手指力学特性测量装置的设计

本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 1 页 共 35 页1 绪论虚拟力、触觉再现是指操作者通过触觉设备进行触摸、感知和操纵虚拟物体等一系列相互作用来获得表征虚拟物体特性触觉感知信息的过程。虚拟力触觉再现在现代有许多的应用，如外科手术训练仿真系统、遥操作机器人、CAD/CAD 技术以及互联网的协同设计等领域都有广泛的应用。在虚拟手交互过程中，用户若能感受到真实的作用力，有助于增强虚拟环境的沉浸感，提高用户虚拟操作的效率 1，当虚拟手指在接触、挤压、触摸物体时，用户希望感知到虚拟物体表面的硬度、黏度和纹理等。虚拟手交互的接触力是指一个或多个虚拟手指与物体表面接触时手指感受的作用力，用来感知虚拟物体表面的粗糙度、硬度等物理属性。力/触觉再现的主要研究内容分为虚拟物体的力/触觉建模研究、力/触觉再现的人机交互感知设备研究、人的力/触觉心理和生理特性研究。本课题主要是关于手指力学特性的研究以及其测量装置的设计。1.1 手指力学建模手指力学建模是力/触觉再现技术中最为重要的环节，本质上是一种基于物理约束的物体受力的变形模型，其所计算的作用力或变形应当尽可能接近真实世界中物体之间相互作用所产生的作用力或受力变形 2。一个物体突然发生应变，此后此应变保持常数，该物体内相应的应力随时间而减小。这一现象称为应力松弛或简称松弛。若一个物体突然受应力的作用，此后称此应力保持常数，而该物体将继续发生变形，这一现象称为蠕变。若一个物体承受循环载荷，加载时的应力应变关系通常与卸载过程的应力应变关系存在某些差异，这一现象称为滞后 3。许多材料表现出滞后，松弛和蠕变的性质。三者统称为粘弹性特征。线性粘弹性模型中，以Kelvin模型、Maxwell 模型和 Poynting-Thomson模型最为基本或传统, 其它模型则均是在上述模型的基础上派生组合而成。这些模型都是由弹性常数的线性弹簧与粘性系数的阻尼器组合构成。因而, 通过这三种传统粘弹性模型, 可以得出粘弹性模型比较一般性的特点 4。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 2 页 共 35 页Maxwell模型表达的思想是：所有的流体在某种程度上都是弹性的。Kelvin曾指出，在各种承受循环载荷的材料中，计及能量耗散率时，Maxwell模型和Voigt模型都不完善。通常称Kelvin模型为标准线性模型，因为它包含了载荷，伸长和它们的一阶（通常叫做“线性” ）导数的最一般关系式 5。Kelvin模型由弹簧(E)与粘性元件()并联而成, 其本构方程式为：=E+ (1.1)Maxwell模型由弹簧（E）与粘性元件() 串联而成，其本构方程式为：(1.2)EPoynting-Thomson模型由弹簧（E 2）与粘性元件() 串联后再与弹簧（E1）并联而成, 其本构方程式为：(1.3)122E非线性粘弹性模型, 就本构方程式的形式而言, 类型也较多, 这里将写出的是基于近年试验结果提出的可变量本构方程式，该本构方程式构成如下：(1.4)(1.5)nmdat1.2.手指力学研究现状121 国内外研究现状粘弹性是材料的长期力学行为，同时也是高温等特殊条件下材料的一个重要性能指标 6。对粘弹性的研究是建立在适当的模型基础之上，建立和改进模型需要依据实验结果，实际设计需要有关数据与设计参数，因此近年来粘弹性实验研究受到学者们的普遍关注。 近几年来无论从复合材料的细观结构还是宏观角度，国内外学者都对复合材料的粘弹性和相关性能进行了大量卓有成效的研究工作。从研究方式上讲大体可分为三类:一是理论研究，建立理论模型，如laws 和Mclaughin 运用自洽方法导出复合材料的蠕变柔量的表达式；S. Maghous. G J .Ger us在时间域中运用均匀化方法，得到了粘弹性多层材料的有效松弛模量的表达式；二是蠕变实验研本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 3 页 共 35 页究，如Hashin针对某些碳纤维复合材料界面情况，考虑界面材料剪切行为服从Maxwel模型，利用实验研究了这种粘弹性界面对纤维增强复合材料和颗粒增强复合材料有效性能的影响；三是结合试验数据建立有限元计算模型，进行计算机模拟，如Brock 一enbrough等人应用有限元方法考察了纤维的排列方式对复合材料的总体粘弹性和塑性性能的影响 7。 1.2.2 目前主要存在的问题生命运动是包括机械运动，电磁运动，化学运动等在内的多种运动形式的综合，而以位移为特征的机械运动规律的研究，是力学的本分。因此，对生命现象的认识，必然涉及很多力学问题，这就是生物力学的主题 8。因为生物组织具有粘弹性的特征，因此粘弹性模型在生物力学中特别有用。在实验室里确定松弛曲线和蠕变曲线十分容易 9。若使用合适的实验机，也很容易确定出承受周期力作用的材料的复数模量。正确选择与实验数据相符合的模型是关键问题。流体力学和固体力学的数目繁浩的文献，大体上都是以理想方程为根据。而在生物界，材料的性能一般并不符合这些简单的关系式 10。因此，通过材料实验以确定用简化的本构方程式表述生物材料的性能，准确到怎样的程度，就是十分重要的了。可能除过以下的三个方面外，生物材料的力学特性实验与工业材料的实验在原则上并无差别：（1）取得生物材料的大试样的可能性极少；（2）必须严格留意使试样保持活性，并使其尽量保持活体状态；（3）很多生物材料是不均匀的。