人体组织工程载体框架设计【含4张CAD图纸和机械毕业论文】

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人体组织工程载体框架设计

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关键词：: 人体组织工程载体框架设计 cad 图纸机械毕业论文

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摘要

本设计属于人体组织工程载体框架制造工艺技术领域，其方法包括以下步骤：首先制备室温下含组织工程载体框架材料的液体和含生长因子的液体；根据用户的预先设计的路径，将上述两种液体在低于0℃的低温环境中分别通过不同的喷头挤出或喷射出来，逐层堆积成形为冷冻的多孔组织工程载体框架，然后在冻干机中冷冻干燥，去除溶剂后得到组织工程载体框架。
落实到本毕业设计的内容主要是X-Y扫描工作台，Z轴升降台以及整机布局的设计，电控部分的初步设计。X-Y向工作台采用光杠导向，伺服电机驱动，滚珠丝杠传动，Z向工作台通过光杠导向，步进电机驱动，丝杠螺母传动。电控部分主要包括8031单片机、I/ O 接口卡、D/A转换电路、功率放大电路、伺服电机、光电隔离电路、步进电机、测速发电机, 以及键盘、显示器等。

关键词：人体组织工程快速成型技术扫描工作台单片机控制

Abstract
This design belongs to the field of the framework carrier manufacturing technology of human tissue engineering which includes several steps as followed. Firstly, prepare the liquid contained the material of the framework carrier of tissue engineering. Secondly, according to the user’s prescribed path，the two liquids were sprayed from two different nozzle below zero Centigrade, then the frozen porous tissue engineering carrier is deposited by layers. Finally, the framework can be obtained after sublimation drying of solvent in a freeze –drying apparatus.
The main contents of this paper is to design the X_Y scanning workbench、Z lifting workstation as well as their control units. Both of the X-Y workbench and the Z lifting workstation are guided by the lead bars. The X-Y workbench is transmitted with the ball screws and driven by servo motors. The Z lifting workstation is transmitted with the lead screws and driven by stepper motor. The control unit contains SCM, I/O interface card, photoelectric isolation circuit, D / A converter circuit, servo motors, stepper motor, tachogenerator, power amplifier, as well as keyboard, monitor, etc.

Keywords: human tissue engineering, RP technology, scanning workbench, SCM

第一章综述 1
1.1组织工程载体框架制备综述 1
1.2无加热沉积制造的设备与工艺 3
第二章具体设计任务及时间安排 4
2.1工作台机械部分设计 4
2.2工作台电路部分设计 5
2.3设备附件部分设计 5
2.4设计日程安排 5
2.5设计要求参数 5
第三章机械装置部分设计 6
3.1 X_Y方向工作台设计 6
3.1.1 X向导向机构 6
3.1.2 光杠与直线轴承 6
3.1.3 传动机构设计 6
3.1.4 滚珠丝杠副的设计计算 7
3.2 Z方向工作台设计相关设计计算 11
3.2.1 导向机构选择 11
3.2.2 电机选择 11
3.2.3传动副选择 12
3.2.4传动机构设计 12
3.2.5 Z向步进电机选择 13
3.2.6 联轴器选用 14
第四章电气原理部分设计 15
4.1总体部分设计 15
4.2 电气部分基本组成 15
4.3 电气系统参数选择 15
4.4 单片机系统元件布置框图 18
4.5 伺服系统结构原理 19
4.6 接口电路及其原理 19
4.7 速度反馈输入接口 19
4.8 光电编码器及其接口 20
4.9 光电耦合器与步进电机 21
4.10 光电耦合器 21
4.11 步进电机及其软件环形分配器 22
总结与心得 23
