关 键 词：

助老型 全自动 方便 阅读 机械 控制 结构 设计 制作 全套 CAD 图纸 PDF

资源描述：

喜欢这套资料就充值下载吧。。。资源目录里展示的都可在线预览哦。。。下载后都有，，请放心下载，，文件全都包含在内，，【有疑问咨询QQ:414951605 或 1304139763】

内容简介：

内容摘要：本设计拟设计一种老年人阅读时使用的放大镜搁置的摆放支架，它不仅可以按照老人阅读的速度调整纵向（y）/横向（x）的位置，实现类似我们利用电脑阅读时的自动滚屏操作。该阅读书架是利用直线电机设计的一种新颖的机械结构，可以实现利用手动遥控控制放大镜能在x和y方向自如的移动，以实现阅读不同的区域。本设计基于机械设计及其自动化、力学、材料学、工业设计等相关专业学科的知识体系的前提下完成设备的发明和制做。应用机械专业的相关知识完成产品的总体设计，应用力学，材料学的相关知识完成对产品的受力、寿命，成本等方面的检测，在工业设计的知识体系下应用美学与外观设计等知识对产品的外观进行美化，使产品更人性化，更安全。应用各种传动机构实现产品的预期设计功能，主要运用步进电机带动丝杠，同步齿形带，等简单的机械结构实现对放大镜移动的控制。关键词： 力学 机械设计 自动化 步进电机 机电一体化Abstract: This design is proposed to design a place bracket for magnifying glass used in the reading of the old people. It can not only adjust the vertical (y) / horizontal (x) position according to the speed of the old people reading, to achieve the automatic roll screen operation similar to the use of computer reading. The reading shelf is a novel mechanical structure designed by using linear motor, and it can be implemented using the manual remote control a magnifying glass moving freely in the x and y directions, in order to realize the reading different area. This design based on mechanical design and automation, mechanics, materials science, industrial design or related professional discipline knowledge system to complete the invention of the equipment and manufacturing. Application of mechanical professional knowledge to complete the overall design of the product, Applied mechanics, materials science related knowledge to complete the products force, life, cost and other aspects of the detection, Under the knowledge system of industrial design, the application of aesthetics and design knowledge to beautify the appearance of the product, to make it more humanity, more secure. Application of various transmission mechanism to achieve the expected design product function, mainly using the stepper motor drive screw, simple mechanical structure such as synchronous cog belt to achieve control of the movement of the magnifying glass.Key Words: mechanics Mechanical design Automation Stepper motorMechatronicsII 助老型全自动“方便阅读架”机械、控制结构的设计与制作 Automatic convenient reading frame design and manufacture of the mechanical and control structure2助老型全自动“方便阅读架”机械、控制结构的设计与制作,主要结构构成,同步带传动机构 直线电机传动机构 调焦机构,X方向,同步齿形带传动机构包括39步进电机，同步带，皮带轮，连接杆，放大镜，连接片，直线轴承，紧定螺钉，紧固螺母，螺栓等组成。 结构特点：由安装在左侧的39步进电机带动左侧皮带轮转动，放大镜调整结构通过螺栓固定在皮带上上方通过连接片将放大镜与连接杆上的直线轴承连接固定，从而可以使皮带可以带动整个放大镜调整机构沿X方向平移。由于整个放大镜调整装置是吊装在连接杆上的，从而皮带不会发生倾覆现象，可以正常平稳运行。,Y方向,放大镜固定在皮带上，通过皮带的运动，带动放大镜左右运动。 放大镜通过支架固定在两皮带轮间的连杆上，因此皮带不会发生侧翻的现象，支架和连杆之间安装有一个直线轴承，减小放大镜左右运动的阻力。在放大镜左侧安装了调焦丝杠，读者可以通过转动调焦旋钮，可以控制放大镜沿Y轴运动达到调焦的目的。,Z方向,步进电机丝杠机构包括42步进电机、弹性联轴器、丝杠螺母、轴承座、横向连接轴、螺钉、十字螺钉、托板支架、紧定螺钉、紧固螺母等组成。 结构特点：由42步进电机提供动力带动丝杠转动，丝杠上的丝杠螺母通过横向连接轴带动整个同步齿形带传动机构Y方向运动。,单片机控制系统,控制系统主要用来控制电机的启停以及正反转，选择51单片机进行控制。单片机的P0.0，P1.1端口接到步进电机驱动器的PUL（脉冲信号负端）， P1.0，P1.2接到步进电机驱动器的，DIR（方向信号负端），其公共正 端接到单片机VCC端口。由于单片机VCC电源为+5V，所以无需串接电阻R。 步进脉冲信号CP：通过高低电平的组合，产生脉冲序列。 驱动器每接收一个CP信号，就驱动电机旋转一个步距角。 CP脉冲频率改变会使电机转速改变 方向控制：方向电平信号DIR用于控制步进电机的旋转方向，此端为高电平时，电机一个转向；此端为低电平时，电机为另一个转向。,速度调整：定时器定时时间越长，脉冲频率越低，转速越慢； 定时器定时时间越短，脉冲频率越高，转速越快； 红外接收：按动遥控器的按键，单片机接收某一个按键的键值， 实现该键值所对应的功能。,优点,1、结构简单，易于生产制造。 2、操作方便，控制灵活，适合老年人使用。,缺点,1、速度控制不是很方便。 2、整体结构偏重。 3、自动化程度不高。,助老型全自动“方便阅读架”机械、控制结构的设计与制作 1. 论文题目 助老型全自动“方便阅读架”机械，控制结构的设计与制作 2. 论文结构2.1 总体结构的设想 论文的总体结构将做如下安排： 1.综述目前机电一体化发展和应用的现状，社会老龄化问题出来的各方面问题以及机电一体化技术的应用与发展。 2.将服务老年人的任务和机械产品相结合，开发设计出一种能够帮助高龄老人，总结市场上现有阅读书架的结构特征和特点，将其与机械结构巧妙结合，以实现预期的功能，对其整体结构进行设计与优化。 3.