按摩床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題 目： 按摩床結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 專 業(yè)： 機(jī)械電子工程 班 級： 11級3班 姓 名： 楊 振 學(xué) 號： 1611110321 指導(dǎo)教師： 孟令啟 日 期： 2015.01 按摩床結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：本課題基于對當(dāng)前按摩床的研究，設(shè)計(jì)出一種多功能式按摩床的結(jié)構(gòu)模型。該按摩床利用單片機(jī)控制原理滿足人們的按摩需求。就按摩床機(jī)械結(jié)構(gòu)而言，本課題有著巧妙的按摩觸頭設(shè)計(jì)以保證按摩舒適度；就單片機(jī)程序而言，本課題有著智能化的程序設(shè)計(jì)一滿足不同客戶對按摩方式的要求。本課題首先對按摩床總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)及分析，確定機(jī)械結(jié)構(gòu)和傳動方案，并進(jìn)行必要零件的校核，然后根據(jù)51系列單片機(jī)的控制特點(diǎn)

2、，擬定出按摩床的多種動作方案，接著依據(jù)這些待實(shí)現(xiàn)的功能編寫控制程序，最后對程序進(jìn)行模擬調(diào)試和改進(jìn)，完成按摩床的軟硬件的設(shè)計(jì)，成功實(shí)現(xiàn)按摩功能贏得大眾認(rèn)可。關(guān)鍵詞：按摩床；自動控制；擺動按摩；單片機(jī)目錄0引言11.選題背景及現(xiàn)狀12.按摩床方案的設(shè)計(jì)22.1按摩頭設(shè)計(jì)32.2 彈簧的選型與設(shè)計(jì)校核42.3 連桿的設(shè)計(jì)52.4 偏心軸承的選型62.5 軸系的設(shè)計(jì)與校核62.6 鍵的選型與校核112.7 軸承的選型與校核（壽命計(jì)算）122.8 步進(jìn)電機(jī)的選型122.9 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的選擇133. 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)143.1單片機(jī)選擇143.2驅(qū)動器功能說明143.3硬件接線說明153.4開發(fā)板設(shè)計(jì)：1

3、53.4.1電源模塊設(shè)計(jì)153.4.2電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)163.4.3開發(fā)板必要模塊設(shè)計(jì)183.4.4開發(fā)板所用元器件選型193.4.5PCB設(shè)計(jì)圖193.5編寫控制程序213.5.1程序思想213.5.2程序編輯224.結(jié)論274.1 論文總結(jié)274.2 主要工作及結(jié)論284.3 存在問題284.4 感想29致謝29參考文獻(xiàn)30附件：本課題完成的CAD圖310引言 自改革開放以來，我國的經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)快步發(fā)展，人們?nèi)找嬖鲩L的物質(zhì)文化需求同落后的生產(chǎn)力仍然是不可消除的矛盾。隨著科學(xué)發(fā)展觀的逐步落實(shí)，人們的生活條件在不斷提升，隨著信息時(shí)代的到來，人們的身體素質(zhì)卻未得到有效提高。 在這個(gè)趨于老齡化的社會，

4、人們對自己的身體健康也是越來越重視。在你追我趕的城市生活中，大眾心中會萌生一種想法：能不能在不耽誤休息的時(shí)間里做到有效的緩解身心壓力呢？帶著這種觀念，許多的健身及按摩器材不斷地涌入人們的眼簾。而按摩床可以實(shí)現(xiàn)人們在工作之余休息時(shí)，既可以養(yǎng)神，又可以“修”身。這樣不需要另外的去買按摩器材2，既經(jīng)濟(jì)，而又功能強(qiáng)大。是人們優(yōu)選的保健產(chǎn)品。 同時(shí)，按摩床又有著其他保健產(chǎn)品3不可逾越的優(yōu)勢：一，能夠?qū)θ磉M(jìn)行放松,調(diào)試消除了疲勞,緩解了生活壓力；二，可以順通經(jīng)絡(luò),然后加快血液循環(huán),保持人們身體的平衡,可以提高人們機(jī)體的免疫力,也可預(yù)防多種疾病的傷害,增添身體活力；三，可以改善人們的睡眠并大幅提高了睡眠的

5、質(zhì)量；四，對身體相應(yīng)穴位的按摩對關(guān)節(jié)炎、腰腿痛疼、腰椎頸椎病、中風(fēng)等疾病有較好的治療作用；五，針對手術(shù)和放療后的人們更有著顯著的修養(yǎng)功能；六，對亞健康的人們來說更是一種福音；七，對于人體局部的按摩可以消耗多余的脂肪也可以實(shí)現(xiàn)減肥美體的目的；八，對于人體的內(nèi)分泌系統(tǒng)有著不可取代的防護(hù)效果,按摩可以協(xié)助排出人體內(nèi)和皮膚中附帶的垃圾,同時(shí)提高人體皮膚的美容效果；九，能夠改善人們的腸胃功能,可促進(jìn)人們新陳代謝,治療消化不良。1.選題背景及現(xiàn)狀 隨著經(jīng)濟(jì)全球化的到來，統(tǒng)一市場逐漸在世界范圍內(nèi)形成。作為發(fā)展中國家的中國，在不斷的跟隨世界的腳步，抓住世界大發(fā)展的機(jī)遇，當(dāng)然，這對發(fā)展中國家仍然是一種挑戰(zhàn)。保健