总结 23
参考文献 24
附录：加减计数器程序和软环分初始化程序 25

第一章综述
1.1组织工程载体框架制备综述
目前国际上组织工程的载体框架的成形方法一般使用发泡法，溶盐法，浸浆法和热相分离法等。这些工艺都遵循相似的原理。那就是通过间接的手段造孔，如加入发泡剂，糖，无机盐，多空海绵和有机溶剂等作为造孔剂，空隙的形态参数与造孔剂的选择有着直接的关系。
例如浸浆法的典型工艺，——聚氨酯海绵浸浆法就是将聚氨酯海绵浸如陶瓷浆料中，然后在125C干燥一小时，以0.5C/Min的速度加热到500c，再以1Cmin的速度加热至高温烧成。其工艺方法的原理如图1，这中工艺方法只能成形烧结的陶瓷载体框架，而许多生物材料不能承受高温的加工过程，因此可用的材料受限制。

图1.1 浸浆法工艺简图
这些传统的组织工程载体框架制造工艺通常存在以下问题；
1、难以形成200微米到500微米尺寸范围，且相互贯通的可控孔隙结构，由于这些工艺都是简介造孔（通过发泡剂，无机盐等）很难实现对与载体框架孔隙结构的直接有效控制。成形的孔隙结构在一定程度上存在随意性。很难满足组织工程载体框架的形态参数要求——200微米到500微米的尺寸范围，且相互贯通的可控孔隙结构。
2、难以实现孔隙梯度结构和材料梯度结构的成形。这种均匀孔隙结构与材料组成的载体框架，很难协调载体框架的降解性能与机械强度之间的矛盾。很难满足组织工程载体框架的复杂性能要求。
3、难以实现用户化的载体框架制造。由于不同病例的组织缺损情况千差万别，需要针对具体的病例设计和制造载体框架，传统的工艺方法难以实现。

如果采用低温挤压喷射堆积成型的工艺方法，就可以克服传统的组织工程载体框架成型工艺的不足之处，提供一种组织工程载体框架制造的低温挤压，喷射堆积成形工艺，是其便于道道组织工程载体框架的形态参数要求及复杂的性能要求，实现孔隙梯度结构和材料梯度结构的成形，实现用户化的载体框架制造。该工艺可以按照以下步骤进行：
1、将所需的组织工程载体框架材料和溶剂混合，制备成室温下的含组织工程载体框架材料的液体，并制备室温下含所需生长因子的液体。
根据用户组织的具体结构以及预先设计的路径，将上述含组织工程载体

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内容简介：: 摘要本设计属于人体组织工程载体框架制造工艺技术领域，其方法包括以下步骤：首先制备室温下含组织工程载体框架材料的液体和含生长因子的液体；根据用户的预先设计的路径，将上述两种液体在低于0的低温环境中分别通过不同的喷头挤出或喷射出来，逐层堆积成形为冷冻的多孔组织工程载体框架，然后在冻干机中冷冻干燥，去除溶剂后得到组织工程载体框架。落实到本毕业设计的内容主要是X-Y扫描工作台，Z轴升降台以及整机布局的设计，电控部分的初步设计。X-Y向工作台采用光杠导向，伺服电机驱动，滚珠丝杠传动，Z向工作台通过光杠导向，步进电机驱动，丝杠螺母传动。电控部分主要包括8031单片机、I/ O 接口卡、D/A转换电路、功率放大电路、伺服电机、光电隔离电路、步进电机、测速发电机, 以及键盘、显示器等。关键词：人体组织工程快速成型技术扫描工作台单片机控制Abstract This design belongs to the field of the framework carrier manufacturing technology of human tissue engineering which includes several steps as followed. Firstly, prepare the liquid contained the material of the framework carrier of tissue engineering. Secondly, according to the users prescribed path，the two liquids were sprayed from two different nozzle below zero Centigrade, then the frozen porous tissue engineering carrier is deposited by layers. Finally, the framework can be obtained after sublimation drying of solvent in a freeze drying apparatus. The main contents of this paper is to design the X_Y scanning workbench、Z lifting workstation as well as their control units. Both of the X-Y workbench and the Z lifting workstation are guided by the lead bars. The X-Y workbench is transmitted with the ball screws and driven by servo motors. The Z lifting workstation is transmitted with the lead screws and driven by stepper motor. The control unit contains SCM, I/O interface card, photoelectric isolation circuit, D / A converter circuit, servo motors, stepper motor, tachogenerator, power amplifier, as well as keyboard, monitor, etc.Keywords: human tissue engineering, RP technology, scanning workbench, SCM 第一章综述11.1组织工程载体框架制备综述11.2无加热沉积制造的设备与工艺3第二章具体设计任务及时间安排42.1工作台机械部分设计42.2工作台电路部分设计52.3设备附件部分设计52.4设计日程安排52.5设计要求参数5第三章机械装置部分设计63.1 X_Y方向工作台设计63.1.1 X向导向机构63.1.2 光杠与直线轴承63.1.3 传动机构设计63.1.4 滚珠丝杠副的设计计算73.2 Z方向工作台设计相关设计计算113.2.1 导向机构选择113.2.2 电机选择113.2.3传动副选择123.2.4传动机构设计123.2.5 Z向步进电机选择133.2.6 联轴器选用14第四章电气原理部分设计154.1总体部分设计154.2 电气部分基本组成154.3 电气系统参数选择154.4 单片机系统元件布置框图184.5 伺服系统结构原理194.6 接口电路及其原理194.7 速度反馈输入接口194.8 光电编码器及其接口204.9 光电耦合器与步进电机214.10 光电耦合器214.11 步进电机及其软件环形分配器22总结与心得23总结23参考文献24附录：加减计数器程序和软环分初始化程序2527第一章综述1.1组织工程载体框架制备综述目前国际上组织工程的载体框架的成形方法一般使用发泡法，溶盐法，浸浆法和热相分离法等。这些工艺都遵循相似的原理。那就是通过间接的手段造孔，如加入发泡剂，糖，无机盐，多空海绵和有机溶剂等作为造孔剂，空隙的形态参数与造孔剂的选择有着直接的关系。例如浸浆法的典型工艺，聚氨酯海绵浸浆法就是将聚氨酯海绵浸如陶瓷浆料中，然后在125C干燥一小时，以0.5C/Min的速度加热到500c，再以1Cmin的速度加热至高温烧成。其工艺方法的原理如图1，这中工艺方法只能成形烧结的陶瓷载体框架，而许多生物材料不能承受高温的加工过程，因此可用的材料受限制。图1.1 浸浆法工艺简图这些传统的组织工程载体框架制造工艺通常存在以下问题；1、难以形成200微米到500微米尺寸范围，且相互贯通的可控孔隙结构，由于这些工艺都是简介造孔（通过发泡剂，无机盐等）很难实现对与载体框架孔隙结构的直接有效控制。成形的孔隙结构在一定程度上存在随意性。很难满足组织工程载体框架的形态参数要求200微米到500微米的尺寸范围，且相互贯通的可控孔隙结构。2、难以实现孔隙梯度结构和材料梯度结构的成形。这种均匀孔隙结构与材料组成的载体框架，很难协调载体框架的降解性能与机械强度之间的矛盾。很难满足组织工程载体框架的复杂性能要求。3、难以实现用户化的载体框架制造。由于不同病例的组织缺损情况千差万别，需要针对具体的病例设计和制造载体框架，传统的工艺方法难以实现。如果采用低温挤压喷射堆积成型的工艺方法，就可以克服传统的组织工程载体框架成型工艺的不足之处，提供一种组织工程载体框架制造的低温挤压，喷射堆积成形工艺，是其便于道道组织工程载体框架的形态参数要求及复杂的性能要求，实现孔隙梯度结构和材料梯度结构的成形，实现用户化的载体框架制造。该工艺可以按照以下步骤进行：1、将所需的组织工程载体框架材料和溶剂混合，制备成室温下的含组织工程载体框架材料的液体，并制备室温下含所需生长因子的液体。2、根据用户组织的具体结构以及预先设计的路径，将上述含组织工程载体框架材料的液体和含生长因子的液体在低于0度的低温环境中分别通过不同的喷头挤出或者喷射出来，逐层堆积成行为冷冻的多孔组织工程载体框架。3、将上述冷冻的组织工程载体框架送入冻干机中干燥，去除溶剂后即可得到组织工程载体框架。上述步骤中，1步骤中所述的制备含组织工程载体框架材料的液体为含组织工程载体框架材料的溶液，悬浊液，乳浊液或者材料部分溶解的浆料，所述的室温下含所需生长因子的液体为包括生长因子的溶液，悬浊液，乳浊液或者生长因子部分溶解的浆料。该工艺方法的原理和特点：1、低温挤压喷射堆积成型工艺方法的原理是基于快速成型制造的离散/堆积基本原理，成形过程及框架的空隙结构可以根据预先的设计进行逐层堆积成型。因此孔隙尺寸有相互贯通性可以得到很好的控制。2、在该工艺中，材料的制备是在室温下采用溶剂溶解或液体悬浮的方式得到液态的成型材料而不采用任何加热的熔融的液态材料制备方式，因此，很好的保持了生物材料的生物活性，使本工艺具有广泛的材料适应性。3、该工艺采用冷冻干燥方法，将冷冻状态的组织工程载体框架中的溶剂去除，此工艺中溶剂的升华，留下了大量五十微米以下尺寸的相互贯通的微孔结构，提高了载体框架的空隙率。有利于载体框架的体内降解和再生组织的营养与代谢。4、由于本工艺采用快速成形工艺，在制造复杂形状方面的巨大柔性，可以实现用户化的载体框架制造。具体的工艺实施方式：组织工程载体框架的低温挤压喷射堆积成型工艺方法的原理图如下图所示：图1.2低温挤压喷射堆积成型工艺简图首先将组织工程载体框架材料和溶剂混合制备成室温下含组织工程载体框架材料的液体，制备室温下含生长因子的液体，不同的组织需要采用不同的组织工程载体框架材料。如：骨组织工程常采用可降解高分子材料，钙磷盐或他们的复合材料，血管组织工程常采用聚氨酯材料等等。不同的材料需要溶于不同的溶剂，有的材料不溶于溶剂，不容的部分制备成10um以下的粉料。