器负责输出相应的数据、工作状态，本次设计采用的是工业上使用的比较多的一款1602液晶显示器，该显示器能够显示2行16个字符，足够显示本次设计所需要的内容。而键盘则是人向控制系统发出指令的媒介，单片机通过检测按键的状态判断是否需要对人的操作进行响应，如显示所按下的按键的功能，进行相应的动作等。之后，考虑了整个系统的电路部分的总体设计，还有整个系统的机械执行机构，该部分需要将步进电机输出的周转运动转换为Z轴方向上的直线运动，而通常能够转换这类运动的有滚珠丝杠机构、齿轮齿条机构等，本身滚珠丝杠机构精度比较高，能够比较符合本次设计的要求，但是因为本次设计的显微镜的载物台的重量基本都是加在滚珠丝杠机构上，而丝杠因为本身的结构关系相对来说比较细小，不适合重物的传动，因此本次设计则选用了齿轮齿条作为本次设计的传动机构。最后，控制系统需要在合适的电压范围内才能正常工作，而步进电机的驱动板也需要合适的电压电流才能驱动步进电机，因此本次设计采用了15V的变压器输出交流电，经过整流滤波和稳压后输出5V的交流电供给整个系统。2.3系统整体设计方块图单片机控制板步进电机驱动板电源步进电机齿轮齿条等传动机构图2.1系统整体设计框图2.4 系统总体功能的实现方案及选择根据系统的工作情况以及模块化的设计思路，对系统的各个主要单元进行划分，整个系统可以分为机械部分、电路控制部分以及软件部分三个主要方面。通过软件检测硬件的状态（按键等）执行相应的代码，从而产生相应的控制信号，控制信号经过光耦隔离后到达步进电机驱动芯片，步进电机驱动芯片根据相应的控制信号输出相应的控制脉冲给步进电机，最后步进电机通过联轴器带动齿轮转动相应的角度，而齿轮和齿条的啮合传动则将步进电机的周转运动转换为直线运动，从而实现整个系统Z轴方向的直线运动。2.4.1机械传动部分经过上述的分析与介绍，已知本次设计预计采用的机械传动方案有三种：齿轮齿条机构以及滚珠丝杠机构，它们各自的主要特点如下：方案一：滚珠丝杠机构本次设计的机构主要功能是将回转运动转化为直线运动，而滚珠丝杠则是能够实现这种结果的最理想的产品，通过将轴承的滚动动作变化为滑动动作，摩擦阻力小，广泛应用于精密仪器设备。主要特点：1.滑动丝杠副达到同等运动效果所需的驱动力矩，滚动丝杠副只需要它的1/3。由于滚珠丝杠副的丝杠轴和丝杠螺母之间有很多的滚珠做滚动运动，因此能够得到比较高的效率，和过去的滑动丝杠副相比较，达到同样的传动效果，所需的力矩只需要原来的力矩的1/3，因此能够节约步进电机消耗的电能。2.高精度的保证滚珠丝杠由于其生产加工过程的要求比较高，特别是研制、组装、检查各道工序对于工厂的环境、温度、湿度的控制都有严格的控制，完善的品质管理体系使得滚珠丝杠的精度得到了充分的保证。3.微进给的可能滚珠丝杠副是利用滚珠的运动来传动，启动力矩小，不会出现滑动运动那样的爬行现象，能够保证实现精确的微进给。4.高速进给可能滚珠丝杠由于运动效率高，发热量小，因此可以实现高速进给运动。综上所述，滚珠丝杠本身效率高，精度高，适合本次设计所需，但是因为滚珠丝杠一般是负责传动，而不会承受所需运动部件带来的压力，而显微镜的Z轴传动机构由于需要带动载物台整个上下移动，对于滚珠丝杠来说长时间的压力会影响到其精度甚至影响到工作寿命，因此，排除了滚珠丝杠作为整个系统的传动机构的方案。方案二：齿轮齿条机构齿条本身在机械设计里面属于齿轮传动的范围。因此基本上具有齿轮传动的基本特性。而作为机械传动最重要的传动机构之一，齿轮的形式多，应用广泛，效率高，广泛应用于各行各业的传动机构当中。主要特点：1. 效率高在常用的机械传动机构当中，齿轮的传动效率最高。如一级的圆柱齿轮传动的效率可达99%。