6、業(yè)也不例外，早在原始社會就出現(xiàn)了按摩的概念。經(jīng)過漫長的歲月，按摩術(shù)的發(fā)展在我國也有著卓著的影響。早在隋唐時(shí)期，也是封建社會的強(qiáng)盛時(shí)期，按摩術(shù)就已發(fā)展到鼎盛階。宋朝的推拿按摩比以前有了新的發(fā)展。49年以后，我國多個(gè)省、市醫(yī)院也開始設(shè)立了按摩科，全國范圍內(nèi)開始納入了按摩培訓(xùn)科目，并為按摩設(shè)置了專門培訓(xùn)基地。在酒店、浴池等場所也開始設(shè)立了保健按摩。隨著我國國民生活水平的不斷提高，按摩器材也正逐步愈演愈烈地走向人們大眾的生活里。 而就當(dāng)前的按摩器材發(fā)展情況看，雖然中國在按摩行業(yè)投入了不少精力，按摩器材也有著可觀的完善和進(jìn)步，但國內(nèi)的保健企業(yè)并未順應(yīng)時(shí)代的潮流，而是只在中低端發(fā)展，主要在于國內(nèi)的按摩器材

7、4的集成度低，功能較單一，而且價(jià)格相當(dāng)昂貴。并非是普通家庭可以接受的。本課題采用單片機(jī)（K60FX512）5控制，這種型號的單片機(jī)在當(dāng)今已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用，歸因于其結(jié)構(gòu)簡單且控制和使用方便、體積小便于集成等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)對它的硬件設(shè)計(jì)，這為以后的改進(jìn)及完善設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本課題主要利用其進(jìn)行對步進(jìn)電機(jī)的控制，包括調(diào)速以及定時(shí)。2.按摩床方案的設(shè)計(jì)這次設(shè)計(jì)針對按摩床結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括按摩觸頭的設(shè)計(jì)、觸頭的布局、按摩方式（推拿和揉壓）的設(shè)計(jì)、傳動設(shè)計(jì)以及簡單的單片機(jī)硬件設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)。為了完成按摩床的整體設(shè)計(jì)，既要考慮按摩的舒適度，又不能忽略按摩床結(jié)構(gòu)的可行性以及穩(wěn)定性。鑒于此，我構(gòu)思了如下方案

8、：（見圖1）圖1 按摩床總體結(jié)構(gòu)模型該設(shè)計(jì)的按摩床結(jié)構(gòu)主要由床架、按摩頭、彈簧、步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動器、整體偏心軸承、軸、鍵、連桿等部件組成。如上圖所示。整個(gè)床架是2m*1.2m的長方形，整個(gè)床面去掉枕頭部位和周圍邊框共有1.1m*1.75m面積，一共布置了231個(gè)觸頭，每3個(gè)觸頭固定在一個(gè)三角形板上構(gòu)成一個(gè)按摩頭，通過合理的布局77（5*7+6*7）個(gè)按摩頭，為了按摩床工作時(shí)的噪音，應(yīng)盡量減少傳動機(jī)構(gòu)，故總共用14個(gè)步進(jìn)電機(jī)作為按摩動力直接用聯(lián)軸器驅(qū)動14根軸。（見圖2所示傳動系統(tǒng)示意圖。）軸上面設(shè)有鍵槽，同偏心軸承相配合，偏心軸承的的外部同連桿相接，實(shí)現(xiàn)連桿帶動按摩頭進(jìn)行上下涌動和左右擺動于一體

9、的功能。圖2 傳動系統(tǒng)示意圖1-步進(jìn)電機(jī)，2-聯(lián)軸器，3-按摩裝置，4-軸承端蓋，5-傳動軸2.1按摩頭設(shè)計(jì)a.材料選擇：為了保證按摩的舒適度和使用壽命，暫且采用硅膠材料按摩觸頭而不采用金屬質(zhì)的。b.結(jié)構(gòu)選擇：涉及到每個(gè)按摩頭的大小和按摩的區(qū)域，采用每個(gè)桿通過三角形支架連接3個(gè)按摩觸頭，而每個(gè)按摩觸頭又采用三瓣式結(jié)構(gòu)，上面采用按摩小觸點(diǎn)來起到按摩的舒適的作用。c.大小確定：由于本次課題設(shè)計(jì)特點(diǎn)，按摩頭不宜太大，否則會讓身體感覺不適，所以應(yīng)采用多個(gè)小的按摩頭來代替少量大按摩頭的形式。根據(jù)床體的大小，設(shè)計(jì)出按摩觸頭的外圍大小被r=80mm的圓包圍，考慮到材料的節(jié)省利用，不需要太深的厚度，采用深度h

10、=15mm(加上按摩觸點(diǎn)總高度在17.5mm左右)。按摩觸頭和按摩頭圖3所示：圖3 按摩觸頭結(jié)構(gòu)模型2.2 彈簧的選型與設(shè)計(jì)校核根據(jù)按摩方式以及按摩舒適度的要求，首先要保證人（一般體重在65kg左右）站在一個(gè)獨(dú)立的按摩頭（三個(gè)按摩觸頭，由三個(gè)彈簧組成，每個(gè)彈簧相當(dāng)于受壓力650N/3=216.7N）上面不至于將彈簧壓潰，應(yīng)在合理的彈性范圍內(nèi)，其次要求人站在按摩頭上時(shí)最多壓縮量為max=50mm.與此同時(shí)，根據(jù)彈簧的最大載荷、最大變形量、以及結(jié)構(gòu)要求來確定彈簧絲的直徑，彈簧的中徑，彈簧的工作圈數(shù)，彈簧的螺旋升角以及長度等做出如下所示的彈簧設(shè)計(jì)：（1） 由于使用彈簧作為一種減振及支撐，且支撐的質(zhì)量

11、不是太大，故暫且選用II類C級彈簧材料，由文獻(xiàn)1教材表16-2 彈簧材料及其許用應(yīng)力 ，得到其相關(guān)參數(shù)為：許用切應(yīng)力 ,彈性模量，切變模量。（2） 選擇旋繞比C，由于極限狀態(tài)時(shí)C不小于4或超過16，所以擬定，由文獻(xiàn)1教材式16-4（以下未注名的式均查于文獻(xiàn)1教材）得：曲度系數(shù)K對于圓截面彈簧絲計(jì)算公式：.(1)（3）根據(jù)安裝空間的要求，初設(shè)彈簧的中徑D為40mm,由此根據(jù)C值取彈簧的直徑d為4mm,由表16-2查取彈簧的許用應(yīng)力.此時(shí)許用切應(yīng)力. (2)（4） 由式16-10試計(jì)算彈簧絲的直徑d應(yīng)滿足： . (3)現(xiàn)在保證D不變，取彈簧絲直徑為，則. .再由.滿足要求。根據(jù)表16-5 普通圓柱