制备室温下含组织工程载体框架材料的液体包括组织工程载体框架材料的溶液，悬浊液，乳浊液或该材料部分溶解的浆料，同样，不同组织需要不同的生长因子，不同的生长因子需要溶于不同的溶剂，有的生长因子不溶于溶剂，不容的部分制备成10um以下的粉料，制备室温下含生长因子的液体的溶液，悬浊液，乳浊液，生长因子部分熔接的浆料或生长因子均匀混合在前述含组织工程载体框架材料的液体内的混合物，然后按照预先的设计规定的路径，分别通过不同的喷头将含的组织工程载体框架材料液体和含生长因子的液体在低于0C的低温环境中挤出或喷射出来，逐层堆积并冷冻成多空的组织工程载体支架，采用此工艺方法的制备原理如图1.3所示。按照预先的设计规定的路径，喷头组3将贮藏在储料罐组2中的液态原料，分别通过挤出或喷射的方式，在低于0C的低温成形室5中逐层堆积到工作台1上。得到冷冻的组织工程载体框架4，框架的孔隙结构可以通过预先的设计，可以通过计算机或者其他方式控制喷头的扫描运动的轨迹来得到。孔隙尺寸和相互贯通性可以得到更好的控制，喷头组中的个喷头均可以通过在控制下做独立的扫描运动。挤出/喷射不同的材料，根据预先的是设计成形的材料梯度结构，将冷冻的载体框架在冻干机中冷冻干燥。溶剂去除后得到用于组织修复的组织工程载体框架。图1.3无加热沉积制造的设备简图1.2无加热沉积制造的设备与工艺在各种快速成形工艺中，基于挤出/喷射成形的快速成形工艺是最适合于组织工程支架成形的工艺。因为这类工艺对于成型材料有着更为广泛的适应性，如图所示，在这类快速成型的工艺中，喷头在计算机的控制下将材料的液态或半固态细丝微粒挤出、喷射出来在工作台面上逐层沉积成为三维的实体（图1.4）。在整个的成型的过程中，由于对于不同的组织，材料不是单一的，而是复合的，因此，就要求，这种喷头的数目不是一个，而是根据实际的需要设置多个喷头，如图1.3所示。图1.4挤出/喷射成形的快速成形工艺示意图图1.3是一个四喷头的沉积制造专用设备结构示意图。为了实现支架材料的挤出/喷射成型，须按照以下步骤：1：首先通过非加热的方法制备液态或者是半固态的材料。2：将不同的液态材料装入不同的送料罐中，在每个罐的底部有一跟输料软管分别与喷头相连。这当中，由于各种材料的流体力学性能不一致，因此喷头的结构也不尽相同。3：在计算机中的电子模型的直接驱动之下，逐层通过喷头的挤出/喷过程，堆积制造复杂的三维载体支架。喷头在计算机的独立控制之下，按照预先的设计路径和顺序在XY平面内独立做挤出/喷射和扫描运动。整个成型过程在低温冰箱提供的环境中完成。XY扫描工作台在指令的控制下运动，每完成一个断面的扫描，由步进电机控制工作台向下运动一个层高。4：制造出支架以后，经过冷冻和干燥处理。去除支架中的溶剂和水分，得到常温下为固态的组织工程载体支架。第二章具体设计任务及时间安排2.1工作台机械部分设计1：工作台在XY向上由于重复定位精度比较的高，考虑采用闭环控制，工作台在XY向上由直流伺服电机驱动，电机经过减速机构，通过滚珠丝杠来带动工作台运动，用光电编码器作为测量反馈元件。XY向必须安装限位开关。2：工作台在Z轴上运动时，只需要按照层高不断下降，因此，完全可以使用一个步进电机，通过减速机构带动丝杠驱动工作台向下运动。出于对安全的考虑，必须要安装限位开关（可用一个简单的行程开关来实现），在工作台碰到开关之后，立即停止运动。2.2工作台电路部分设计 1：电控系统考虑用MCS-51系列单片机控制，其典型代表为8031，8031，8751.经过比较，采用具有价格低，功能强，使用灵活等有点的8031有扩展系统的单片机。2：使用8031外接2764（EPROM），6264(RAM)，以及8155（扩展I/O接口）等芯片扩展成一个简单的微机控制系统，编制的用户程序由键盘输入，修改程序也可以由键盘来完成。程序存入外部RAM。系统中有始终电路模块，复位和复位电路，数码显示接口电路，光电耦合器等等。2.3设备附件部分设计 1：喷头部分设计，计划采用挤压式双喷头，送料箱初拟置于机床上部，采使用空气压缩机产生压缩空气来挤出生长因子和支架材料。2：观察窗，冷冻室上盖，以及机床底座设计。冷冻室上盖计划采用在X_Y工作台下方放置塑料膜，随工作台运动的同时起到隔热的作用。机床底座采用四只滚轮和升降地角。2.4设计日程安排3.264.02查资料，调研，定设计方案，提交开题报告。4.034.23设计，计算，修改设计方案。4.245.21绘制装配图，教师审核电子版图纸。5.226.11撰写说明书，修改装配图，绘制其他图纸，教师审核说明书6.216.18集中出图，打印说明书，准备答辩。2.5设计要求参数最大成型空间：mm扫描运动最大成型速度：200mm/sXY重复定位精度：mmZ向重复定位精度：移动件最大重量：6Kg第三章机械装置部分设计3.1 X_Y方向工作台设计3.1.1 X向导向机构导向机构一般有使用导轨，或者是光杠，但是鉴于该工作台质量较小，且无切削力，所以考虑使用摩擦系数较小，安装简便，占用空间小的光杠。3.1.2 光杠与直线轴承直线轴承：SAMICK LM型直线轴承与LM型轴配合使用在不限行程的直线运动系列中。由于滚珠和直线轴间为点接触，因此摩擦力小，运动精度高构造和特点SAMICK直线轴承通过保持架和球沟道来调整轴承与LM轴的线性关系。外套筒采用高碳铬轴承钢材料，热处理后内外圆经磨削加工。互换性：三益直线轴承的尺寸是标准化的，完全可以互换。为了保证装配精度，直线轴外圆采用磨削加工。刚性外套经硬化处理和精密磨削的轴承钢外套，可以直接嵌入滚针轴承装配。高精度保持架整体式的保持架有4到6个滚珠回路，为滚珠的滚动和轴承的平稳运动提供精确的导向。LM箱式单元SC型LM箱式单元,由轻铝箱体和LM型直线轴承组成，珠轴承箱式单元，安装于带有密封的滚珠轴承上。