由于有这些特点，常常需要特殊的实验方法和设备 11。1.3 论文研究题目的提出为了研究人类手指的粘弹性特征，我们需要进行对人类手指的应力测量，由于人类手指的结构复杂，论文的任务是设计出一个可以精确测量人类手指变形和受力的测量装置。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 4 页 共 35 页2 总体结构设计及传感器选型2.1 测量装置总体结构设计该测量装置由力学传感器、步进电机和升降机构等组成。其结构如图2.1所示。手指放在下平台上，传感器等测量装置固定在升降机构上，升降机构沿Z 方向运动。测量平台如图2.1所示：图 2.1 手指力学测量装置结构图测量时，将手指放在下平台上，调节好手指与上平台之间的距离，然后通过电机控制平台下压，力传感器即开始对手指所受的力进行测量。力传感器与配套的控制器相连，控制器通过 USB 总线或 RS232-C 总线与 PC 相连。测量装置的控制主要是对步进电机的控制。装置的主体是一个步进电机，步进电机通过联轴器与丝杠相连，步进电机驱动丝杠转动，带动升降机构做 Z方向运动。2.2 力传感器的选型力传感器选用-SBC 系列精巧的按钮式微型压力传感器，在这里采用了SBC100 型微型压力传感器，该传感器小巧轻便，不锈钢材质，NIST 校准证书，具有测量精度高、稳定性能好、温度漂移小、输出对称性好、结构紧凑，规格齐全。其外型图及硬件条件分别如图 2.2 及表 2.1 所示：本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 5 页 共 35 页图 2.2 SBC100 型微型压力传感器外型图表 2 .1 SBC100 型微型压力传感器硬件条件量程 0.5、1、2、3、5KG综合精度 0.05%FS灵敏度 10.1 mV /V蠕变 0.05FS/30min非线性 0.05%FS滞后误差 0.05%FS重复性误差 0.05%FS零点温度系数 0.05%FS/10输出温度系数 0.05%FS/10输入阻抗 70015输出阻抗 65015绝缘电阻 5000 M供桥电压 建议 10 VDC（标准信号 12V 24V）工作温度范围 -20 - +70允许过负荷 150%FS本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 6 页 共 35 页密封等级 IP67材质 合金铝接口 M6传感器接线说明 电源正：红 电源负：绿输出正：黄 输出负：白力传感器尺寸图分别如图 2.3 所示：图 2.3 SBC100 型微型压力传感器外型尺寸图本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 7 页 共 35 页3 测量装置机械结构的设计31 机械结构的设计在测量装置的结构设计中，最主要的就是直线运动的设计，其结构图如图3.1 所示，步进电机通过联轴器直接驱动丝杠，减少了中间传动环节，可提高精度 12，丝杠螺母副将丝杠转化为螺母的直线运动，带动滑块机构沿导轨做 Z轴方向的运动。图 3.1 测量装置外型图3.1.1 丝杠螺母副的选择螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的。他主要用于将回转运动转化为直线运动或将直线运动转化为回转运动，同时传动运动或动力。螺旋运动根据螺纹副的摩擦情况，可以分为三类：滑动螺旋，滚动螺旋和静压螺旋 13。滑动螺旋构造简单。加工方便，易于自锁，但摩擦大，效率低（一般为 30%40%） ，磨损快。低速时可能爬行，定位精度和轴向刚度较差。静压螺旋实际上是采用静压流体润滑的滑动螺旋。静压螺旋传动效率可达99%，但结构复杂，需要供油系统。滚珠丝杠传动是滚动螺旋传动的一种。他具有以下优点：本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 8 页 共 35 页（1）传动效率高。滚珠丝杠传递系统的效率高达 90%98%，为传统的滑动丝杠系统的 24 倍，所以能以较小的转矩获得较大的推力。（2）运动平稳。滚珠丝杠传动系统为点接触滚动运动，工作中摩擦阻力小，灵敏度高，启动是无颤动。低速时无爬行现象，因此可精密的控制微量进给。（3）高精度。滚珠丝杠传动系统中温升较小，并可预紧消除轴向间隙和对丝杠进行预拉伸以补偿热伸长。因此可以获得较高的定位精度和重复定位精度。（4）高耐用性。刚球滚动接触处均经硬化（HRC5863 ）处理，并经精密磨削，运动过程属纯滚动，小队磨损甚微，故具有较高的使用寿命和精度保持性。（5）高可靠性。与其他传动机械，液压传动相比，滚珠丝杠传动系统故障率很低，维修保养也较简单，只需进行一般的润滑和防尘，还可在许多特殊场合下工作。滚珠丝杠螺母副是数控机床中回转运动转换为直线运动常用的传动装置。它以滚珠的滚动代替丝杆螺母副中的滑动，摩擦力小，具有良好的性能。它的特点有：（1）传动效率高：机械效率可高达 92%98%。（2）摩擦力小：主要是用滚珠的滚动代替了普通丝杆螺母副的滑动。（3）轴向间隙可消除：也是由于滚珠的作用，提高了系统的刚性。经预紧后可消除间隙。（4）使用寿命长、制造成本高：主要采用优质合金材料，表面经热处理后获得高的硬度。