12、螺旋彈簧尺寸系列修正后得到：由得,中徑，大徑,小徑.（5） 根據(jù)變形條件求出彈簧工作圈數(shù)：由文獻(xiàn)1式（16-6）和（16-7）可知：對于壓縮彈簧：圈。 (4)（6） 確定其余參數(shù)：由文獻(xiàn)1教材表16-4 普通圓柱螺旋壓縮及拉伸彈簧的結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算公式得：節(jié)距，取, (5)自由高度, (6)螺旋升角. (7)（7） 驗(yàn)算穩(wěn)定性：對于壓縮型彈簧，若彈簧的長度比較大時(shí)，那么受力后就容易失去其穩(wěn)定性，所以這在工作中這種情況是不允許的。為了便于制造及避免失穩(wěn)現(xiàn)象，建議一般壓縮彈簧的長細(xì)比按下列情況選?。寒?dāng)兩端固定時(shí)，取.一端固定而另一端可以自由轉(zhuǎn)動時(shí)b 應(yīng)滿足;當(dāng)彈簧兩端都可以進(jìn)行自由轉(zhuǎn)動時(shí)，b應(yīng)滿足.據(jù)

13、此驗(yàn)算：,故滿足要求。2.3 連桿的設(shè)計(jì)這里連桿的主要作用是支撐按摩頭，并傳遞動力。根據(jù)設(shè)計(jì)8要求，可將連桿設(shè)計(jì)成圖4所示：圖4 按摩頭連桿機(jī)構(gòu)構(gòu)模型上面與按摩頭用螺栓鉸接，下端設(shè)計(jì)成筒狀與偏心軸承進(jìn)行過盈配合，由于連桿的受力主要是人的部分重量，受力較小且主要承受壓縮，可采用一般的工程塑料即可。2.4 偏心軸承的選型由于要實(shí)現(xiàn)按頭的上下運(yùn)動，及連桿要將其他運(yùn)動形式轉(zhuǎn)換為上下運(yùn)動，可以采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)等，鑒于按摩床的體積、重量以及生產(chǎn)成本綜合考慮，特采用偏心軸承6與旋轉(zhuǎn)主軸配合達(dá)到曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性。由于設(shè)計(jì)要求按摩頭的上下運(yùn)動（行程）為50mm,所以要求偏心距為25mm,對于這種

14、要求，應(yīng)設(shè)計(jì)軸承為大小為6017型9（,單位：mm），在安裝內(nèi)圈時(shí)，將內(nèi)圈做成實(shí)心的，并在距離軸承中心25mm處開一個(gè)直徑為30mm的孔作為與軸相配合的孔，由此可保證偏心軸承7的偏心距為25mm，即按摩頭上下運(yùn)動的行程為50mm.2.5 軸系的設(shè)計(jì)與校核為了減小噪音，故采用步進(jìn)電機(jī)支直接以聯(lián)軸器連接軸。而步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和功率直間的關(guān)系為：力矩與功率換算：步進(jìn)電機(jī)往往都在較大范圍進(jìn)行內(nèi)調(diào)速使用，它的功率也是變化著的，一般只用力矩來就可以來衡量，力矩與功率換算如下：       . (8)   . (9) &

15、#160;  . (10)     其中P為功率單位為瓦，表示角速度(rad/s)，表示轉(zhuǎn)速(r/min)，為力矩單位為牛頓·米。對于本課題，取最大的轉(zhuǎn)矩和功率：（1）估算出人體的各部位的質(zhì)量：基于繪畫藝術(shù)理念所得到的規(guī)律和脊椎正常曲線，正常人體的各部位質(zhì)量分布為：人體的頭部約占人總體重的百分之八，手腳四肢約占百分之十五，胸部占百分之三十七，腰部占人總重量的百分之四十，所以最重的部位在腰部和胸部，而一般人的體重在65kg左右，肩寬在40mm左右。（2）估算軸的支撐位置及力的大?。喊凑瞻茨︻^的大小及人的肩寬，可推算人的身體與按摩頭的接觸

16、關(guān)系為：每根軸上至少有三個(gè)按摩頭同時(shí)支撐人的身體。如此以來，假定一個(gè)人躺在按摩床上，占用了每根軸上的3個(gè)按摩頭，而在軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，有兩個(gè)按摩頭支撐。所以按照人體最重的部位進(jìn)行計(jì)算：按摩頭所受的壓力. (11)(3)估算軸的最大轉(zhuǎn)矩：. (12)(4)初步確定軸的最小直徑：對于按摩頭，上下運(yùn)動的速度最大可以設(shè)為.對于步進(jìn)電機(jī)： ;    ;    ;將,代入到式求得P得：.按文獻(xiàn)1式（15-2）初步確定軸的最小直徑。初部選取軸的材料為45鋼，可經(jīng)調(diào)質(zhì)處理；根據(jù)文獻(xiàn)1表（15-3），取，于是得：. (13)現(xiàn)在取安裝聯(lián)軸器的軸端為20mm,取