对于助老型全自动“方便阅读架”结构特点以及工作原理进行研究及阐述。4.对“方便阅读架”的结构和零部件进行设计、加工、装配。为该方便阅读架进行程序的编写及调试，使其按预定的工作状态运行。 2.2 选题研究的目的、意义 人口老龄化问题是当今世界各国都要而临的一个严峻挑战。人口老龄化的发展导致老年人口过多，影响人口年龄结构，结养老事业造成巨大压力。对于我国，这尤为突出，一是我国老年人曰的绝对数量很大，1996年我国65岁以上的老年人曰已达0. 86亿，同年60岁以上的老人已达1. 30亿;二是我国人口老龄化的发展速度快，一般西方国家从人口成年型国家进入老年型国家要经过50-80年，而我国大约用不了20年。1 目前高龄老年人阅读是他们了解社会的一种主要渠道，但是高龄老人阅读确实存在不小的困难，高龄老人的眼睛已经严重老花，他们阅读时不仅需要带上高深的老花镜，还要手拿放大镜，这样才能勉强阅读，这种阅读方式不仅劳累，还要随着阅读的部位的不同手持放大镜不断改变位置，增加了不少的阅读负担。本设计拟设计一种老年人阅读时使用的放大镜搁置的摆放支架，它不仅可以按照老人阅读的速度自动调整纵向（y）/横向（x）的位置，实现类似我们利用电脑阅读时的自动滚屏操作，还可以按照手动控制的方式来实现手动控制改变放大镜的位置，以实现阅读不同的区域。2.3 主要解决的问题 目前市场上的阅读架，功能比较单一，大多只单单提供了固定书籍位置的功能，并不能满足高龄老年人阅读的需求，本设计要解决的问题主要是为老年人阅读看报提供一个操作简单，方便实用的自动化机械产品，以帮助老年人在视力受老花眼限制的状况下更好地阅读。有了既定结构的放大镜阅读架能够免去老年人手持放大镜的不便，可以让双手解放出来去做其它事情，还能避免佩戴眼镜的不适。阅读架可以通过调节按钮实现放大镜上下左右平移，同时能够保证移动速度均匀，优化老年人的读书条件。整个控制过程使用红外遥控实现，让使用者可以通过按键选择放大镜的移动状态。让产品充分发挥机电一体化产品的特点，使其运行简单可靠，结构简易轻便，满足老年人的读书看报需求。2.4 主要工作 主要任务是利用直线电机设计一种新颖的机械结构，控制放大镜的摆放之间能在x和y方向自如的移动，其移动的速度是可调的，其不仅可以实现不同速度自动移动，还可以实现利用手动的控制手动移动。本设计要求学生能按照设计的基本要求，设计出装配的零件图，还应当对控制系统有一个初步的设计，同时还建议本设计最好能制作出实物。 1.绘制该“方便阅读架”装配图一张 2.根据装配图绘制全套零件图 3.进行阅读架采购零件和制作全过程 4.编制该阅读架的全部控制程序 5.对阅读架进行调试2.5 主要创新点 1.该阅读书架将传统书架与放大镜，单片机控制系统集成在一起，实现自动化方式从而解放双手，极大提升了老年人阅读体验。 2.该阅读书架结构简单轻便，携带方便，成本低廉，易于生产制造，适合推广，是一款经济实用型产品。 3.该阅读书架固定板与移动板之间的距离可以调节，以适应不同书脊厚度的放置，提高了书籍的放置平整度，书架的倾斜角度还可以根据不同的阅读习惯进行调节，从而达到良好的阅读效果。4.结构轻便，加工简单方便、成本低。3. 文献综述 3.1 步进电机基本原理 步进电机作为执行元件.是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展.步进电机的需求量与日俱增.在各个国民经济领域都有应用。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。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力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.从而达到调速的日的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机.利用其没有积累误差(精度为100%)的特点.广泛应用于各种开环控制现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机(VR) . 永磁式步进电机(PM).混合式步进电机(HB)和单相式步进电机等。63.2 机电一体化技术的相关应用与发展机电一体化发展至今已经成为一门有着自身体系的新型学科，随着科学技术的不断发展，还将被赋予新的内容。其基本特征可概括为:机电一体化是从系统的观点出发，综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术，根据系统功能目标和优化组织结构目标，合理配置与布局各功能单元，在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值，并使整个系统最优化的系统工程技术。机电一体化基本结构要素：1.1 机械本体部分 机械本体就像人体的身躯骨架，它是系统所有功能元素的机械支持结构包括机身框架机械连接等。1.2 动力部分 动力部分与人体内脏产生能量去维持生命运动一样，为系统提供能量和动力功能驱动执行机构使系统按照控制要求正常运行。1.3 传感部分 传感部分就像人的眼鼻耳口等感觉器官将系统运行中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测变成可识别的信号，传输到信息处理单元经过分析处理后产生相应的控制信息。1.4 驱动部分 驱动部分就像人体的肌肋腱接受大脑指挥驱动四肢运动一样，在控制信息作用下驱动执行机构完成各种动作和功能。1.5 执行部分 执行部分如同人的四肢由大脑支配完成各项工作任务一样，根据控制信息和指令完成各种动作和功能执行机构是运动部件一般采用机械电磁电液等机构。1.6 控制及信息处理部分 控制及信息处理部分犹如人的大脑指挥和控制全身运动并能记忆思考和判断问题一样，将来自各传感器的检测信息集中存储分析加工并根据信息处理的结果按照一定的程序和节奏发出相应的指令控制整个系统。有目的的运行它一般由计算机可编程序控制器数控装置以及逻辑电路A/D 与D/A 转换I/O 输入输出接口和计算机外部设备等组成。23.6 同步齿形带的相关应用与发展带传动按功能可分为摩擦传动和啮合传动。摩擦传动包括:平带传动、V带传动、多楔带传动等;啮合传动有同步齿形带(简称同步带或齿形带)传动。20世纪70年代以前，平带传动在动力带传动中占有一定地位，但70年代后期开始，平带传动的生产急速下降，到了80年代，同步带传动的生产和应用逐渐增加，同步带传动从以往统计上被列在“其它带传动”里，单独分类出来。与传统的带传动、链传动、齿轮传动相比较，同步齿形带传动中，同步带的工作面有齿，带轮的轮缘表面也制有相应的齿槽，依靠带与带轮之间的啮合传递运动和动力，无滑动，能保证恒定的传动比，预紧力小。同步带通常以钢丝绳或玻璃纤维绳为承载层，氯丁橡胶或聚氨醋为机体，带薄而且轻，故可用于高速度，传动时效率可达98%，使用方便，用途广泛，集带、链传动的优点于一体。故在机械、仪器仪表、化工、生物医疗器械、办公自动化设备、纺织机械等方面有广泛的应用前景。33.7 同步齿形带功能和应用 同步齿形带按功能来分有以下儿种:(1动力传动:这种以传递动力(能量)为主，传递运动(信息)为辅的传动装置，一般要求传动的承载能力高，抗疲劳性能好、寿命长，所以对齿带的骨架材料要求强度高，曲挠疲劳性好。常用的传动方式为转动一转动，在这种传动方式中，带呈封闭状，主从动轴传动比恒定。如汽车发动机上曲轴与凸轮轴之间的传动，数控机床的主传动装置，均为动力传动，通过齿形带传动将原动机的动力传递到各运动部件。(2运动传递:这种传动以传递运动(信息)为主，传递动力(能量)为辅，传动过程中，外载荷较小，但要求运动精确。所以对齿带的材料要求在力的作用下带的变形量小。这种传动常用的传动方式为转动一移动或步进式移动。通常又有二种结构形式:(d直线机头:同步带与被驱动的机头固联时，同步带夹持在移动机头上，组成一个闭环(如图la); Cb)直线工作台:同步带的两端与工作台固定在一起，主动轮的回转轴线固定并通过两个滚子保证轮与带的啮合，轮转动后带动齿带与工作台一起移动(图1b); Cc)直线台车:齿带的两端固定在机架上，而主动轮则配置在托架上，由两个弯曲的滚子来保证轮与带的啮合，轮转动后，使与主动轮联接在一起的托架一起作直线移动(图c)(见Breco公司产品说明(1),(2), (3)。