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譯文
面向提高加工零件幾何質(zhì)量的機床優(yōu)化調(diào)整
摘要:
制造工業(yè)必須提升其工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量，這就是為什么工業(yè)需要質(zhì)量可控性工具以及方法的原因。在本文中，為了盡可能保證適用于零件的一系列功能設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，我們提出了一個允許機械工具優(yōu)化調(diào)整的方法。設(shè)備必須使用ISO標(biāo)準(zhǔn)定義的最大的材料設(shè)備。
根據(jù)所提出的方法做出了一個幾何模型。富含調(diào)整參數(shù)的互換性邊界構(gòu)成了該模型的基礎(chǔ)。這個幾何模型和第一批生產(chǎn)零件的對比使我們獲得了調(diào)整參數(shù)的變量。這些變量可以直接糾正了（機床）其后的零件在最大程度上遵循功能需求時機床的特定行為。至少，這個方法給出了統(tǒng)計型進(jìn)程控制邁出了的第一步。
關(guān)鍵詞：調(diào)整; 幾何質(zhì)量控制; 機械加工; 公差
引言
如今市場的波動和時尚要求越來越需求創(chuàng)新和不同的模式。隨著批量規(guī)模的縮小，在盡可能降低花費同時減少延遲的情況下設(shè)計生產(chǎn)最優(yōu)產(chǎn)品是必要的，因此，必須采用并行工程的概念，這在工業(yè)和學(xué)術(shù)領(lǐng)域是眾所周知的。零件的設(shè)計，計劃進(jìn)程甚至是產(chǎn)品系統(tǒng)都要同時進(jìn)行。
圖1展示了集成設(shè)計和制造中包含的不同項目。我們注意到產(chǎn)品（或工作部件），制造進(jìn)程（機器加工，成型，裝配等等）以及制造原料（機械，工具）以便于獲得生產(chǎn)進(jìn)度，同時還有可制造工作部件甚至是制造系統(tǒng)。產(chǎn)品設(shè)計的目標(biāo)由規(guī)定所有操作，資源以及最適于功能需求的實際機制所必要的進(jìn)程組成。這個交互作用必須解決幾個問題：產(chǎn)品質(zhì)量，預(yù)期壽命，產(chǎn)品反應(yīng)能力等等，而且約束條件為：花費，市場，安全性，合法性等等。為了解決這些諸多問題，方法，模型和工具已被使用。對于每個使用者（設(shè)計室，制造，銷售，生產(chǎn)等等）其中的任何一個都必須是具有代表性，而且貫穿產(chǎn)品生命周期的幾個階段。
在本文中，我們將致力于制造產(chǎn)品的幾何質(zhì)量。其中一種提高產(chǎn)品質(zhì)量的方式是通過以下方式控制幾何公差：
-調(diào)整機床以便于在最大程度上遵循適用于零件的功能需求。
-模擬制造失誤引起的幾何影響并調(diào)整參數(shù)以遵循功能需求。
因此，我們提出一些工具和方法允許我們解決第一點。我們工作在大規(guī)模生產(chǎn)的制造環(huán)境中。這些零件有相同的尺寸且每種型號的零件都彼此相隔開。我們假設(shè)它們是嚴(yán)格關(guān)注局部變形和整體變形。這就是為什么制造誤差比實際變形大的原因，因為僅有調(diào)整和公差是可控的。此外，我們也可連接調(diào)整參數(shù)的值和功能需求的值，即適用在機械零件中。這樣，目標(biāo)是為了控制機床的調(diào)整參數(shù)，使它滿足功能需求。
調(diào)整任務(wù)與公差任務(wù)，為了了解調(diào)整的問題，首先我們不得不定義公差作業(yè)。公差作業(yè)是機械制造幾何定義的一個子集。僅限于幾何方面，設(shè)計產(chǎn)品需要兩個研究。
第一個由選擇被設(shè)計的解決方案和提出實際機械制造的制造進(jìn)程組成。實際制造是功能需求的解釋。這項研究的主要目的是獲得技術(shù)繪制。繪制需要極其重視各零件間的關(guān)系，尤其是制造生產(chǎn)中的（關(guān)系）。
第二個研究分析并驗證了先前研究的結(jié)果。機械制造的兩個方面在同一時間被研究。
-定義了名義上幾何的標(biāo)注尺寸。
-對實際幾何和名義上幾何之間的細(xì)小偏差感興趣的公差。
因此，我們現(xiàn)在可以根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計給出公差的目標(biāo)：
公差的目標(biāo)包括控制機械制造中介于實際幾何和名義幾何間的小偏差以便于最大程度遵循其功能需求。
如果問題是控制制造前小偏差的影響，我們不得不解決一個模擬產(chǎn)品繪圖的問題來展示結(jié)果。
如果小偏差的控制發(fā)生在制造期間，我們不得不調(diào)整機床。
因此，調(diào)整是常用公差問題中的實踐性和技術(shù)性方面。調(diào)整和公差有著相同的目的。
機床的調(diào)整
3．1 功能要求和ISO語言
關(guān)于調(diào)整的定義，優(yōu)化調(diào)整需要一個功能要求的準(zhǔn)確表達(dá)。通常，裝配和定位是兩個有幾何表達(dá)的被研究的功能要求。
邊界的概念巧妙的解釋了裝配環(huán)境。如果它所有加工點沒有任何一個妨礙互換性邊界，這個機械裝置的零件就能配合其他所有部分。ISO標(biāo)準(zhǔn)5允許材料在最大需求條件下在垂直方向的使用。這種情況描繪了近乎完美的邊界概念和功能需求裝配。如果一個被制造零件整體位于互換性邊界的良好一側(cè)，它才適合使用。在不違反邊界條件下如果一個零件的物質(zhì)接近邊界反而更好。因此，偏差，更準(zhǔn)確的說，是遵循功能、介于部件和邊界的數(shù)值評估差值。
另一方面，ISO標(biāo)準(zhǔn)語言并不能被準(zhǔn)確翻譯其定位的功能需求。實際上，標(biāo)準(zhǔn)語言不能完全地考慮不同形式的影響或局部變形的影響。根據(jù)技術(shù)繪圖，主要影響是優(yōu)良零件不與其他零件相容，且根據(jù)功能（需求）優(yōu)良零件也被拒絕（使用）。因此，這個產(chǎn)品不是最優(yōu)的。
實際上，根據(jù)ISO語言中的定位條件，沒有人可以使機械工具最優(yōu)化。除了公差帶中的錯誤分布之外，公差的ISO幾何模型考慮了所有形式的特征偏差。因此，裝配的兩零件間的位置偏差并不被推測為有實際關(guān)聯(lián)。這就是為什么這篇文章提供了一種僅考慮裝配條件的方法的原因。此外，為了加大優(yōu)化程度，裝配條件必須采用材料需求最大值以及垂直方向。
圖3展示了調(diào)整過程中出現(xiàn)的不同數(shù)量以及零件加工的防未知干擾調(diào)整。
調(diào)整機床要求連接加工表面和機床的工作部分。由于調(diào)整工作、加工進(jìn)程以及機床的動靜行為造成的許多錯誤和未知性，因而這不能一次成功。這些不確定性就是制造偏差的起因。為了控制一些例如螺栓、可逆性位移和導(dǎo)軌缺陷等一些不確定性因素影響，機床建造人員會在傳統(tǒng)機床的數(shù)控單元或可調(diào)下降保護(hù)器中放置一些調(diào)整元素。這些參數(shù)的修改允許不確定帶相較于實際位置產(chǎn)生位移。這個顯示數(shù)量的尺寸就是長度。
反過來，（因為）它確保遵循功能需求，所以加工的尺寸數(shù)量更加復(fù)雜。所以在實踐中，這些需求必須被翻譯為兼容長度的尺寸。因此，測量任務(wù)的目標(biāo)是評定功能的遵循情況以及在兼容調(diào)整參數(shù)下給出測量數(shù)量。顯示數(shù)量和測量數(shù)量的差值給出測量參數(shù)調(diào)整值。
3．3 調(diào)整模型校正測定
我們規(guī)定在互換性邊界的幾何表現(xiàn)（圖）上建立一個模型。與調(diào)整參數(shù)一致的尺寸的變化，允許我們對模型變形。例如，這允許我們用調(diào)整最佳的模型去配合通過被坐標(biāo)測量機初次加工的零件給出的幾何圖。在移動和變形模型之后，尺寸的變化給出了調(diào)整參數(shù)精確的調(diào)整值。因此，在已經(jīng)介紹了這些校正后，接下來被加工零件就有更多機會去配合最佳互換性邊界，因而符合功能需求。
幾何調(diào)整方法
為了解釋提出的方法，我們使用了工業(yè)調(diào)整問題中具有代表性的應(yīng)用。下面的技術(shù)繪圖（圖4）
根據(jù)ISO2692標(biāo)準(zhǔn)中的敘述規(guī)定了被制造零件。其第一功能就是要遵循裝配環(huán)境：當(dāng)蓋子位于A平面且一根軸穿過C圓筒時，兩個螺栓必須與零件配合。蓋子是在傳統(tǒng)機床上加工，用一個鉆孔工具鉆出兩個直徑為12.5mm的孔，位于A平面。一個鉆孔工具完成直徑28mm的孔。三個縱向可調(diào)下降保護(hù)器將每個床身固定在工作位置。機器給出其他的交叉位置以及鉆孔指示。
這與數(shù)控機床沒有區(qū)別；僅是我們來處理數(shù)字中斷罷了。
幾何調(diào)整模型
幾何調(diào)整模型是基于垂直條件的幾何特征結(jié)構(gòu)。特征安裝在準(zhǔn)確位置。這個模型必須包括使用最大材料需求定義數(shù)據(jù)的特征。最小幾何約簡元素和尺寸特性代表著每個特征。然后這個模型根據(jù)機床的可調(diào)整能力被參數(shù)化。L1和L2使縱向孔位置參數(shù)化。R1、R2和R3使孔直徑參數(shù)化。L1，L2，R1，R2，R3在ISO17450-1的協(xié)調(diào)下均被參數(shù)化，換句話說，根據(jù)波音的定義它們幾乎是關(guān)鍵流程參數(shù)，
初始調(diào)整，鉆孔以及測定。
首先，機床根據(jù)零件的表面尺寸被初次調(diào)整。接下來，第一個零件被加工。通過使用坐標(biāo)測量機的測定作業(yè)從被加工零件的表面提取點。現(xiàn)在，一系列被測點Mi代表者每個特征。
調(diào)整模型和被提取點間的偏差
我們現(xiàn)在還在尋找調(diào)整模型和被提取點之間的最佳配合。我們必須指定被測點Mi和屬于調(diào)整模型其自身的點I之間的偏差。出于這個考慮我們采用隔離初始調(diào)整模型而是使用點I的運動定義的非共面直線對位移的原則。我們采用被測點和移動模型表面的點之間偏差的準(zhǔn)確表達(dá)。
這種方法表明通過表面特征的幾何特性和被測點的知識，約束可以確定移動模型的表面點。然而，常規(guī)加工特征中一直是可行的：平面，圓柱，球，圓錐，拋物線，大齒輪表面等等。對于初始位置的最小幾何約簡元素的認(rèn)知定規(guī)定了初始調(diào)整模型。微位移非共面直線對正式表達(dá)了初始約簡元素的移動。
這個關(guān)系給出了投影在R基準(zhǔn)面上的點O出位移因素：
-α，β，γ 是R基準(zhǔn)面中S小三角位移的構(gòu)成。
-u,v,w是屬于S的點O變化的微小位移的構(gòu)成。
這個SDT也可以被等同的描述為一個4*4矩陣。
這些數(shù)學(xué)關(guān)系允許我們輕松的計算出每個特征（通過其自身的幾何約簡元素定義）的不同模型（表面的，運動的）和依附于零件定義的其特別因素（特性）。
運動約簡元素描繪出了調(diào)整模型。被測點Mi和表面點I之間的偏差被運動約簡元素正式求出。初始模型的原始因素允許變大而產(chǎn)生形變。
因此，對于每種形狀（平面，圓柱），偏差從初始模型的約簡元素中表達(dá)其自身，被測點，非共面直線對的未知數(shù)以及模型初始因素的變化。
圖7展示了小于被測點和其表面點間偏差的不同操作。
這個模型代表了依附于機床的表面零件，與機床的調(diào)整因素相一致的初始因素，且每個缺口代表著首批零件和表面零件間的偏差。未知數(shù)允許我們將不同數(shù)據(jù)的機床和坐標(biāo)測量機配合。未知數(shù)和因素的變化會改變偏差。解決調(diào)整因素的校正解決校正等于找到約束條件下最優(yōu)化問題的答案。答案的目標(biāo)是找出最適合被測點的移動形變模型。盡管如此，被測點并不違反模型的限制。
數(shù)學(xué)描述為：
目標(biāo) 零件和調(diào)整模型的最佳配合
我們找到了最大偏差的最小值
約束 對任意偏差小于零，如果正交矢量的方向沒有偏離問題，就沒有被測點違反模型的限制
因素 SDT未知數(shù)和模型自身的特別因素
約束條件下最優(yōu)化的結(jié)果給出了特別因素的準(zhǔn)確值，這樣之后的零件就能最好的適合功能需求。經(jīng)典求解程序軟件的使用可以通過數(shù)字法或分析法來解決這個優(yōu)化（問題）。