17、安裝軸承部位的軸頸為25mm,取軸的直徑為30mm,此時(shí)與軸相配合的鍵選平鍵8×7，L=20的普通平鍵。由于要使使所選的軸直徑與聯(lián)軸器的孔徑相配合，可選取聯(lián)軸器的型號為GY1型，軸孔的直徑為14mm,軸孔的長度為Y型42mm，,轉(zhuǎn)動慣量為0.0008kgm2.（5）按彎扭合成強(qiáng)度條件計(jì)算：1） 繪出軸的計(jì)算簡圖（即力學(xué)模型）：軸所受的所有載荷均是從軸上的零件傳來的。計(jì)算時(shí)可將軸上的分布載荷都簡化為集中力，而其作用點(diǎn)可取為載荷分布段的中點(diǎn)處。作用在軸上的所有扭矩，一般則從傳動件輪轂寬度的中點(diǎn)算起。故通常可把軸看作置于鉸鏈支座上的梁，那么支反力的作用點(diǎn)則與軸承的類型以及布置方式有關(guān)，基于

18、本課題的研究，軸兩端軸承職守到徑向力，故采用深溝球軸承6005（軸承寬為12mm）；對此，因?yàn)榇矁?nèi)框?qū)挒?100mm,則兩軸承中心距為：. (14)因?yàn)閮砂茨︻^間距為175mm,則兩個(gè)同時(shí)受力的按摩頭間距為.此外，軸承離其中一個(gè)受力點(diǎn)的位置距離為.根據(jù)設(shè)計(jì)要求及軸的載荷分布，選擇一根最危險(xiǎn)的軸：即一根軸上承載5個(gè)按摩頭，其中最危險(xiǎn)的時(shí)候是當(dāng)人躺在軸的中間時(shí)，這時(shí)極限位置是電機(jī)帶動兩個(gè)按摩頭上下運(yùn)動，此時(shí)軸受到向下的壓力： (15)兩扭矩均為. (16)據(jù)此做出如圖5所示的計(jì)算簡圖。2) 根據(jù)計(jì)算簡圖繪制扭矩圖。從受力情況看，若分別在軸的兩段內(nèi)各取一截面，則兩橫截面上的扭矩值顯然不同，在OC段的

19、截面僅受電機(jī)輸出扭矩M。據(jù)截面法列平衡方程：，得到：; (17)等號右邊的負(fù)號僅僅說明了扭矩的方向（當(dāng)其矢量的方向與研究對象的截面的外法線的方向一致時(shí)，T取正，反之T取負(fù)）。同理，在CD段，截面左側(cè)有電機(jī)輸出扭矩M和按摩頭扭矩，則：,得到：. (18)同理，在BD段，截面左側(cè)有電機(jī)輸出扭矩M和兩個(gè)按摩頭扭矩均為，則： ,得到：.根據(jù)所得數(shù)據(jù)，把各截面上的扭矩沿軸線變化的情況用如圖所示的扭矩圖表達(dá)出來（見圖5）：圖5 軸的彎扭組合圖從圖5可以得到最大的扭矩發(fā)生在OC段上，最大為. (19)3)據(jù)計(jì)算簡圖繪制剪力圖和彎矩圖。根據(jù)前述的力學(xué)模型分析，對軸進(jìn)行剪力分析：此時(shí)由平衡方程，. (20)，.

20、 (21)將上述參數(shù)代入方程得軸承座的支反力為：.以梁的左端點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，選取的坐標(biāo)系如圖所示。集中力F1和F2作用于軸上對稱的C、D兩點(diǎn)上，由于對稱力的特點(diǎn)，在CD段內(nèi)無剪切應(yīng)力，故亦無彎矩。在AC段內(nèi)取距原點(diǎn)為x的任意截面，截面以左只有外力FRA，根據(jù)剪力和彎矩的計(jì)算方法和正負(fù)號規(guī)則，求得任意截面的剪力FS和彎矩M與x的關(guān)系式如下： . 彎矩圖和剪力圖如圖5所示：Fs從圖中可以得到最大的彎矩發(fā)生在OC按摩頭截面上，最大彎矩為3)校核軸的強(qiáng)度：按照彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度，由上述計(jì)算已知軸的彎矩和扭矩對軸進(jìn)行校核時(shí)，通?？梢灾恍：溯S上的承受最大彎矩和扭矩的截面的強(qiáng)度。按第三強(qiáng)度理論，計(jì)算應(yīng)力

21、： (22)根據(jù)文獻(xiàn)1式15-5可得軸的彎扭合成強(qiáng)度條件為：式中：軸的計(jì)算應(yīng)力，MPa； M軸所承受的彎矩，Nmm； T軸所受的扭矩，Nmm； W軸的抗彎截面系數(shù)，mm3； 對稱循環(huán)變應(yīng)力時(shí)軸的許用彎曲應(yīng)力.確定上述參數(shù)： (23).考慮到彎曲應(yīng)力為循環(huán)對稱變應(yīng)力以及扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力也為循環(huán)對稱變應(yīng)力，且軸要求可以正反轉(zhuǎn)，故取=1.查文獻(xiàn)1教材表15-1，得出45鋼徑調(diào)質(zhì)處理后的許用彎曲應(yīng)力 .將上述參數(shù)代入到式（3-5-1）得： 因?yàn)?故按照彎扭合成進(jìn)行對軸的強(qiáng)度校核結(jié)果是安全的.（6）軸的剛度校核及計(jì)算本課題所研究軸可視為簡支梁，可以主要對軸的彎曲剛度進(jìn)行校核計(jì)算，因?yàn)樗O(shè)計(jì)為光軸，可以直接利用

22、材料力學(xué)中的公式進(jìn)行計(jì)算其撓度和偏轉(zhuǎn)角。討論該軸的最大的撓度，應(yīng)為力作用于軸的中心，又因?yàn)橥瑫r(shí)由兩個(gè)按摩頭支撐，故選擇離中間最近的且對稱布置的兩個(gè)按摩頭進(jìn)行校核。受力模型如圖6所示：圖6 軸剛度校核計(jì)算簡圖由受力特點(diǎn)，可利用材料力學(xué)中的疊加法來求彎曲變形，上述的簡支梁的受力可以分解成F1單獨(dú)受力時(shí)的撓度與F2單獨(dú)受力時(shí)的撓度疊加即為該簡支梁受力的總體影響。由梁在簡單載荷作用下的變形，可得：當(dāng)F2單獨(dú)作用時(shí)：撓曲線方程為：最大撓度：在處有： 確定上式中的參數(shù)：，,45鋼的彈性模量，.將上述參數(shù)代入（3-5-2）得：.由疊加原理可得：該軸最大的彎曲變形的撓度為0.78mm.對于本課題而言，對軸的精