图2为德国Stoll公司的CMS系列电脑控制高性能钊一织横机机头运动小意图，机头与同步齿形带固联，齿带轮由伺服电机驱动，使带作来回直线运动，从而带动机头在有实际作用的织钊一上来回作步进运动，最高线速度可达3米每秒横机由传动机构确保机头的定位精度。保证织物质量(见St011公司产品说明(德)。除此以外，利用同步齿形带传递运动的实际应用还有很多，如机器人的机械手的运动控制、绘图仪中笔尖的运动控制、喷墨打印机中喷墨头的位置控制、数控机床中的进给装置都属于这类运动。(3)特殊功能:在这类传动中，通常在齿形带的背而铸造一些特别外形，如在带背后做成输送带等，完成特殊功能。图3中(a)为输送带，(b)为牵引带，(c)为存储带。 3.8 老年人情感产品设计原则老年人读报器的设计采用情感设计的设计方法，老年人的情感体验作为整个产品设计的出发点和最终落脚点。将老年人读报的每一个细节需求点和每一个设计策略相结合，把他们的意识到的和他们下意识的情感需求放到首位。所以整个产品的开发应遵循以下五点基本原则:1.安全性原则我们都知道，老年人的身体机能逐渐衰退，对产品的使用能力和反应都不如从前。产品的设计开发要考虑到老年人使用时的各种不便和危险情况事先做出预防，根据他们的生理特征和使用的环境场所避免不利的因素发生。产品的材质上要尽可能运用防滑，耐摩系数较高的材料方便拿握，即使摔也不易损坏。材料的环保性上要安全绿色，以防他们较低的免疫系统易受到侵袭。屏幕的光亮度要适中，太亮会对老年人的眼睛产生刺激，太暗则对他们的眼睛造成负担，容易出现疲劳。 2.易用作原则易用强调的是在不看任何说明书，无人指导的情况下，就可以自然的适应和使用。使用的方法应当是十分自然的，采用多渠道的设计提示方法，输入和提示语言不仅从视觉上还将从听觉、肢体语言等多方面进行引导，从产品形态就能理解使用方法。在他们年轻的时候没有太多使用电器的经历，上网的经验更少，这一点尤其重要。 3.合理性原则 合理性原则是产品设计时必须遵守的一点，它是既是最基本的也是很必要的。老年人产品的合理性就要求产品符合老年的年龄特点、老年人的人体工程学、行为习惯等要素，以这些为参考标准开展设计方案，修改设一计细节，在形态、材料、颜色、结构、功能等方功做出相对应的调整来完善产品。4. 实效性原则 老年人都有着勤俭节约的美德，他们不习惯铺张浪费，坚守着务实的生活态度和朴素的消费理念。在功能设置上不要画蛇添足应以实用为主，形态和界面设计上也不必过于花哨，复杂的功能设计和华而不实的形态界面不仅增加了产品的售价更加大了产品的操作难度。老年人产品设计应在耐用性、可靠性和稳定性上多下功夫。 5.适当性原则 适当设计理论实际上是一种适度设计的理论，它主张为满足消费者合理的、适度的消费需求，让产品引导消费者正确的消费观念。老年人产品功能上的适当J胜体现在功能实用、简便，减少使用频率低的附加功能设置。形态上的适当性体现在清晰而明确的按键设计及朴素大方的造型特点。4. 参考文献1 李日邦，王五一，谭见安，何洋，杨林生. 我国人口老龄化发展的阶段、趋势和区域差异J.1999,(06),No 2,Vol 18.2 .章 浩，张西良，周士冲.机电一体化技术的发展和应用A.2006（07）第七期3 张汝琦，樊智敏，王宪民，同步齿形带传动的现状与展望.A.结构与零件,pp.5935944 黄鹤.基于老年人电子读报器产品情感化设计D.中央美术学院，2013（5）5 杨玉萍，曹清林，沈世德，同步齿形带的研究使用现状与发展，J16(1)，2003-016 张明，步进电机的基本原理.D天津工业大学计算机学院自动化 机械与电子2007 第9期.7 徐海枝.J.装备制造技术,2012,(07).8 罗庆生,罗洪坚,王耀炼J.计算机测量与控制,2003,(10). 91 导言1.1 主题来源读书看报是现今老年人的主要娱乐方式之一。而 40 岁以后随着人眼的晶状体逐渐纤维硬化，睫状肌逐渐麻痹，使人眼无法有效调节眼球的形状（轴向变化），只能通过调节眼睛与所视物体的距离，看近处的物体时必须移远才能看清楚，这时的眼睛状态就称为老花眼。而随着年龄增加，老花的度数也会随着增加。例如，45 岁时老花是 150 度，到了 50 岁，不管老人是否佩戴老花镜，老花的度数都会增加到 200 度。此时老年人看书看报等难免就会出现阅读上的困难。为看清楚微小的物体或物体的细节，就需要把物体移近眼睛，因为这样可以增大视角，使在视网膜上形成一个较大的实像。但当物体离眼的距离太近时，反而无法看清楚。换句话说话，要明察秋毫，不但应使物体对眼睛有足够大的张角，而且还应取合适的距离。显然对眼睛来说，这两个要求是相互制约的，若在眼睛前面配置一个凸透镜便能解决这一问题。此时老年人通常会佩戴老花镜，或者使用放大镜来帮助自己看清物体。如果可以用机械设备控制放大镜的位置，就可以解放老年人的双手，以一种更方便的方式控制放大镜的位移，让老年人能充分享受阅读的乐趣。1.2 方便阅读架的研究目的人口老龄化问题是当今世界各国都要而临的一个严峻挑战。人口老龄化的发展，导致老年人口过多，影响人口年龄结构，给养老事业造成巨大压力。对于我国，这点尤为突出，一是我国老年人口的绝对数量很大，1996 年我国 65 岁以上的老年人口已达 0.86 亿，同年 60 岁以上的老人已达 1.30 亿；二是我国人口老龄化的发展速度快，一般西方国家从人口成年型国家进入老年型国家要经过50-80 年，而我国大约用不了 20 年。1目前高龄老年人阅读是他们了解社会的一种主要渠道，但是高龄老人阅读确实存在不小的困难，高龄老人的眼睛已经严重老花，他们阅读时不仅需要带上高深的老花镜，还要手拿放大镜，这样才能勉强阅读，这种阅读方式不仅劳累，还要随着阅读的部位的不同手持放大镜不断改变位置，增加了不少的阅读负担。本设计拟设计一种老年人阅读时使用的放大镜搁置的摆放支架，它不仅可以按照老人阅读的速度自动调整纵向（y）/横向（x）的位置，实现类似我们利用电脑阅1读时的自动滚屏操作，还可以按照手动控制的方式来实现手动控制改变放大镜的位置，以实现阅读不同的区域。1.3 方便阅读架的课题规划本课题基于机械设计及其自动化、力学、材料学、工业设计等相关专业学科的知识体系的前提下完成设备的发明和制做。机电结合可使机械系统简化，性能更完善。机电结合可获得更高的精度。2应用机械专业的相关知识完成产品的总体设计，应用力学，材料学的相关知识完成对产品的受力、寿命，成本等方面的检测，在工业设计的知识体系下应用美学与外观设计等知识对产品的外观进行美化，使产品更人性化，更安全。应用各种传动机构实现产品的预期设计功能，主要运用步进电机带动丝杠，同步齿形带，等简单的机械结构实现对放大镜移动的控制。1.4 方便阅读架的意义及市场前景1.该阅读书架将传统书架与放大镜，单片机控制系统集成在一起，实现自动化方式从而解放双手，极大提升了老年人阅读体验。2.该阅读书架结构简单轻便，携带方便，成本低廉，易于生产制造，适合推广，是一款经济实用型产品。3.该阅读书架固定板与移动板之间的距离可以调节，以适应不同书脊厚度的放置，提高了书籍的放置平整度，书架的倾斜角度还可以根据不同的阅读习惯进行调节，从而达到良好的阅读效果。4.结构较为轻便，加工简单方便、成本低。2 课题设计任务书2.1 课题名称助老型全自动“方便阅读架”机械、控制结构的设计与制作2.2 设计要求2.2.1 设计要求方便阅读架是为老年人设计制造的一款设备，设计过程中应该着重考虑老年人对于机器使用的学习及接受能力，机器的操作及其使用，应该尽量简洁明了，方便学习使用。22.2.2 设计要求要求方便阅读架，在完成 X,Y,Z 坐标，三个方向的运动时，要保证运动过程的准确性，使整台设备结构紧凑，机体占地空间小，成本低廉，让老年人获得更好的阅读体验。2.2.3 设计要求要求方便阅读架具有良好的协调性，重要的部分可以进行方便调整，如手动对焦部分可以方便的进行调节，满足阅读需要。