圖8展示了改良環(huán)的回轉(zhuǎn)（運動）。
圖9展示了調(diào)整模型和首批零件之間最佳配合的最后相關(guān)位置。
我們已經(jīng)將這種方法在一些實際加工中運用。我們注意到首批零件（加工）之后機床調(diào)整應(yīng)有一個合理、迅速的改良。確實，這個進(jìn)程糾正了初始靜態(tài)調(diào)整偏差但是卻留下了一些與首批零件加工偏差一致的錯誤。通常來說，靜態(tài)調(diào)整錯誤比制造錯誤要大?？紤]了接下來的零件，我們已經(jīng)規(guī)定了一個策略來改良機床調(diào)整以及糾正殘余加工錯誤。以簡單的例子，零件j之后的因素p的糾正 Cj等同于零件j獲得的因素Pj的對立變化，被j除。
結(jié)論評論：
因為我們求出了調(diào)整因素在最符合功能需求條件下的調(diào)整值，（所以）提出的方法是最優(yōu)化的。有了這個方法，盡管每次糾正是屬于單維空間，我們?nèi)钥梢钥刂票患庸ち慵娜S方面。
即使它們不與調(diào)整因素相一致，這個方法也允許我們控制偏差引起的影響。描述那些偏差是沒有必要的。例如，孔的半徑的增加會控制鉆孔工具和支撐平面間的角度偏差；然而，我們沒有必要去確定它。
這個方法的運用足夠控制公差。公差的模擬不需要工藝。調(diào)整方法和經(jīng)驗允許我們根據(jù)功能需求去控制制造偏差。根據(jù)單個進(jìn)程的實踐選擇，零件是最優(yōu)制造的。
至少，這種方法是數(shù)控進(jìn)程的第一步。與監(jiān)督因素一致的偏差；調(diào)整因素控制進(jìn)程。
英文文獻(xiàn)翻譯
內(nèi)容摘要：本設(shè)計擬設(shè)計一種老年人閱讀時使用的放大鏡擱置的擺放支架，它不僅可以按照老人閱讀的速度調(diào)整縱向（y）/橫向（x）的位置，實現(xiàn)類似我們利用電腦閱讀時的自動滾屏操作。該閱讀書架是利用直線電機設(shè)計的一種新穎的機械結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)利用手動遙控控制放大鏡能在x和y方向自如的移動，以實現(xiàn)閱讀不同的區(qū)域。本設(shè)計基于機械設(shè)計及其自動化、力學(xué)、材料學(xué)、工業(yè)設(shè)計等相關(guān)專業(yè)學(xué)科的知識體系的前提下完成設(shè)備的發(fā)明和制做。應(yīng)用機械專業(yè)的相關(guān)知識完成產(chǎn)品的總體設(shè)計，應(yīng)用力學(xué)，材料學(xué)的相關(guān)知識完成對產(chǎn)品的受力、壽命，成本等方面的檢測，在工業(yè)設(shè)計的知識體系下應(yīng)用美學(xué)與外觀設(shè)計等知識對產(chǎn)品的外觀進(jìn)行美化，使產(chǎn)品更人性化，更安全。應(yīng)用各種傳動機構(gòu)實現(xiàn)產(chǎn)品的預(yù)期設(shè)計功能，主要運用步進(jìn)電機帶動絲杠，同步齒形帶，等簡單的機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對放大鏡移動的控制。
關(guān)鍵詞： 力學(xué) 機械設(shè)計 自動化 步進(jìn)電機 機電一體化
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 product's 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 motor
Mechatronics
II
助老型全自動“方便閱讀架”機械、控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制作
Automatic "convenient reading frame" design and manufacture of the mechanical and control structure
2
助老型全自動“方便閱讀架”機械、控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制作,主要結(jié)構(gòu)構(gòu)成,同步帶傳動機構(gòu) 直線電機傳動機構(gòu) 調(diào)焦機構(gòu),,X方向,,,同步齒形帶傳動機構(gòu)包括39步進(jìn)電機，同步帶，皮帶輪，連接桿，放大鏡，連接片，直線軸承，緊定螺釘，緊固螺母，螺栓等組成。 結(jié)構(gòu)特點：由安裝在左側(cè)的39步進(jìn)電機帶動左側(cè)皮帶輪轉(zhuǎn)動，放大鏡調(diào)整結(jié)構(gòu)通過螺栓固定在皮帶上上方通過連接片將放大鏡與連接桿上的直線軸承連接固定，從而可以使皮帶可以帶動整個放大鏡調(diào)整機構(gòu)沿X方向平移。由于整個放大鏡調(diào)整裝置是吊裝在連接桿上的，從而皮帶不會發(fā)生傾覆現(xiàn)象，可以正常平穩(wěn)運行。,,Y方向,,放大鏡固定在皮帶上，通過皮帶的運動，帶動放大鏡左右運動。 放大鏡通過支架固定在兩皮帶輪間的連桿上，因此皮帶不會發(fā)生側(cè)翻的現(xiàn)象，支架和連桿之間安裝有一個直線軸承，減小放大鏡左右運動的阻力。在放大鏡左側(cè)安裝了調(diào)焦絲杠，讀者可以通過轉(zhuǎn)動調(diào)焦旋鈕，可以控制放大鏡沿Y軸運動達(dá)到調(diào)焦的目的。,Z方向,步進(jìn)電機絲杠機構(gòu)包括42步進(jìn)電機、彈性聯(lián)軸器、絲杠螺母、軸承座、橫向連接軸、螺釘、十字螺釘、托板支架、緊定螺釘、緊固螺母等組成。 結(jié)構(gòu)特點：由42步進(jìn)電機提供動力帶動絲杠轉(zhuǎn)動，絲杠上的絲杠螺母通過橫向連接軸帶動整個同步齒形帶傳動機構(gòu)Y方向運動。,單片機控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)主要用來控制電機的啟停以及正反轉(zhuǎn)，選擇51單片機進(jìn)行控制。單片機的P0.0，P1.1端口接到步進(jìn)電機驅(qū)動器的PUL（脈沖信號負(fù)端）， P1.0，P1.2接到步進(jìn)電機驅(qū)動器的，DIR（方向信號負(fù)端），其公共正 端接到單片機VCC端口。由于單片機VCC電源為+5V，所以無需串接電阻R。 步進(jìn)脈沖信號CP：通過高低電平的組合，產(chǎn)生脈沖序列。 驅(qū)動器每接收一個CP信號，就驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)一個步距角。 CP脈沖頻率改變會使電機轉(zhuǎn)速改變 方向控制：方向電平信號DIR用于控制步進(jìn)電機的旋轉(zhuǎn)方向，此端為高電平時，電機一個轉(zhuǎn)向；此端為低電平時，電機為另一個轉(zhuǎn)向。,速度調(diào)整：定時器定時時間越長，脈沖頻率越低，轉(zhuǎn)速越慢； 定時器定時時間越短，脈沖頻率越高，轉(zhuǎn)速越快； 紅外接收：按動遙控器的按鍵，單片機接收某一個按鍵的鍵值， 實現(xiàn)該鍵值所對應(yīng)的功能。,優(yōu)點,1、結(jié)構(gòu)簡單，易于生產(chǎn)制造。 2、操作方便，控制靈活，適合老年人使用。,缺點,1、速度控制不是很方便。 2、整體結(jié)構(gòu)偏重。 3、自動化程度不高。,
助老型全自動“方便閱讀架”機械、控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制作
1. 論文題目
助老型全自動“方便閱讀架”機械，控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制作
2. 論文結(jié)構(gòu)
2.1 總體結(jié)構(gòu)的設(shè)想
論文的總體結(jié)構(gòu)將做如下安排：
1.綜述目前機電一體化發(fā)展和應(yīng)用的現(xiàn)狀，社會老齡化問題出來的各方面問題以及機電一體化技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。
2.將服務(wù)老年人的任務(wù)和機械產(chǎn)品相結(jié)合，開發(fā)設(shè)計出一種能夠幫助高齡老人，總結(jié)市場上現(xiàn)有閱讀書架的結(jié)構(gòu)特征和特點，將其與機械結(jié)構(gòu)巧妙結(jié)合，以實現(xiàn)預(yù)期的功能，對其整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計與優(yōu)化。
3.對于助老型全自動“方便閱讀架”結(jié)構(gòu)特點以及工作原理進(jìn)行研究及闡述。
4.對“方便閱讀架”的結(jié)構(gòu)和零部件進(jìn)行設(shè)計、加工、裝配。為該方便閱讀架進(jìn)行程序的編寫及調(diào)試，使其按預(yù)定的工作狀態(tài)運行。
2.2 選題研究的目的、意義
人口老齡化問題是當(dāng)今世界各國都要而臨的一個嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。人口老齡化的發(fā)展導(dǎo)致老年人口過多，影響人口年齡結(jié)構(gòu)，結(jié)養(yǎng)老事業(yè)造成巨大壓力。對于我國，這尤為突出，一是我國老年人曰的絕對數(shù)量很大，1996年我國65歲以上的老年人曰已達(dá)0. 86億，同年60歲以上的老人已達(dá)1. 30億;二是我國人口老齡化的發(fā)展速度快，一般西方國家從人口成年型國家進(jìn)入老年型國家要經(jīng)過50--80年，而我國大約用不了20年。[1]
目前高齡老年人閱讀是他們了解社會的一種主要渠道，但是高齡老人閱讀確實存在不小的困難，高齡老人的眼睛已經(jīng)嚴(yán)重老花，他們閱讀時不僅需要帶上高深的老花鏡，還要手拿放大鏡，這樣才能勉強閱讀，這種閱讀方式不僅勞累，還要隨著閱讀的部位的不同手持放大鏡不斷改變位置，增加了不少的閱讀負(fù)擔(dān)。本設(shè)計擬設(shè)計一種老年人閱讀時使用的放大鏡擱置的擺放支架，它不僅可以按照老人閱讀的速度自動調(diào)整縱向（y）/橫向（x）的位置，實現(xiàn)類似我們利用電腦閱讀時的自動滾屏操作，還可以按照手動控制的方式來實現(xiàn)手動控制改變放大鏡的位置，以實現(xiàn)閱讀不同的區(qū)域。
2.3 主要解決的問題
目前市場上的閱讀架，功能比較單一，大多只單單提供了固定書籍位置的功能，并不能滿足高齡老年人閱讀的需求，本設(shè)計要解決的問題主要是為老年人閱讀看報提供一個操作簡單，方便實用的自動化機械產(chǎn)品，以幫助老年人在視力受老花眼限制的狀況下更好地閱讀。有了既定結(jié)構(gòu)的放大鏡閱讀架能夠免去老年人手持放大鏡的不便，可以讓雙手解放出來去做其它事情，還能避免佩戴眼鏡的不適。閱讀架可以通過調(diào)節(jié)按鈕實現(xiàn)放大鏡上下左右平移，同時能夠保證移動速度均勻，優(yōu)化老年人的讀書條件。整個控制過程使用紅外遙控實現(xiàn)，讓使用者可以通過按鍵選擇放大鏡的移動狀態(tài)。讓產(chǎn)品充分發(fā)揮機電一體化產(chǎn)品的特點，使其運行簡單可靠，結(jié)構(gòu)簡易輕便，滿足老年人的讀書看報需求。
2.4 主要工作
主要任務(wù)是利用直線電機設(shè)計一種新穎的機械結(jié)構(gòu)，控制放大鏡的擺放之間能在x和y方向自如的移動，其移動的速度是可調(diào)的，其不僅可以實現(xiàn)不同速度自動移動，還可以實現(xiàn)利用手動的控制手動移動。本設(shè)計要求學(xué)生能按照設(shè)計的基本要求，設(shè)計出裝配的零件圖，還應(yīng)當(dāng)對控制系統(tǒng)有一個初步的設(shè)計，同時還建議本設(shè)計最好能制作出實物。
1.繪制該“方便閱讀架”裝配圖一張
2.根據(jù)裝配圖繪制全套零件圖
3.進(jìn)行閱讀架采購零件和制作全過程
4.編制該閱讀架的全部控制程序
5.對閱讀架進(jìn)行調(diào)試
2.5 主要創(chuàng)新點
1.該閱讀書架將傳統(tǒng)書架與放大鏡，單片機控制系統(tǒng)集成在一起，實現(xiàn)自動化方式從而解放雙手，極大提升了老年人閱讀體驗。