23、度及傳動方面沒有特殊要求，所以滿足要求。2.6 鍵的選型與校核前面根據(jù)軸的直徑為30mm已經(jīng)選擇鍵為普通平鍵A型8×7×20，對軸上的鍵進(jìn)行校核：因?yàn)檩S和鍵的材料都是鋼，則查文獻(xiàn)1教材表6-2查得許用擠壓應(yīng)力為：，取其平均值，。鍵的工作長度,鍵與鍵槽的接觸高度為.由文獻(xiàn)1教材式（6-1）可得： (24)由于,故選擇該鍵滿足使用要求。2.7 軸承的選型與校核（壽命計(jì)算）在軸端與床架配合時(shí)采用軸承，由于在按摩過程中，軸承只承受徑向力，故可選用深溝球軸承，由于軸的直徑是30mm，故暫時(shí)選用6005型滾動軸承，其基本尺寸為：內(nèi)孔,外徑,基本額定動載荷.根據(jù)前面3.5所述的軸的受力模

24、型分析，軸承所承受徑向力.則：當(dāng)量動載荷.為了考慮到實(shí)際工作當(dāng)中軸承可能會受到?jīng)_擊，不平衡力，慣性力和軸撓曲變形所引起的偏差，可對當(dāng)量動載荷設(shè)置一個(gè)載荷系數(shù)fp，查文獻(xiàn)1教材表13-6取fp為1.2.則：此時(shí)的當(dāng)量動載荷為.查文獻(xiàn)1教材式13-5可得： (25)其中：C為基本額定動載荷，. P為當(dāng)量動載荷為. 取10/3(滾子軸承) n為轉(zhuǎn)速，取最大轉(zhuǎn)速100r/min.將上述參數(shù)代入到式（25）得： 2.8 步進(jìn)電機(jī)的選型步進(jìn)電機(jī)是一種專門用于位置和速度精確控制的特種電機(jī)。其最大特點(diǎn)就是它的“數(shù)字性”，對于控制器發(fā)過來的每一個(gè)脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)在其驅(qū)動器的驅(qū)動下可運(yùn)轉(zhuǎn)一個(gè)固定角度(步距角)，

25、如果接收到了一串脈沖，步進(jìn)電機(jī)則會連續(xù)地運(yùn)轉(zhuǎn)一段對應(yīng)距離。同時(shí)，可以通過控制脈沖頻率，直接就可對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的工作原理較為簡單且容易應(yīng)用，相應(yīng)成本不高(相對于伺服)、電機(jī)和驅(qū)動器又不易損壞，非常適用于PLC和單片機(jī)控制，故近年來在各大行業(yè)中的控制設(shè)備中有著越來越廣泛的應(yīng)用。下面就本課題的研究做出如下電機(jī)10選型：步進(jìn)電機(jī)有靜轉(zhuǎn)矩、步距角（涉及到相數(shù)）、及電流三大要素組成。將這三大要素確定，那么步進(jìn)電機(jī)的型號也就基本可以選定。    1、步距角的選擇    電機(jī)的步距角由負(fù)載精度的要求所決定，把負(fù)載的當(dāng)量換算到電機(jī)輸出

26、軸上，每個(gè)當(dāng)量脈沖電機(jī)要轉(zhuǎn)過的角度，而電機(jī)的步距角就應(yīng)當(dāng)小于或等于這個(gè)角度。步進(jìn)電機(jī)的步距角常規(guī)的有0.36度/0.72度的五相電機(jī)、09度/1.8度的二相或四相電機(jī)、1.5度/3度的三相電機(jī)等，由于本課題對步距精度要求不是很高，所以可選用兩相的，相應(yīng)的步距角是0.9度/1.8度。    2、靜力矩的選擇    運(yùn)動狀態(tài)的步進(jìn)電機(jī)的動態(tài)力矩是很難確定的，所以先確定電機(jī)的靜力矩。而靜力矩的選擇由是電機(jī)工作的負(fù)載決定，負(fù)載分為兩種：摩擦負(fù)載和慣性負(fù)載。因?yàn)閼T性負(fù)載和摩擦負(fù)載都是不可以單獨(dú)存在的。當(dāng)電機(jī)直接起動時(shí)（一般由低速）時(shí)，兩種負(fù)載都

27、要考慮，加速起動時(shí)則主要考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行時(shí)則只需考慮摩擦負(fù)載。常規(guī)情形下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2至3倍內(nèi)即可，靜力矩一經(jīng)選定，那么電機(jī)的機(jī)座和長度即能確定包括幾何尺寸。根據(jù)前面的計(jì)算，最大靜力矩為M=T=130N×25mm×2=6.5Nm。據(jù)此選定電機(jī)為86BYG250-98型，具體參數(shù)如下：86BYG250-98，步距角：0.9度/1.8度；相數(shù)：2；電壓：60-80V；電流：4A；電阻：0.9；電感：7.4mH;最大靜力矩：7.5Nm；外形尺寸：98；軸徑為19mm。    3、電流的選擇    靜力矩一

28、樣的電機(jī)，由于它們的電流參數(shù)不同，運(yùn)行特性的差別會很大，可以根據(jù)矩頻特性曲線圖來判斷電機(jī)的電流。參考電機(jī)電流為4A。    4、力矩與功率換算    由于步進(jìn)電機(jī)通常都在較大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)速使用，它的功率是可以變化的，一般只需用力矩來衡量，如下所示力矩與功率換算方法：               .     其中P為功率單位為瓦，為角速度(rad/s)，n為轉(zhuǎn)速(r/min)，M