这对于大功率的传动来说是非常重要的，因为即使是1%的效率也能有很大的经济效益。2. 结构紧凑在同样的使用条件下，齿轮传动所需的空间尺寸一般都比较小。这对于本身体型就不大的显微镜来说是很重要的。3. 工作可靠，寿命长设计制造正确合理、使用维护良好的齿轮传动，工作十分可靠，寿命长达一、二十年，这是其他的机械传动机构所不能比拟的。尤其是车辆以及矿井里的工作机器来说。4. 传动比较稳定传动稳定往往是对传动性能的基本要求。齿轮传动能获得广泛应用正是基于这一点。齿轮传动可以做成开式、半开式和闭式，因此能够适应不同场合的需要。综上所述，齿轮齿条传动的稳定性好，能够承受的力矩大，传动平稳，应用广泛，使用寿命长，对于负载不大的显微镜传动机构来说几乎是永久性的，无需经常更换维修。因此，本次设计采用了齿轮齿条机构来完成整个系统的机械执行动作。2.4.2电路控制部分电路控制部分的单片机控制部分用单片机最小系统加上相应的按键即可完成相应的功能，而步进电机的驱动方法则是多种多样的，简单点的三极管加电阻即可驱动，复杂点的有专门的驱动芯片来驱动。方案一：采用普通的集成电路（如ULN2002）驱动步进电机方案特点：ULN2003时高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品，具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带动负载能力强等特点，能够适应于各类要求大功率驱动的系统。其内部框图以及等效电路图如下所示：图2.2ULN2003内部系统框图以及等效电路图采用ULN2003驱动步进电机的特点是电路简单，只需很少的部件即可实现所需的功能。但是想对应的是硬件电路的简单带来的软件设计的复杂性。由于ULN2003只是简单的受控于单片机并且提供相应的电压电流，所以控制步进电机做精确的运动所常用的Pwm、细分等功能都需要用软件来实现，而51单片机本身是没有继承PWM驱动功能，也需要用延时或者定时器来实现相应的功能。由于单片机本身的处理能力有限，当控制精度要求比较高的时候，单片机不能很好的完成系统所需要的功能，即精确的控制步进电机转动相应的角度。因此，本方案只是适合简单的步进电机驱动，当系统对精度要求比较高的时候不太适合。方案二：采用专用的步进电机驱动芯片（如TB6560AHQ）驱动专门的步进电机驱动芯片本身就是设计用来驱动步进电机的，不仅功能上比较完善，能够很好的适应驱动步进电机的要求，而且能够简化软件的设计，是一个很好的选择方案。例如本次设计选用的TB6560AHQ在具体应用方面的优势有：1. 在低转速运行系统的应用优势低转速运行系统，是指时钟频率不高、以小电流驱动为主的系统，比如转速为每分钟几转到100转，用户在此种应用条件下如使用传统的驱动方案，要么因集成芯片细分太低，而使低速振动偏大；要么不得不选择细分很高的驱动器，使成本不必要的增加。TB6560AHQ驱动芯片的优势：（1）电机振动小噪音低：因为芯片自带2、8、16细分可选，足够满足每分钟从几转到近千转的应用要求。（2）嵌入式驱动器发热少：芯片自带的散热面积足以单独支持小电流驱动的散热要求。（3）支持各种步进电机选型：客户可选择力矩稍大的混合式或永磁式步进电机，使电机工作在允许最大转矩的百分之30至50之间，电机成本几乎不变；芯片提供多档电流设置和电流衰减模式，支持相同动力指标下各种不同参数的步进电机。2.在高转速运行系统中的应用优势高转速运行系统，是指时钟频率较高、以大电流驱动为主的系统，比如转速为每分钟接近千转，此种应用条件下如使用传统的驱动方案，要么因集成芯片细分太低，而使系统调速范围过小；要么因细分很高而过多增加了成本，还可能会出现因高频力矩下降导致的振动和噪音。