三自由度医用治疗床设计（毕业设计）.doc

摘 要本设计介绍了一种具有三自由度的医疗床，主要介绍了其机械系统和控制系统的设计过程。第一部分主要是对医疗床的纵向进给系统、横向进给系统和垂直进给系统的设计。纵向进给系统和横向进给系统都采用精度高传动效率高的滚珠丝杠副传动；系统中滚珠丝杠螺母副的使用，可以使旋转运动轻易地转换为直线运动；垂直进给系统采用丝杆升降机结构，既可满足运动需求又可达到缩小机体大小的目的。第二部分为控制系统硬件电路的设计，以单片机为主体的控制单元可以快捷方便的完成进给任务，其中包括8051单片机选择与应用、光电耦合隔离、步进电机驱动电路、中断处理电路和一些辅助电路的设计；对于医疗床行程的检测，设计中采用了以传感器为检测元件的位置检测电路，该电路可以实现行程辩向和行程测量的目的。关键词 三自由度 滚珠丝杠 MCS-51AbstractThis design introduced one bed of medical treatment which has three degrees of freedom system and the control system design process.The first part mainly is to the the bed of medical treatment milling machine length feed systematic, the cross feed systematic and the vertical to feed system design.The length feed systematic and the cross feed system all uses adjusts high transmission efficiency and high accuracy of ball screw drive; In the system the ball bearing guide screw nut vice-use, may cause the rotary motion to transform easily into the translation; The vertical to feed system uses the lead screw elevator structure, both may meet the movement need and to be possible to achieve the reduction organism size the goal.The second part for the control system hardware electric circuit design, may facilitate quickly take the monolithic integrated circuit as the main body control unit completes to feed task, including 8051 monolithic integrated circuits, the chip 8255 choices and the application, the photoelectricity coupling isolates, step-by-steps the motor-driven electric circuit, the interrupt processing electric circuit and some auxiliary circuit design; Regarding the bed of medical treatment traveling schedule examination, in the design used as examined the part take the diffraction encoder sensor the position examination electric circuit, this electric circuit might realize the traveling schedule to debate to with the traveling schedule survey goal.Key words three degrees of freedom ball bearing guide screw medical MCS-51目 录摘 要IAbstractII第1章绪论11.1课题背景11.2医用三自由度治疗床国内外发展情况11.3 研究目的和意义11.4 本文主要内容2第2章医用三自由度医疗床总体设计32.1三自由度医疗床机械结构方案制定32.1.1设计要求32.1.2设计参数32.1.3总体方案设计32.2 三自由度医疗床控制系统设计32.2.1设计要求32.2.2总体方案设计4第3章医用三自由度医疗床机械结构设计53.1 设计目标和要求53.2 X方向进给系统设计53.2.1.