29、為力矩單位為牛頓·米將,代入到上式求得P得：.2.9 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的選擇選用86系列的電機(jī)可選擇兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器2HD8080(F)11.2HD8080(F)為兩相混合式的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，采用24至80V供電，它適合驅(qū)動電壓為24至80V且電流小于8A，適合外徑尺寸為57至86mm的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)。此驅(qū)動采用的是交流伺服驅(qū)動器的電流環(huán)進(jìn)行細(xì)分控制，工作過程中電機(jī)轉(zhuǎn)矩的波動比較小，低速運(yùn)行時(shí)相當(dāng)平穩(wěn)，振動和噪音比較小。其使用說明如下：該步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器主要特點(diǎn)：1.直流電壓24-80V供電2.平均電流控制，兩相正弦電流驅(qū)動輸出3.具有欠壓，過電流，過電壓和相間短路保護(hù)功能4.14

30、檔細(xì)分和自動半流功能5.光電隔離信號輸入/輸出6.具備脫機(jī)功能3. 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)本課題要求，要滿足一個(gè)控制器控制14個(gè)步進(jìn)電機(jī)，并且每個(gè)電機(jī)可被獨(dú)立控制，控制的內(nèi)容包括：電機(jī)正反轉(zhuǎn)和速度，基于此，可選用每個(gè)電機(jī)加電位器加驅(qū)動組成。下面對選用元器件進(jìn)行介紹分析。3.1單片機(jī)選擇對于本課題中控制器12的要求，選擇多引腳單片機(jī)是有必要的。MK60FX512VLQ15 是以ARM Cortex-M4F內(nèi)核設(shè)計(jì)，具有IEEE 1558以太網(wǎng)，全速和高速USB 2.0 On-The-Go帶設(shè)備充電探測、硬件加密以及防篡改探測能力，具有豐富的模擬、通信、定時(shí)器和控制外設(shè)、浮點(diǎn)運(yùn)算單元FPU、NAND f

31、lash控制器和DRAM內(nèi)存控制器，如High speed analog-to-digital converter、FlexTimers、Low power timer、Periodic interrupt timer、CAN總線、SPI總線、IIC總線、UART等設(shè)備，從144LQFP封裝256KB閃存開始可擴(kuò)展到256MAPBGA 1MB內(nèi)存。ARM Cortex-M4F Core13是ARM公司基于ARMv7構(gòu)架的內(nèi)核，精簡指令集（RISC）具有DSP內(nèi)核和FPU硬件浮點(diǎn)運(yùn)算單元。對于復(fù)雜的控制算法具有很好的運(yùn)算性能。圖 7 MCU框架3.2驅(qū)動器功能說明本課題所用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器具有信號

32、接口、電機(jī)接口和電源接口。其中信號接口包括電機(jī)轉(zhuǎn)動方向信號和轉(zhuǎn)動速度(脈沖)信號。具體如下說明：一、信號接口：CP和CP為控制脈沖信號的正端和負(fù)端；DIR和DIR為方向信號的正端和負(fù)端；(ENA和ENA為使能信號正端和負(fù)端。本課題將其設(shè)為高電平)二、電機(jī)接口：A和A接兩相四線步進(jìn)電機(jī)A相繞組的正負(fù)端；B和B接兩相四線步進(jìn)電機(jī)B相繞組的正負(fù)端。如果A、B兩相繞組進(jìn)行調(diào)換時(shí)，此時(shí)電機(jī)方向會反向電源接口X572采用直流電源供電，工作電壓范圍為2070VDC，X860H交直流供電，DC為24-80V,AC為20-60V。指示燈：驅(qū)動器有兩個(gè)指示燈，分別為紅綠指示燈。綠燈表示電源的指示燈，當(dāng)驅(qū)動器上電以

33、后綠燈為常亮；紅燈為故障指示燈，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)紅燈會亮。3.3硬件接線說明根據(jù)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)，要求兩相步進(jìn)電機(jī)的A相繞組正端與驅(qū)動器的A+相接，A相繞組的負(fù)端與驅(qū)動器的A-相接，兩相步進(jìn)電機(jī)的B相繞組正端與驅(qū)動器的B+相接，B相繞組的負(fù)端與驅(qū)動器的B-相接，另外驅(qū)動器上的VC接24-70V電壓，GND接地，控制脈沖的PUL-與單片機(jī)的一個(gè)控制引腳相接，控制方向的DIR-與單片機(jī)的一個(gè)控制引腳相接，而另外的PUL-和DIR-都接到公共端的5V上。這樣當(dāng)一個(gè)cp脈沖來時(shí)，一相得電一相失電，便可達(dá)到步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)作，而脈沖的頻率，則可通過軟件編程來改變脈沖的占空比來實(shí)現(xiàn)。具體硬件連接的示意圖如圖8

34、。圖8 硬件連接示意圖1-步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，2-單片機(jī)，3-B相，4-A相3.4開發(fā)板設(shè)計(jì)：圖9 控制流程圖對于PCB板的設(shè)計(jì)，首先要考慮所需的元器件以及必要的電路。本課題的設(shè)計(jì)所需的電路有：1.電源模塊電路，包括穩(wěn)壓、濾波等電路；2.電機(jī)控制電路，包括數(shù)字信號的獲取電路、電機(jī)的方向控制電路以及決定電機(jī)轉(zhuǎn)速的脈沖輸出電路等；3.K60FX512的復(fù)位電路、晶振電路等。具體細(xì)節(jié)如下所述。3.4.1電源模塊設(shè)計(jì)電源模塊是整個(gè)系統(tǒng)比較重要的單元，如果電源不穩(wěn)定就可能導(dǎo)致系統(tǒng)死機(jī)、復(fù)位等癥狀。根據(jù)此系統(tǒng)的需要，系統(tǒng)由24V電源供電，本系統(tǒng)需要兩種電壓，分別是電機(jī)供電24V、MCU供電5V。主要設(shè)計(jì)如下：1