TB6560AHQ驱动芯片的优势：（1）电机振动小噪音低：由于TB6560AHQ芯片芯片自带16细分功能，能够满足每分钟从几到近千转的应用要求，且自动产生纯正的正弦波控制电流，与其它高集成度芯片相比，在相同高转速下力矩不但不会下降，反而有所增加；由于TB6560AHQ芯片可承受峰值40V的驱动电压、峰值3.5A的电流，为电机在大力矩、高转速下持续运行提供了的技术保障。（2）支持各种步进电机选型：客户可选择力矩稍大的的混合式或永磁式步进电机，使电机工作在最大转矩的百分之30至50之间，电机成本几乎不变；芯片提供大电流设置和多档电流衰减模式，支持相同动力指标下各种不同参数的步进电机。（3）嵌入式驱动器体积小巧易散热：大电流驱动时，芯片的散热面便于外连散热器，也可以直接连接在用户原有控制器金属壳体上，嵌入式驱动器体积小巧、易于散热。总之，因TB6560AHQ芯片集成度很高，外围电路极其简单，可靠性极高，支持57和部分86步进电机从每分钟几十到近千转的宽调速应用，可使数控设备研发成本和生产成本双双下降。综上，本次设计的步进电机工作状态为低转速状态，传统的集成芯片驱动因为较低的细分或导致震动比较大，从而影响到整个系统的工作状态，而步进电机驱动芯片却能很好的完成所需要的功能。3系统机械部分的设计计算3.1步进电机的选择与计算3.1.1电机类型的选择本次设计主要是设计一个可行的Z轴电机驱动显微镜载物台的机械结构和相应的电机驱动电路，而显微镜是一种比较精密的仪器设备，载物台的上下移动对于位置精度的要求比较高，而且对于电机的启动、制动、反转有较高的要求。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。综上所述：步进电机能够通过精确的转动角度来达到控制载物台升降的行程，并且具有瞬时启动和急速停止特性，虽然从设计上来说伺服电机也能够满足设计的要求，但是因为伺服电机的成本比较高，因此选用步进电机电机能够比较适合本次设计的要求。3.1.2步进电机型号的选择本系统的目的主要是实现显微镜Z轴方向的上下移动动作，通过普通的齿轮齿条即可实现，由于显微镜物镜台有一定的重量，因此在选取步进电机的时候主要考虑到了步进电机的扭矩要符合系统要求。物镜平台步进电机图3.1系统的概念图如图3.1所示，通过控制步进电机的转动带动物镜平台的上升下降。假设整个载物台的重量约为10kg，所选择的齿轮分度圆直径d1为20mm（由于显微镜的大小限制，齿轮不能太大），步进电机带动载物台上升所需的扭矩为：T= mg*d1/2 =10 kg * 20mm /2 = 1N*m而在实际使用中d1的大小应该小于20mm，重力加速度也小于10，所以整个系统所需的扭矩小于1N*m，用57步进电机即可满足系统要求，其主要参数如表格所示。表3.1 57步进电机参数型号相数步距角保持转矩额定电流相电感相电阻定位转矩电机重量机身长57HS0921.80.9N.M2.8A1.2mH0.8hm0.4Kg.cm0.6kg54mm3.2联轴器的选择与计算3.2.1联轴器的选择联轴器由两半部分组成，分别与主动轴和从动轴联接。一般动力机大都借助于联轴器与工作机相联接。联轴器的种类繁多，根据联轴器对各种位移有无补偿能力，联轴器可以分为刚性联轴器和挠性联轴器两大类。挠性联轴器又可以按是否具有弹性元件分为两类。联轴器的一般选择步骤如下：根据机器的工作条件和使用要求选择合适的类型，再按轴径，计算转矩以及轴的转速，选取相应的产品型号，最后对其经行校核计算。