3 工作原理与制作过程3.1 概述方便阅读架的结构主要采用基本的轴类件、杆件、丝杆、同步带、皮带轮、板材等组成，采用 51 单片机控制步进电机这一动力机构，传动机构主要采取皮带传动、步进电机带动丝杠传动等，结构紧凑、简便，原材料完全可以选用于市面上普通的现有材料，成本低廉，原材料广泛。3.2 工作原理3.2.1 产品整体过程简易方便阅读架整体尺寸为长 500mm，宽 400mm，高 500mm。该装置主要由同步带运动机构，丝杆步进电机运动机构等构成。丝杆步进电机运动机构主要是由步进电机提供动力，通过弹性联轴器将步进电机与传动丝杆联结，通过一个开环控制系统对步进电机伺服系统进行控制，在此系统中，步进电机受驱动线路控制，将进给脉冲序列转换成为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。3图 1 总示意图进给脉冲的频率代表了驱动速度，脉冲的数量代表了位移量，而运动方向是由步进电机的各相通电顺序来决定，并且保持电机各相通电状态就能使电机自锁。但由于该系统没有反馈检测环节，其精度主要由步进电机来决定，速度也受到步进电机性能的限制并推送至所需位置等待安装。同步带运动机构，利用 35步进电机带动皮带轮 如图 1 所示产品总示意图。3.2.2 产品运动原理介绍运动过程如下：1、将所读书，报放在书架上，并使用夹子将书报固定好，并调整好阅读角度，接上直流电源。2、启动单片机开关，使用红外遥控器上设置的 8 个按键，可以灵活控制两个电机的启动，停止，正转，反转，从而可以灵活变换放大镜的位置，使放大镜可以随时运动到老人阅读时候所需要的位置。上述过程简易方便，操作简单明了。经过详细计算，运动迅速准确。且结构简单，非标准件方便加工生产，大量节省制作成本。3.3 助老型全自动“方便阅读架”各个零部件及其功能介绍3.3.1 框架材料的参数及分析图 2 框架结构示意图4整体的框架是使用 PP 板制成，PP 板材具有质轻、厚度均匀、表面光滑平整、耐热性好、机械强度高、优良的化学稳定性和电绝缘性、无毒等特征。PP板广泛应用于化工容器、机械、电子、电器、食品包装、医药、装潢和水处理等领域。PP 板实用温度可达 100 度。框架结构如图所示，主框架长 480mm，宽 350mm，厚 0.8mm，在主框架左侧有一个长 20mm，宽 270mm，的长槽，下方有八个直径为 3mm 的通孔，用于和下方抬高板联接。主框架下侧是抬高板，其作用是给主框架后侧步进电机的安装留足空间，避免因空间不足，造成电机安装困难。此外抬高板与主框架之间，使用四个长 25mm，宽 22mm，的合页进行联接。所以主框架和抬高板之间可以进行旋转活动，从而方便老人读书时，变换阅读视角，从而获得更好的阅读体验。主框架右侧有一长 40mm，宽 350mm，厚 0.8mm 的小板用于固定夹书板。小板上开有一个长 20mm，宽 270mm，的长槽，其与主框架的右侧的长槽的作用是为了给同步齿形带沿 Y 方向上下运动留出空间。图 3 框架组装示意图小板于主框架使用两个铁制连接条，于板后使用螺钉进行连接。主框架，连接板，抬高板，连接图如图所示。3.3.2 夹书板的参数及分析夹书板的尺寸为长 207mm，宽 270mm，厚 0.8mm，安装在主框架的右侧，其与右侧小板之间安装有弹簧，使用时可将书籍的书脊放置于夹书板与主框架的间隙处，在弹簧的作用下将书加紧。由于夹书板和主框架之间的间隙可调，所以可5以适应不同厚度书籍的安放。3.3.3 抬书版的参数及分析由于主框架在老人阅读时是处于倾斜状态，为了保证书籍能平稳的安放在，主框架上安装两块抬书版，对书籍进行支撑。抬书板的尺寸为长 120mm，宽 25mm，厚 0.8mm，使用角铁与主框架进行连接。抬书版安装位置如下图所示：图 4 支书板安装示意图93.3.4 定位导向板定位导向板位于框架两侧，是由两块长 30mm，宽 270mm，长的 PP 板，使用 AB 胶水，与框架粘接成一个三面导轨。AB 胶水是双组份环氧树脂 ab 胶胶粘剂，具有高透明性能，粘接物固化后完美无痕，无需加热，可常温固化，环保无毒；高粘接强度、韧性好、耐油、耐水等众多优点；固化物具有良好的绝缘、抗压、收缩率低等电气及物理特性。广泛应用于各种高档陶瓷、玻璃、金属数码科技等产品的制造与修复。其有高粘接强度、韧性好、耐油、耐水、耐酸碱、防潮、防尘性能等众多优点。可耐高低温，耐湿热和大气老化；粘牢后固化物具有良好的绝缘、抗压、收缩率低等电气及物理特性。该导轨作用是对同步齿形带 Y 方向运动，起到一定程度的限位作用。具体结构如图所示：6图 5 导轨安装俯视图3.3.5 丝杠固定螺母丝杠固定螺母，不仅要实现自身沿 Y 方向的的运动，而且要带动整个同步齿形带沿 Y 方向运动，整体结构如下图所示，该零件采用 3D 打印技术制作。3D打印，即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。由于该零件结构较为复杂，为非标准件，且体积较小，用 3D 打印技术制作，可节约大量成本，并缩短生产周期，且可以满足所需要的负载要求。在零件上下表面各开有一个六方孔，用于放置螺母。侧面开有一个直径为 6mm 的孔，用于放置联结前方皮带轮的横轴。图 6 丝杠螺母示意图3.3.6 轴承座该轴承座固定在板后，与轴承相配合，可起到支承丝杠的作用。该零件尺寸较小，同丝杠螺母一样，采用 3D 打印技术制作，使用螺钉固定在板后。7图 7 轴承座示意图3.3.7 同步齿形带在机械设备传动中，有许多部位都需要大跨距传动大多采用皮带传动或链条传动，这两种传动方式都存在缺陷，后来人们发明了同步带，同步带不但具有皮带传动适应高速无噪声的优点，还具有链条传动比准确的特点。14同步带传动是由一根内周表面设有等间距齿形的环行带及具有相应吻合的轮所组成。它综合了带传动、链传动和齿轮传动各自的优点。转动时，通过带齿与轮的齿槽相啮合来传递动力。 传输用同步带传动具有准确的传动比，无滑差，可获得恒定的速比，传动平稳，能吸振，噪音小，传动比范围大，一般可达 1:10。允许线速度可达 50M/S，传递功率从几瓦到百千瓦。传动效率高，一般可达 98%，结构紧凑，适宜于多轴传动，不需润滑，无污染，因此可在不允许有污染和工作环境较为恶劣的场所下正常工作。2同步带具有以下优点5：（1）传动准确，工作时无滑动，具有恒定的传动比；（2）传动平稳，具有缓冲、减振能力，噪声低；（3）传动效率高，可达 0.98，节能效果明显；（4）维护保养方便，不需润滑，维护费用低；（5）速比范围大，一般可达 10，线速度可达 50m/s，具有较大的功率传递范围，可达几瓦到几百千瓦；（6）可用于长距离传动，中心距可达 10m 以上。8（7）相对于 V 型带传送，预紧力较小，轴和轴承上所受载荷小；主板两侧导槽中心距为 450mm,考虑到制造误差和实际尺寸，皮带松紧程度等因素，本设计采用的同步带型号为 380XL，具体参数见图：图 8 同步齿形带参数图23.3.8 步进电机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。它能按照控制脉冲的要求，能迅速完成启动，正转，反转，加速，减速，制动。15步进电机驱动系统广泛应用在工业上的应用。它们主要用于低成本的开环高性能。然而，作为动态系统的更新越来越快，他们的运动更精确，作为一个开环系统，准确可靠显得更加的重要。16步进电动机驱动系统主要是由步进电动机驱动器和步进电动机构成。步进电动机驱动系统的性能，不但要取决于步进电动机启动器的好坏，也取决于步进电动机的自身性能。步进电动机是一种将电脉冲转化为角位移的执行元件。当步进电动机驱动器接收到一个来自控制器的脉冲信号时，它就驱动步进电动机按照设定的方向转动一个固定的步矩角，它的旋转是通过固定的步矩角一步一步转动来运行的。9步进电动机不能直接接通直流或交流电源工作，必须使用步进电动机驱动器。脉冲信号发生器可以通过控制脉冲的个数来控制角位移量，这样可以进行准确定位；同时步进电动机的速度和加速度可以通过控制脉冲频率来控制可，从而达到调速的目的。