2.該閱讀書架結(jié)構(gòu)簡單輕便，攜帶方便，成本低廉，易于生產(chǎn)制造，適合推廣，是一款經(jīng)濟(jì)實用型產(chǎn)品。
3.該閱讀書架固定板與移動板之間的距離可以調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同書脊厚度的放置，提高了書籍的放置平整度，書架的傾斜角度還可以根據(jù)不同的閱讀習(xí)慣進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到良好的閱讀效果。
4.結(jié)構(gòu)輕便，加工簡單方便、成本低。
3. 文獻(xiàn)綜述
3.1 步進(jìn)電機基本原理
步進(jìn)電機作為執(zhí)行元件.是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展.步進(jìn)電機的需求量與日俱增.在各個國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。步進(jìn)電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號.它就驅(qū)動步進(jìn)電機按設(shè)定的力向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為“步距角’).它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量.從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度.從而達(dá)到調(diào)速的日的。步進(jìn)電機可以作為一種控制用的特種電機.利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點.廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(VR) . 永磁式步
進(jìn)電機(PM).混合式步進(jìn)電機(HB)和單相式步進(jìn)電機等。[6]
3.2 機電一體化技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用與發(fā)展
機電一體化發(fā)展至今已經(jīng)成為一門有著自身體系的新型學(xué)科，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，還將被賦予新的內(nèi)容。其基本特征可概括為:機電一體化是從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，綜合運用機械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)、信息技術(shù)、傳感測控技術(shù)、電力電子技術(shù)、接口技術(shù)、信息變換技術(shù)以及軟件編程技術(shù)等群體技術(shù)，根據(jù)系統(tǒng)功能目標(biāo)和優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)目標(biāo)，合理配置與布局各功能單元，在多功能、高質(zhì)量、高可靠性、低能耗的意義上實現(xiàn)特定功能價值，并使整個系統(tǒng)最優(yōu)化的系統(tǒng)工程技術(shù)。
機電一體化基本結(jié)構(gòu)要素：
1.1 機械本體部分 機械本體就像人體的身軀骨架，它是系統(tǒng)所有功能元素的機械支持結(jié)構(gòu)包括機身框架機械連接等。
1.2 動力部分 動力部分與人體內(nèi)臟產(chǎn)生能量去維持生命運動一樣，為系統(tǒng)提供能量和動力功能驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)使系統(tǒng)按照控制要求正常運行。
1.3 傳感部分 傳感部分就像人的眼鼻耳口等感覺器官將系統(tǒng)運行中所需要的本身和外界環(huán)境的各種參數(shù)及狀態(tài)進(jìn)行檢測變成可識別的信號，傳輸?shù)叫畔⑻幚韱卧?jīng)過分析處理后產(chǎn)生相應(yīng)的控制信息。
1.4 驅(qū)動部分 驅(qū)動部分就像人體的肌肋腱接受大腦指揮驅(qū)動四肢運動一樣，在控制信息作用下驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)完成各種動作和功能。
1.5 執(zhí)行部分 執(zhí)行部分如同人的四肢由大腦支配完成各項工作任務(wù)一樣，根據(jù)控制信息和指令完成各種動作和功能執(zhí)行機構(gòu)是運動部件一般采用機械電磁電液等機構(gòu)。
1.6 控制及信息處理部分 控制及信息處理部分猶如人的大腦指揮和控制全身運動并能記憶思考和判斷問題一樣，將來自各傳感器的檢測信息集中存儲分析加工并根據(jù)信息處理的結(jié)果按照一定的程序和節(jié)奏發(fā)出相應(yīng)的指令控制整個系統(tǒng)。有目的的運行它一般由計算機可編程序控制器數(shù)控裝置以及邏輯電路A/D 與D/A 轉(zhuǎn)換I/O 輸入輸出接口和計算機外部設(shè)備等組成。[2]
3.6 同步齒形帶的相關(guān)應(yīng)用與發(fā)展
帶傳動按功能可分為摩擦傳動和嚙合傳動。摩擦傳動包括:平帶傳動、V帶傳動、多楔帶傳動等;嚙合傳動有同步齒形帶(簡稱同步帶或齒形帶)傳動。20世紀(jì)70年代以前，平帶傳動在動力帶傳動中占有一定地位，但70年代后期開始，平帶傳動的生產(chǎn)急速下降，到了80年代，同步帶傳動的生產(chǎn)和應(yīng)用逐漸增加，同步帶傳動從以往統(tǒng)計上被列在“其它帶傳動”里，單獨分類出來。
與傳統(tǒng)的帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動相比較，同步齒形帶傳動中，同步帶的工作面有齒，帶輪的輪緣表面也制有相應(yīng)的齒槽，依靠帶與帶輪之間的嚙合傳遞運動和動力，無滑動，能保證恒定的傳動比，預(yù)緊力小。同步帶通常以鋼絲繩或玻璃纖維繩為承載層，氯丁橡膠或聚氨醋為機體，帶薄而且輕，故可用于高速度，傳動時效率可達(dá)98%，使用方便，用途廣泛，集帶、鏈傳動的優(yōu)點于一體。故在機械、儀器儀表、化工、生物醫(yī)療器械、辦公自動化設(shè)備、紡織機械等方面有廣泛的應(yīng)用前景。[3]
3.7 同步齒形帶功能和應(yīng)用
同步齒形帶按功能來分有以下兒種:
(1>動力傳動:這種以傳遞動力(能量)為主，傳遞運動(信息)為輔的傳動裝置，一般要求傳動的承載能力高，抗疲勞性能好、壽命長，所以對齒帶的骨架材料要求強度高，曲撓疲勞性好。常用的傳動方式為轉(zhuǎn)動一轉(zhuǎn)動，在這種傳動方式中，帶呈封閉狀，主從動軸傳動比恒定。如汽車發(fā)動機上曲軸與凸輪軸之間的傳動，數(shù)控機床的主傳動裝置，均為動力傳動，通過齒形帶傳動將原動機的動力傳遞到各運動部件。
(2>運動傳遞:這種傳動以傳遞運動(信息)為主，傳遞動力(能量)為輔，傳動過程中，外載荷較小，但要求運動精確。所以對齒帶的材料要求在力的作用下帶的變形量小。這種傳動常用的傳動方式為轉(zhuǎn)動一移動或步進(jìn)式移動。通常又有二種結(jié)構(gòu)形式:(d>直線機頭:同步帶與被驅(qū)動的機頭固聯(lián)時，同步帶夾持在移動機頭上，組成一個閉環(huán)(如圖la); Cb)直線工作臺:同步帶的兩端與工作臺固定在一起，主動輪的回轉(zhuǎn)軸線固定并通過兩個滾子保證輪與帶的嚙合，輪轉(zhuǎn)動后帶動齒帶與工作臺一起移動(圖1b); Cc)直線臺車:齒帶的兩端固定在機架上，而主動輪則配置在托架上，由兩個彎曲的滾子來保證輪與帶的嚙合，輪轉(zhuǎn)動后，使與主動輪聯(lián)接在一起的托架一起作直線移動(圖c)(見Breco公司產(chǎn)品說明(1),(2), (3))。圖2為德國Stoll公司的CMS系列電腦控制高性能釗一織橫機機頭運動小意圖，機頭與同步齒形帶固聯(lián)，齒帶輪由伺服電機驅(qū)動，使帶作來回直線運動，從而帶動機頭在有實際作用的織釗一上來回作步進(jìn)運動，最高線速度可達(dá)3米每秒橫機由傳動機構(gòu)確保機頭的定位精度。保證織物質(zhì)量(見St011公司產(chǎn)品說明(德))。除此以外，利用同步齒形帶傳遞運動的實際應(yīng)用還有很多，如機器人的機械手的運動控制、繪圖儀中筆尖的運動控制、噴墨打印機中噴墨頭的位置控制、數(shù)控機床中的進(jìn)給裝置都屬于這類運動。
(3)特殊功能:在這類傳動中，通常在齒形帶的背而鑄造一些特別外形，如在帶背后做成輸送帶等，完成特殊功能。圖3中(a)為輸送帶，(b)為牽引帶，(c)為存儲帶。
3.8 老年人情感產(chǎn)品設(shè)計原則
老年人讀報器的設(shè)計采用情感設(shè)計的設(shè)計方法，老年人的情感體驗作為整個
產(chǎn)品設(shè)計的出發(fā)點和最終落腳點。將老年人讀報的每一個細(xì)節(jié)需求點和每一個設(shè)
計策略相結(jié)合，把他們的意識到的和他們下意識的情感需求放到首位。所以整個
產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)遵循以下五點基本原則:
1.安全性原則
我們都知道，老年人的身體機能逐漸衰退，對產(chǎn)品的使用能力和反應(yīng)都不如從前。產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)要考慮到老年人使用時的各種不便和危險情況事先做出預(yù)防，根據(jù)他們的生理特征和使用的環(huán)境場所避免不利的因素發(fā)生。產(chǎn)品的材質(zhì)上要盡可能運用防滑，耐摩系數(shù)較高的材料方便拿握，即使摔也不易損壞。材料的環(huán)保性上要安全綠色，以防他們較低的免疫系統(tǒng)易受到侵襲。屏幕的光亮度要適中，太亮?xí)夏耆说难劬Ξa(chǎn)生刺激，太暗則對他們的眼睛造成負(fù)擔(dān)，容易出現(xiàn)疲勞。
2.易用作原則
易用強調(diào)的是在不看任何說明書，無人指導(dǎo)的情況下，就可以自然的適應(yīng)和
使用。使用的方法應(yīng)當(dāng)是十分自然的，采用多渠道的設(shè)計提示方法，輸入和提示
語言不僅從視覺上還將從聽覺、肢體語言等多方面進(jìn)行引導(dǎo)，從產(chǎn)品形態(tài)就能理
解使用方法。在他們年輕的時候沒有太多使用電器的經(jīng)歷，上網(wǎng)的經(jīng)驗更少，這一點尤其重要。
3.合理性原則
合理性原則是產(chǎn)品設(shè)計時必須遵守的一點，它是既是最基本的也是很必要的。老年人產(chǎn)品的合理性就要求產(chǎn)品符合老年的年齡特點、老年人的人體工程學(xué)、行為習(xí)慣等要素，以這些為參考標(biāo)準(zhǔn)開展設(shè)計方案，修改設(shè)一計細(xì)節(jié)，在形態(tài)、材料、顏色、結(jié)構(gòu)、功能等方功}做出相對應(yīng)的調(diào)整來完善產(chǎn)品。
4. 實效性原則
老年人都有著勤儉節(jié)約的美德，他們不習(xí)慣鋪張浪費，堅守著務(wù)實的生活態(tài)
度和樸素的消費理念。在功能設(shè)置上不要畫蛇添足應(yīng)以實用為主，形態(tài)和界面設(shè)
計上也不必過于花哨，復(fù)雜的功能設(shè)計和華而不實的形態(tài)界面不僅增加了產(chǎn)品的
售價更加大了產(chǎn)品的操作難度。老年人產(chǎn)品設(shè)計應(yīng)在耐用性、可靠性和穩(wěn)定性上
多下功夫。
5.適當(dāng)性原則
適當(dāng)設(shè)計理論實際上是一種適度設(shè)計的理論，它主張為滿足消費者合理的、
適度的消費需求，讓產(chǎn)品引導(dǎo)消費者正確的消費觀念。老年人產(chǎn)品功能上的適當(dāng)
J勝體現(xiàn)在功能實用、簡便，減少使用頻率低的附加功能設(shè)置。形態(tài)上的適當(dāng)性體
現(xiàn)在清晰而明確的按鍵設(shè)計及樸素大方的造型特點。
4. 參考文獻(xiàn)
[1] 李日邦，王五一，譚見安，何洋，楊林生. 我國人口老齡化發(fā)展的階段、趨勢和區(qū)域差異[J].1999,(06),No 2,Vol 18.