本系统选择的联轴器为梅花形联轴器，特点有：1. 结构简单，检查、安装方便；2. 两头固定端为硬质铝合金，中间为聚胺脂弹性体，连接紧凑无间隙；3. 抗油及电气绝缘性；4. 顺时针和逆时针回转特性完全相同；5.可吸收震动、补偿径向、角向和轴向偏差；6. 抱紧式或止付螺丝固定式联结。一体化设计，常用于机床、升降平台，步进伺服系统，主轴传动。具体参数如表3.2所示：表3.2联轴器参数DLD1D2L1M额定扭矩最大扭矩最高转速25mm30mm5-10mm5-10mm4mm3-41.5Nm3Nm10000rpm3.2.2联轴器的校核如上表所示，联轴器的参数符合系统的要求。3.3齿轮齿条的设计与计算3.3.1齿轮齿条传动的设计经过对系统的工作过程的详细分析，结合做选用的步进电机驱动芯片和齿轮齿条机构，由于系统要求显微镜的调焦精度为0.5mm，本次设计选用步进电机的步距角为1.8度，因为显微镜是比较精密的仪器设备，本系统下步进电机处于低速运动状态，如果采取整步驱动，步进电机会抖动，系统的工作噪音会比较大，所以步进电机采用16细分从而得到较高的控制精度与稳定性，从而有1.8/16= 0.1125，齿轮的分度圆直径设计为60mm，则有步进电机没接收到一个脉冲所走的距离为0.112536060mm=0.05890mm，若要走0.5mm的距离，大概要给步进电机8个脉冲即可。3.3.2齿轮齿条材料的选择因为本系统的齿轮齿条传动属于低速轻载的传动机构，为了降低传动过程的噪音，对于小齿轮才用非金属材料，但因为本次设计采用的是齿轮带动齿条的方式，非金属材料不太合适，而为了使齿轮具有足够的抗磨损及抗点蚀的能力，齿面的硬度应为250350HBS之间，因此选用调质的45号钢即可满足要求。3.3.3齿轮传动设计参数的选择1. 压力角的选择由机械原理可知，增大压力角，轮齿的厚度及节点处的齿廓曲率半径亦随之增加，有利于提高齿轮传动的弯曲强度和接触强度。因本设计用到的齿轮齿条对于强度要求不是很高，因此采用标准压力角=25即可。2. 齿数z的选择若保持齿轮传动的中心距不变，增加齿数能够增加重合度，改善传动的平稳性，而本设计对齿轮齿条传动的平稳性要求较高，因此齿轮的齿数选用较大的值z=60 。3. 齿宽系数的选择轮齿越宽，承载能力越强，而本设计的齿轮对于强度要求不高，因此d=b/d1=1即可。3.3.4齿轮设计参数的强度计算齿轮齿条的强度计算跟齿轮的强度计算方法相似，一般齿轮齿条的线速度都不是很好，因此主要计算其齿根弯曲疲劳强度。按齿根弯曲强度计算设计：齿根弯曲强度的设计公式如3-1所示。 m32KT1dz12(YFaYSaF)（31）1）确定公式内的各计算数值由机械设计手册查得齿轮的弯曲疲劳强度为FE=380MPa；2）由机械设计手册查得齿轮的疲劳寿命系数为KFN=0.88；3）计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4，查机械设计手册得：F=KFNFES=0.883801.4MPa=238.86MPa4）计算载荷系数K=KAKVKFKF=11.1211.35=1.5125）查取齿形系数YFa=2.286）查取应力校正系数YSa=1.737）计算m321.512310316022.281.73238.86mm=0.0416mm因此选取齿轮得模数为1。齿轮几何参数的计算：模数：m=1压力角：=20齿数：z=60分度圆直径：d=mz=160mm=60mm齿顶高：ha=ha*m=11=1mm齿根高：hf=ha*+c*m=1+0.251=1.25mm齿高：h=ha+hf=1+1.25=2.25mm齿顶圆直径：da=d1+2ha=60+21=62mm齿根圆直径：df=d1-2hf=60-21.25=57.5mm基圆直径：db=d1cos20=60cos20=56.38mm齿顶圆压力角：a=cos-1dbdb=cos-156.3862=24.583.3.5齿条的设计及计算1. 