图 12 步进电机3.3.9 步进电机驱动器步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。步进电机驱动器是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。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，从而达到调速和定位的目的。驱动器上的信号接口有六个，PUL和 PUL为控制脉冲信号正端和负端；DIR和 DIR为方向信号正端和负端；EN和 ENA为使能信号的正端和负端。电机接口有四个，A和 A接步进电机 A 相绕组的正负端；B和 B接步进电机 B 相绕组的正负端。当 A、B 两相绕组调换时，可使电机方向反向。电源接口两个，分别为 GND（负极），VCC（正极），采用直流电源供电，工作电压范围建议为 2050VDC。驱动器有红绿两个指示灯。其中绿灯为电源指示灯，当驱动器上电后绿灯常亮；红灯为故障指示灯，当出现过温、过流故障时，10故障灯常亮。故障清除后，红灯灭。当驱动器出现故障时，只有重新上电和重新使能才能清除故障。驱动器的外形尺寸为：11875.534mm，安装孔距为112mmmm。既可以卧式和立式安装，安装时本设计采用立式安装，有利于驱动器的散热。步进电机驱动器接线采用共阳极接法，PUL（脉冲信号负端）接到单片机上 P1.0 端口，DIR（方向信号负端）接到单片机 P1.1 端口，其正端接到单片机 VCC 端口。由于单片机 VCC 电源为+5V，所以无需串接电阻 R。图 13 步进电机驱动器接线图3.3.10 51 单片机单片机（Microcontrollers）是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器 CPU、随机存储器 RAM、只读存储器ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D 转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。MCS-51 系列单片机是集中 CPU，它有如下特点：1.可靠性高因为芯片是按工业测控环境要求设计的，故抗干扰的能力优于 PC 机。系统软件(如：程序指令，常数，表格)固化在 ROM 中，不易受病毒破坏。许多信号的通道均在一个芯片内，故运作时系统稳定可靠。2.控制功能强具有丰富的控制指令，如：条件分支转移指令，I/O 口的逻辑操作指令，位11处理指令。3.便于扩展片内具有计算机正常运行所必需的部件，片外有很多供扩展用的(总线，并行和串行的输入/输出)管脚，很容易组成一定规模的计算机应用系统。4.实用性好体积小，功耗低，价格便宜，易于产品化。3.3.11 锂电池整台设备使用锂电池供电，锂电池有体积小，容量大，电压稳定，可以循环使用，安全性强，拥有减少污染，有利于可持续发展等优点。以上为助老型全自动“方便阅读架”的主要零件及部件。3.3.12 放大镜放大镜固定在皮带上，通过皮带的运动，带动放大镜左右运动。放大镜通过支架固定在两皮带轮间的连杆上，因此皮带不会发生侧翻的现象，支架和连杆之间安装有一个直线轴承，可以保证放大镜正常的左右运动。在放大镜左侧安装了调焦丝杠，读者可以通过转动调焦旋钮，可以控制放大镜沿 Z 轴运动，达到调焦的目的。图 14 放大镜4 各部件设计及参数设定4.1 同步齿形带传动机构同步齿形带传动机构包括 39 步进电机，同步带，皮带轮，连接杆，放大镜，连接片，直线轴承，紧定螺钉，紧固螺母，螺栓等组成。12结构特点：由安装在左侧的 39 步进电机带动左侧皮带轮转动，放大镜调整结构通过螺栓固定在皮带上上方通过连接片将放大镜与连接杆上的直线轴承连接固定，从而可以使皮带可以带动整个放大镜调整机构沿 X 方向平移。由于整个放大镜调整装置是吊装在连接杆上的，从而皮带不会发生倾覆现象，可以正常平稳运行。图 15 同步齿形带传动机构示意图4.2 步进电机丝杠传动机构步进电机丝杠机构包括 42 步进电机、弹性联轴器、丝杠螺母、轴承座、横向连接轴、螺钉、十字螺钉、托板支架、紧定螺钉、紧固螺母等组成。结构特点：由 42 步进电机提供动力带动丝杠转动，丝杠上的丝杠螺母通过横向连接轴带动整个同步齿形带传动机构 Y 方向运动。图 16 步进电机丝杠传动机构示意图滑动螺旋传动的设计计算：螺旋传动的结构主要是指螺杆，螺母的固定和支13承的结构形式。螺旋传动的工作刚度与精度等和支承结构有直接关系。6滑动螺旋的磨损与螺纹工作面上的压力、滑动速度、螺纹表面粗糙度以及润滑状态等因素有关。其中最主要的是螺纹工作面上的压力，压力越大螺旋副间越容易形成过度磨损。因此，滑动螺旋的耐磨性计算，主要是限制螺纹工作面上的压力 p，使其小于材料的许用压力p。假设作用于螺杆的轴向力为 F（N），螺纹的承压面积（指螺纹工作表面投影到垂直于轴向力的平面上的面积）为 A（mm2），螺纹中径为 d2（mm），螺纹工作高度为 H（mm），螺纹螺距为 P（mm），螺母高度为 D（mm），螺纹工件圈数为 uH/P 。则螺纹工作面上的耐磨性条件为:F F FPp = = = A d hu d hHp p2 2p（1）上式可作为校核计算用。为了导出设计计算式，令=H/d2， 则 H=d2，代入式（543）引整理后可得:d2 FPphf p（2）对于 30 度锯齿形螺纹，h=0.75P，则：d2F （3）0.65fP螺母高度：H = f （4）d2P为材料的许用压力，单位为 MPa，见表 1；值一般取 1.23.5。（对于整体螺母，由于磨损后不能凋整间隙，为使受力分布比较均匀，螺纹工作圈数不宜过多，故取1.22.5 对于剖分螺母和兼作支承的螺母，可取=2.53.5 只有传动精度较高；载荷较大，要求寿命较长时，才允许取=4。）根据公式算得螺纹中径 d2 后，应按国家标准选取相应的公称直径 d 及 P螺纹工作圈数不宜超过 10 圈。螺杆螺母的材料 滑动速度/ (m/min) 许用压力 /MPa钢青铜低速 18253.0 111814612 71015 12淬火钢青铜 612 1013钢铸铁2.4 1318612 47钢钢 低速 7.513注：1、表中数值适用于=2.54 的情况。当2.5 时，p值可提高 20；若为剖分螺母时则p值应降低 1520。2、表中摩擦系数启动时取大值，运转中取小值。资料来源: 濮良贵等. 机械设计 M（第八版）. 高等教育出版社,2006.56表 1 滑动螺旋副材料的许用压力P对于升降运动的丝杆，其轴向力等于大臂、小臂、手指各部分及负载重量的总和约为 25N，即 F=25N，取=1.2，p=7MPa,则由式（3）求出25d 0.8 1.38mm2 =1.2 7根据实物本身尺寸，以及市场实际情况选择直径为 M5，取中径为 4.5mm.H =f 2 =1.24.5 = 5.4d mm查表取螺距 P=2mm,则工作圈数 UH/P=5.4/2=2.73。根据其 200mm 的行程及运动和安装余量，设计其长度为 270mm。4.3 动力及控制机构4.3.1 常见的步进电机控制方案1、基于电子电路的控制步进电机受电脉冲信号控制，电脉冲信号的产生、分配、放大全靠电子元器件的动作来实现。由于脉冲控制信号的驱动能力一般都很弱，因此必须有功率放大驱动电路。步进电机与控制电路、功率放大驱动电路组成一体，构成步进电机驱动系统。此种控制电路设计简单，功能强大，可实现一般步进电机的细分任务。这个系统由三部分组成：脉冲信号产生电路、脉冲信号分配电路、功率放大驱动电路。此种方案即可为开环控制，也可闭环控制。开环时，其平稳性好，成本低，设计简单，但未能实现高精度细分。采用闭环控制，即能实现高精度细分，实现15无级调速。闭环控制是不断直接或间接地检测转子的位置和速度，然后通过反馈和适当的处理，自动给出脉冲链，使步进电机每一步响应控制信号的命令，从而只要控制策略正确电机不可能轻易失步。该方案多通过一些大规模集成电路来控制其脉冲输出频率和脉冲输出数，功能相对较单一，如需改变控制方案，必须需重新设计，因此灵活性不高。2、基于 PLC 的控制PLC 也叫可编程控制器，是一种工业上用的计算机。