确定轴承的规格型号53.2.2选择驱动电机的型号53.2.3滚珠螺母副的精度等级和型号确定63.3 Y方向进给系统设计63.3.1确定轴承的规格型号63.3.2选择驱动电机的型号63.3.3滚珠丝杠螺母副等级精度和型号确定63.4 Z方向进给系统设计73.4.1蜗轮丝杆升降机的规格与型式73.4.2蜗杆传动的材料选择83.4.3齿面接触疲劳强度的计算83.4.4 蜗轮轮齿的弯曲强度计算93.4.5蜗杆轴的刚度计算103.4.6垂直导轨摩擦力计算113.4.7传动系统的刚度计算133.4.8传动的误差计算与分析143.4.9 电动机的选择14第4章三自由度医疗床控制系统的设计164.1 控制系统整体方案164.1.1控制方案的设计与选择164.1.2控制系统硬件电路的方案设计164.1.3 中央处理单元的类型选择174.1.4I/O口即输出/输入接口电路设计174.1.5MCS-51系列单片机简介174.2 步进电机驱动电路设计184.3 显示电路设计204.4 单片机电源电路的设计204.5 传感器的选择21第5章技术可行性分析23结论24致谢25参考文献26附录127附录235IV第1章 绪论1.1 课题背景医学的进步与否标志着一个国家文化的发展程度。而医疗设备的精密程度更为重要。以往在检查身体或放疗时只能全身或特定部位进行检查，治疗精低达不到理想的效果。例如在对肿瘤病人进行放疗的过程中，首先需要对病人的肿瘤位置进行CT扫描或MR成像，然后依据病人的肿瘤影像位置制定放射线治疗计划。这就要求在治疗时病人定位后其呈现出来的肿瘤影像应与之前的影像和治疗计划相符合，才能保证治疗的精确度。病人在进行治疗定位时需进行几次或者更多次调整才能找到正确位置进行治疗。若采用通常的手动摆位，不仅浪费时间而且更重要的是定位精度无法保证，这样既麻烦又不能提工作效率。针对以上的问题设计一种适用于医学方面的医疗床，病人在检查身体或对肿瘤位置进行CT扫描或MR成像时，该装置不需要手动摆位，在病人躺下以后只需根据需要按下开关观看输出值来调整高度或所需的移动的范围，就能达到想要的位置，这样不仅提高了工作效率节约了时间而且最重要是自动控制使使用过程中实现全自动化。这样不仅达到治疗精度而且还节约了时间。所以说三自由度医疗床融和了当今各种高科技数字电子技术于一身，体现了制造业中的尖端技术，医用三自由度医疗床是现代医疗设备中的关键。所设计的医用三自由度床，具有精度高，传动平稳的特点，适于开环控制的系统，具有一定的实际应用价值。1.2 医用三自由度治疗床国内外发展情况随着科学技术的飞速发展，现代制造技术日新月异。在国内，由于放疗设备的研制相对落后，通常只能进行特定部位或全身的放疗，对于定位精度要求不高，所以相应的配套治疗床多采用固定式或手动调整后用电磁阀等锁住位置的方式。在国外，不要求精确放疗设备的配套治疗床与国内类似。但在可以对肿瘤进行精确放射治疗的高端设备如：质子刀、射波刀等的配套治疗床，则多是采用多自由度的机械手臂或是机器人来对病人进行定位。这些治疗床可以在36个自由度的范围内对病人位置进行调整，每个自由度定位的精度可达0.1mm或0.1。1.3研究目的和意义对肿瘤病人进行放疗的过程中，首先需要对病人的肿瘤位置进行CT扫描或MR成像，然后依据病人的肿瘤影像位置制定放射线治疗计划。这就要求在治疗时病人定位后其呈现出来的肿瘤影像应与之前的影像和治疗计划相符合，才能保证治疗的精确度。病人在进行治疗定位时需进行几次或者更多次调整才能找到正确位置进行治疗。通常的手动摆位，浪费时间而且定位精度无法保证。本设计的三自由度治疗床要满足摆位需要，节约摆位时间提高定位精度，而且还可以在治疗过程中配合直线加速器的位置变化，从而可以对复杂形状的肿瘤进行精确照射，使治疗效果更加精确。1.4本文主要内容本文主要针对三个自由度进行设计，其中包括机械结构的设计和控制系统的设计。机械结构包括X、Y、Z三个进给系统的设计，X、Y方向进给系统主要由滚珠丝杆传递运动，Z方向进给系统主要由蜗轮和蜗杆的啮合传递运动。控制系统主要由单片机控制。主要对步进电机以及产品的移动距离进行控制，当移动距离达到最大或最小限位时，通过控制系统使电机停转。对产品的移动距离需进行记数并显示。