[2] .章 浩，張西良，周士沖.機電一體化技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用[A].2006（07）第七期
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[8] 羅慶生?,?羅洪堅?,?王耀煉[J].計算機測量與控制,?2003,?(10).
9
1 導(dǎo)言
1.1 主題來源
讀書看報是現(xiàn)今老年人的主要娛樂方式之一。而 40 歲以后隨著人眼的晶狀體
逐漸纖維硬化，睫狀肌逐漸麻痹，使人眼無法有效調(diào)節(jié)眼球的形狀（軸向變化），
只能通過調(diào)節(jié)眼睛與所視物體的距離，看近處的物體時必須移遠(yuǎn)才能看清楚，這
時的眼睛狀態(tài)就稱為老花眼。而隨著年齡增加，老花的度數(shù)也會隨著增加。例如，
45 歲時老花是 150 度，到了 50 歲，不管老人是否佩戴老花鏡，老花的度數(shù)都會
增加到 200 度。此時老年人看書看報等難免就會出現(xiàn)閱讀上的困難。為看清楚微
小的物體或物體的細(xì)節(jié)，就需要把物體移近眼睛，因為這樣可以增大視角，使在
視網(wǎng)膜上形成一個較大的實像。但當(dāng)物體離眼的距離太近時，反而無法看清楚。
換句話說話，要明察秋毫，不但應(yīng)使物體對眼睛有足夠大的張角，而且還應(yīng)取合
適的距離。顯然對眼睛來說，這兩個要求是相互制約的，若在眼睛前面配置一個
凸透鏡便能解決這一問題。此時老年人通常會佩戴老花鏡，或者使用放大鏡來幫
助自己看清物體。如果可以用機械設(shè)備控制放大鏡的位置，就可以解放老年人的
雙手，以一種更方便的方式控制放大鏡的位移，讓老年人能充分享受閱讀的樂趣。
1.2 方便閱讀架的研究目的
人口老齡化問題是當(dāng)今世界各國都要而臨的一個嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。人口老齡化的發(fā)
展，導(dǎo)致老年人口過多，影響人口年齡結(jié)構(gòu)，給養(yǎng)老事業(yè)造成巨大壓力。對于我
國，這點尤為突出，一是我國老年人口的絕對數(shù)量很大，1996 年我國 65 歲以上
的老年人口已達(dá) 0.86 億，同年 60 歲以上的老人已達(dá) 1.30 億；二是我國人口老
齡化的發(fā)展速度快，一般西方國家從人口成年型國家進(jìn)入老年型國家要經(jīng)過
50-80 年，而我國大約用不了 20 年。
[1]
目前高齡老年人閱讀是他們了解社會的一種主要渠道，但是高齡老人閱讀確
實存在不小的困難，高齡老人的眼睛已經(jīng)嚴(yán)重老花，他們閱讀時不僅需要帶上高
深的老花鏡，還要手拿放大鏡，這樣才能勉強閱讀，這種閱讀方式不僅勞累，還
要隨著閱讀的部位的不同手持放大鏡不斷改變位置，增加了不少的閱讀負(fù)擔(dān)。本
設(shè)計擬設(shè)計一種老年人閱讀時使用的放大鏡擱置的擺放支架，它不僅可以按照老
人閱讀的速度自動調(diào)整縱向（y）/橫向（x）的位置，實現(xiàn)類似我們利用電腦閱
1
讀時的自動滾屏操作，還可以按照手動控制的方式來實現(xiàn)手動控制改變放大鏡的
位置，以實現(xiàn)閱讀不同的區(qū)域。
1.3 方便閱讀架的課題規(guī)劃
本課題基于機械設(shè)計及其自動化、力學(xué)、材料學(xué)、工業(yè)設(shè)計等相關(guān)專業(yè)學(xué)科
的知識體系的前提下完成設(shè)備的發(fā)明和制做。機電結(jié)合可使機械系統(tǒng)簡化，性能
更完善。機電結(jié)合可獲得更高的精度。[2]應(yīng)用機械專業(yè)的相關(guān)知識完成產(chǎn)品的總
體設(shè)計，應(yīng)用力學(xué)，材料學(xué)的相關(guān)知識完成對產(chǎn)品的受力、壽命，成本等方面的
檢測，在工業(yè)設(shè)計的知識體系下應(yīng)用美學(xué)與外觀設(shè)計等知識對產(chǎn)品的外觀進(jìn)行美
化，使產(chǎn)品更人性化，更安全。應(yīng)用各種傳動機構(gòu)實現(xiàn)產(chǎn)品的預(yù)期設(shè)計功能，主
要運用步進(jìn)電機帶動絲杠，同步齒形帶，等簡單的機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對放大鏡移動的
控制。
1.4 方便閱讀架的意義及市場前景
1.該閱讀書架將傳統(tǒng)書架與放大鏡，單片機控制系統(tǒng)集成在一起，實現(xiàn)自動
化方式從而解放雙手，極大提升了老年人閱讀體驗。
2.該閱讀書架結(jié)構(gòu)簡單輕便，攜帶方便，成本低廉，易于生產(chǎn)制造，適合推
廣，是一款經(jīng)濟(jì)實用型產(chǎn)品。
3.該閱讀書架固定板與移動板之間的距離可以調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同書脊厚度的
放置，提高了書籍的放置平整度，書架的傾斜角度還可以根據(jù)不同的閱讀習(xí)慣進(jìn)
行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到良好的閱讀效果。
4.結(jié)構(gòu)較為輕便，加工簡單方便、成本低。
2 課題設(shè)計任務(wù)書
2.1 課題名稱
助老型全自動“方便閱讀架”機械、控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制作
2.2 設(shè)計要求
2.2.1 設(shè)計要求Ⅰ
方便閱讀架是為老年人設(shè)計制造的一款設(shè)備，設(shè)計過程中應(yīng)該著重考慮老年
人對于機器使用的學(xué)習(xí)及接受能力，機器的操作及其使用，應(yīng)該盡量簡潔明了，
方便學(xué)習(xí)使用。
2
2.2.2 設(shè)計要求Ⅱ
要求方便閱讀架，在完成 X,Y,Z 坐標(biāo)，三個方向的運動時，要保證運動過程
的準(zhǔn)確性，使整臺設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，機體占地空間小，成本低廉，讓老年人獲得更
好的閱讀體驗。
2.2.3 設(shè)計要求Ⅲ
要求方便閱讀架具有良好的協(xié)調(diào)性，重要的部分可以進(jìn)行方便調(diào)整，如手動
對焦部分可以方便的進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足閱讀需要。
3 工作原理與制作過程
3.1 概述
方便閱讀架的結(jié)構(gòu)主要采用基本的軸類件、桿件、絲桿、同步帶、皮帶輪、
板材等組成，采用 51 單片機控制步進(jìn)電機這一動力機構(gòu)，傳動機構(gòu)主要采取皮
帶傳動、步進(jìn)電機帶動絲杠傳動等，結(jié)構(gòu)緊湊、簡便，原材料完全可以選用于市
面上普通的現(xiàn)有材料，成本低廉，原材料廣泛。
3.2 工作原理
3.2.1 產(chǎn)品整體過程
簡易方便閱讀架整體尺寸為長 500mm，寬 400mm，高 500mm。該裝置主要由
同步帶運動機構(gòu)，絲桿步進(jìn)電機運動機構(gòu)等構(gòu)成。絲桿步進(jìn)電機運動機構(gòu)主要是
由步進(jìn)電機提供動力，通過彈性聯(lián)軸器將步進(jìn)電機與傳動絲桿聯(lián)結(jié)，通過一個開
環(huán)控制系統(tǒng)對步進(jìn)電機伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制，在此系統(tǒng)中，步進(jìn)電機受驅(qū)動線路控
制，將進(jìn)給脈沖序列轉(zhuǎn)換成為具有一定方向、大小和速度的機械轉(zhuǎn)角位移，并通
過齒輪和絲杠帶動工作臺移動。
3
圖 1 總示意圖
進(jìn)給脈沖的頻率代表了驅(qū)動速度，脈沖的數(shù)量代表了位移量，而運動方向是
由步進(jìn)電機的各相通電順序來決定，并且保持電機各相通電狀態(tài)就能使電機自
鎖。但由于該系統(tǒng)沒有反饋檢測環(huán)節(jié)，其精度主要由步進(jìn)電機來決定，速度也受
到步進(jìn)電機性能的限制并推送至所需位置等待安裝。同步帶運動機構(gòu)，利用 35
步進(jìn)電機帶動皮帶輪 如圖 1 所示產(chǎn)品總示意圖。
3.2.2 產(chǎn)品運動原理介紹
運動過程如下：
1、將所讀書，報放在書架上，并使用夾子將書報固定好，并調(diào)整好閱讀角
度，接上直流電源。
2、啟動單片機開關(guān)，使用紅外遙控器上設(shè)置的 8 個按鍵，可以靈活控制兩
個電機的啟動，停止，正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，從而可以靈活變換放大鏡的位置，使放
大鏡可以隨時運動到老人閱讀時候所需要的位置。
上述過程簡易方便，操作簡單明了。經(jīng)過詳細(xì)計算，運動迅速準(zhǔn)確。且結(jié)構(gòu)
簡單，非標(biāo)準(zhǔn)件方便加工生產(chǎn)，大量節(jié)省制作成本。
3.3 助老型全自動“方便閱讀架”各個零部件及其功能介紹
3.3.1 框架材料的參數(shù)及分析
圖 2 框架結(jié)構(gòu)示意圖
4
整體的框架是使用 PP 板制成，PP 板材具有質(zhì)輕、厚度均勻、表面光滑
平整、耐熱性好、機械強度高、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和電絕緣性、無毒等特征。PP
板廣泛應(yīng)用于化工容器、機械、電子、電器、食品包裝、醫(yī)藥、裝潢和水處理等
領(lǐng)域。PP 板實用溫度可達(dá) 100 度。
框架結(jié)構(gòu)如圖所示，主框架長 480mm，寬 350mm，厚 0.8mm，在主框架左側(cè)
有一個長 20mm，寬 270mm，的長槽，下方有八個直徑為 3mm 的通孔，用于和下方
抬高板聯(lián)接。主框架下側(cè)是抬高板，其作用是給主框架后側(cè)步進(jìn)電機的安裝留足
空間，避免因空間不足，造成電機安裝困難。此外抬高板與主框架之間，使用四
個長 25mm，寬 22mm，的合頁進(jìn)行聯(lián)接。所以主框架和抬高板之間可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)
活動，從而方便老人讀書時，變換閱讀視角，從而獲得更好的閱讀體驗。主框架
右側(cè)有一長 40mm，寬 350mm，厚 0.8mm 的小板用于固定夾書板。小板上開有一個
長 20mm，寬 270mm，的長槽，其與主框架的右側(cè)的長槽的作用是為了給同步齒形
帶沿 Y 方向上下運動留出空間。
圖 3 框架組裝示意圖
小板于主框架使用兩個鐵制連接條，于板后使用螺釘進(jìn)行連接。主框架，連
接板，抬高板，連接圖如圖所示。
3.3.2 夾書板的參數(shù)及分析
夾書板的尺寸為長 207mm，寬 270mm，厚 0.8mm，安裝在主框架的右側(cè)，其
與右側(cè)小板之間安裝有彈簧，使用時可將書籍的書脊放置于夾書板與主框架的間
隙處，在彈簧的作用下將書加緊。由于夾書板和主框架之間的間隙可調(diào)，所以可
5
以適應(yīng)不同厚度書籍的安放。
3.3.3 抬書版的參數(shù)及分析
由于主框架在老人閱讀時是處于傾斜狀態(tài)，為了保證書籍能平穩(wěn)的安放在，
主框架上安裝兩塊抬書版，對書籍進(jìn)行支撐。抬書板的尺寸為長 120mm，寬 25mm，
厚 0.8mm，使用角鐵與主框架進(jìn)行連接。抬書版安裝位置如下圖所示：
圖 4 支書板安裝示意圖
[9]
3.3.4 定位導(dǎo)向板
定位導(dǎo)向板位于框架兩側(cè)，是由兩塊長 30mm，寬 270mm，長的 PP 板，使
用 AB 膠水，與框架粘接成一個三面導(dǎo)軌。AB 膠水是雙組份環(huán)氧樹脂 ab 膠膠粘
劑，具有高透明性能，粘接物固化后完美無痕，無需加熱，可常溫固化，環(huán)保無
毒；高粘接強度、韌性好、耐油、耐水等眾多優(yōu)點；固化物具有良好的絕緣、抗
壓、收縮率低等電氣及物理特性。廣泛應(yīng)用于各種高檔陶瓷、玻璃、金屬數(shù)碼科
技等產(chǎn)品的制造與修復(fù)。其有高粘接強度、韌性好、耐油、耐水、耐酸堿、防潮、
防塵性能等眾多優(yōu)點。可耐高低溫，耐濕熱和大氣老化；粘牢后固化物具有良好
的絕緣、抗壓、收縮率低等電氣及物理特性。
該導(dǎo)軌作用是對同步齒形帶 Y 方向運動，起到一定程度的限位作用。具體
結(jié)構(gòu)如圖所示：
6
圖 5 導(dǎo)軌安裝俯視圖
3.3.5 絲杠固定螺母
絲杠固定螺母，不僅要實現(xiàn)自身沿 Y 方向的的運動，而且要帶動整個同步
齒形帶沿 Y 方向運動，整體結(jié)構(gòu)如下圖所示，該零件采用 3D 打印技術(shù)制作。3D
打印，即快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金
屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。由于該零件結(jié)
構(gòu)較為復(fù)雜，為非標(biāo)準(zhǔn)件，且體積較小，用 3D 打印技術(shù)制作，可節(jié)約大量成本，
并縮短生產(chǎn)周期，且可以滿足所需要的負(fù)載要求。在零件上下表面各開有一個六
方孔，用于放置螺母。側(cè)面開有一個直徑為 6mm 的孔，用于放置聯(lián)結(jié)前方皮帶
輪的橫軸。
圖 6 絲杠螺母示意圖
3.3.6 軸承座
該軸承座固定在板后，與軸承相配合，可起到支承絲杠的作用。該零件尺寸
較小，同絲杠螺母一樣，采用 3D 打印技術(shù)制作，使用螺釘固定在板后。
7
圖 7 軸承座示意圖
3.3.7 同步齒形帶
在機械設(shè)備傳動中，有許多部位都需要大跨距傳動大多采用皮帶傳動或鏈條
傳動，這兩種傳動方式都存在缺陷，后來人們發(fā)明了同步帶，同步帶不但具有皮
帶傳動適應(yīng)高速無噪聲的優(yōu)點，還具有鏈條傳動比準(zhǔn)確的特點。[14]
同步帶傳動是由一根內(nèi)周表面設(shè)有等間距齒形的環(huán)行帶及具有相應(yīng)吻合的
輪所組成。它綜合了帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動各自的優(yōu)點。轉(zhuǎn)動時，通過帶齒
與輪的齒槽相嚙合來傳遞動力。 傳輸用同步帶傳動具有準(zhǔn)確的傳動比，無滑差，
可獲得恒定的速比，傳動平穩(wěn)，能吸振，噪音小，傳動比范圍大，一般可達(dá) 1:10。
允許線速度可達(dá) 50M/S，傳遞功率從幾瓦到百千瓦。傳動效率高，一般可達(dá) 98%，
結(jié)構(gòu)緊湊，適宜于多軸傳動，不需潤滑，無污染，因此可在不允許有污染和工作
環(huán)境較為惡劣的場所下正常工作。[2]
同步帶具有以下優(yōu)點[5]：
（1）傳動準(zhǔn)確，工作時無滑動，具有恒定的傳動比；
（2）傳動平穩(wěn)，具有緩沖、減振能力，噪聲低；
（3）傳動效率高，可達(dá) 0.98，節(jié)能效果明顯；
（4）維護(hù)保養(yǎng)方便，不需潤滑，維護(hù)費用低；
（5）速比范圍大，一般可達(dá) 10，線速度可達(dá) 50m/s，具有較大的功率傳遞范圍，
可達(dá)幾瓦到幾百千瓦；
（6）可用于長距離傳動，中心距可達(dá) 10m 以上。
8
（7）相對于 V 型帶傳送，預(yù)緊力較小，軸和軸承上所受載荷?。?