齿条的基本参数设计根据齿轮齿条的啮合特点：(1)齿轮的分度圆永远与其节圆相重合，而齿条的中线只有当标准齿轮正确安装时才与其节圆重合。(2)齿轮与齿条的啮合角永远等于压力角。因此，齿条的模数m=1；压力角=20。2. 齿条的几何参数计算表3.3 齿条的参数表项目代号计算结果/mm分度圆直径与齿条运动速度的关系d1=60000n1分度圆直径d60齿顶高ha1齿根高hf1.25齿高h2.25齿顶圆直径da62齿根圆直径df57.5齿距P3.14齿轮中心到齿条基准线距离H30基圆直径db56.38齿顶圆压力角a24.58端面重合度a1.7纵向重合度0总重合度1.7当量齿数zw注：1.对于标准齿轮，x1为02.n1齿轮转速，r/min；齿条速度，m/s。3. 齿条的长度设计本次设计的要求显微镜Z轴能够升降300mm的距离，而齿条的齿距为3.14mm，当有101个齿时齿条能能移动的距离约为314mm，为了能有足够的余量，齿条的齿数选为121个。加上齿条两端空余的部分，齿条设计长度为350mm。3.4齿轮轴以及轴承的选用及设计3.4.1齿轮轴的设计以及强度校核1.齿轮轴的最小直径公式如3-2所示。dA03Pn1-4（32）查机械设计手册得：45号钢的A0取值范围为126103，取A0为116；则有d1161510-31.61-0.64=5.5mm2.齿轮轴的结构设计如图3.2所示：图3.2齿轮轴3.轴承的选用因为本系统的负载较小，对于轴承基本都能够满足相应的要求，因此查机械设计手册的合适型号的轴承即可满足要求。本次设计选用的轴承为：7001C（GB/T292-1994）基本参数：内径d=12mm，外径D=28mm，宽度B=8mm基本额定载荷Cr=5.42KN，C0r=2.65KN极限转速：脂18000rmin，油26000rmin3.5系统其他零件的选用3.5.1键连接的选用以及强度校核本次设计有两处需要选用键进行周向定位，本次设计均采用圆头普通平键（A型）。1.联轴器处键的选用轴径为10mm，选用b*h=3*3的普通圆头平键即可，长度10mm。p=2T103kld=231030.531010=40MPap=50MPa键的标记为：键3310 GB/T 1096-2003。2.齿轮处键的选用轴径为15mm，选用b*h=5*5的普通圆头平键即可，长度22mm。p=2T103kld=231030.532215=12.12MPap=50MPa键的标记为：键5522GB/T 1096-2003。3.5.2齿条固定螺栓的选用本次设计选用的螺栓为GB/T 5782-2000六角头螺栓型号规格为：M42*35GB/T 5782-2000主要参数如图3.3所示。图3.3螺栓4系统的电路控制部分的设计本系统采用价格比较低廉的开环控制系统，主要以AT89S52单片机为控制核心，通过外围电路（如用于人机交互的按键电路以及显示系统状态的1602液晶显示电路）实时显示系统的工作状态，并且对按键进行扫描，监测到有按键输入系统立即按照既定的动作方式（步进电机快速转动实现粗调，慢速转动实现微调）动作；粗调或者微调的实现方式为单片机的PWM控制方式：给步进电机电机驱动电路相应数量的脉冲和使能信号驱动步进电机驱动电路，步进电机驱动电路输出电压和电流控制步进电机动作。