除此之外，目前很多厂家的滚珠丝杠产品已形成系列且规格齐全，方便选用。鉴于此，我选择滚珠丝杠来构建平台。丝杠的相关计算如下：（1）确定滚珠丝杠副的导程：(3.1)maxhVPin式中： 滚珠丝杠副的导程，单位为 mmhP工作台最大移动速度，单位为 mm/minmaxV本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 9 页 共 35 页电机最大转速，单位为 r/minmaxn电机至丝杠的传动比i假设工作台最大移动速度为 20mm/s，即 1200mm/min。初步选择步距角为的步进电机，这一系列的步进电机工作频率在 1000pps3000pps 之间，取0.93000pps。则电机最大转速=450r/min (3.2)max0.936n(3.3)12.745hPm查阅优励聂夫滚珠丝杠尺寸标准，选取丝杠导程为 4mm。（2）丝杠螺母副的预紧常见的消除间隙和预紧的方法有以下三种结构形式。1）垫片消隙式。采用垫片式消隙和预紧的结构原理，用螺钉连接滚珠丝杠两个螺母的凸缘，在凸缘间加垫片。调整垫片的厚度使螺母产生轴向位移，以达到消隙和产生预紧力的目的。这种结构的特点是结构简单，可靠性好，刚度高，装卸方便。但调整费时，很难在一次修磨中调整完成，除非更换不同厚度的垫片，故仅适用与一般精度的数控机床。2）螺纹消隙式。这种结构简单可靠，工作可靠，调整方便，故应用较多。但调整精度较差，预紧力不能准确控制。3）齿差消隙式。这种调整方式的结构较为复杂，尺寸较大，但调整精确可靠，不会松动。故目前在数控机床上应用较广。滚珠丝杠副的轴向间隙，是指在无负载情况下的原始轴向间隙，和在负载作用下由于滚珠与滚道型面接触点的弹性变形，而引起螺母轴向位移量的总和。预紧是为了消除滚珠丝杠副的轴向间隙并提高其刚度，最终是为了达到定位精度的需要。预紧的方法有很多种，最普遍和常用的是双螺母结构，在两个螺母之间配有垫片来达到预紧。双螺母预紧方式如图所示，在一根丝杠上装两个螺母，通过垫片对其施加一定的预紧力 Fa0.使滚珠与滚道接触处产生一定的预变形，这样，滚珠丝杠副不论在哪一个方向承受轴向力，只有轴向力的大小在一定范围内，滚珠丝杠螺母副间都不会出现轴向间隙。还有一种预紧是在单螺母和丝杠间通过控制中径，并调节增大刚球直径，从而实现预紧目的。四点接触预紧本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 10 页 共 35 页方式如图 3.2 与图 3.3 所示。图 3.2 双螺母预紧图 3.3 四点接触式预紧方式本测量装置选用双螺母预紧方式。查优励聂夫滚珠丝杠尺寸标准，导程4mm，底径9.5mm的丝杠，其额定动载荷Ca 为4380N。根据下面公式可计算预紧载荷Fao:(3.4)aoFC其中 为预紧系数，其值可查表 3.1表 3.1 预紧系数表载荷类型 轻载荷 中载荷 重载荷005 007 01本装置中的丝杠承受轻载荷，故取 =0.05，则得预紧载荷Fao= 0.05 *4380=219N (3.5)丝杠结构图如图 3.4 所示：本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 11 页 共 35 页图 3.4 丝杠结构图3.1.2 滚珠丝杠的支承方式选择滚珠丝杠的支承方式主要有四种：（1）两端固定。这种支承方式适用于高转速，高精度的情况，其结构如图3.5所示：图 3.5 两端固定方式（2）一端固定，一端支承。适用于中等转速，高精度的情况，其结构如图3.6所示：图 3.6 一端固定，一端支承方式（3）两端支承。适用于中等转速，中等精度的情况，其结构如图 3.7 所示：本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 12 页 共 35 页图 3.7 两端支承方式（4）一端固定，一端自由。适用于低转速，中精度，短轴丝杠，其结构如图3.8所示：图 3.8 一端固定，一端自由方式本文选择两端固定的支承方式。固定端具体结构如图 3.9 所示：图 3.9 固定端剖视图3.1.3 轴承的选择与滑动轴承比较，滚动轴承有下列优点：（1）摩擦系数小，启动力矩小，效率高（与混合润滑滑动轴承比较）。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 13 页 共 35 页（2）径向游隙小，还可用预紧方法消除游隙，因此运转精度高。（3）轴向尺寸（宽度）较小，可使机器的轴向尺寸紧凑。（4）某些滚动轴承能同时承受径向与轴向载荷，因此可使机器结构简化，紧凑。（5）润滑简单，耗油量少，便于密封，易于维护。（6）为标准件，互换性好，易于选用与更换，且成本较低。各种结构类型轴承由于不同的结构特性，可适应于不同的使用条件，设计人员可根据自己的需要进行选择。通常选择轴承类型时应综合考虑下列各主要因素：（1）载荷情况：载荷是选择轴承最主要的依据，通常应根据载荷的大小、方向和性质选择轴承。 （2）载荷大小：一般情况下，滚子轴承由于是线接触，承载能力大，适于承受较大载荷；球轴承由于是点接触，承载能力小，适用于轻、中等载荷。各种轴承载荷能力一般以额定载荷比表示。（3）载荷方向：纯径向力作用，宜选用深沟球轴承、圆柱滚子轴承或滚针轴承，也可考虑选用调心轴承。纯轴向载荷作用，选用推力球轴承或推力滚子轴承。