PLC 作为新一代的工业控制器，由于具有通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程简单易学和可靠性高等优点而广泛应用于各行业的自动控制系统中。步进电机控制系统有 PLC、环形分配器和功率驱动电路组成。控制系统采用 PLC 来产生控制脉冲。通过 PLC编程输出一定数量的方波脉冲，控制步进电机的转角进而控制伺服机构的进给量，同时通过编程控制脉冲频率来控制步进电机的转动速度，进而控制伺服机构的进给速度。环形脉冲分配器将 PLC 输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组。PLC 控制的步进电机可以采用软件环形分配器，也可采用硬件环形分配器。采用软件环形分配器占用 PLC 资源较多，特别是步进电机绕组相数大于 4 时，对于大型生产线应该予以考虑。采用硬件环形分配器，虽然硬件结构稍微复杂些，但可以节省 PLC 资源，目前市场有多种专用芯片可以选用。步进电机功率驱动电路将 PLC 输出的控制脉冲放大，达到比较大的驱动能力，来驱动步进电机。采用软件来产生控制步进电机的环型脉冲信号，并用 PLC 中的定时器来产生速度脉冲信号，这样就可以省掉专用的步进电机驱动器，降低硬件成本。但由于PLC 的扫描周期一般为但由于 PLC 的扫描周期一般为几毫秒到几十毫秒，相应的频率只能达到几百赫兹，因此，受到 PLC 工作方式的限制及其扫描周期的影响，步进电机不能在高频下工作，无法实现高速控制。并且在速度较高时，由于受到扫描周期的影响，相应的控制精度就降低了。3、基于单片机的控制采用单片机来控制步进电机，实现了软件与硬件相结合的控制方法。用软件代替环形分配器，达到了对步进电机的最佳控制。系统中采用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动线路。由于单片机的强大功能，还可设计大量的外围电16路，键盘作为一个外部中断源，设置了步进电机正转、反转、档次、停止等功能，采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成对步进电机的最佳控制，显示器及时显示正转、反转速度等状态。环形分配器其功能由单片机系统实现，采用软件编程的办法实现脉冲的分配。本方案有以下优点：(1)单片机软件编程可以使复杂的控制过程实现自动控制和精确控制，避免了失步、振荡等对控制精度的影响；(2)用软件代替环形分配器，通过对单片机的设定，用同一种电路实现了多相步进电机的控制和驱动，大大提高了接口电路的灵活性和通用性；(3)单片机的强大功能使显示电路、键盘电路、复位电路等外围电路有机的组合，大大提高系统的交互性。基于以上优点，本次设计采用基于单片机的控制方案。4.3.2 步进电机驱动技术步进电机作为执行元件.是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展.步进电机的需求量与日俱增.在各个国民经济领域都有应用。11步进电动机上个世纪就出现了，它的组成、工作原理和今天的反应式步进电动机没有什么本质区别，也是依靠气隙间的磁导变化来产生电磁转矩。上世纪 80 年代以后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。步进电机驱动技术指的是用步进电机驱动器的驱动级来实现对步进电机各相绕组的通电和断电，同时也是对绕组承受的电压和电流进行控制的技术。到目前为止，步进电机驱动技术通常分为单电压驱动、单电压串电阻驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动、升频升压驱动和细分驱动等。单电压驱动是通过改变电路的时间常数以提高电机的高频特性。该驱动方式早在六十年代初期国外就已大量使用，它的优点是结构简单、成本低；缺点是串接电阻器的做法将产生大量的能量损耗，尤其是在高频工作时更加严重，因而它只适用于小功率或对性能指标要求不高的步进电机驱动。单电压串电阻驱动是在单电压驱动技术的基础上为电枢绕组回路串入电阻，用以改善电路的时间常数以提高电机的高频特性。它提高了步进电机的高频响应、减少了电动机的共振，也17带来了损耗大、效率低的缺点。这种驱动方式目前主要用于小功率或启动、运行频率要求不高的场合。高低压驱动是指不论电动机的工作频率是多少，在导通相的前沿用高电压供电来提高电流的上升沿斜率，而在前沿过后采用低电压来维持绕组的电流，即采用加大绕组电流的注入量以提高出力，而不是通过改善电路的时间常数来使矩频性能得以提高。但是使用这种驱动方式的电机，其绕组的电流波形在高压工作结束和低压工作开始的衔接处呈凹形，致使电机的输出力矩有所下降。这种驱动方式目前在实际应用中还比较常见。为了弥补高低压电路中电流波形的下凹，提高输出转矩，七十年代中期研制出斩波电路，该电路由于采用斩波技术，使绕组电流在额定值上下成锯齿形波动，流过绕组的有效电流相应增加，故电机的输出转矩增大，而且不需外接电阻，整个系统的功耗下降，效率较高，因而恒流斩波电路得到了广泛应用，本文正是应用恒流斩波技术实现了驱动控制15。为改善恒流驱动方式的低频特性，设计一个低速时低电压驱动，高速时高电压驱动的电路，使其成为一个由脉冲频率控制的可变输出电压的开关稳压驱动电源。在低速运行时，电子控制器调节功率开关管的导通角，使线路输出的平均电压较低，电动机不会像在恒流斩波驱动下那样在低速容易出现过冲或共振现象，从而避免产生明显的振荡。当运行速度逐渐变快时，平均电压渐渐提高以提供给绕组足够的电流。调频调压线路性能优于恒电压和恒电流线路，但实际运行中需要针对不同参数的电机，相应调整其输出电压与输入频率的特性。细分驱动是指在每次脉冲切换时，不是将绕组的全部电流通入或切除，而是只改变相应绕组中电流的一部分，电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分。细分驱动时，绕组电流不是一个方波而是阶梯波，额定电流是台阶式的投入或切除。比如：电流分成 n 个台阶，转子则需要 n 次才转过一个步距角，即 n 细分细分驱动最主要的优点是步距角变小，分辨率提高，且提高了电机的定位精度、启动性能和高频输出转矩：其次，减弱或消除了步进电机的低频振动，降低了步迸电机在共振区工作的几率。可以说细分驱动技术是步进电动机驱动与控制技术的一个飞跃。在一般的步进电机工作中，其电源均采用单极性直流电，通过对步进电机的18各相绕组按恰当的时序方式通电，就可使其执行步进转动。当某一相绕组通电时相应的两个磁极就分别形成 N-S 极产生磁场，并与转子形成磁路。在磁场的作用下，转子将转动一定的角度，使转子齿与定子齿对其，从而使步进电机向前“走”一步。转子的角位移大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比，并在时间上与输入的脉冲同步。只要能正确控制输入的电脉冲数、频率以及电机各相绕组通电的相序，即可得到所需要的转角、转速及转向，通过单片机很容易实现对步进电机的数字控制。本设计采用 51 单片机实现对两相步进电机的转速控制。由单片机产生的脉冲信号经过脉冲分配器后分解出对应的脉冲，分解出的脉冲经驱动电路功率放大后驱动步进电机的转动。其动力提供主要来源于步进电机以及运用 51 单片机控制电机的运行。步进电机驱动器必须与步进电机型号相匹配，否则，将会损坏步进电机及驱动器。4.3.3 步进电机的选择（1）电动机类型和结构的选择：步进电机、直流电机和无刷直流电机的主要区别在于他们的驱动方式。步进电机是以步阶方式分段移动，直流电机和无刷直流电机通常采用连续移动的控制方式。步进电机采用直接控制方式，它的主要命令和控制变量都是步阶位置。 直流电机则是以电机电压为控制变量，以位置或速度为命令变量。直流电机需要反馈控制系统，他会以间接方式控制电机位置。步进电机系统多半以“开环方式”进行操作。（2）螺杆的扭矩计算及步进电机的选用螺杆的的扭矩为 T，负载为 F，导程为 P，为螺杆传递效率，它们之间存在：T =FP2ph（1）首先计算水平伸缩丝杆的相关参数：其中 F=100N,P=1.5mm,在 0.3-0.4 之间，取=0.4，则由式（1）求出19由以上计算结果可知丝杆所需扭矩均不大，所以选择 42 步进电机较为合适。