易于通过螺栓安装于工作平台上，而且可通过设计紧凑的铝箱来移动。可通过螺栓联接方便地完成装配。可通过调整滚珠回路与载荷方向的相对位置来延长使用寿命。图3.13.1.3 传动机构设计由于工作台由电机带动做直线运动，因此考虑螺旋传动，螺旋传动的主要目的就是将旋转运动转化为直线运动，同时进行能量和力的传递。根据螺纹副螺旋传动有两种形式，比较如下：种类简要特点应用滑动螺旋传动结构简单，制造方便，运转平稳易于自锁，但是摩擦阻力大，传动效率低，有侧向间隙反向有空行程，低速有爬行金属切削机床的进给，分度机构的传动螺旋，摩擦压力机千斤顶的传力螺旋滚动螺旋传动传动效率高（90%以上）具有传动的可逆性运转平稳低速不爬行，经过调整预紧可以获得很高的定位精度和较高的轴向刚度，但是结构复杂，抗冲击性能差数控机床，机密机床，测试机械仪器的传动螺旋和调整螺旋，飞行器，船舶等自控系统的传动和传力螺旋该机床受成形零件的形状影响必然要求工作台要有频繁的启动，停止，前行，倒车，而且要求很高的传动效率和精度，所以综合考虑各种因素，应该使用滚珠丝杠副来传动。3.1.4 滚珠丝杠副的设计计算已知条件：机床工作台如图3.2。最大行程：考虑X_Y向最大成形空间为200*200mm，考虑喷头体积，最大行程初定于300mm全行程上定位精度：g0.005mm失动量：s=0.01mm工作台最高速度Vmax=20mm/s（成型运动无切削力）寿命10000小时（两班工作制5年）图3.2 XY工作台示意图电机直联丝杠，最高转速nj=3000r/min初步考虑用光杠导向，摩擦系数=0.2丝杠用固定-固定的安装方式计算步骤1.1工作台质量N（w）69.8=58.8N2夹具与工件质量N03垂直切削力04水平切削力05进给速度mm/min20060=12000mm/min6占用时间比例（%）1007丝杠转速待定8丝杠轴向负荷F=0.2W=11.76N2. 1：按照公式I：传动比，电机直连丝杠，所以I=1；=12000mm/min=3000r/min所以 2：丝杠转速按照公式有：=12000/4=3000r/min3：根据公式滚珠丝杠副在转速条件下的工作时间分别为所受载荷为于是有=11.76N =3000r/min4：滚珠丝杠副在当量载荷以及当量转速下旋转达到预计寿命时承受的最大轴向载荷，设计时要保证有于是有=171.66 5：安装方式选择由于有振动的工况，所以考虑使用固定-固定的方式安装，此时 =128+300 =428圆整，取=450mm图3.3滚珠丝杠安装参数图3.4滚珠丝杠安装示意图 6：估算允许的滚珠丝杠最大弹性变量按照定位精度的1/4-1/6选定。于是 =由于采用的是固定-固定的安装方式，=2.39mm如此即为按安装方式确定的底径7：选择内循环反相器双螺母垫片预紧根据样本值，选择GD2004-3-P3型丝杠，=4，=17.1（丝杠底径）=5243N 满足以上计算要求。8：按公式Dn=d0*nmax=20*3000=6000070000 (满足要求)按照精度确定，1-5级精度Dn 700009：扭矩计算：9.1：理论动态预紧转矩：轴向载荷；：传动效率；可取为/3=11.76/3=3.92 ；取为0.9 于是有： =0.012N*M 9.2：最大动态摩擦力矩3级精度，于是有 =1.4*0.012=0.01689.3：驱动负载所需最大转动力矩于是，根据有：；所以，l=0.2/314.2 9.4启动转矩计算启动时间取为10ms=0.01s v=0.2m/s（加速度）因此选定x_y向工作台的电机型号为55SZ539.5因启动，停步而引起的丝杠误差计算，根据材料力学直杆轴向拉伸压缩公式有： EA：杆件的抗拉（抗压）刚度。查样本有K=347 于是有=0.0012mm 所以+=0.00125+0.0012=0.00245mm0.005mm 符合定位精度要求。图3.5滚珠丝杠螺母3.2 Z方向工作台设计相关设计计算 3.2.1 导向机构选择Z向导向机构类似与X-Y向，均采用光杠和直线轴承的配合方式，因为布局的考虑，决定把Z向光杠布置在总体框架后方，方便与前方开取工件的窗口和便于装配。 3.2.2 电机选择根据快速成型机的运动特性。X-Y工作台完成一个断面的扫描以后，Z轴工作台下降一个层高。直到下降到最低的时候，按压行程开关，然后停止，待取出工件以后，X-Y工作台和Z工作台复位，等待下一次扫描成型。按照这样的计划，Z轴使用步进电机驱动，步进电机带动丝杠旋转，使得工作台上升下降，控制器每发出一个阶跃脉冲，工作台便下降一个断层高度。 3.2.3传动副选择由此可见，Z轴工作台做低速不连续的运动，要求要有传动机构有自锁性能。于是，优先考虑使用螺杆。3.2.4传动机构设计滑动螺旋副设计准则：1:滑动螺旋副的失效主要是螺纹磨损，因此螺杆的直径和螺母的高度通常是根据耐磨性计算确定的。传力螺旋应校核螺杆危险界面的强度。青铜和铸铁螺母以及能承受重载的调整螺旋应校核螺纹牙的剪切和弯曲强度，要求自锁的螺杆应校核其自锁性能，精密的传动螺旋应校核螺杆的刚度。有时就是根据刚度确定其直径。当螺杆受压力，其长径又比较大时容易产生侧向弯曲，应校核其稳定性。其直径也可以按稳定性要求确定。转速高的长螺杆，可能产生横向振动，还应校核其临界转速。 2: 调整螺旋和部份传力螺旋要求自锁时，应采用单线螺纹，为了提高传动效率，以及要求较高的直线运动速度，可以采用多线螺纹。以得到较大的螺纹升角和导程。根据以上所属原则，结合设计实际情况。可见，Z向的传动机构应该为单线，自锁的螺杆。