径向载荷和轴向载荷联合作用时，一般选用角接触球轴承或圆锥滚子轴承，这两种轴承随接触角。增大承受轴向载荷能力提高。若径向载荷较大而轴向载荷较小时，也可选用深沟球轴承和内、外圈都有挡边的圆柱滚子轴承。若轴向载荷较大而径向载荷较小时，可选用推力角接触球轴承、推力圆锥滚子轴承。（4）载荷性质：有冲击载荷时，宜选用滚子轴承。（5）高速性能：一般摩擦力矩小、发热量小的轴承高速性能好。球轴承比滚子轴承有较高的极限转速，故高速时应优先考虑选用球轴承。径向载荷小时，选用深沟球轴承:径向载荷大时，选用圆柱滚子轴承。对联合载荷，载荷小时，选用角接触球轴承；载荷大时，选用圆锥滚子轴承或圆柱滚子轴承与角接触球轴承组合。在相同内径时，外径越小，滚动体越轻越小，运转时滚动体作用在外圈上的离心力也越小，因此更适于较高转速下工作。保持架的材料与结构对轴承转速影响很大。实体保持架比冲压保持架允许的转速高。高速重载的轴承本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 14 页 共 35 页需验算其极限转速。（6）轴向游动性能：一般机械工作时，因机械摩擦或工作介质的关系而使轴发热，从而有热胀冷缩产生。在选择轴承结构类型时，应使其轴有铀向游动的可能性。因此，常在轴的某一端选用一内圈或一外圈无挡边的圆柱滚子轴承或滚针轴承，以适应由于热胀冷缩而引起轴的伸长或缩短。（7）调心性能：当轴两端轴承孔同轴性差（制造误差或安装误差所致）或轴的刚度小，变形较大，以及多支点轴，均要求轴承调心性好，这时应选用调心球轴承或调心滚子轴承。（8）允许的空间：在机械设计中，一般都是先确定轴的尺寸，然后根据轴的尺寸来确定轴承的尺寸。（9）安装与拆卸方便：对于轴承使用寿命一般都难以等同主机使用寿命，在实际使用中轴承作为易损件要经常装拆。因此，在选用轴承结构类型时应要求装拆方便。可分离型的角接触球轴承、圆柱滚子轴承。圆锥滚子轴承、推力轴承和内圈为锥孔、带紧定套或退卸套的调心滚子轴承、调心球轴承等均具有装拆方便性能。除上述因素外，还应考虑轴承的工作环境温度、轴承密封及对摩擦力矩、振动、噪声等的特殊要求。滚动轴承广泛应用于中速，中载和一般工作条件下运转的机械设备中。仪器精密轴承多为微型深沟球轴承。本测量装置要求精度较高，且所用轴承主要承受径向载荷，故选用深沟球轴承。查机械设计手册，根据GB/T276-1994，选择内径为8的60000型深沟球轴承，轴承代号为628。轴承结构图如图3.10所示：图3.10 轴承结构图3.1.4 导轨的选择导轨主要是用来保证各运动部件的相对位置和和相对运动精度，以及用来本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 15 页 共 35 页承受载荷（包括工作台、滑板部件的重量） 14。依定位原理，在结构设计时必须限制运动件的5个自由度，而仅保留其按规定方向移动的自由度 15。对导轨的基本要求为：方向精度运动件沿规定方向做直线运动的准确程度，它取决于导轨本身的直线度；运动的灵便型和平稳性主要取决于导轨中的摩擦力和导轨表面的几何形状误差；对温度变化的不敏感性当温度变化时导轨仍能正常工作，即不“卡死”又不晃动；耐磨性导轨在长时间使用后不降低精度。它主要取决于相配材料、导轨表面粗糙度及表面硬化；结构工艺性导轨应在保证仪器工作性能的条件下，结构简单、加工方便、装修简易、造价低。按摩擦性质分，导轨可分为滑动摩擦导轨、滚动摩擦导轨和弹性摩擦导轨。滑动导轨是支承件和运动件直接接触的导轨，优点是结构简单、制造容易且接触刚度大。缺点是摩擦阻力大，磨损快。滑动摩擦导轨按承导面形状可分为两类：圆柱面滑动摩擦导轨和棱柱面滑动摩擦导轨。圆柱面滑动摩擦导轨的承导面是圆柱面。它的主要优点是承导面的加工和检验比较简单，易于达到较高的精度。单一的圆柱面导轨运动件除可沿其轴线做直线运动外，还可绕其轴线运动，但这种转动必须消除。通常情况下多采用双圆柱形式，它既能保证定位的要求。又同时能保证较好的承载能力。考虑到圆柱导轨工艺性较好且本测量装置负载较轻，本装置选用双圆柱导轨形式。3.1.5 联轴器的选择联轴器的选择主要考虑所需传递轴转速的高低、载荷的大小、被联接两部件的安装精度等、回转的平稳性、价格等，参考各类联轴器的特性，选择一种合用的联轴器类型。具体选择时可考虑以下几点： （1）由于制造、安装、受载变形和温度变化等原因，当安装调整后，难以保持两轴严格精确对中。存在一定程度的 x、y 方向位移和偏斜角 C1。当径向本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 16 页 共 35 页位移较大时，可选滑块联轴器，角位移较大或相交两轴的联接可选用万向联轴器等。当工作过程中两轴产生较大的附加相对位移时，应选用挠性联轴器。（2）联轴器的工作转速高低和引起的离心力大小。对于高速传动轴，应选用平衡精度高的联轴器，例如膜片联轴器等，而不宜选用存在偏心的滑块联轴器等。 （3）所需传递的转矩大小和性质以及对缓冲振动功能的要求。例如，对大功率的重载传动，可选用齿式联轴器。对严重冲击载荷或要求消除轴系扭转振动的传动，可选用轮胎式联轴器等。绝大多数联轴器均已标准化或规格化(见有关手册)。设计者的任务是选用，而不是设计。选用联轴器的基本步骤如下：选择联轴器的类型：根据传递载荷的大小，轴转速的高低，被联接两部件的安装精度等，参考各类联轴器特性，选择一种合用的联轴器类型。