由相关手册查出适用的电动机型号：（如下表 2）根据步进电机工作特性，静力矩需要为负载转矩的 23 倍，将 T1 和 T2 进行单位换算：T1=48Nmm=0.483kgcm，3T1=30.483kgcm=1.449kgcm根据表 2 选取步进电机，升降丝杠选配 42BYGH202 型步进电机即可。表 2 42 电动机型号资料来源：王文斌等.机械手册K 北京：机械工业出版社，2004.89电动机主要外形和电机接线图如图：204.4 控制系统的设计4.4.1 控制系统的选择控制系统主要用来控制电机的启停以及正反转，综合几种控制系统，最终选择 51 单片机进行控制，该系统有如下优点：(1) 系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长；也能进行连续过程的 PID 回 路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，如 DDC 和 DCS 等，实现生产过程的综合自动化。(2) 使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。(3) 能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，可靠性强，远高于其他各种机型。18程序烧录：hex 文件需要通过烧录软件，烧录进单片机中。编辑程序如下：/*-* 实 验 名 : 红外线试验* 实验说明 : 数码管显示红外线发送过来的键值。* 连接方式 : 见连接图* 注 意 :*/#includeunsigned char bdata flag=0;sbit RunOrStop_flag_One=flag0;sbit RunOrStop_flag_Two=flag1;21sbit IRIN=P32;sbit Cp_Motor_One=P10;/接 IN1 控制转速sbit Dir_Motor_One=P11;/接 IN2 控制方向 （1-逆时针；0-顺时针）sbit Cp_Motor_Two=P12;/接 IN1 控制转速sbit Dir_Motor_Two=P13;/接 IN2 控制方向 （1-逆时针；0-顺时针）unsigned char IrValue4; /用来存放读取到的红外值unsigned char Time;void IrInit();void DelayMs(unsigned int );/ 初始化函数 /void Iint_Parameter(void)TMOD=0x01; /设置定时器模式TL0=0x8d; /设置定时初值TH0=0xFf; /设置定时初值ET0=1; /允许定时器中断TR0=1;EA=1; /开总中断void main()IrInit();Iint_Parameter();while(1);22/* 函数名 : DelayMs()* 函数功能 : 延时* 输入 : x* 输出 : 无*/void DelayMs(unsigned int x) /0.14ms 误差 0usunsigned char i;while(x-)for (i = 0; i0)/等待前面 9ms 的低电平过去DelayMs(1);err-;if(IRIN=1) /如果正确等到 9ms 低电平err=500;while(IRIN=1)&(err0)/等待 4.5ms 的起始高电平过去DelayMs(1);err-;for(k=0;k4;k+) /共有 4 组数据for(j=0;j0)/等待信号前面的 560us 低电平过去DelayMs(1);err-;err=500;25while(IRIN=1)&(err0)/计算高电平的时间长度。DelayMs(1);/0.14msTime+;err-;if(Time30)EX0=1;return;IrValuek=1;/k 表示第几组数据if(Time=8)/如果高电平出现大于 565us，那么是 1IrValuek|=0x80;Time=0;/用完时间要重新赋值switch(IrValue2) 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;26case 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;/* 定时器 0 数据处理中断函数 */void T0_ISR(void) interrupt 1TL0=0x8d; /设置定时初值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 总结目前市场上的阅读架，功能比较单一，大多只单单提供了固定书籍位置的功能，并不能满足高龄老年人阅读的需求，本设计要解决的问题主要是为老年人阅27读看报提供一个操作简单，方便实用的自动化机械产品，以帮助老年人在视力受老花眼限制的状况下更好地阅读。有了既定结构的放大镜阅读架能够免去老年人手持放大镜的不便，可以让双手解放出来去做其它事情，还能避免佩戴眼镜的不适。阅读架可以通过调节按钮实现放大镜上下左右平移，同时能够保证移动速度均匀，优化老年人的读书条件。整个控制过程使用红外遥控实现，让使用者可以通过按键选择放大镜的移动状态。让产品充分发挥机电一体化产品的特点，使其运行简单可靠，结构简易轻便，满足老年人的读书看报需求。5.1 方便阅读架的特点及优势1.该阅读书架将传统书架与放大镜，单片机控制系统集成在一起，实现自动化方式从而解放双手，极大提升了老年人阅读体验。2.该阅读书架结构简单轻便，携带方便，成本低廉，易于生产制造，适合推广，是一款经济实用型产品。3.该阅读书架固定板与移动板之间的距离可以调节，以适应不同书脊厚度的放置，提高了书籍的放置平整度，书架的倾斜角度还可以根据不同的阅读习惯进行调节，从而达到良好的阅读效果。4.结构轻便，加工简单方便、成本低。5.2 方便阅读架的不足及未来发展本设计提出了一份灵活的、简单便捷的方便阅读架。本的目的是设计一个方便老年人读书的阅读架。通过红外遥控灵活控制放大镜的位置，方便老年人阅读。稳定的机械结构可以有效保证运动的可靠性与精确性。此外，通过单片机控制及红外控制等可以实现随开随停。未来需要改进的部分包括增加传感器和控制部分，通过传感器的信号采集与控制系统的相互配合，实现自动识别书籍位置，并通过机械结构完成运动，实现其自动化和智能化。由于每个人的阅读速度都不一样，建议设计调速系统，使得步进电机速度可以灵活调节，可以满足不同人的阅读需求。在今后的改进过程中，还应注重于将本设计朝轻型化，简单化发展，选用更合适的材料和零件，使整体结构更加轻巧。同时简化操作，使老年人可以很容易掌握设备的主要操作。今后在设计过程中还应注意将产品的每一个细节需求点和每一个设计策略相结合，把他们的意识到的和他们下意识的情感需求放到首位17。在后期也可增加自动翻页结构，更大程度上解放老年人的双手，将整个读书过程自动化，简易化，让老年28人获得更好的阅读体验。参考文献1 李日邦，王五一，谭见安，何洋，杨林生. 我国人口老龄化发展的阶段、趋势和区域差异J.1999,(06),No 2,Vol 18.2孙桓，陈作模，葛文杰，机械原理 M（第七版）.高等教育出版社,1996.11.3洪钟德. 简明机械设计手册 K 同济大学出版社,2002.55刘鸿文. 材料力学.M 高等教育出版社,2001.116濮良贵等. 机械设计 M（第八版）. 高等教育出版社,2006.57吴宗泽. 机械零件设计手册.K 机械工业出版社,2004.18朱家诚. 机械设计课程设计 M 合肥工业大学出版社,2005.79王文斌等.机械设计手册 K 北京:机械工业出版社,2004.810江洋，基于单片机步进电机速度控制的研究 M 湖北工业大学,2005.911张明，步进电机的基本原理.D天津工业大学计算机学院自动化 机械与电子 2007.12赵延年,张奇鹏. 机电一体化系统设计 M 北京:机械工业出版社,199613陈秀宁. 