本设计要实现控制的对象有步进电机，对移动距离进行测量的传感器以及显示用的数码管。第2章 医用三自由度医疗床总体设计2.1 三自由度医疗床机械结构方案制定2.1.1 设计要求实现X、Y、Z三坐标移动；用步进电机作驱动元件；设置工作台的紧急事故的急停开关，并响应中断。2.1.2 设计参数可承担体重在150kg以下的病人。三个自由度的移动范围分别是：x方向最大移动距离为1000mm；y方向最大移动距离为200m；z方向最大移动距离为600mm。 三个方向的直线运动精度小于0.1mm。2.1.3 总体方案设计工作台X、Y向均采用矩形滑动导轨,在与之相配的动导轨面上贴聚四氟乙烯(PT-FE)导轨板；对滚珠丝杠螺母副采用预紧措施,并对滚珠丝杠进行拉伸；采用步进电机驱动。2.2三自由度医疗床控制系统设计2.2.1设计要求单片机控制实现X、Y、Z三个方向独立运动；电动机驱动；利用传感器进行位移的测量。2.2.2总体方案设计图2-1 系统框图第3章医用三自由度医疗床机械结构设计3.1设计目标和要求设计一种用来提高定位精度的医用治疗床，可承担体重在150kg以下的病人进行放射治疗。所设计的治疗床可以在x、y、z三个方向上直线移动。三个自由度的移动范围分别是：x方向最大移动距离为1000mm，y方向最大移动距离为200m，z方向最大移动距离为600mm，x、y、z三个方向的直线运动定位精度小于0.1mm，移动的速度小于20mm/s。3.2X方向进给系统设计现代医疗技术正朝着治疗精确度高效方向发展，要求医疗床传动系统具有稳定性，高精度；在运动过程中能够精确达到预定位置，医疗床结构要简单，噪声小，动态性能要好，可靠性要高。所以本设计主轴采用滚珠丝杆螺母副，并由单片机精确控制。3.2.1.确定轴承的规格型号因为滚珠丝杠螺母副初步采用预拉伸措施，所以选用角接触球轴承组面对面安装，以组成滚珠丝杠两端固定的支承形式。由于滚珠丝杠的螺纹底径=21.9mm，所以选择轴承的内径为20mm，以满足滚珠丝杠结构的需要。选择国产角接触球轴承组，型号为760204TNI，尺寸（内径外径宽度）为20mm47mm14mm，选用脂润滑。3.2.2选择驱动电机的型号(1)选择驱动电动机的型号根据以上计算结构，选择国产110BF003型反应式步进电动机，其主要技术参数如下：相数，3；步距角，；最大静转矩，7.84N/m；转动惯量，4.01；最高空载启动频率，1500HZ；运行频率，7000HZ；分配方式，三相六拍；质量，6.0kg。3.2.3滚珠螺母副的精度等级和型号确定滚珠丝杠螺母副规格型号为FFZL2506-3型内循环垫片预紧螺母式。公称直径与导程：25mm，6mm；螺纹长度：1000mm；丝杠长度：1095mm；类型与精度：P类，2级精度。3.3Y方向进给系统设计3.3.1确定轴承的规格型号因为滚珠丝杠螺母副初步采用预拉伸措施，所以选用角接触球轴承组面对面安装，以组成滚珠丝杠两端固定的支承形式。由于滚珠丝杠的螺纹底径=27.9mm，所以选择轴承的内径为25mm，以满足滚珠丝杠结构的需要。选择国产角接触球轴承组，型号为760205TNI，尺寸（内径外径宽度）为25mm52mm15mm，选用脂润滑。该轴承的额定动载荷为=22000N。3.3.2选择驱动电机的型号(1)选择驱动电动机的型号根据以上计算结果，选择国产110BF004型反应式步进电动机，其主要技术参数如下：相数，3；步距角，；最大静转矩，9.31N/m；转动惯量，4.606；最高空载启动频率，3000HZ；运行频率，16000HZ；分配方式，三相六拍；质量，9.20kg。3.3.3滚珠丝杠螺母副等级精度和型号确定滚珠丝杠螺母副规格型号为FFZL3206-3型内循环垫片预紧螺母式。公称直径与导程：32mm，6mm；螺纹长度：200mm；丝杠长度：299mm；类型与精度：P类，2级精度。3.4Z方向进给系统设计3.4.1蜗轮丝杆升降机的规格与型式本设计中在垂直方向上采用蜗轮丝杆结构，不但能满足所需要的传动要求，还能实现自锁，而且其具有结构紧凑、体积小、重量轻、无噪音、安装方便等优点。在设计中采用吴桥县青松减速机厂生产的蜗轮丝杆升降机。初选型号为：SWL 2.5 2 A 2 205，其部分参数见表3-1，3-2。