35、. 采用穩(wěn)壓芯片LM2940將24V電源電壓穩(wěn)壓至5V（圖10）圖 9 5V電源2. 采用穩(wěn)壓芯片LM1117將5V電源穩(wěn)壓至3.3V（圖11），給MCU供電。圖 10 3.3V電源3. 本供電系統(tǒng)同時(shí)采用了大量電容濾波，保證電源電壓穩(wěn)定，防止系統(tǒng)崩潰?？傮w控制電壓如下圖（圖12）：圖12 24V-5V-3.3V電源模塊3.4.2電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)脈寬調(diào)制（即PWM）15的基本原理：控制方式是對逆變電路開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等但方向不同的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形。也就是在輸出波形的半個(gè)周期中產(chǎn)生多個(gè)脈沖，使各脈沖的等值電壓轉(zhuǎn)為正弦波形，所獲得的輸出就會

36、比較平滑而且低次諧波較少。按一定的規(guī)則可對各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，即改變逆變電路的輸出電壓的大小，可以改變輸出的頻率。PWM控制電機(jī)原理：利用MCU的PWM端口，固定PWM的周期，通過改變PWM的占空比，從而控制輸出的電壓。以達(dá)到控制速度的目的。圖13 PWM通過MK60FX512VLQ15 MCU內(nèi)部的FTM模塊可以實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制波形（PWM）輸出。硬件連接圖如圖14、圖15所示，其中，PTEx口接入A/D模塊，將電壓模擬量轉(zhuǎn)換為從0到4096中的某一數(shù)字信號，便于控制器處理數(shù)據(jù)。DIR接單片機(jī)公共引腳用于控制方向。如圖所示的接法，其邏輯控制為：輸出邏輯“1”為正轉(zhuǎn)，輸出邏輯“0”為反轉(zhuǎn)的共陽極

37、接法。PUL與FTM模塊14相連以獲得來自于FTM的PWM輸出。圖14 控制電路圖圖15 一個(gè)電機(jī)的控制圖3.4.3開發(fā)板必要模塊設(shè)計(jì)部分開發(fā)板必要的（最小系統(tǒng)：電源模塊、復(fù)位模塊、晶振模塊、存儲模塊）模塊電路有復(fù)位電路、晶振電路、電源模塊電路以及仿真接口（軟件下載用）。仿真接口（晶振電路芯片電源復(fù)位電路圖16 開發(fā)板必要電路模塊3.4.4開發(fā)板所用元器件選型對于本次設(shè)計(jì)中所使用的元器件均在下表中列出：圖17 使用元器件型號規(guī)格圖3.4.5PCB設(shè)計(jì)圖對于上述的元器件選型及硬件連接方案的確定，繪出如下PCB圖。圖18圖19 PCB板示意圖1-穩(wěn)壓芯片；2-LED；3-開關(guān)；4-電源接口；5-驅(qū)

38、動器接口；6-電容；7-K60FX512單片機(jī)；8-電位器；9-復(fù)位開關(guān)；10-晶振；11-JTAG(程序下載接口)；12-電阻；13-電容圖203.5編寫控制程序 3.5.1程序思想本課題的設(shè)計(jì)以K60FX512單片機(jī)為控制器，通過A/D轉(zhuǎn)換器將14個(gè)電位器模數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號（12位AD 其數(shù)字量范圍為0 4096）的14個(gè)數(shù)，分別判斷和2048（4096/2）的大小，如果經(jīng)轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量大于2048，則假設(shè)為正轉(zhuǎn) ADC采集到的數(shù)減去2048 得到的差值經(jīng)處理得到相應(yīng)的脈寬，驅(qū)動器接收到給定脈寬來驅(qū)動電機(jī)。當(dāng)差值小于就為反轉(zhuǎn)4096減去 ADC 得到的差值經(jīng)處理得到相應(yīng)的脈寬，驅(qū)動器接收

39、到給定脈寬來驅(qū)動電機(jī)（因?yàn)榈扔?048的時(shí)候我們的電位器在中間需要停止轉(zhuǎn)動）。程序控制流程圖見圖21.圖21 程序流程框圖3.5.2程序編輯#include "common.h"#include "system_MK60DZ10.h"float adcval14 = 0;float * GetConversionValue(void)/*讀取電位器數(shù)據(jù) for(int i = 0; i < 4; i +) adcvali = ADC_GetConversionValue(1, i + 4); for(int i = 4; i < 10; i

40、+) adcvali = ADC_GetConversionValue(1, i + 6); adcval10 = ADC_GetConversionValue(0, 15); adcval11 = ADC_GetConversionValue(0, 14); adcval12 = ADC_GetConversionValue(0, 13); adcval13 = ADC_GetConversionValue(0, 12); return (float *)adcval;float ADC_GetConversionValue(uint8_t ADCx, uint32_t ADCxMap) f

41、loat ADCHval = 0; if(ADCx = 0) /配置通道 ADC0->SC10 |= ADC_SC1_ADCH(ADCxMap); /等待轉(zhuǎn)換完成 /while(ADC0->SC10 & ADC_SC1_COCO_MASK) = 0); while(ADC0->SC10 & ADC_SC1_COCO_MASK ) != ADC_SC1_COCO_MASK); /while(ADC1->SC10 & ADC_SC1_COCO_MASK )= 0); ADCHval = (float)(ADC0->R0);/讀取A通道 值 AD