机械优化设计 M 杭州:浙江大学出版社,199114杨玉萍，曹清林，沈世德，同步齿形带的研究使用现状与发展，J16(1)，2003-0115Heilongjiang Science and Technology Information.2013(24)16A genetic algorithm based lookup table approach for optimal stepping sequence of open-loopstepper motor systemsM Suleiman BANIHANI , Khalid AL-WIDYAN, Ahmad AL-JARRAH,Mohammad ABABNEH Mechatronics Engineering Department, The Hashemite University, Zarqa13115, Jordan17黄鹤.基于老年人电子读报器产品情感化设计D.中央美术学院，2013（5）18何立民.单片机应用技术选编.北京：北京航空航天大学出版社.1997.1029附录：开题报告助老型全自动“方便阅读架”机械、控制结构的设计与制作1. 论文题目助老型全自动“方便阅读架”机械，控制结构的设计与制作2. 论文结构2.1 总体结构的设想论文的总体结构将做如下安排：1.综述目前机电一体化发展和应用的现状，社会老龄化问题出来的各方面问题以及机电一体化技术的应用与发展。2.将服务老年人的任务和机械产品相结合，开发设计出一种能够帮助高龄老人，总结市场上现有阅读书架的结构特征和特点，将其与机械结构巧妙结合，以实现预期的功能，对其整体结构进行设计与优化。3.对于助老型全自动“方便阅读架”结构特点以及工作原理进行研究及阐述。4.对“方便阅读架”的结构和零部件进行设计、加工、装配。为该方便阅读架进行程序的编写及调试，使其按预定的工作状态运行。2.2 选题研究的目的、意义人口老龄化问题是当今世界各国都要而临的一个严峻挑战。人口老龄化的发展导致老年人口过多，影响人口年龄结构，结养老事业造成巨大压力。对于我国，这尤为突出，一是我国老年人曰的绝对数量很大，1996 年我国 65 岁以上的老年人曰已达 0. 86 亿，同年 60 岁以上的老人已达 1. 30 亿;二是我国人口老龄化的发展速度快，一般西方国家从人曰成年型国家进入老年型国家要经过 50-80 年，而我国大约用不了 20 年。1目前高龄老年人阅读是他们了解社会的一种主要渠道，但是高龄老人阅读确实存在不小的困难，高龄老人的眼睛已经严重老花，他们阅读时不仅需要带上高深的老花镜，还要手拿放大镜，这样才能勉强阅读，这种阅读方式不仅劳累，还要随着阅读的部位的不同手持放大镜不断改变位置，增加了不少的阅读负担。本设计拟设计一种老年人阅读时使用的放大镜搁置的摆放支架，它不仅可以按照老人阅读的速度自动调整纵向（y）/横向（x）的位置，实现类似我们利用电脑阅读时的自动滚屏操作，还可以按照手动控制的方式来实现手动控制改变放大镜的位置，以实现阅读不同的区域。302.3 主要解决的问题目前市场上的阅读架，功能比较单一，大多只单单提供了固定书籍位置的功能，并不能满足高龄老年人阅读的需求，本设计要解决的问题主要是为老年人阅读看报提供一个操作简单，方便实用的自动化机械产品，以帮助老年人在视力受老花眼限制的状况下更好地阅读。有了既定结构的放大镜阅读架能够免去老年人手持放大镜的不便，可以让双手解放出来去做其它事情，还能避免佩戴眼镜的不适。阅读架可以通过调节按钮实现放大镜上下左右平移，同时能够保证移动速度均匀，优化老年人的读书条件。整个控制过程使用红外遥控实现，让使用者可以通过按键选择放大镜的移动状态。让产品充分发挥机电一体化产品的特点，使其运行简单可靠，结构简易轻便，满足老年人的读书看报需求。2.4 主要工作主要任务是利用直线电机设计一种新颖的机械结构，控制放大镜的摆放之间能在 x 和 y方向自如的移动，其移动的速度是可调的，其不仅可以实现不同速度自动移动，还可以实现利用手动的控制手动移动。本设计要求学生能按照设计的基本要求，设计出装配的零件图，还应当对控制系统有一个初步的设计，同时还建议本设计最好能制作出实物。1.绘制该“方便阅读架”装配图一张2.根据装配图绘制全套零件图3.进行阅读架采购零件和制作全过程4.编制该阅读架的全部控制程序5.对阅读架进行调试2.5 主要创新点1.该阅读书架将传统书架与放大镜，单片机控制系统集成在一起，实现自动化方式从而解放双手，极大提升了老年人阅读体验。2.该阅读书架结构简单轻便，携带方便，成本低廉，易于生产制造，适合推广，是一款经济实用型产品。3.该阅读书架固定板与移动板之间的距离可以调节，以适应不同书脊厚度的放置，提高了书籍的放置平整度，书架的倾斜角度还可以根据不同的阅读习惯进行调节，从而达到良好的阅读效果。4.结构轻便，加工简单方便、成本低。3. 文献综述3.1 步进电机基本原理31步进电机作为执行元件.是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展.步进电机的需求量与日俱增.在各个国民经济领域都有应用。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。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力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.从而达到调速的日的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机.利用其没有积累误差(精度为 100%)的特点.广泛应用于各种开环控制现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机(VR) . 永磁式步进电机(PM).混合式步进电机(HB)和单相式步进电机等。63.2 机电一体化技术的相关应用与发展机电一体化发展至今已经成为一门有着自身体系的新型学科，随着科学技术的不断发展，还将被赋予新的内容。其基本特征可概括为:机电一体化是从系统的观点出发，综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术，根据系统功能目标和优化组织结构目标，合理配置与布局各功能单元，在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值，并使整个系统最优化的系统工程技术。机电一体化基本结构要素：1.1 机械本体部分 机械本体就像人体的身躯骨架，它是系统所有功能元素的机械支持结构包括机身框架机械连接等。1.2 动力部分 动力部分与人体内脏产生能量去维持生命运动一样，为系统提供能量和动力功能驱动执行机构使系统按照控制要求正常运行。1.3 传感部分 传感部分就像人的眼鼻耳口等感觉器官将系统运行中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测变成可识别的信号，传输到信息处理单元经过分析处理后产生相应的控制信息。1.4 驱动部分 驱动部分就像人体的肌肋腱接受大脑指挥驱动四肢运动一样，在控制信息作用下驱动执行机构完成各种动作和功能。1.5 执行部分 执行部分如同人的四肢由大脑支配完成各项工作任务一样，根据控制信息和指令完成各种动作和功能执行机构是运动部件一般采用机械电磁电液等机构。1.6 控制及信息处理部分 控制及信息处理部分犹如人的大脑指挥和控制全身运动并能记忆思考和判断问题一样，将来自各传感器的检测信息集中存储分析加工并根据信息处理32的结果按照一定的程序和节奏发出相应的指令控制整个系统。有目的的运行它一般由计算机可编程序控制器数控装置以及逻辑电路 A/D 与 D/A 转换 I/O 输入输出接口和计算机外部设备等组成。23.3 同步齿形带的相关应用与发展带传动按功能可分为摩擦传动和啮合传动。摩擦传动包括:平带传动、V 带传动、多楔带传动等;啮合传动有同步齿形带(简称同步带或齿形带)传动。20 世纪 70 年代以前