单片机控制系统按键输入步进电机驱动器机械传动及执行机构1602液晶显示图4.1电路控制部分方框图4.1单片机控制电路4.1.1单片机的选择根据系统的设计任务和要求，本次设计采用了Atmel公司生产的AT89S52-24PU系列单片机，该系列单片机不仅与Intel的8051系列单片机完全兼容，而且具有8k字节的在系统可编程flash存储器，能够很好的满足本系统的要求。4.1.2单片机外围电路的设计单片机运行所需要的最小系统的外围电路主要包括时钟电路和复位电路两大部分。1. 时钟电路的设计图4.2时钟电路根据硬件电路的不同，单片机的时钟连接方式分为内部时钟和外部时钟两种方式。内部振荡方式：单片机内部具有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。把放大器和作为反馈元件的晶振连接，就构成了内部自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。外部振荡方式：外部振荡方式就是把外部已有的时钟信号引入单片机内，即姐XTAL2引脚，而XTAL1引脚接地。综合实际情况，本系统采用内部振荡方式，外接一个12MHz的无源晶振以及两个30pf的电容构成并联谐振电路。并且在印制电路板中，晶振尽可能的离单片机芯片的距离近一些，减少寄生电容，提高系统时钟电路的稳定性和可靠性。2. 复位电路的设计图4.3复位电路在51兼容系列的单片机中，最常采用的主要有两种复位电路：上电复位和手动复位。单片机芯片的RST引脚为系统的复位信号输入端，高电平有效，为了完成系统的复位操作，高电平的有效时间必须持续24个振荡周期以上。在通电瞬间，由于RC的充电过程，在RST端出现一定宽度的正脉冲，只要该脉冲保持一定时间以上即可实现单片机的复位。本设计中，采用的上电复位方式，电容取10uf，电阻取1k即可满足要求。4.2人机交互电路的设计4.2.1人机交互的按键电路设计图4.4按键电路设计由于本次设计所需要的按键不多，四个即可满足要求，因此采用按键直接接P2口实现所需功能，当任意一个按键按下时，对应的单片机IO口处于低电平状态，系统监测到按键输入以后运行相应的程序，从而实现对人际交互的过程。4.2.2 1602液晶显示电路设计图4.51602液晶电路本系统采用了1602液晶显示器来显示系统的工作运行状态，该显示器能够显示160个不同的点阵字符图形，包括：阿拉伯数字、大小写的英文字母、常用的符号、日文假名等，每个字符都有固定的代码，显示时把字符的地址代码存储的点阵字符图形显示出来，就可以看到相应的字符。本系统采用的电路可通过电位器RP1调节1602的背光对比度，从而适应不同光线环境的需要。表4.11602液晶引脚功能其中VEE可调节对比度。RS为寄存器选择，R/W为读写信号端，高电平进行读操作，低电平写操作。4.3电源电路设计交流220v电源LM317稳压15V变压器步进电机驱动器15V输入7805降压单片机控制电路5V输入图4.7系统电源方框图交流220v的电源经过15v的变压器后变成15v左右的直流电，经过LM317的稳压后输出到7805和步进电机驱动器，其中输入到7805的电源经过进一步降压到5V，提供单片机控制电路所需的5V电源，而步进电机驱动器的板上有独立的7805稳压用来提供光耦隔离部分的5V电源。电路图如图4.8所示：图4.8电源电路图4.4步进电机驱动电路4.4.1步进电机的简要介绍极其特点1.介绍：步进电机是一种将电脉冲信号转化为角位移或者线位移的开环控制元件。在非超载情况下，步进电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给步进电机一个脉冲信号，步进电机就转动一个步距角。