主板兩側(cè)導(dǎo)槽中心距為 450mm,考慮到制造誤差和實際尺寸，皮帶松緊程度等因
素，本設(shè)計采用的同步帶型號為 380XL，具體參數(shù)見圖：
圖 8 同步齒形帶參數(shù)圖
[2]
3.3.8 步進(jìn)電機
步進(jìn)電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機件。
在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，
而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機
按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度
一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的
目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)
速的目的。它能按照控制脈沖的要求，能迅速完成啟動，正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，加速，減
速，制動。[15]
步進(jìn)電機驅(qū)動系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在工業(yè)上的應(yīng)用。它們主要用于低成本的開環(huán)高
性能。然而，作為動態(tài)系統(tǒng)的更新越來越快，他們的運動更精確，作為一個開環(huán)
系統(tǒng)，準(zhǔn)確可靠顯得更加的重要。[16]步進(jìn)電動機驅(qū)動系統(tǒng)主要是由步進(jìn)電動機驅(qū)
動器和步進(jìn)電動機構(gòu)成。步進(jìn)電動機驅(qū)動系統(tǒng)的性能，不但要取決于步進(jìn)電動機
啟動器的好壞，也取決于步進(jìn)電動機的自身性能。步進(jìn)電動機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)
化為角位移的執(zhí)行元件。當(dāng)步進(jìn)電動機驅(qū)動器接收到一個來自控制器的脈沖信號
時，它就驅(qū)動步進(jìn)電動機按照設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的步矩角，它的旋轉(zhuǎn)是通
過固定的步矩角一步一步轉(zhuǎn)動來運行的。
9
步進(jìn)電動機不能直接接通直流或交流電源工作，必須使用步進(jìn)電動機驅(qū)動
器。脈沖信號發(fā)生器可以通過控制脈沖的個數(shù)來控制角位移量，這樣可以進(jìn)行準(zhǔn)
確定位；同時步進(jìn)電動機的速度和加速度可以通過控制脈沖頻率來控制可，從而
達(dá)到調(diào)速的目的。
圖 12 步進(jìn)電機
3.3.9 步進(jìn)電機驅(qū)動器
步進(jìn)電機是一種感應(yīng)電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分
時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機供電，步進(jìn)電機才能正常
工作，驅(qū)動器就是為步進(jìn)電機分時供電的，多相時序控制器。
步進(jìn)電機驅(qū)動器是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接
收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為
“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個
數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控
制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速和定位的目的。
驅(qū)動器上的信號接口有六個，PUL＋和 PUL－為控制脈沖信號正端和負(fù)端；
DIR＋和 DIR－為方向信號正端和負(fù)端；EN＋和 ENA－為使能信號的正端和負(fù)
端。電機接口有四個，A＋和 A－接步進(jìn)電機 A 相繞組的正負(fù)端；B＋和 B－接
步進(jìn)電機 B 相繞組的正負(fù)端。當(dāng) A、B 兩相繞組調(diào)換時，可使電機方向反向。電
源接口兩個，分別為 GND（負(fù)極），VCC（正極），采用直流電源供電，工作
電壓范圍建議為 20－50VDC。驅(qū)動器有紅綠兩個指示燈。其中綠燈為電源指示
燈，當(dāng)驅(qū)動器上電后綠燈常亮；紅燈為故障指示燈，當(dāng)出現(xiàn)過溫、過流故障時，
10
故障燈常亮。故障清除后，紅燈滅。當(dāng)驅(qū)動器出現(xiàn)故障時，只有重新上電和重新
使能才能清除故障。驅(qū)動器的外形尺寸為：118×75.5×34mm，安裝孔距為
112mmmm。既可以臥式和立式安裝，安裝時本設(shè)計采用立式安裝，有利于驅(qū)動
器的散熱。
步進(jìn)電機驅(qū)動器接線采用共陽極接法，PUL－（脈沖信號負(fù)端）接到單片機
上 P1.0 端口，DIR－（方向信號負(fù)端）接到單片機 P1.1 端口，其正端接到單片
機 VCC 端口。由于單片機 VCC 電源為+5V，所以無需串接電阻 R。
圖 13 步進(jìn)電機驅(qū)動器接線圖
3.3.10 51 單片機
單片機（Microcontrollers）是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路
技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器 CPU、隨機存儲器 RAM、只讀存儲器
ROM、多種 I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電
路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D 轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)
成的一個小而完善的微型計算機系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
MCS-51 系列單片機是集中 CPU，它有如下特點：
1.可靠性高
因為芯片是按工業(yè)測控環(huán)境要求設(shè)計的，故抗干擾的能力優(yōu)于 PC 機。系統(tǒng)
軟件(如：程序指令，常數(shù)，表格)固化在 ROM 中，不易受病毒破壞。許多信號
的通道均在一個芯片內(nèi)，故運作時系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。
2.控制功能強
具有豐富的控制指令，如：條件分支轉(zhuǎn)移指令，I/O 口的邏輯操作指令，位
11
處理指令。
3.便于擴(kuò)展
片內(nèi)具有計算機正常運行所必需的部件，片外有很多供擴(kuò)展用的(總線，并
行和串行的輸入/輸出)管腳，很容易組成一定規(guī)模的計算機應(yīng)用系統(tǒng)。
4.實用性好
體積小，功耗低，價格便宜，易于產(chǎn)品化。
3.3.11 鋰電池
整臺設(shè)備使用鋰電池供電，鋰電池有體積小，容量大，電壓穩(wěn)定，可以循環(huán)
使用，安全性強，擁有減少污染，有利于可持續(xù)發(fā)展等優(yōu)點。
以上為助老型全自動“方便閱讀架”的主要零件及部件。
3.3.12 放大鏡
放大鏡固定在皮帶上，通過皮帶的運動，帶動放大鏡左右運動。放大鏡通
過支架固定在兩皮帶輪間的連桿上，因此皮帶不會發(fā)生側(cè)翻的現(xiàn)象，支架和連桿
之間安裝有一個直線軸承，可以保證放大鏡正常的左右運動。在放大鏡左側(cè)安裝
了調(diào)焦絲杠，讀者可以通過轉(zhuǎn)動調(diào)焦旋鈕，可以控制放大鏡沿 Z 軸運動，達(dá)到
調(diào)焦的目的。
圖 14 放大鏡
4 各部件設(shè)計及參數(shù)設(shè)定
4.1 同步齒形帶傳動機構(gòu)
同步齒形帶傳動機構(gòu)包括 39 步進(jìn)電機，同步帶，皮帶輪，連接桿，放大鏡，
連接片，直線軸承，緊定螺釘，緊固螺母，螺栓等組成。
12
結(jié)構(gòu)特點：由安裝在左側(cè)的 39 步進(jìn)電機帶動左側(cè)皮帶輪轉(zhuǎn)動，放大鏡調(diào)整
結(jié)構(gòu)通過螺栓固定在皮帶上上方通過連接片將放大鏡與連接桿上的直線軸承連
接固定，從而可以使皮帶可以帶動整個放大鏡調(diào)整機構(gòu)沿 X 方向平移。由于整個
放大鏡調(diào)整裝置是吊裝在連接桿上的，從而皮帶不會發(fā)生傾覆現(xiàn)象，可以正常平
穩(wěn)運行。
圖 15 同步齒形帶傳動機構(gòu)示意圖
4.2 步進(jìn)電機絲杠傳動機構(gòu)
步進(jìn)電機絲杠機構(gòu)包括 42 步進(jìn)電機、彈性聯(lián)軸器、絲杠螺母、軸承座、橫
向連接軸、螺釘、十字螺釘、托板支架、緊定螺釘、緊固螺母等組成。
結(jié)構(gòu)特點：由 42 步進(jìn)電機提供動力帶動絲杠轉(zhuǎn)動，絲杠上的絲杠螺母通過