3：传动滑动螺旋副的计算：1：耐磨性计算：螺杆中径，因为采用梯形螺纹，=0.8，F=6*9.8=58.8N 低速，润滑良好，螺杆的材料选择钢，螺母为铸铁，（整体式）=2.0 p暂定为10Mpa，于是 =1.37mm 考虑到动载及压杆稳定的因素。暂定为12mm2：螺母高度： H=*=2.0*12mm=24mm3：旋合圈数 Z=H/P10-12 查表知P=3（导程）所以Z=24/3=8圈4：螺纹工作高度 h=0.5P=1.5mm5：工作压强满足要求6：自锁性：螺纹升角单线螺纹，所以L=P=3 查表知f=0.14 =30 所以=8.25 所以，该螺纹为自锁螺纹。7：因为螺杆较长，所以有必要进行压杆稳定性校核。 L取为250mm 所以为小柔度杆，采用因为F=58.8N于是，满足压杆稳定条件。3.2.5 Z向步进电机选择步进电机参数选择： 1.1传动比选择：由于采用螺杆传动，考虑到成型机的体积尺寸不能过大，且步进电机的转角可以根据脉冲宽度自动调整，所以初拟不使用额外的减速机构，采用电动机直连丝杠。 i=1； 1.2步距角选择：根据公式 i为传动比，为负载轴要求的最小位移增量（或称脉冲当量，即每一个脉冲所对应的负载轴的位移增量）由于要求Z向工作台要求重复定位精度通过对螺杆的计算可知，P=3.则，=0.021=于是0.021rad=1.20度。于是可以选择0.75 1.3最大静转矩计算工作台质量是6Kg，200*200*200的成型空间里放置的工件质量最大约为10Kg，因为螺杆的摩擦系数查表约为0.15，所以步进电机最大力矩应该为 T=m*g*f*L=16*9.8*0.15*0.006=0.14N/M 考虑到转矩很小，只是对转动的精度要求比较高，于是选择小步距角步进电机。选择70BFP-4.53.2.6 联轴器选用波纹管联轴器是一种一体成型的金属弹性联轴器，零回转间隙，弹性作用补偿径向、角向和轴向偏差，高扭矩刚性和灵敏度，顺时针和逆时针回转特性完全相同，免维护，抗油和耐腐蚀性，铝合金和不锈钢材料，这种优良的性质十分适合与频繁启动的伺服电机连用，于是选用波纹管联轴器。图3.6波纹管联轴器第四章电气原理部分设计4.1总体部分设计系统总体方案框图见下，其控制原理利用了微机的实时采集与处理特性,由接口输出步进脉冲,驱动步进电机运转，带动滚珠丝杠转动, 从而实现工作台的Z向的升降运动；另一方面由I/O口控制伺服电机直接带动滚珠丝杠转动，从而实现X向，Y向的扫描运动。和Z向的步进电机带动螺杆转动，驱动工作台做下降上升运动。4.2 电气部分基本组成控制系统由单片及部分、键盘、显示器、I/ O 接口、光电隔离电路、D/A转换电路、伺服电机、步进电机、功率放大电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现,显示器采用数码管显示加工数据单片机扩展接口D/A转换器伺服电机功率放大器D/A转换器D/A转换器功率放大器D/A转换器光电隔离功率放大步进电机伺服电机键盘及显示其接口图4.1 电控单元基本组成框图4.3 电气系统参数选择 1：单片机选择：在选择单片机适应考虑的因素是：（1）时钟频率和字长（即控制数据处理的速度）；（2）可扩展存储器（指ROM、RAM）的容量；（3）指令系统的功能是否强（即编程的灵活性）；（4）口扩展的能力（即对外设控制的能力）；（5）开发手段（支持开发的软件和硬件电路）。此外，还应根据系统应用场合、控制对象及各种参数要求选择单片机。MCS_51系列单片机以片内无程序存储器和片内有程序存储器形式,分为三种基本产品:8031、8751 和8031。8031 单片机以片内含有掩膜ROM型程序存储器,因为这种只读存储器中的程序要由单片机生产厂制作芯片时为用户固化于片内,所以只适用于批量极大,程序要永久性保留且不会修改的场合。8751 片内含有EPROM型程序存储器,用户可以把程序固化在EPROM中,需要修改时,可用紫外线光照擦除,然后又写入新的用户程序,但该芯片价格较高。8031 片内没有程序存储器,外部扩展一片或多片含有用户程序的EPROM后,就相当于一片8751。因而使用方便灵活,且价格低廉,目前是应用最广泛的机型。综上所述, 考虑到MCS - 51 的性能, 选用该系列的8031CPU作为数控系统的中央处理机。8031单片机属8位单片机，它是集CPU、I/O端口及部分RAM等为一体的控制器，具有价格低、功能全、体积小、编程灵活性大、开发手段齐全、硬件资源丰富等特点。8031芯片内部具有128个字节的数据存储器RAM，内部地址为00H7FH，CPU对片内数据存储器有很丰富的操作指令，通过直接寻址或间接寻址方式进行访问。这128个字节单元可作为数据缓冲器、堆栈和工作寄存器。CPU 采用了8031 芯片,由于8031 无片内程序存储器,需要扩展外部程序存储器,同时,8031内部只有128 字节的数据存储器,也不能满足控制系统的要求,故扩展了两片2764 的程序存储器和一片6264 数据存储器。8031 芯片的P0 和P2用来传送外部存储器的地址和数据,P2 口传送高八位地址,P0 口需传送低八位地址和数据,所以要采用74L S373 地址锁存器,锁存低八位地址,AL E作为选通信号。8031 芯片的P2 和74L S373 送出的P0 口低八位地址共同组成16 位地址,2764 和6264 芯片都是8KB ,需要13 根地址线,A0A7 低八位接74L S373 的输出,A8A12接8031 芯片的P2. 0P2. 4 ,系统采用全地址译码,两片2764 芯片片选信号CE分别接74L S138 译码器的Y0 和Y1 ,系统复位后程序从0000H 开始执行。6264 的片选信号CE也接74L S138 译码器的Y2 (单片机扩展系统允许程序存储器和数据存储器独立编址) 。