具体选择时可考虑以下几点：（1）所需传递的转矩大小和性质以及对缓冲减振功能的要求。例如，对大功率的重载传动，可选用齿式联轴器；对严重冲击载荷或要求消除轴系扭转振动的传动，可选用轮胎式联轴器等具有高弹性的联轴器。（2）联轴器的工作转速高低和引起的离心力大小。对于高速传动轴，应选用平衡精度高的联轴器，例如膜片联轴器等，而不宜选用存在偏心的滑块联轴器等。（3）两轴相对位移的大小和方向。当安装调整后，难以保持两轴严格精确对中，或工作过程中两轴将产生较大的附加相对位移时，应选用挠性联轴器。例如当径向位移较大时，可选滑块联轴器，角位移较大或相交两轴的联接可选用万向联轴器等。（4）联轴器的可靠性和工作环境。通常由金属元件制成的不需润滑的联轴器此较可靠；需要润滑的联轴器，其性能易受润滑完善程度的影响，且可能污染环境。含有橡胶等非金属元件的联轴器对温度、腐蚀性介质及强光等比较敏感，而且容易老化。（5）联轴器的制造、安装、维护和成本。在满足便用性能的前提下，应选用装拆方便、维护简单、成本低的联轴器。例如刚性联轴器不但结构简单，而本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 17 页 共 35 页且装拆方便，可用于低速、刚性大的传动轴。一般的非金属弹性元件联轴器(例如弹性套柱销联轴器、弹性柱销联轴器、梅花形弹性联轴器等)，由于具有良好的综合能力，广泛适用于一般的中、小功率传动。本测量装置将电机轴与丝杠直接相连，减少了中间传动环节，可提高测量装置的精度。联轴器是连接两轴或轴和回转件，在传递转矩和运动过程中一同回转而不脱开的一种装置，在传动过程中不改变转动方向和转矩的大小，这是各类联轴器的共性功能。联轴器连接的两轴，由于制造及安装误差，承载后的变形以及温度变化的影响等，往往不能保证严格的对中，而是存在着某种程度的相对位移，相对位移的基本形式如图3.11所示：图 3.11 被连接两轴相对位移基本形式图中，（1）表示两轴平行但中心线不在同一直线上，这时产生的偏差称为径向偏差。（2）表示安装时两轴互成一个角度，这时产生的偏差称为角向偏差。（3）表示由于机械原因产生的轴间往复微动的偏差，称为轴向偏差。（4）表示的是前述三种偏差的组合，称为复合偏差。相对位移的存在，要求在设计联轴器时，要从结构上采取各种不同的措施，使之具有适应一定范围的相对位移的性能。根据对各种相对位移有无补偿能力（即能否在发生相对位移条件下保持联接的功能），联轴器可分为刚性联轴器（无补偿能力）和挠性联轴器（有补偿能力）两大类。挠性联轴器又可按是否具有弹性元件分为无弹性元件的挠性联轴器和有弹性元件的挠性联轴器两个类别。挠性联轴器因其具有挠性，故可在不同程度上补偿两轴间某种相对位移。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 18 页 共 35 页挠性联轴器品种多，用量大，是最常用的联轴器。十字滑块联轴器属于挠性联轴器 16。十字滑块联轴器由两个在端面上开有凹槽的半联轴器和一个两面带有凸牙的中间盘组成。因凸牙可在凹槽中滑动，故可补偿安装及运转时两轴间的相对位移。十字滑块联轴器结构如图3.12所示：图 3.12 十字滑块联轴器结构图十字滑块联轴器适用于多种场合，如转速计、编码器、丝杠、机床、产业机械等。其优点是结构简单，使用方便、容易安装、节省时间、尺寸范围广、转动惯量小，便于目测检查，可电气绝缘等。半联轴器和中间盘之间的滑动能容许大的径向和角向偏差。联轴器的固定方式有如下几种：（1）定位螺丝固定：两个定位螺丝间隔90对所固定的轴进行锁紧，是一种传统的固定方式。（2）夹紧螺丝固定：利用内六角螺栓拧紧的力量，使狭缝收缩，而将轴心紧紧夹持住。（3）键槽型：这种类型与定位螺丝固定型一样，是一种最传统的固定方式，适合高扭矩的传动，为防止轴向滑动，通常与定位螺丝固定型、夹紧螺丝固定型并用。（4）复合固定方式：在联轴器的固定中，采用两种固定方式来进行联接固定称为复合固定方式。查阅联轴器设计选用手册，根据丝杠小端直径选择HL-24-06 型十字滑块联轴器，选用夹紧螺丝固定方式，联轴器联接电机和丝杠的效果见图3.13：本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 19 页 共 35 页图 3.13 联轴器联接图十字滑块联轴器产生的空程误差，主要由于凸起部分和凹槽之间的配合间隙产生的，采用概率综合法计算。（1） 最大空程误差(3.6)maxax57.3/r（2） 最小空程误差(3.7)inin./r式中：max 最大间隙，单位为 mm；min 最小间隙，单位为mmr联轴器圆盘半径，单位为 mm3.1.6 电机的选择步进电机又称为脉冲电机或阶跃电机，国外一般称为 Step motor 或Stepping motor,Pulse motor,Stepper servo,Stepper 等等。步进电机可简单的定义为：根据输入的脉冲信号，每改变一次励磁状态就前进一定的角度（或长度） ，若不改变励磁状态则保持一定位置而静止的电动机。从广义上讲，步进电机是一种受脉冲控制的无刷式直流电动机，也可以看作是在一定范围内转速与控制脉冲频率同步的电动机。步进电机如同普通电机，有转子和定子，定子上有绕组，它们分为若干相，每像磁极上有极齿，转子上也有若干个齿。当某相定子绕组通以直流电激励后，便能吸引转子，使转子上的齿与定子的该相极齿对齐，而其他相定子齿与转子错开一个小的角度。