表3-1 圆柱蜗杆传动基本几何尺寸序号名称代号数值1中心距a50mm2蜗杆头数13蜗轮齿数244齿形角205模数1.66蜗杆分度圆直径28mm7蜗轮分度圆直径72mm8传动比619蜗轮变位系数0.02510蜗杆直径系数q17.50011蜗杆齿宽25mm12蜗轮齿宽20mm表3-2 丝杆升降机性能参数表型号SWL 2.5丝杠升降机最大起升力(kN)25丝杠升降机最大拉力(kN)25丝杠升降机丝杠螺纹尺寸(mm)Tr蜗轮蜗杆传动比普通6：1蜗杆每转行程(mm)1.0丝杠升降机满负载蜗杆扭矩()18.6丝杠升降机最大轴伸长度(mm)1500丝杠升降机最大许用功率(kw)0.55传动比总效率%23润滑油量(kg)0.1不加行程的重量(kg)7.3丝杠每100mm的重量(kg)0.45丝杆升降机润滑剂合成钙钠基润滑脂ZGN-1或ZGN-23.4.2蜗杆传动的材料选择选用蜗杆传动材料时，不仅要满足强度要求，更重要的是具有良好的减磨性、抗磨性和抗胶合能力。因此出于对系统传动精度性和重要性的考虑，本设计中的蜗杆采用调质钢，蜗轮材料采用铸锡镍青铜，其性能见文献表2.8-1。3.4.3齿面接触疲劳强度的计算在蜗杆传动中，由于蜗杆和蜗轮的结构、材料不同，蜗杆螺旋部分的强度总是比蜗轮轮齿部分的强度高，所以只需计算蜗轮轮齿的强度即可。齿面接触疲劳强度计算公式：式中 材料弹性系数，查文献表2.8-1,得=152.2； 接触系数，根据蜗杆的类型及蜗杆分度圆直径与中心距的比值，查文献图2.8-8，得=2.55；a啮合中心距(mm)； 蜗轮转距()，25.7；使用系数，见文献表2.4-4,得=1；许用接触应力（）；蜗轮轮齿材料的接触疲劳极限，见文献表2.8-1，得=520；寿命系数，,当=25000h时，；转速系数，当转速不变时，为蜗轮转速（r/min）。计算得，为垂直进给速度，为丝杠的基本导程。最小安全系数，一般可取=11.3。本设计中出于对机器要求的可靠度和重要性考虑取=1.3。综合以上各个数据得： 由计算结果得，齿面满足接触疲劳强度检验。3.4.4 蜗轮轮齿的弯曲强度计算由于蜗轮轮齿的齿形比较复杂，要精确计算它的弯曲应力比较困难。实践经验告诉我们，齿根弯曲强度主要与模数m和齿宽这两个主要的几何参数有关，故可用简单条件计算法即U系数法来校核。式中蜗轮的圆周力（N）； 蜗杆轴向模数（mm）； 许用U系数； 轮齿弯曲计算时的极限U系数（），查文献表2.8-1得，=225。弯曲强度的最小安全系数，一般=11.7。本设计中出于对机器要求的可靠度和重要性考虑取=1.7。1.蜗轮圆周力的计算式中为蜗轮中圆直径；因此的大小为829.03N。2.的大小计算3.系数U的计算及校核因此满足设计要求。3.4.5蜗杆轴的刚度计算刚度不足会导致蜗杆副的不正常啮合，造成偏载，加剧磨损，故应验算蜗杆轴的刚度。蜗杆轴的最大挠度式中蜗杆圆周力（N）；蜗杆径向力（N）；蜗杆材料的弹性模量，因为设计中对蜗杆的材料选择为钢，所以；I蜗杆危险断面处的惯性距（）；L蜗杆轴承间的跨距（），取L=1.5a=67.8；极限挠度（），因为采用的是调质蜗杆，所以取=0.01m=0.025,m为蜗杆的模数。1. 蜗杆圆周力的计算2. 蜗杆径向力的计算3.蜗杆危险断面处的惯性距I的计算4.蜗杆轴的最大挠度计算因为蜗杆轴的最大挠度远小于其极限挠度，故满足其设计要求。3.4.6垂直导轨摩擦力计算导轨动摩擦系数，镶条紧固力=500N，因坐标轴导轨是垂直的，所以导轨最大摩擦力：导轨静摩擦系数，则此状态下的导轨摩擦力为：1.丝杠的轴向负载力计算最大轴向负载力2.支承轴承的校核因为丝杠的安装方式采用的是一端固定、一端游动，所以选用固定端轴承为60角接触轴承组，采用面对面安装。其型号为760204TNI,尺寸（）为，选用油润滑。3.轴承所承受的最大轴向载荷4.轴承的预紧力5.轴承的当量轴向载荷6.轴承的基本额定动载荷C轴承的径向载荷和轴向载荷分别因为，所以查文献表2-25得，径向系数x=1.9,轴向系数y=0.54,故轴承在工作转速下的基本额定动载荷为：轴承的额定动载荷，预载荷能力=1150N=165.83N，并在油润滑状态下的极限转速为5000r/min，远大于丝杠的最高转速=200r/min，故满足。3.4.7传动系统的刚度计算1.丝杠的拉压刚度的计算丝杠支承形式为一端固定，一端游动，因此式中拉压刚度（）；E杨氏弹性模量；丝杠底径（mm）。当螺母至固定支承的最大距离时刚度最小，此时，则当螺母至靠固定端的行程起点时刚度最小，此时，则2.丝杠支承轴承的刚度计算因为丝杠安装方式为一端固定，一端游动，固定端预紧，则 3.丝杠的螺纹接触刚度计算式中丝杠接触刚度（）； 额定动载荷（N）。4.进给系统的综合拉压刚度K进给系统的最大拉压刚度为：故。进给系统的最小拉压刚度为：故。3.4.8传动的误差计算与分析1.计算反向死区已知丝杠的综合拉压刚度的最小值为，导轨的静摩擦力，得即，故满足精度要求。2.综合拉压刚度变化引起的定位误差即，故满足精度要求。3.4.9 电动机的选择1.折算到电动机轴上的移动部件负载惯量已知执行部件总重81.63kg，丝杠每转一圈，执行部件在轴向移动的距离为，则2.