8031 芯片控制信号PSEN接2764 的OE引脚,读写控制信号WR和RD分别接6264 芯片的WE和OE ,以实现外部数据存储器的读写。由于8031 芯片内没有ROM 故EA须接地。2：存储器选择在选择存储器时，要考虑到CPU与存储器的时序匹配，若不匹配，进行读写操作的数据就不可靠。为解决时间匹配问题，应尽量选用高速存储器芯片。另外，还要考虑最大的读取速，工作温度及存储容量。2764芯片是一种高速、容量为的EPROM存储器电路，读出时间为，而8031选用晶振频率为，则读取时间为，都满足要求。2764为28脚器件，其中为13位地址线，为8位数据线，CE为片选信号，低电平有效。6264芯片是的RAM存储器电路，集成度很高，该芯片读写时间为，也为28脚器件，其中为13位地址线，为8位数据线。由于2764和6264芯片都是，需要13根地址线。低8位接74LS373芯片的输出，接8031的，74LS373地址锁存器在选通信号ALE为高电平时直接传送8031口低8位地址，当ALE在高电平变低电平的下降沿时，低8位地址被锁存，此时，口可用来向片外传送读写数据。8031单片机对存储器的片选控制是采用全地址译码法，使用74LS138译码器来实现的，8031的、口分别与74LS138译码器的A、B、C端相联，74LS138译码器的输出端与2764（1）的端相联，与2764（2）的端相联，与6264的端相联。2764（1）的地址编码是，2764（2）的地址编码是，6264的地址编码是。3：接口芯片由于8031 只有P1 和P3 口部分能提供用户作为I/ O 口使用,不能满足输入输出口的需求,因而系统扩展了两片8155 可编程输入输出接口电路。8155 的片选信号CE分别接74L S138 的Y3 和Y4 ,74L S138 译码器的三个输入端A 、B 、C 分别接到8031 的P2. 5、P2. 6、P2. 7。I/ O 接口与外设的联接是这样安排的: 8155(1) 芯片的PA0PA8 为X向和Y向伺服电机的输入信号和发电机的反馈信号; PB0PB4 的输出是X 、Y 向的限位控制。8155 (2) 芯片的PA0 PA2为Z向步进电机三向的输出脉冲,PB0 PB3 是键盘扫描输入, PC0PC5 是显示器的位选信号,显示器的段选信号由8031 的P1.0 P1.7控制。PA3PA5和PB4PB7是光电编码器的输入接口。所有芯片地址编码分配图见表4.1。4：行程控制为防止扫描机构越界，设置了四个行程开关，8155（1）口的分别为+X、-X、+Y、-Y4个方向的行程控制信号。计算机随时巡回检测的电平，当某一线为低电平时，应立即停止伺服电机的运行，并传输信号给报警电路表4.1 芯片地址编码分配表芯片接74LS138引脚地址选择线片内地址单元（字节）地址编码2764（1）000X XXXX XXXX XXXX8K2764（2）001X XXXX XXXX XXXX8k6264010X XXXX XXXX XXXX8K8155(1)RAM0111 1110 XXXX XXXX256I/O0111 1111 1111 1XXX68155(2)RAM1001 1110 XXXX XXXX256I/O1001 1111 1111 1XXX64.4 单片机系统元件布置框图图4.2 单片机系统元件布置框图4.5 伺服系统结构原理单片机8031控制的伺服系统的系统结构如所附A1图.它由单片机8031、伺服电机及其接口电路、测速发电机及其接口电路和光电编码器及接口组成。光电编码器是一个9位的编码器，位置检测精度为0.7。速度检测元件采用测速发电机，在伺服电机达到额定转速时，它的输出电压为30V。测速发电机测出的转速变换行驱动。单片机输出的数字控制信号通过D/A转换器0832之后转换成5V模拟信号，再通过运算放大器U4变换之后变成-2.5V+2.5V模拟信号去控制PWM功率放大器。PWM功率放大器由三角发生器、比较器及桥式开头功率放大电路组成。伺服电机是一个直流伺服电机，它除了带动测速发电机和光电编码器之外，最很重要的是带动负载。4.6 接口电路及其原理在图中，可以看出系统有三个接口电路，即控制PWM功率放大器的接口电路，测速发电机的接口电路，光电编码器接口电路这三个接口。1、控制量输出接口控制量输出接口也就是单片机和PWM功率放大器接口。这个接口由0832，运算器U3和U4组成。D/A转换器0832作为单片机8031的一个存储单元，对高字节地译码之后可选中0832，利用写操作可把控制数据从单片机送入0832中，不过在写0832时要执行两次写操作，因为它内部的两个寄存器是不能同时接收外部数据，而必须先由输入寄存器接收，再由输入寄存器传送给DAC寄存器。在图所示的系统中，0832接成电流开头方式工作状态，故转换的结果是电流量。电流I1输出由U3运算放大器处理之后输出的电压为-VREFD/256，其中D是输0832中的数据。由于VREF=-5V，所以U3输出的电压是05V。运算放大器U4的作用是进行电平转换，把05V的输入电压转换成-2.5V+2.5V的电压。U4的放大系数为1，同时在它的负输入端加上了2.5V参考电压；所以，当U3输出为0V时，U4输入-2.5V；U3输出为5V时，U4输出为+2.5V。实际上，U4的输出电压VU4为：其中，VU3是运算放大器U3的输出电压。U4的输出电压去控制PWM功率放大器，就可以使伺服电机以不同的速度实现正转成反转。4.7 速度反馈输入接口这个接口本质上是测速发电机的输入接口。测速发动机检测转速所产生的电压通过运算放大器U5和A/D转换器0809之后，送入到单片机8031中。