橫向連接軸帶動整個同步齒形帶傳動機構(gòu) Y 方向運動。
圖 16 步進(jìn)電機絲杠傳動機構(gòu)示意圖
滑動螺旋傳動的設(shè)計計算：螺旋傳動的結(jié)構(gòu)主要是指螺桿，螺母的固定和支
13
承的結(jié)構(gòu)形式。螺旋傳動的工作剛度與精度等和支承結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系。[6]滑動螺
旋的磨損與螺紋工作面上的壓力、滑動速度、螺紋表面粗糙度以及潤滑狀態(tài)等因
素有關(guān)。其中最主要的是螺紋工作面上的壓力，壓力越大螺旋副間越容易形成過
度磨損。因此，滑動螺旋的耐磨性計算，主要是限制螺紋工作面上的壓力 p，使
其小于材料的許用壓力[p]。假設(shè)作用于螺桿的軸向力為 F（N），螺紋的承壓面
積（指螺紋工作表面投影到垂直于軸向力的平面上的面積）為 A（mm2），螺紋中
徑為 d2（mm），螺紋工作高度為 H（mm），螺紋螺距為 P（mm），螺母高度為 D
（mm），螺紋工件圈數(shù)為 u＝H/P 。則螺紋工作面上的耐磨性條件為:
F F FP
p = = = ￡
A d hu d hH
p p
2 2
[p]
（1）
上式可作為校核計算用。為了導(dǎo)出設(shè)計計算式，令ф=H/d2， 則 H=фd2，，
代入式（5－43）引整理后可得:
d
2 3
FP
phf[ p]
（2）
對于 30 度鋸齒形螺紋，h=0.75P，則：
d
2
F
3 （3）
0.65
f
[P]
螺母高度：
H = f （4）
d
2
[P]為材料的許用壓力，單位為 MPa，見表 1；
ф值一般取 1.2～3.5。（對于整體螺母，由于磨損后不能凋整間隙，為使受力分
布比較均勻，螺紋工作圈數(shù)不宜過多，故取ф＝1.2～2.5 對于剖分螺母和兼作支
承的螺母，可取ф=2.5～3.5 只有傳動精度較高；載荷較大，要求壽命較長時，才
允許取ф=4。）
根據(jù)公式算得螺紋中徑 d2 后，應(yīng)按國家標(biāo)準(zhǔn)選取相應(yīng)的公稱直徑 d 及 P
螺紋工作圈數(shù)不宜超過 10 圈。
螺桿—螺母的材料 滑動速度/ (m/min) 許用壓力 /MPa
鋼—青銅
低速 18~25
≤3.0 11~18
14
6~12 7~10
>15 1~2
淬火鋼—青銅 6~12 10~13
鋼—鑄鐵
<2.4 13~18
6~12 4~7
鋼—鋼 低速 7.5~13
注：1、表中數(shù)值適用于ф=2.5～4 的情況。當(dāng)ф＜2.5 時，[p]值可提高 20％；若為剖分
螺母時則[p]值應(yīng)降低 15～20％。
2、表中摩擦系數(shù)啟動時取大值，運轉(zhuǎn)中取小值。
資料來源: 濮良貴等. 機械設(shè)計 [M]（第八版）. 高等教育出版社,2006.5[6]
表 1 滑動螺旋副材料的許用壓力[P]
對于升降運動的絲桿，其軸向力等于大臂、小臂、手指各部分及負(fù)載重量的
總和約為 25N，即 F=25N，取ф=1.2，[p]=7MPa,則由式（3）求出
25
d 0.8 1.38mm
2 ′ =
3
1.2 7
′
根據(jù)實物本身尺寸，以及市場實際情況選擇直徑為 M5，取中徑為 4.5mm.
H =f 2 =1.2′4.5 = 5.4
d mm
查表取螺距 P=2mm,則工作圈數(shù) U＝H/P=5.4/2=2.7<3。根據(jù)其 200mm 的行程及
運動和安裝余量，設(shè)計其長度為 270mm。
4.3 動力及控制機構(gòu)
4.3.1 常見的步進(jìn)電機控制方案
1、基于電子電路的控制
步進(jìn)電機受電脈沖信號控制，電脈沖信號的產(chǎn)生、分配、放大全靠電子元器
件的動作來實現(xiàn)。由于脈沖控制信號的驅(qū)動能力一般都很弱，因此必須有功率放
大驅(qū)動電路。步進(jìn)電機與控制電路、功率放大驅(qū)動電路組成一體，構(gòu)成步進(jìn)電機
驅(qū)動系統(tǒng)。此種控制電路設(shè)計簡單，功能強大，可實現(xiàn)一般步進(jìn)電機的細(xì)分任務(wù)。
這個系統(tǒng)由三部分組成：脈沖信號產(chǎn)生電路、脈沖信號分配電路、功率放大驅(qū)動
電路。
此種方案即可為開環(huán)控制，也可閉環(huán)控制。開環(huán)時，其平穩(wěn)性好，成本低，
設(shè)計簡單，但未能實現(xiàn)高精度細(xì)分。采用閉環(huán)控制，即能實現(xiàn)高精度細(xì)分，實現(xiàn)
15
無級調(diào)速。閉環(huán)控制是不斷直接或間接地檢測轉(zhuǎn)子的位置和速度，然后通過反饋
和適當(dāng)?shù)奶幚?，自動給出脈沖鏈，使步進(jìn)電機每一步響應(yīng)控制信號的命令，從而
只要控制策略正確電機不可能輕易失步。該方案多通過一些大規(guī)模集成電路來控
制其脈沖輸出頻率和脈沖輸出數(shù)，功能相對較單一，如需改變控制方案，必須需
重新設(shè)計，因此靈活性不高。
2、基于 PLC 的控制
PLC 也叫可編程控制器，是一種工業(yè)上用的計算機。PLC 作為新一代的工業(yè)
控制器，由于具有通用性好、實用性強、硬件配套齊全、編程簡單易學(xué)和可靠性
高等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的自動控制系統(tǒng)中。步進(jìn)電機控制系統(tǒng)有 PLC、環(huán)
形分配器和功率驅(qū)動電路組成。控制系統(tǒng)采用 PLC 來產(chǎn)生控制脈沖。通過 PLC
編程輸出一定數(shù)量的方波脈沖，控制步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)角進(jìn)而控制伺服機構(gòu)的進(jìn)給
量，同時通過編程控制脈沖頻率來控制步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)動速度，進(jìn)而控制伺服機構(gòu)
的進(jìn)給速度。環(huán)形脈沖分配器將 PLC 輸出的控制脈沖按步進(jìn)電機的通電順序分配
到相應(yīng)的繞組。PLC 控制的步進(jìn)電機可以采用軟件環(huán)形分配器，也可采用硬件環(huán)
形分配器。采用軟件環(huán)形分配器占用 PLC 資源較多，特別是步進(jìn)電機繞組相數(shù)大
于 4 時，對于大型生產(chǎn)線應(yīng)該予以考慮。采用硬件環(huán)形分配器，雖然硬件結(jié)構(gòu)稍
微復(fù)雜些，但可以節(jié)省 PLC 資源，目前市場有多種專用芯片可以選用。步進(jìn)電機
功率驅(qū)動電路將 PLC 輸出的控制脈沖放大，達(dá)到比較大的驅(qū)動能力，來驅(qū)動步進(jìn)
電機。
采用軟件來產(chǎn)生控制步進(jìn)電機的環(huán)型脈沖信號，并用 PLC 中的定時器來產(chǎn)生
速度脈沖信號，這樣就可以省掉專用的步進(jìn)電機驅(qū)動器，降低硬件成本。但由于
PLC 的掃描周期一般為但由于 PLC 的掃描周期一般為幾毫秒到幾十毫秒，相應(yīng)的
頻率只能達(dá)到幾百赫茲，因此，受到 PLC 工作方式的限制及其掃描周期的影響，
步進(jìn)電機不能在高頻下工作，無法實現(xiàn)高速控制。并且在速度較高時，由于受到
掃描周期的影響，相應(yīng)的控制精度就降低了。
3、基于單片機的控制
采用單片機來控制步進(jìn)電機，實現(xiàn)了軟件與硬件相結(jié)合的控制方法。用軟件
代替環(huán)形分配器，達(dá)到了對步進(jìn)電機的最佳控制。系統(tǒng)中采用單片機接口線直接
去控制步進(jìn)電機各相驅(qū)動線路。由于單片機的強大功能，還可設(shè)計大量的外圍電
16
路，鍵盤作為一個外部中斷源，設(shè)置了步進(jìn)電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、檔次、停止等功能，
采用中斷和查詢相結(jié)合的方法來調(diào)用中斷服務(wù)程序，完成對步進(jìn)電機的最佳控
制，顯示器及時顯示正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)速度等狀態(tài)。環(huán)形分配器其功能由單片機系統(tǒng)實
現(xiàn)，采用軟件編程的辦法實現(xiàn)脈沖的分配。
本方案有以下優(yōu)點：
(1)單片機軟件編程可以使復(fù)雜的控制過程實現(xiàn)自動控制和精確控制，避免
了失步、振蕩等對控制精度的影響；
(2)用軟件代替環(huán)形分配器，通過對單片機的設(shè)定，用同一種電路實現(xiàn)了多
相步進(jìn)電機的控制和驅(qū)動，大大提高了接口電路的靈活性和通用性；
(3)單片機的強大功能使顯示電路、鍵盤電路、復(fù)位電路等外圍電路有機的
組合，大大提高系統(tǒng)的交互性。
基于以上優(yōu)點，本次設(shè)計采用基于單片機的控制方案。
4.3.2 步進(jìn)電機驅(qū)動技術(shù)
步進(jìn)電機作為執(zhí)行元件.是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自
動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展.步進(jìn)電機的需求量與日俱增.