蜗杆的转动惯量3.蜗轮丝杠的转动惯量4.加在电动机轴上总的负载转动惯量步进电机与蜗杆之间采用联轴器直接联接。5.折算到电动机轴上的负载力矩6.驱动电机的型号选择选择70BF003型反应式步进电机，其主要性能如下：相数，3；步距角， ；最大静转距，0.784；转动惯量，1.47；最大启动频率，1600HZ；分配方式，三相六拍；质量，1.2kg。第4章三自由度医疗床控制系统的设计4.1 控制系统整体方案本设计要对步进电机以及产品的移动距离进行控制，当移动距离达到最大或最小限位时，通过控制系统使电机停转。对产品的移动距离需进行记数并显示。本设计要实现控制的对象有步进电机，对移动距离进行测量的传感器以及显示用的数码管。4.1.1控制方案的设计与选择本设计中的步进电动机可以通过单片机、PLC和微机进行控制，单片机具有体积小、性能/价格比高、耗电少、可靠性高和容易掌握等优点14。PLC具有可靠性高，抗干扰能力强；通用性强，使用方便；编程方法简单；控制系统的设计、安装、调试、维护方便；体积小、重量轻、功耗低等优点。但，PLC控制的经济性远不如单片机控制的好，而且8051单片机已完全可以实现对步进电机的控制，故选用单片机对步进电机进行控制。4.1.2控制系统硬件电路的方案设计数控系统是由硬件和软件两部分组成的。硬件是组成系统的基础，有了硬件，软件才能有效地运行。硬件电路的可靠性直接影响到数控系统性能指标。医疗床硬件电路由以下五部分组成：1. 主控制器，即中央处理器CPU。2. 总线，包括数据总线、地址总线和控制总线。3. 存储器，包括程序存储器和数据存储器。4. 接口，即I/O输入/输出接口电路。5. 外围设备，如键盘、显示器和光电输入机等。因此结合实际的工作需要，确定控制系统硬件电路的总体设计方案，如图3-1所示：图4-1系统简图4.1.3 中央处理单元的类型选择通常在微机控制应用系统中，控制系统的种类有很多，常见的有单片机控制和可编程控制器PLC控制等。本此设计考虑到系统应用的场合、控制对象对各种参数的要求以及经济价格比等经济性的要求，采用目前在经济型数控机床中普遍使用的MCS-51系列单片机作为主控制器。4.1.4I/O口即输出/输入接口电路设计I/O口的电路设计应包括接口芯片的选用，步进电机控制电路，键盘显示电路，位置检测电路以及其他辅助电路的设计（例如复位电路、掉电保护电路等）。4.1.5MCS-51系列单片机简介MCS-51系列单片机是美国Intel公司推出的一款集成度很高，集片内存储器、片内输入/输出部件和CPU于一体的优良单片机系统，在我国已广泛被应用于经济型数控机床。MCS-51系列产品中有8031、8051和8751。8051虽然内含4K字节EPROM，但是其EPROM是为用户制备的，所以在国内很难采用这种类型。而8751片内含有4K字节EPROM，但是价格比8031和8051都要贵很多。除此之外，三者的内部结构和引脚完全相同。8051单片机的基本性能如下：1.具有功能很强的8位中央处理器；2.片内有时钟发生电路（6MHz或12MHz），每执行一条指令时间为2us或1us；3.片内具有128字节的数据存储器；4.可编程的并行I/O口P0P3，有32位双向输入/输出线；5.一个全双功串行口；6.两个16位定时器/计数器；7.五个中断源，两个中断优先级的中断结构；同时为了向本设计中用到的单片机系统的自动控制装置提供非常稳定的低压直流电源，设计了一种单片机+5V的直流稳压电源电路。4.2步进电机驱动电路设计本设计的步进电机驱动部分，采用脉冲分配器专用集成电路芯片PMM8714控制励磁。PMM8714的引脚功能说明见下表。本步进电机驱动部分是通过硬件实现脉冲分配，单片机只需向脉冲分配器发送步进脉冲和控制旋转方向的电平信号17，通过软件可编程控制并行I/O口和P1.0和P1.1，以输出相应频率的脉冲来控制步进电机。PMM8714芯片采用双脉冲输入法的连线方式，即其中、两端分别输入步进电机正反转的控制脉冲，和U/D端子接地，如下图4-2所示。步进电机的转速由软件实现调节。在步进电机驱动电路中，脉冲信号经功率放大器后控制步进电机励磁绕组。由于步进电机需要的驱动电压较高，电流较大。如果将输出信号与功率放大器直接相连，将会引起强电干扰。轻则影响计算机程序的正常工作，重则导致计算机和接口电路损坏，所以在接口电路与功率放大器之间要接上光电隔离电路。光电隔离电路如下图4-3所示。