当伺服电机以额定转速旋转时，测速发电机的电压为30V。在速度反馈接口中，运算放大器U5是个有源滤波器，它的作用有两个：（1）抑制伺服电机微振时使测速发电机产生高频噪声。（2）把测速发电机的输出电压降低到A/D转换器0809所允许的量程范围，即5V之内很明显，为了抑制高频噪声，U5应该是一个低通滤波器；为了降低测速发电机的输出电压，则U5应该是一个放大系统小于1的放大器。U5构成一个最简单的低通滤波器；，它的截止频率fC 为：其中，k是放大系数，k=R5/R6。所以，U5组成了一个截止频率为102Hz的低通滤波器。它可以滤去伺服电机微振时在测速发动机上产生的高频振动信号。测速发电机输出的最高电压是30V，由电阻R9、R8分压之后在R9上形成15V电压，再送到U5去进行滤波。用R8、R9进行分压，是因为运算放大器的输入电压范围一般在15V左右。U5滤波之后产生的输出电压最高为5V，这个输出电压送到A/D转换器0809去进行转换。用D表示0809转换之后所得的数据，则D为：其中，VIN是0809的输入模拟电压， VREF（+）是0809的正参考电压， VREF（-）是0809的负参考电压。因此，0809的转换情况当VIN为+5V时，结果9数据为FFH；VIN为0V时，结果数据为80H；VIN为-5V时，结果数据为00H。伺服电机正转时，0809转换的数据为81HFFH；伺服电机停止时，0809转换的数据为80H；伺服电机反转时，0809转换的数据为00H7FH。0809转换的结果数据，通过数据总路线送给单片机。单片机在取0809数据时是以读外存方式工作。4.8 光电编码器及其接口高精度位置控制系统常用光电编码器作为直线位移检测传感器。由于监测的位移通常是正反两个方向变化的，因此，要用光电编码器输出脉冲反映并记录这种双向的位移变化，就要实现对脉冲进行可逆计数，既要能加计数，又要能减计数。图4.3 光电编码器接口原理图及程序框图光电编码器输出脉冲的可逆计数方法既是由80C32 单片机内部定时器2 来实现的，其原理框图所示。从图中可看出所采用的器件很简单，从光电编码器到单片机, 光电编码器输出脉冲的可逆计数方法的原理图间仅有驱动整形芯片CD4050 和一个双D 触发器CD4013。由光电编码器输出的相位相差90o的A、B 两组脉冲信号中，A 相脉冲经过CD4050 驱动整形后输入到双D 触发器CD4013 的CLK 端作为时钟触发信号，B 相脉冲经CD4050 驱动整形后，一路作为CD4013 的D 触发信号，另一路则直接与80C32 的P1. 0端相连作为T2 计数器的计数脉冲，计数方向由T2EX（P1. 1）端来控制。当A 相脉冲超前B 相脉冲时，此序列信号经CD4013变换后使T2EX = 1，从而控制T2 计数器进行加计数；当A 相脉冲滞后B 相脉冲时，此序列信号经CD4013 变换后，将使T2EX= 0，从而控制T2 计数器进行减计数。本方法采用T2 中断的方式计数，所以硬件电路很简单，软件编程也不复杂。首先，应对定时器2 进行初始化设置，将其下图脉冲加减计数程序流程图设置成可自动重装模式的计数器。然后，通过软件实现脉冲的辨相与计数程序流程图光电编码器可以产生9位数据，它的分辨率是0.7。当光电编码器随伺服电机的旋转处于不同位置时，它送出的数据不同；每一个数据和一个角度对应。光电编码器输出的数据的最高位从8031到P3.0端输入，而低八位则从P1端口输入。要取光电编码器数据时，单片机只需要读取I/O口P3和P1的内容。4.9 光电耦合器与步进电机光电耦合器与步进电机的系统结构图如右所示，现分述如下：图4.4 步进电机控制原理图4.10 光电耦合器在电路与电路相互连接的时候，往往存在一个电路对另一个电路的干扰，采用如图1所示的光电耦合器是非常方便的。光电藕合器是实现光电耦合的基本器件，它是由发光元件(发光二极管)和光敏元件（光电三极管）相互绝缘的组合在一起，光电耦合器以光信号为媒介来实现电信号的耦合与传递，之间没有电的联系，只有光的联系。发光元件为输人回路，它将电能转换为光能;光敏元件为输出回路，它将光能再转换为电能，实现了两部分电路的电气隔离，从而可有效地实现抗干扰性能的特性。由于输人信号与输出信号的电平没有比例关系，所以不适宜直接传输模拟信号。但因直流电平也能传输，所以若利用光脉宽调制就能传输含直流分量的模拟信号，这种方法最适宜传输数字信号在计算机控制系统和实际的电子电路应中，信号在传输时，往往会出现延时、畸变、衰减、通道干扰等。同时，随着系统性能的要求越来越高，以及控制的实时性要求，为了保证信号传输的可靠性，通常采取的主要措施有光电辆合隔离、双绞线隔离、阻抗匹配等。事实证明，采用光电耦合器是行之有效的方法之一。因其结构简单、体积小、抗干扰性能好，所以可以用到步进电机的控制当中。图4.5 光电耦合器针对光电编码器的硬件设计，在汇编语言环境下编写的实现加减计数功能的程序见附录：4.11 步进电机及其软件环形分配器 P1 口的三个引脚经过光电隔离/功率放大后,分别与电机的A、B、C 三相连接。电机以三相六拍方式,电机正转的顺序为A AB B BCC CA A ,反转为AAC C CB B BA它们的分配如表1 所示,设P1 的某口的电平为高电平,相应的相位绕组通电。把表中的数值按顺序存入内存的EPROM 中,并分别设定表头地址为TAB0 ,表尾的地址为TAB5 。计算机的P1 口按从表头开始逐步加1 的顺序变化,电动机正向旋转,如果按从TAB5 ,逐步减1 的顺序变化,电机反转。环形分配的程序实现

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