当各相绕组轮流通以电流时，步进电机就一步一步的转动，它是一种将电脉冲信号转换成角位移的机电设备。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 20 页 共 35 页步进电机分 3 种：永磁式，反应式和混合式 17。永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个线圈。它的输出转距大，动态性能好。转子的极数与定子的极数相同。反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。他的结构简单，成本低，步距角可以做得很小，但动态性能较差。混合式步进电机综合了反应式和永磁式两者的优点，他的输出转距大，步距角小。与反应式步进电机相比，混合式步进电机具有功耗低，输出功率大，动态性能好，运行平稳，噪声低，步距精度高等优点。混合式步进电机配合带细分的驱动器，可获得优越的性能，因而在实际中获得了广泛的应用。步进电机有如下优点：（1）可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统廉价。（2）位移与输入脉冲信号相对应，步距误差不长期累积，可以组成结构较为简单又有一定精度的开环控制系统，也可以在要求更高精度时组成闭环控制系统。（3）无刷，电机本体部件少，可靠性高。（4）易于启动，停止，正反转及变速，响应性能好。（5）停止时，有自锁功能。（6）步距角选择范围大，可在几十度到 180 度大范围内选择。在小步距情况下，通常可以在超低速下高转矩稳定运行，通常不经减速器直接驱动负载。 、（7）速度可在相当范围内平滑调节。可用一台控制器控制几台电动机同时运行。本测量装置选用混合式步进电机，初步选定步距角为 0.9 度。假设单个平台质量为 3kg,传感器及其固定装置的质量为 1kg，则对于下平台，其载荷为4kg，上平台丝杠荷载：(3.8)39.8012.4aFN其中 9.8 为重力加速度，0.1 为摩擦系数。有工作载荷产生的转矩：(3.9)3.10.20209ahtaPMm本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 21 页 共 35 页其中 为导程，等于 4mm, 为机械效率，取 0.9。由预紧载荷产生的转矩：hP(3.10)321940.27.91.20aohpteFPKMNm其中 为预紧载荷，等于 219N， 为预紧螺母内的摩擦系数，取 0.2，ao p则驱动力矩：(3.11)329.10.ttateMNm一般要求 不超过电机额定转矩的 30%，对于步进电机，即要求 不超tMtM过其保持转矩的 30%，即：(3.12)397.10.t N电查阅微特电机应用手册 ，选择 42BYG3430-0.9 型步进电机，其保持转矩为 ，符合使用要求。332401.9710.Nm电机外形图如图 3.14 所示：图 3.14 电机外形图32 升降机构的设计升降机构的作用是带动传感器做 Z 方向的运动，机构三维图如图 3.15 所示：本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 22 页 共 35 页图 3.15 升降机构三维图该机构是通过丝杠与电机相连的一个滑块，在滑块与下平台对应的地方安装一个传感器，用以测量手指受到的压力，通过控制电机使滑块上下移动来测量出手指上的作用力。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 23 页 共 35 页4 控制系统的设计本测量装置的控制主要是针对 X-Y 平台内的步进电机的控制。本装置选用的步进电机为42BYG3430-0.9 型两相混合式步进电机，该型步进电机的步距角为0.9，保持转矩为24010-3Nm，额定电流为0.4A。4.1 步进电机工作原理图4.1为两相步进电机的工作原理示意图，它有两个绕组。当一个绕组通电后，其定子磁极产生磁场，将转子吸合到此磁极处。若绕组在控制脉冲的作用下，通电方向顺序按照A B A B四个状态周而复始进行变化，电机可顺时针转动；通电顺序为A B A B 时，电机就逆时针转动。控制脉冲每作用一次，通电方向就变化一次，使电机转动一步，即90。四个脉冲，电机转动一圈。脉冲频率越高，电机转动越快。图 4.1 步进电机工作原理图实际步进电机的结构要比图4.1所示的模型复杂。其转子铁芯和定子磁极上均有小齿，齿距相等 18。步进电机步距角的大小由转子的齿数、控制绕组的相数和通电方式决定，它们之间存在以下关系：(4.1)360armZC其中a为步距角，m为步进电机的相数，C为通电状态系数，当单极性通电时C=1，而双极性通电时C=2 ，Z r为步进电机转子齿数。控制绕组通电状态的本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 24 页 共 35 页改变是由外加输入脉冲驱动电路来实现的。每当外电路送入一个脉冲，控制绕组的通电状态即改变一次，与此对应的是步进电机将转动一个步距角。因此步进电机转过的步距角数等于外加脉冲数，则步进电机的转速为：(4.2)60rfnmZC式中，f为步进电机通电的脉冲频率，单位为Hz；n为步进电机的转速，单位为r/min 。