图4-2 双脉冲输入法的连线方式图4-3 光电隔离电路表4-1 PMM8714的引脚功能说明引脚符号功能1CU正转时钟脉冲输入2CD反转时钟脉冲输入3Ck时钟脉冲输入4U/D旋转方向切换5EA励磁模式切换6EB励磁模式切换7EC励磁模式切换8PD控制输出信号为低电平9Z0输出相源检测10C0输入脉冲检测11EM励磁检测12GND地13复位14Q输出15Q输出16Q输出17Q输出18Q输出19QE输出E20QD输出D21QC输出C22QB输出B23QA输出A4.3 显示电路设计为了知道测试机已开合多少次，设计电路中需有显示部分，本设计电路选用LED显示器，LED显示器的显示方法为动态显示。由测试机开合次数的需要，本设计选用8位共阴极显示器。8051的P2口作为扫描口，经反相驱动器75492接显示器共阴极；P0口作为段数据口，经同相驱动器7407接显示器的各个阳极。本设计的8位动态显示器接口电路如下图4-4所示。 图4-4 8位动态显示器接口电路4.4 单片机电源电路的设计在我国，工业交流电电压为220V,频率为50Hz。本设计中用到的单片机系统的自动控制装置，需要用到非常稳定的低压直流电源。为了得到直流电，除了用直流发电机外，目前广泛采用各种半导体直流电源。如图4-5所示为单片机+5V电源电路图，图中表示了把工业交流电变换成低压直流电的过程，可以分为以下四个环节：(1)整流变压器：将交流电源电压变换为符合整流需要的电压。(2)整流电路：将交流电压变换为单向脉动电压，其中的整流元件所以能整流，是因为元件具有单向导电的特性。(3)滤波器：减小整流电压的脉动程度，以适合负载的需要。(4)稳压环节：在交流电源电压波动或负载变动时，使直流输出电压稳定。图4-5 单片机+5V电源电路图特别在稳压部分，本文设计选择了集成稳压电源。因为采用运算放大器的串联型稳压电路仍有不少外接元件，还要注意共模电压的允许值和输入端的保护，使用复杂。当前已经广泛应用单片集成稳压电源，其体积小、可靠性高、使用灵活、价格低廉。其内部电路也是串联型晶体管稳压电路，这种稳压器只有输入端1、输出端2和公共端3三个引出端，也可称为三端集成稳压器。使用时只需在其输入端和输出端并联一个电容即可，稳压器前端所接电容主要用来抵消输入端较长线的电感效应，为防止自激振荡，接线不长时也可不用。后端所接电容是为了瞬时增减负载电流时不致引起输出电压有较大的波动。W7800系列稳压器输出固定的正电压有+5V、+8V、+15V、+18V、+24V等，本文设计的单片机51计数系统选用输出为+5V的直流稳压电源。4.5传感器的选择测量位移的传感器的有很多，综合考虑，选用光电开关传感器测量位移，最适合本设计。光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。光电接近开关是一体化无接触、无触点的位置传感器，任何部件都不会有机械磨损，检测距离长、分辨能力高、工作寿命较长。更重要的是外界影响对它无干扰。它不仅限于对金属物，对任何对象都能产生反应。总之，由于相对简单的构造和直接安装使费用减少。光的通用性保证了广大的应用范围。按供电种类的分类1直流式2交流式3直流交流混合式 在此，光电开关主要起两个作用：(1)用来确定起始位置时的触发信号；(2)行程的限位，提高测量精度。第5章技术可行性分析本设计主要包括控制部分和机械部分的分析，控制部分是要对步进电机的正反转以及产品的移动距离进行控制，当移动的距离到达最大或最小限位时，通过控制系统使电机停转，并对产品的移动距离显示。本设计选用8051单片机实现对步进电动机的控制，采用脉冲分配器专用集成电路芯片PMM8714控制励磁。本步进电机驱动部分是通过硬件实现脉冲分配，单片机只需向脉冲分配器发送步进脉冲和控制旋转方向的电平信号，通过软件可编程控制并行I/O口，以输出相应频率的脉冲来控制步进电机。机械部分主要是滚珠丝杆，滚珠丝杆是精密机械上最常使用的传动元件高精度，它将旋转运动转化成直线运动。通过计算滚珠丝杆的机械精度为0.0125mm小于定位精0.1mm。传感器码盘的测量精度经计算为0.023mm远小于0.1mm。传感器发出信号，码盘显示数字，可以使医疗床精确的达到预定的位置。可以判定本设计方案可行。结论本次设计主要设计医用三自由度医疗床的进给机构和控制系统，又阐述了其的国内外现状，对技术可行性进行了分析。设计过程中完成了对纵向进给系统、横向进给系统和垂直进给系统的结构设计，对主要的零部件进行了选择并对其进行了一系列的校核，各项性能指标完全满足要求，说明本次设计的医用三自由度医疗床的结构是合理的。另外，对于医用三自由度医疗床的控制系统采用单片机控制，各进给方向都有码盘传感器对行程进行反馈。医用三自由度医疗床具有结构简单、故障率低、维修简单方便、效率高和操作编程简单等诸多优点，随着社会不断的发展，医用三自由度医疗床一定有着广阔的发展前景。