本系统则是通过控制步进电机的脉冲数来控制步进电机的角位移量，经过齿轮齿条的转化成为显微镜物镜上下移动的线位移量，从而精确的控制显微镜的升降距离来实现显微镜的调焦。由于这一线性关系的存在以及步进电机只有周期性误差而没有累计误差的特点，使得步进电机在速度、位置控制领域有着独特的作用。步进电机的特点：（1） 定位精度高。步进电机最大的特征即是能够简单的做到高精度的定位控制，因为步进电机的定位精度取决于电机本身的机械加工精度，没有累计误差，因此可以做到高精度的定位控制。（2） 位置及速度控制。步进电机在输入脉冲信号时，可以依输入的脉冲数作为固定角度的回转从而得到灵活的角度控制，或者通过机械装置转变为位置控制，并且可以得到和该脉冲信号频率成比例的回转速度。（3） 具有定位保持力。步进电机在停止状态下（无脉冲信号输入），仍然具有激磁保持力，因此即使不依靠机械式的刹车机构，也能够做到停止位置的保持，并且可以通过设计为静止状态来减少电机通过的电流来降低功耗。（4） 中低速的时候具备有较高的转矩。步进电机在中低速的时候具有较大的转矩，因此能够比同级别的伺服电机提供更大扭力的输出。（5） 动作灵敏。步进电机因为加速性能比较优越，几乎可以做到瞬时启动、停止、正反转，从而执行快速、频繁的定位动作。（6） 开环回路控制，不需依赖于传感器的定位。步进电机的控制系统构成非常简单，不需要速度、位置传感器就能通过输入的脉冲数目做到速度与位置的精确控制。因为本身属于开环控制，故适合于段距离、高频率、高精度的定位控制场合。（7） 可靠性高。步进电机的体型小，功率高，扭矩大，即使在空间狭小有限制的地方仍可以顺利安装并提供高转矩的输出。正因为步进电机有着上述优秀的特性，使得其在工业自动化领域类被广泛应用，特别是一些对于控制精度要求比较高，可靠性要求比较高，而成本要求又比较低的场合，简单的开环控制方式对于复杂昂贵的闭环控制的伺服电机来说具有很大的优势。步进电机的原理：步进电机主要分为反应式步进电机、永磁式步进电机和混合式步进电机三个主要类别。和普通的电机一样由铁心和绕组构成，定子绕组若干相，每相磁极上有极齿，转子上也有若干个齿，当某相定子绕组通以直流电励磁后吸引转子，使定转子对齐，因此，转子在外加脉冲信号的作用下一步一步的运转。图4.9步进电机运行图如图4.9所示：A相通电，B、C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对其，（转子不受任何力）B相通电，A、C相不通电时，齿2应该和B对其，此时转子向右移过1/6，齿3与C的偏移量为1/6，齿4与A便宜2/3。如果不断的按A、B、C、A通电，则电机每步（每个脉冲）向右转动1/3。若是按A、C、B、A的顺序通电，则电机左转。步进电机的定子绕组每改变一次通电状态就叫“一拍”；定子绕组的通电状态循环改变一次所包含的状态数称为“拍数”，上例N=3.转子的齿数用Zr表示；转子的齿与齿之间的角度称为“齿距角”；转子每一步转过的角度称为“步距角”。转速问题步进电机的转速和供电电压关系不大，而与各相绕组的通电和断电频率有关，因此可以计算出步进电机的转速n：n=60fZr*n（41）2.步进电机的细分原理（1）整步驱动步进电机整步驱动的次序图如图4.10所示。图4.10步进电机整部驱动次序图图4.11电流矢量分割图，A、B相电流时间图如图4.11所示，整步驱动的时候每个时刻只有一相通电，这种驱动方式电路简单，程序代码也相对简单容易实现，电机的驱动次序为BB - AA - BB - BB由以上两个图可以看出，整步驱动方式的电流矢量就是把一个圆平均分为四份