步进电机的转速用步距角表示，则为：(4.3)6036036ar rfffnmZmZ由上面三式可知，电机的相数和转子的齿数越多，步距角就越小，电机在脉冲频率一定时的转速也越低。当电机的相数和转子的齿数一定时，转子的转速和输入的脉冲频率成正比。因此，改变输入的脉冲频率就可以改变转速，改变通电状态顺序就可以实现正反转。4.2 步进电机驱动与控制策略综述要确保步进电机性能，它的驱动与控制是至关重要的 19。下面对步进电机的驱动与控制原理进行介绍。4.2.1 步进电机驱动原理步进电机必须有驱动器和控制器才能正常工作 20。步进电机驱动电路完成由弱电到强电的转换和放大，也就是将逻辑电平信号变换成电机绕组所需的具有一定功率的电流脉冲信号。驱动控制电路由环形分配器和功率放大器组成。环形分配器是用于控制步进电机的通电方式的，其作用是将控制器送来的一系列指令脉冲按照一定的顺序和分配方式加到功率放大器上，控制各相绕组的通电、断电。环形分配器功能可由硬件或软件产生，硬件环形分配器是根据步进电机的相数和控制方式设计的。步进电机控制系统示意图见图4.2。当给驱动器一个脉冲信号和一个正方向信号时，驱动器经过环形分配器和功率放大后，给电机绕组通电的顺序为A B A B，其四个状态周而复始进行变化，本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 25 页 共 35 页电机顺时针转动；若方向信号变为负时，通电时序就变为A B A B，电机就逆时针转动。B随着电子技术的发展，功率放大电路由单电压电路、高低压电路发展到现在的斩波电路。其基本原理是：在电机绕组回路中，串联一个电流检测回路，当绕组电流降低到某一下限值时，电流检测回路发出信号，控制高压开关管导通，让高电压再次作用在绕组上，使绕组电流重新上升；当电流回升到上限值时，高压电源又自动断开。重复上述过程，使绕组电流的平均值恒定，电流波形的波顶维持在预定数值上，解决了高低压电路在低频段工作时电流下凹的问题，使电机在低频段力矩增大。步进电机一定时，供给驱动器的电压值对电机性能影响较大，电压越高，步进电机转速越高、加速度越大；在驱动器上一般有相电流调节开关，相电流设的越大，步进电机转速越高、力矩越大。图4.2 步进电机控制系统示意图4.2.2 步进电机驱动与控制方式根据输出电压极性的不同，步进电动机的驱动及其控制电路可分为两类：一类是单极性驱动电路，适用于电磁转矩与电流极性无关的反应式步进电动机；另一类是双极性驱动电路，适用于与电磁转矩和电流极性有关的永磁式或混合式步进电动机。就具体电路型式而言，常见的有单极性驱动电路、双极性驱动电路、高低压驱动电路、斩波恒流驱动电路、双绕组电机的驱动控制电路、调频调压型驱动电路、细分(或微步)控制电路等。下面主要对双极性驱动、高低压驱动、调频调压驱动和细分控制等进行介绍。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 26 页 共 35 页（1） 双极性驱动双极性驱动电路采用H桥结构，每相绕组驱动电路由四个开关管构成。每相绕组电流可以独立控制，而且在续流阶段，能实现能量回馈。因此，双极性驱动电路效率高，特别适用于大功率步进电机，但电机绕组相数增多时，所需功率器件增多，成本升高。（2） 高低压驱动高低压驱动电路中，在开通或关断时使用高电压，以缩短电流的上升和下降时间，而导通期间则采用低电压，以维持绕组电流。该控制的优点是在很宽的频段内保证相绕组有较大的平均电流，在截止时又能迅速泄放，并实现能量回馈，电磁转矩较大且较稳定，系统有较高的响应；不足之处是低频时电机振动噪声大，低频共振现象存在。（3） 调频调压驱动调频调压驱动方式是20世纪80年代对步进电机驱动方式研究的重要成果。这种方式采用脉宽调制改变驱动器功率电路的入端电压值，使电动机绕组电压在低频时较低，在高频时较高，采用不同的频率电压控制关系可以得到不同的力矩特性。这种方法在步进电机的低速阻尼和高速运行的矛盾要求之间做出折中，可以使步进电机在整个步进频域内具有较好的性能。（4） 细分控制细分控制将步进电机的固定步距角变为可编程实现的任意步距角，能够在一定程度上抑制震荡，改善电机性能。细分驱动是步进电机驱动技术的一次飞跃，它是在对步进电机运行机理深刻认识的基础上提出的。细分驱动技术从20世纪70年代开始研究，逐步发展到90年代完全成熟。步进电机的运行需要各相电流满足一定的时序要求，而电磁力的大小与绕组通电电流的大小有关，如果绕组中电流不再是方波，而是一个分成n个台阶的近似阶梯波，电机每运行一个阶梯即转动一步。当转动n小步时，实际上相当于转过一个步距角，这就是所谓的细分。4.3 控制系统设计与实现4.3.1 系统概述本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 27 页 共 35 页本系统主要由上位机、AT89S52单片机、驱动电路和步进电机组成，系统结构如图4.3所示。其中，上位机是PC机，将用户输入的控制命令通过串行口输出到下位的AT89S52单片机，单片机按照上位机的命令，产生相应的控制信号，通过驱动电路来驱动步进电机按照预先设定好的路径运行。各单片机接收到上位机发出的指令后，由单片机通过软件编程来控制X 电机和Y 电机的转动方向、步数和速度，达到自动定位的目的。图4.3 系统结构框图一般的步进电机驱动电路较多采用斩波恒流驱动方式，由于这种方式利用逻辑环节控制器件的通断，采用的器件较多，所以电路设计较复杂，不易达到稳定 21。