在各個國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。[11]步進(jìn)電動機上個世紀(jì)就出現(xiàn)了，它的組成、工
作原理和今天的反應(yīng)式步進(jìn)電動機沒有什么本質(zhì)區(qū)別，也是依靠氣隙間的磁導(dǎo)變
化來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。上世紀(jì) 80 年代以后，由于廉價的微型計算機以多功能的姿
態(tài)出現(xiàn)，步進(jìn)電動機的控制方式變得更加靈活多樣。步進(jìn)電機驅(qū)動技術(shù)指的是用
步進(jìn)電機驅(qū)動器的驅(qū)動級來實現(xiàn)對步進(jìn)電機各相繞組的通電和斷電，同時也是對
繞組承受的電壓和電流進(jìn)行控制的技術(shù)。到目前為止，步進(jìn)電機驅(qū)動技術(shù)通常分
為單電壓驅(qū)動、單電壓串電阻驅(qū)動、高低壓驅(qū)動、斬波恒流驅(qū)動、升頻升壓驅(qū)動
和細(xì)分驅(qū)動等。
單電壓驅(qū)動是通過改變電路的時間常數(shù)以提高電機的高頻特性。該驅(qū)動方式
早在六十年代初期國外就已大量使用，它的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、成本低；缺點是串
接電阻器的做法將產(chǎn)生大量的能量損耗，尤其是在高頻工作時更加嚴(yán)重，因而它
只適用于小功率或?qū)π阅苤笜?biāo)要求不高的步進(jìn)電機驅(qū)動。單電壓串電阻驅(qū)動是在
單電壓驅(qū)動技術(shù)的基礎(chǔ)上為電樞繞組回路串入電阻，用以改善電路的時間常數(shù)以
提高電機的高頻特性。它提高了步進(jìn)電機的高頻響應(yīng)、減少了電動機的共振，也
17
帶來了損耗大、效率低的缺點。這種驅(qū)動方式目前主要用于小功率或啟動、運行
頻率要求不高的場合。
高低壓驅(qū)動是指不論電動機的工作頻率是多少，在導(dǎo)通相的前沿用高電壓供
電來提高電流的上升沿斜率，而在前沿過后采用低電壓來維持繞組的電流，即采
用加大繞組電流的注入量以提高出力，而不是通過改善電路的時間常數(shù)來使矩頻
性能得以提高。但是使用這種驅(qū)動方式的電機，其繞組的電流波形在高壓工作結(jié)
束和低壓工作開始的銜接處呈凹形，致使電機的輸出力矩有所下降。這種驅(qū)動方
式目前在實際應(yīng)用中還比較常見。
為了彌補高低壓電路中電流波形的下凹，提高輸出轉(zhuǎn)矩，七十年代中期研制
出斬波電路，該電路由于采用斬波技術(shù)，使繞組電流在額定值上下成鋸齒形波動，
流過繞組的有效電流相應(yīng)增加，故電機的輸出轉(zhuǎn)矩增大，而且不需外接電阻，整
個系統(tǒng)的功耗下降，效率較高，因而恒流斬波電路得到了廣泛應(yīng)用，本文正是應(yīng)
用恒流斬波技術(shù)實現(xiàn)了驅(qū)動控制[15]。
為改善恒流驅(qū)動方式的低頻特性，設(shè)計一個低速時低電壓驅(qū)動，高速時高電
壓驅(qū)動的電路，使其成為一個由脈沖頻率控制的可變輸出電壓的開關(guān)穩(wěn)壓驅(qū)動電
源。在低速運行時，電子控制器調(diào)節(jié)功率開關(guān)管的導(dǎo)通角，使線路輸出的平均電
壓較低，電動機不會像在恒流斬波驅(qū)動下那樣在低速容易出現(xiàn)過沖或共振現(xiàn)象，
從而避免產(chǎn)生明顯的振蕩。當(dāng)運行速度逐漸變快時，平均電壓漸漸提高以提供給
繞組足夠的電流。調(diào)頻調(diào)壓線路性能優(yōu)于恒電壓和恒電流線路，但實際運行中需
要針對不同參數(shù)的電機，相應(yīng)調(diào)整其輸出電壓與輸入頻率的特性。
細(xì)分驅(qū)動是指在每次脈沖切換時，不是將繞組的全部電流通入或切除，而是
只改變相應(yīng)繞組中電流的一部分，電動機的合成磁勢也只旋轉(zhuǎn)步距角的一部分。
細(xì)分驅(qū)動時，繞組電流不是一個方波而是階梯波，額定電流是臺階式的投入或切
除。比如：電流分成 n 個臺階，轉(zhuǎn)子則需要 n 次才轉(zhuǎn)過一個步距角，即 n 細(xì)分細(xì)
分驅(qū)動最主要的優(yōu)點是步距角變小，分辨率提高，且提高了電機的定位精度、啟
動性能和高頻輸出轉(zhuǎn)矩：其次，減弱或消除了步進(jìn)電機的低頻振動，降低了步迸
電機在共振區(qū)工作的幾率?？梢哉f細(xì)分驅(qū)動技術(shù)是步進(jìn)電動機驅(qū)動與控制技術(shù)的
一個飛躍。
在一般的步進(jìn)電機工作中，其電源均采用單極性直流電，通過對步進(jìn)電機的
18
各相繞組按恰當(dāng)?shù)臅r序方式通電，就可使其執(zhí)行步進(jìn)轉(zhuǎn)動。當(dāng)某一相繞組通電時
相應(yīng)的兩個磁極就分別形成 N-S 極產(chǎn)生磁場，并與轉(zhuǎn)子形成磁路。在磁場的作用
下，轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動一定的角度，使轉(zhuǎn)子齒與定子齒對其，從而使步進(jìn)電機向前“走”
一步。轉(zhuǎn)子的角位移大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)及頻率成正比，并在時間
上與輸入的脈沖同步。只要能正確控制輸入的電脈沖數(shù)、頻率以及電機各相繞組
通電的相序，即可得到所需要的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，通過單片機很容易實現(xiàn)對步
進(jìn)電機的數(shù)字控制。
本設(shè)計采用 51 單片機實現(xiàn)對兩相步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速控制。由單片機產(chǎn)生的脈
沖信號經(jīng)過脈沖分配器后分解出對應(yīng)的脈沖，分解出的脈沖經(jīng)驅(qū)動電路功率放大
后驅(qū)動步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)動。其動力提供主要來源于步進(jìn)電機以及運用 51 單片機控
制電機的運行。步進(jìn)電機驅(qū)動器必須與步進(jìn)電機型號相匹配，否則，將會損壞步
進(jìn)電機及驅(qū)動器。
4.3.3 步進(jìn)電機的選擇
（1）電動機類型和結(jié)構(gòu)的選擇：
步進(jìn)電機、直流電機和無刷直流電機的主要區(qū)別在于他們的驅(qū)動方式。步進(jìn)
電機是以步階方式分段移動，直流電機和無刷直流電機通常采用連續(xù)移動的控制
方式。步進(jìn)電機采用直接控制方式，它的主要命令和控制變量都是步階位置。 直
流電機則是以電機電壓為控制變量，以位置或速度為命令變量。直流電機需要反
饋控制系統(tǒng)，他會以間接方式控制電機位置。步進(jìn)電機系統(tǒng)多半以“開環(huán)方式”
進(jìn)行操作。
（2）螺桿的扭矩計算及步進(jìn)電機的選用
螺桿的的扭矩為 T，負(fù)載為 F，導(dǎo)程為 P，η為螺桿傳遞效率，它們之間存
在：
T =
FP
2
ph
（1）
首先計算水平伸縮絲桿的相關(guān)參數(shù)：
其中 F=100N,P=1.5mm,η在 0.3-0.4 之間，取η=0.4，則由式（1）求出
19
由以上計算結(jié)果可知絲桿所需扭矩均不大，所以選擇 42 步進(jìn)電機較為合適。
由相關(guān)手冊查出適用的電動機型號：（如下表 2）
根據(jù)步進(jìn)電機工作特性，靜力矩需要為負(fù)載轉(zhuǎn)矩的 2—3 倍，將 T1 和 T2 進(jìn)行
單位換算：T1=48N·mm=0.483kg·cm，3T1=3′0.483kg·cm=1.449kg·cm
根據(jù)表 2 選取步進(jìn)電機，升降絲杠選配 42BYGH202 型步進(jìn)電機即可。
表 2 42 電動機型號
資料來源：王文斌等.機械手冊[K] 北京：機械工業(yè)出版社，2004.8
[9]
電動機主要外形和電機接線圖如圖：
20
4.4 控制系統(tǒng)的設(shè)計
4.4.1 控制系統(tǒng)的選擇
控制系統(tǒng)主要用來控制電機的啟停以及正反轉(zhuǎn)，綜合幾種控制系統(tǒng)，最終
選擇 51 單片機進(jìn)行控制，該系統(tǒng)有如下優(yōu)點：
(1) 系統(tǒng)構(gòu)成靈活，擴(kuò)展容易，以開關(guān)量控制為其特長；也能進(jìn)行連續(xù)過程
的 PID 回 路控制；并能與上位機構(gòu)成復(fù)雜的控制系統(tǒng)，如 DDC 和 DCS 等，實現(xiàn)
生產(chǎn)過程的綜合自動化。
(2) 使用方便，編程簡單，采用簡明的梯形圖、邏輯圖或語句表等編程語言，
而無需計算機知識，因此系統(tǒng)開發(fā)周期短，現(xiàn)場調(diào)試容易。另外，可在線修改程
序，改變控制方案而不拆動硬件。
(3) 能適應(yīng)各種惡劣的運行環(huán)境，抗干擾能力強，可靠性強，遠(yuǎn)高于其他各
種機型。[18]
程序燒錄：hex 文件需要通過燒錄軟件，燒錄進(jìn)單片機中。
編輯程序如下：
/********************************************************************
***********
---------------------------------------------------------------------
* 實 驗 名 : 紅外線試驗
* 實驗說明 : 數(shù)碼管顯示紅外線發(fā)送過來的鍵值。
* 連接方式 : 見連接圖
* 注 意 :
*********************************************************************
**********/
#include
unsigned char bdata flag=0;
sbit RunOrStop_flag_One=flag^0;
sbit RunOrStop_flag_Two=flag^1;
21
sbit IRIN=P3^2;
sbit Cp_Motor_One=P1^0;//接 IN1 控制轉(zhuǎn)速
sbit Dir_Motor_One=P1^1;//接 IN2 控制方向 （1--逆時針；0--順時針）
sbit Cp_Motor_Two=P1^2;//接 IN1 控制轉(zhuǎn)速
sbit Dir_Motor_Two=P1^3;//接 IN2 控制方向 （1--逆時針；0--順時針）
unsigned char IrValue[4]; //用來存放讀取到的紅外值
unsigned char Time;
void IrInit();
void DelayMs(unsigned int );
//////////////////////////////////////////////
/////////// 初始化函數(shù) ////////////////