42、C0->SC10 &= ADC_SC1_COCO_MASK;/清除轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志 /返回ADC輸出返回結(jié)果 else if(ADCx = 1) /配置通道 ADC1->SC10 |= ADC_SC1_ADCH(ADCxMap); /等待轉(zhuǎn)換完成 /while(ADC0->SC10 & ADC_SC1_COCO_MASK) = 0); while(ADC1->SC10 & ADC_SC1_COCO_MASK ) != ADC_SC1_COCO_MASK); /while(ADC1->SC10 & ADC_SC1_COCO_MASK )=

43、 0); ADCHval = (float)(ADC1->R0);/讀取A通道 值 ADC1->SC10 &= ADC_SC1_COCO_MASK;/清除轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志 /返回ADC輸出返回結(jié)果 return ADCHval;void PWM_Setval(unsigned char dre, uint32_t PWMDuty, unsigned char cnt)/*對電位器的數(shù)字信號處理計(jì)算得到電機(jī)轉(zhuǎn)速（PWM）和方向 if(dre = 1) switch(cnt) case 1:PTD->PDDR |= (1 << 8);FTM0->CONTRO

44、LS0.CnV = (FTM0->MOD)*(PWMDuty)/1000); break; case 2:PTD->PDDR |= (1 << 9);FTM0->CONTROLS1.CnV = (FTM0->MOD)*(PWMDuty)/1000); break; case 3:PTD->PDDR |= (1 << 10);FTM0->CONTROLS2.CnV = (FTM0->MOD)*(PWMDuty)/1000); break; case 4:PTD->PDDR |= (1 << 11);FTM0-&g

45、t;CONTROLS3.CnV = (FTM0->MOD)*(PWMDuty)/1000); break; case 5:PTD->PDDR |= (1 << 12);FTM0->CONTROLS4.CnV = (FTM0->MOD)*(PWMDuty)/1000); break; case 6:PTD->PDDR |= (1 << 13);FTM0->CONTROLS5.CnV = (FTM0->MOD)*(PWMDuty)/1000); break; case 7:PTD->PDDR |= (1 << 14

46、);FTM0->CONTROLS6.CnV = (FTM0->MOD)*(PWMDuty)/1000); break; case 8:PTD->PDDR |= (1 << 15);FTM0->CONTROLS7.CnV = (FTM0->MOD)*(PWMDuty)/1000); break; case 9:PTC->PDDR |= (1 << 5);FTM1->CONTROLS0.CnV = (FTM0->MOD)*(PWMDuty)/1000); break; case 10:PTC->PDDR |= (1 &l

47、t;< 6);FTM1->CONTROLS1.CnV = (FTM0->MOD)*(PWMDuty)/1000); break; case 11:PTC->PDDR |= (1 << 7);FTM1->CONTROLS2.CnV = (FTM0->MOD)*(PWMDuty)/1000); break; case 12:PTC->PDDR |= (1 << 8);FTM1->CONTROLS3.CnV = (FTM0->MOD)*(PWMDuty)/1000); break; case 13:PTC->PDDR

48、 |= (1 << 9);FTM1->CONTROLS4.CnV = (FTM0->MOD)*(PWMDuty)/1000); break; case 14:PTC->PDDR |= (1 << 10);FTM1->CONTROLS5.CnV = (FTM0->MOD)*(PWMDuty)/1000); break; else if(dre = 0) switch(cnt) case 1:PTD->PDDR &= (1 << 8);FTM0->CONTROLS0.CnV = (FTM0->MOD)*(P

49、WMDuty)/1000); break; case 2:PTD->PDDR &= (1 << 9);FTM0->CONTROLS1.CnV = (FTM0->MOD)*(PWMDuty)/1000); break; case 3:PTD->PDDR &= (1 << 10);FTM0->CONTROLS2.CnV = (FTM0->MOD)*(PWMDuty)/1000); break; case 4:PTD->PDDR &= (1 << 11);FTM0->CONTROLS3.CnV

50、 = (FTM0->MOD)*(PWMDuty)/1000); break; case 5:PTD->PDDR &= (1 << 12);FTM0->CONTROLS4.CnV = (FTM0->MOD)*(PWMDuty)/1000); break; case 6:PTD->PDDR &= (1 << 13);FTM0->CONTROLS5.CnV = (FTM0->MOD)*(PWMDuty)/1000); break; case 7:PTD->PDDR &= (1 << 14);F

51、TM0->CONTROLS6.CnV = (FTM0->MOD)*(PWMDuty)/1000); break; case 8:PTD->PDDR &= (1 << 15);FTM0->CONTROLS7.CnV = (FTM0->MOD)*(PWMDuty)/1000); break; case 9:PTC->PDDR &= (1 << 5);FTM1->CONTROLS0.CnV = (FTM0->MOD)*(PWMDuty)/1000); break; case 10:PTC->PDDR &am

52、p;= (1 << 6);FTM1->CONTROLS1.CnV = (FTM0->MOD)*(PWMDuty)/1000); break; case 11:PTC->PDDR &= (1 << 7);FTM1->CONTROLS2.CnV = (FTM0->MOD)*(PWMDuty)/1000); break; case 12:PTC->PDDR &= (1 << 8);FTM1->CONTROLS3.CnV = (FTM0->MOD)*(PWMDuty)/1000); break; cas

53、e 13:PTC->PDDR &= (1 << 9);FTM1->CONTROLS4.CnV = (FTM0->MOD)*(PWMDuty)/1000); break; case 14:PTC->PDDR &= (1 << 10);FTM1->CONTROLS5.CnV = (FTM0->MOD)*(PWMDuty)/1000); break; void M_PWM_output(void) for(int i = 0; i < 15; i +) if(adcvali >= 2048)/正 adcvali = adcvali - 2048; PWM_Setval(1, adcvali, i); else/反 adcvali = 4096 - adcvali; PWM_Setval(0, adcvali, i); void main(void)/*主函數(shù)（包括初始化、采集信號和處理信號） DisableInterrupts(); /* 關(guān)閉總中斷 */ SystemClockSetup(ClockSour