致谢时光飞逝，转眼间就到大四毕业。四年的大学学习，不仅是为了今天的毕业设计，也是为今后走上工作岗位作了准备。在两个月的毕业设计中，我的指导老师始终对我细心指导。在导师的细心指导和严格要求下，我按时完成了设计任务。通过本次设计不但巩固了我的专业知识，还增强了我的分析解决问题的能力，为此，向我的导师陈焕林表示衷心的感谢和崇高的敬意！此外，在本次设计过程中，我也得到了机电教研室的老师们的帮助和班级同学的帮助，也向他们表示真诚的感谢！参考文献1 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AModel-Based Predictive machining of Workpiece Accuracy in Bar TurningASME, Journal of Manufacturing Science and Engineering1998，05：57-67附录1可重构制造系统中网络机床的实现摘要本文讨论了层次模型和可重构制造系统的网络结构的可行性。通过一个3轴机床，对其系统性能和重构问题的参数进行分析。我们利用这个机床，对系统性能进行评价和开发组合机床控制系统的解决方案。主要考虑内容包括： 设备和网络延迟，节点编号，信息联络， 统一性测试等。本文所处理的问题能够促进在组合机床可重构制造系统中几个关键部件设计的模块化和灵活性。导言可重构制造系统（ RMS ）其可重新配置性具有相当的成本效益，其生产能力及机器的功能也能够迅速适应不断变化的市场需求（ koren ，1999年）。凭借灵活的控制架构和网络开放的信息交流获得很好可重构性和适应性。要实现这些目标，RMS的设备设计必须做到功能模块化和智能化。 模块化设计为柔性制造和各种设备的运作提供了规范的单位或尺寸，而且智能系统可以使设备独立运作，并与其他设备共同工作以实现整个系统的加工目的。在指定RMS的设备，机器和系统，可以在有效迅速地改组后，在硬件和软件上满足新任务的要求。然而，要成功的重构RMS的设备还依赖于可重构部件的关联体系。机床上传统的控制系统关联体系，是点对点式的，它已经成功的在工业生产中使用了几十年。然而，扩大物理设置和加工系统的功能要求突破这种点对点试架构的限制。因此，传统点到点的控制系统已不能满足新的要求，如模块化，集中化的控制，综合诊断，快速，易于维护， 成本低（Eccles 1998年） 。最近，有着共同的总线架构的组合系统得到了广泛关注。这些分布式通用总线系统，称为网络控制系统（ NCSs ） ，这种体积小的布线及分布式处理，显示出了若干优势，并支持RMS的安全启用。尤其是对RMS，NCS在模块化的功能和标准接口等结构的连结上提供更高的智能化对于模块化的功能和标准接口，为互换性和互操作性。基于对象的设备型号分别通用，通过制造商了解装置型号和功能，从而实现各个级别上的重构（ koren ，1999年） 。当一个可重构机床配置了传感器、驱动器和控制器，主要是要对这个网络系统装置的功能和极限进行研究。这是其中一个研究成果。在密歇根大学的可重构加工系统工程研究中心（ ERC /RmS） 。这个正在调查和研究的主要目标是开发加工的方法和工具，以在RMS中协助提高一个网络体系结构的机械机械等级。本文侧重于研究网络系统控制系统的应用，并提出了网络化机床对NCS设计和分析结果，被称为 robotool 在以下章节中，我们将讨论一些基本的网络系统和其他RMS的作用，调查 robotool 机械控制器网络构架设计的影响，讨论网络化机械加工单元可执行的因素。RMS的网络与控制网络体系结构一个网络体系结构，即互联设备，如传感器、驱动器和控制器，使用较少的线路，并要求比点到点的体系结构需要更少的维修。它还使人们有可能以分布式处理几个小单元的功能和荷载。此外，在诊断通信装置和设备条件时通过网络层次更容易执行的。制造系统网络有很多层次和等级，每个人有不同的目标，并要求不同通信方式和加工能力。一般来说，通信可以使用较低的技术水平，如为sensor buses或field buses （ schickhuber和McCarthy ， 1997年） 。该网络运用的这些层次可以划分为两类，即数据网络和控制网络， （Raji，1994年） 。一般来说，数据网络都采用大数据封包，并相对偶然突发性数据保持高数据传输速率，以支持传输大型数据文件。数据网络，没有频繁的时间-临界制约因素。控制网络，在对比之下，通过数据网络区别控制网络的关键要素是时间-临界系统支持性能。因此，控制系统的通信应始终保持有效的工作。网络控制系统网络化机床，顾名思义，是ncss 和分布式的系统的控制器，驱动器和传感器通过一个控制网络和设计好的信息交换装置连接。