本装置采用UC3842芯片生成步进电机的 PWM步进驱动信号，结构较简单，既能使步进电机准确快速地换向，又能通过构成电流反馈闭环使电流达到恒定。4.3.2 硬件电路的设计本系统的硬件电路由通信模块、控制信号发生模块、步进电机驱动模块组成。（1） 通信模块由于本系统需要传输的数据不多，为此采用了简单易用的串行通信方式。虽然PC 机和AT89S52单片机上都有串行口，但是并不能直接把它们相连，必须先要解决电平转换问题。完成TTL 和RS232C电平逻辑转换的方法很多，一般是选用集成电路芯片。本装置中，选用MAX232转换出RS232C 作为电平转换的器件，经 MAX232转换出RS232C串行信号，便可建立与PC机的RS232C 通信连接。（2） 控制信号发生模块本系统中，采用环形分配器PMM8713产生控制信号，再通过驱动电路控制步进电机的运行。PMM8713 是日本三洋电机公司生产的步进电机脉冲分配器，本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 28 页 共 35 页它采用DIP16封装 ,适用于二相或四相步进电机。PMM8713在控制二相或四相步进电机时都可选择三种励磁方式(1相励磁 ,2相励磁 ,1 - 2相励磁三种励磁方式之一) , 每相最小的拉电流和灌电流为 20mA 。它有两种脉冲输入法：双脉冲输入法和单脉冲输入法。选用单脉冲输入法，如图4.4所示，图中的CK为时钟脉冲输入，步进电机的正反转方向由U/D的高、低电位决定。图4.4 环形分配器接口电路（2） 驱动电路的设计驱动电路采用的是PWM闭环恒流驱动方式。恒流驱动的设计思想是设法使通过导通相绕组的电流不论在锁定、低频、或高频工作时均保持额定值，使电机具有恒转矩的输出特性 22。这是目前使用较多，效果较好的一种功率接口电路。斩波恒流驱动电路如图4.5所示。图中主开关T2的发射极与地之间接一取样电阻R ，通过电阻R 检测绕组中的电流大小。将给定电压uc 与取样电阻上的电压比较，一旦uc 高于取样电阻上的电压，则比较器输出高电平。若此时控制脉冲ui为高电平，主开关T1、T2同时导通，电源向相绕组供电，绕组电流增加，电阻R的电压也相应升高。当R上的电压超过uc时，比较器输出低电平，在与门的作用下，T1截止，相绕组中通过D1、D2续流，电流减小，电阻R上的电压也相应地减小。一旦电阻R上的电压低于uc，则比较器重新输出高电平，主开关 T又恢复导通，电源又向相绕组供电，这样反复循环，直至ui 为低电平为止。此时，T1、T2均截止。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 29 页 共 35 页图4.5 斩波恒流驱动电路斩波恒流驱动控制的优点：由于使用了电流反馈，绕组电流可以恒定，且不随电机的转速而变化，从而保证在很大的频率范围内电机都能输出恒定的转矩，这样，高频响应大大提高，且输出转矩均匀，电源效率高。本设计采用UC3842为脉冲调制驱动芯片，芯片管脚见图 4.6。图4.6 UC3842管脚图PMM8713输出信号与UC3842 的1脚相连，UC3842的6脚输出步进脉冲信号，控制步进电机。为防止步进电机运行时干扰单片机的工作，还必须在单片机输出口和驱动电路之间加一隔离电路。这里使用光耦合器来达到光电隔离的目的。（4）步进电机的限位保护X-Y平台的运动范围是有限制的，当电机走到每个极限位置时，就不能继续运动，否则，将会引起机械的损伤 23。为了避免这一情况的发生，在分平台的左右端各安装一个限位开关。4.3.3 软件程序设计软件部分分为上位机程序和单片机程序两部分。其中上位机程序主要是通过编程实现用户界面和串口通信功能；单片机程序除了串口编程，更重要的是产生步进电机控制信号。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 30 页 共 35 页（1） 上位机编程上位机程序可以使用VB编写，利用MSComm控件通过串口给下位机传送数据。通过用户界面，用户可以输入两台电机的转向和转动步数，这些电机的控制命令被通过串口送到下位单片机，由单片机产生控制信号，经过驱动电路后驱动步进电机按照命令运转。（2）单片机编程上位机通过串口发送给单片机的数据，单片机通过中断方式接受并保存。串行口设置为工作方式1，一帧数据为10位，定时器T1为通信产生时序信号控制其波特率。接收程序中，在串口中断服务子程序中保存接收的数据到预定的存储区域。在以后的控制中，可以从这些存储区域中获得各台电机的运行要求，从而控制步进电机运行。步进电机的最高起动频率一般为几百赫兹到三四千赫兹，而最高运行频率则可达到几万赫兹 24。以超过最高起动频率的频率直接起动，将出现“失步”现象。而对于正在快速旋转的步进电机，若到达终点时，立即停发脉冲，令其立即准确锁定，也是很难实现的；由于惯性，电机往往会冲过头，也会出现“失步”现象 25。加减速定位控制的方法可以充分发挥步进电机的潜力，此时步进电机的定位过程如图4.7所示，通过加速恒定高速减速恒定低速锁定，就可以既快又稳地准确定位。本系统的加减速规律采用直线规律，这样计算起来比较简单。加速过程与减速过程的斜率相等。这里关键的是要保证总步数要符合给定值， 即总步数N=N1+N2+N3+N4。那么在软件设计中为了保证总步数不出错，要建立随时