////////////////////////////////////////////
void Iint_Parameter(void)
{
TMOD=0x01; //設(shè)置定時器模式
TL0=0x8d; //設(shè)置定時初值
TH0=0xFf; //設(shè)置定時初值
ET0=1; //允許定時器中斷
TR0=1;
EA=1; //開總中斷
}
void main()
{
IrInit();
Iint_Parameter();
while(1)
{
;
}
22
}
/********************************************************************
***********
* 函數(shù)名 : DelayMs()
* 函數(shù)功能 : 延時
* 輸入 : x
* 輸出 : 無
*********************************************************************
**********/
void DelayMs(unsigned int x) //0.14ms 誤差 0us
{
unsigned char i;
while(x--)
{
for (i = 0; i<13; i++)
{}
}
}
/********************************************************************
***********
* 函數(shù)名 : IrInit()
* 函數(shù)功能 : 初始化紅外線接收
* 輸入 : 無
* 輸出 : 無
*********************************************************************
**********/
void IrInit()
23
{
IT0=1;//下降沿觸發(fā)
EX0=1;//打開中斷 0 允許
EA=1; //打開總中斷
IRIN=1;//初始化端口
}
/********************************************************************
***********
* 函數(shù)名 : ReadIr()
* 函數(shù)功能 : 讀取紅外數(shù)值的中斷函數(shù)
* 輸入 : 無
* 輸出 : 無
*********************************************************************
**********/
void ReadIr() interrupt 0
{
unsigned char j,k;
unsigned int err;
Time=0;
DelayMs(70);
if(IRIN==0) //確認(rèn)是否真的接收到正確的信號
{
err=1000;
//1000*10us=10ms,超過說明接收到錯誤的信號
24
/*當(dāng)兩個條件都為真是循環(huán)，如果有一個條件為假的時候跳出循環(huán)，免
得程序出錯的時侯，程序死在這里*/
while((IRIN==0)&&(err>0))//等待前面 9ms 的低電平過去
{
DelayMs(1);
err--;
}
if(IRIN==1) //如果正確等到 9ms 低電平
{
err=500;
while((IRIN==1)&&(err>0))
//等待 4.5ms 的起始高電平過去
{
DelayMs(1);
err--;
}
for(k=0;k<4;k++) //共有 4 組數(shù)據(jù)
{
for(j=0;j<8;j++) //接收一組數(shù)據(jù)
{
err=60;
while((IRIN==0)&&(err>0))
//等待信號前面的 560us 低電平過去
{
DelayMs(1);
err--;
}
err=500;
25
while((IRIN==1)&&(err>0))
//計算高電平的時間長度。
{
DelayMs(1);//0.14ms
Time++;
err--;
if(Time>30)
{
EX0=1;
return;
}
}
IrValue[k]>>=1;
//k 表示第幾組數(shù)據(jù)
if(Time>=8)
//如果高電平出現(xiàn)大于 565us，那么是 1
{
IrValue[k]|=0x80;
}
Time=0;
//用完時間要重新賦值
}
}
}
switch(IrValue[2])
{ 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;
26
case 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;
}
}
//////////////////////////////////////////////
/* 定時器 0 數(shù)據(jù)處理中斷函數(shù) */
/////////////////////////////////////////////
void T0_ISR(void) interrupt 1
{
TL0=0x8d; //設(shè)置定時初值
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 總結(jié)
目前市場上的閱讀架，功能比較單一，大多只單單提供了固定書籍位置的功
能，并不能滿足高齡老年人閱讀的需求，本設(shè)計要解決的問題主要是為老年人閱
27
讀看報提供一個操作簡單，方便實用的自動化機械產(chǎn)品，以幫助老年人在視力受
老花眼限制的狀況下更好地閱讀。有了既定結(jié)構(gòu)的放大鏡閱讀架能夠免去老年人
手持放大鏡的不便，可以讓雙手解放出來去做其它事情，還能避免佩戴眼鏡的不
適。閱讀架可以通過調(diào)節(jié)按鈕實現(xiàn)放大鏡上下左右平移，同時能夠保證移動速度
均勻，優(yōu)化老年人的讀書條件。整個控制過程使用紅外遙控實現(xiàn)，讓使用者可以
通過按鍵選擇放大鏡的移動狀態(tài)。讓產(chǎn)品充分發(fā)揮機電一體化產(chǎn)品的特點，使其
運行簡單可靠，結(jié)構(gòu)簡易輕便，滿足老年人的讀書看報需求。
5.1 方便閱讀架的特點及優(yōu)勢
1.該閱讀書架將傳統(tǒng)書架與放大鏡，單片機控制系統(tǒng)集成在一起，實現(xiàn)自動
化方式從而解放雙手，極大提升了老年人閱讀體驗。
2.該閱讀書架結(jié)構(gòu)簡單輕便，攜帶方便，成本低廉，易于生產(chǎn)制造，適合推
廣，是一款經(jīng)濟(jì)實用型產(chǎn)品。
3.該閱讀書架固定板與移動板之間的距離可以調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同書脊厚度的
放置，提高了書籍的放置平整度，書架的傾斜角度還可以根據(jù)不同的閱讀習(xí)慣進(jìn)
行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到良好的閱讀效果。
4.結(jié)構(gòu)輕便，加工簡單方便、成本低。
5.2 方便閱讀架的不足及未來發(fā)展
本設(shè)計提出了一份靈活的、簡單便捷的方便閱讀架。本的目的是設(shè)計一個方
便老年人讀書的閱讀架。通過紅外遙控靈活控制放大鏡的位置，方便老年人閱讀。
穩(wěn)定的機械結(jié)構(gòu)可以有效保證運動的可靠性與精確性。此外，通過單片機控制及
紅外控制等可以實現(xiàn)隨開隨停。
未來需要改進(jìn)的部分包括增加傳感器和控制部分，通過傳感器的信號采集與
控制系統(tǒng)的相互配合，實現(xiàn)自動識別書籍位置，并通過機械結(jié)構(gòu)完成運動，實現(xiàn)
其自動化和智能化。由于每個人的閱讀速度都不一樣，建議設(shè)計調(diào)速系統(tǒng)，使得
步進(jìn)電機速度可以靈活調(diào)節(jié)，可以滿足不同人的閱讀需求。在今后的改進(jìn)過程中，
還應(yīng)注重于將本設(shè)計朝輕型化，簡單化發(fā)展，選用更合適的材料和零件，使整體
結(jié)構(gòu)更加輕巧。同時簡化操作，使老年人可以很容易掌握設(shè)備的主要操作。今后
在設(shè)計過程中還應(yīng)注意將產(chǎn)品的每一個細(xì)節(jié)需求點和每一個設(shè)計策略相結(jié)合，把
他們的意識到的和他們下意識的情感需求放到首位[17]。在后期也可增加自動翻頁
結(jié)構(gòu)，更大程度上解放老年人的雙手，將整個讀書過程自動化，簡易化，讓老年
28
人獲得更好的閱讀體驗。
參考文獻(xiàn)
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29
附錄：開題報告
助老型全自動“方便閱讀架”機械、控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制作
1. 論文題目
助老型全自動“方便閱讀架”機械，控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制作
2. 論文結(jié)構(gòu)
2.1 總體結(jié)構(gòu)的設(shè)想
論文的總體結(jié)構(gòu)將做如下安排：
1.綜述目前機電一體化發(fā)展和應(yīng)用的現(xiàn)狀，社會老齡化問題出來的各方面問題以及機電
一體化技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。
2.將服務(wù)老年人的任務(wù)和機械產(chǎn)品相結(jié)合，開發(fā)設(shè)計出一種能夠幫助高齡老人，總結(jié)市
場上現(xiàn)有閱讀書架的結(jié)構(gòu)特征和特點，將其與機械結(jié)構(gòu)巧妙結(jié)合，以實現(xiàn)預(yù)期的功能，對其
整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計與優(yōu)化。
3.對于助老型全自動“方便閱讀架”結(jié)構(gòu)特點以及工作原理進(jìn)行研究及闡述。
4.對“方便閱讀架”的結(jié)構(gòu)和零部件進(jìn)行設(shè)計、加工、裝配。為該方便閱讀架進(jìn)行程序
的編寫及調(diào)試，使其按預(yù)定的工作狀態(tài)運行。
2.2 選題研究的目的、意義
人口老齡化問題是當(dāng)今世界各國都要而臨的一個嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。人口老齡化的發(fā)展導(dǎo)致老年
人口過多，影響人口年齡結(jié)構(gòu)，結(jié)養(yǎng)老事業(yè)造成巨大壓力。對于我國，這尤為突出，一是我
國老年人曰的絕對數(shù)量很大，1996 年我國 65 歲以上的老年人曰已達(dá) 0. 86 億，同年 60 歲
以上的老人已達(dá) 1. 30 億;二是我國人口老齡化的發(fā)展速度快，一般西方國家從人曰成年型
國家進(jìn)入老年型國家要經(jīng)過 50--80 年，而我國大約用不了 20 年。
[1]
目前高齡老年人閱讀是他們了解社會的一種主要渠道，但是高齡老人閱讀確實存在不小
的困難，高齡老人的眼睛已經(jīng)嚴(yán)重老花，他們閱讀時不僅需要帶上高深的老花鏡，還要手拿