信息与命令可以在中央控制单元和位于各控制装置分布式控制器传输。因此， 单一中央控制单元上的加工负载，可以被分配到几个小的处理器上，即专门用于这一部份的驱动器/传感器。这些处理器能通过“bus network”相互通信相互配合，完成指定的任务。此外，智能装置能改善信号处理和通信质量。对控制系统来说，候选控制网络一般必须满足两个重要条件：范围内的时间延迟并保证通信路径，应该在预定的时间内成功的转发信息。遗失或过分延迟的信息通过一个传感器经由控制器到达一个致动器，例如，可能会恶化系统性能或导致不稳定信息。 在执行一个网络架构的控制系统中，一种新的约束，必须适应通信媒介的带宽。不同的网络有不同的协议分配和该装置对网络可用带宽。每个NCS的子系统，闭合环路系统，可简单用 图1表示，相比传统的控制系统NCS的一个重大的缺点是，网络传输所造成的传感器/执行器和控制器之间的时间延迟。这些时间延迟不仅是出现在每个采样瞬间，也在不同设备在同一个子系统中运行时产生。对于控制系统来说，精确的信息观和时间延迟对系统性能和稳定性由很打的影响。 因此，必须现建立模型和控制器的理论基础设计，以便网络控制系统可成功建立。网络化机床的建立案例研究：网络化 robotool 对一种可重构NCS，现正于美国密西根大学应用的部分工业工具(图2)进行研究，分析其参数。这个工具，是一个被称为 robotool 的3轴（ X ，Y和Z ）加工系统中，每个轴的动作是直线下滑并通过驱动滚珠丝杠，由直流电动机提供一个角速度测量测速。每个轴也有一项线性编码决议，在10 毫秒的规定线性位置测量。每10毫秒对这两个位置的速度信号采样。马达驱动一个PWM驱动器与一个介于0和255的8位输入。在过去，一些研究者已用robotool作为一个试验台研究开放式控制系统（ koren等人， 1996年），监控系统（Lander和Ulsoy等，1998年 ，和交叉联结控制系统（ Chen等，1998 ）。以前这些所有的工用的都是传统的点对点实的工作结构构。 由于硬件设置原因，当系统功能目标的改变时，添加/删除系统组件和执行诊断时非常困难和耗时的。目前使用的传感器与制动器是无源器件并且不能独立运行的。此外，信号导致这些设备不统一，不能共享其他设备，需要进一步改造才能使用。因此，目前的架构是不能重构的。我们正在robotoo上设置一个网络装置控制系统DeviceNet（DeviceNet是一个传感器在NCS上普遍采用的通信协议总线。DeviceNet网络采用了非破坏性碰撞的解决方案解决信息优先问题），如图2 ，来研究分布式体系结构的优势。该网络架构（如图所示）的第一个优势 ，是减少配线。根据通信协议，这个网络控制系统，在功能方面可对不同的通信模式提供有力支持。这些措施包括客户机/服务器（以一对一的互动），以及发布者/订阅（ 以一对多的互动） 。因为所有的设备，其中包括传感器，驱动器，控制器和监控工具，是相互关联的，由共同介质的总线通信相连。一个传感器所产生的信息，可方便地浏览数控装置（发布者/订阅通讯模式），无须提交任何重复传感器和算法就可以在传统的生产系统中发送。因此，对同一网络信息中的任何设备都时很容易被识别的，而且与点对点系统相比需要较少的硬件安装。NCS 性能分析由于网络带宽的限制，设备信息必须确认网络是否可用后才可以传输。根据信息连接类型，（例如：多方投票，投票，状态改变，循环）以及网络流量负载，采取轮候机制。因此，信号由传感器，控制器或调节器传来的是延迟后信息和瞬间采样。此外，不同网络协议表现出不同特点，时间延误并不总是不变的，也可能是任意或跳跃的（Lian等，1999年） 。时间延迟的特点会影响控制机床内部的一个轴线以及相互合作的不同轴线性能性能。因此，先进的控制器设计应考虑网络传输其延时特性对系统性能的影响。有效的NCS解决方案为了实现有效的NCS方案，RMS控制系统中的一些问题必须解决，除了前面几节概述分析的性能问题，其中一个重要的问题，涉及到了利用智能设备传感器，执行器和网络化控制器。智能传感器或执行器有三个主要特点：分别为：信息，传输能力，和数据采集， （Eccles ，1998年）。除了具有网络功能的应用处理器，分析传感器数据功能的网络控制器，能做出决定并给予指令驱动装置。每一步的控制系统对分散信息分析也应该达到传统集中控制下的水平。为了保证一定程度的重构，我们必须保证装置一定程度上的互操作性和互换性。实现这一目标的途径是一个一致性测试的过程。目前，在密西根大学实验室，我们正进行不同层次的一致性测试，包括控制网，设备网，和传感器总线信息传输协议等。该主要一致性测试，包括协议测试