自动盖章机的设计与制作毕业论文

2016 年度本科生毕业论文（设计）自动盖章机的设计与制作院 系： 工学院机械系 专 业： 机械工程及自动化 年 级： 2012 级 学生姓名： 学 号： 导师及职称： 2016 年 4 月2016Annual Graduation Thesis (Project) of the College Undergraduate Design and manufacture of automaticstamping machineDepartment: Mechanical Engineering Department, College of EngineeringMajor: Mechanical Engineering and AutomationGrade: 2012Students Name: Student No:Tutor: Professor Finished by April, 2016Comment vcx1: 上传电子文档作者和指导教师处不用签名、日期不填。Comment vcx2: 上传电子文档作者和指导教师处不用签名、日期不填。毕业论文（设计）原创性声明本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 日期： 毕业论文（设计）授权使用说明本论文（设计）作者完全了解红河学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定，学校有权保留论文（设计）并向相关部门送交论文（设计）的电子版和纸质版。有权将论文（设计）用于非赢利目的的少量复制并允许论文（设计）进入学校图书馆被查阅。学校可以公布论文（设计）的全部或部分内容。保密的论文（设计）在解密后适用本规定。 作者签名： 指导教师签名：日期： 日期： Comment vcx3: 表中各项信息按此模板填写全。杨榆 毕业论文（设计）答辩委员会(答辩小组)成员名单姓名职称单位备注王鸿钧教授红河学院工学院机械系组长张文斌教授红河学院工学院机械系成员苏艳萍副教授红河学院工学院机械系成员俞利宾工程师红河学院工学院机械系成员Comment vcx4: 按此模板书写。Comment vcx5: 按此模板书写摘摘 要要通过观察发现，目前很多部门盖章都是靠人工，印泥盖章的机器还未出现在人们的盖章生活中。经过了解，对于小的部门盖章的次数少，盖的数量也不是很多，所以盖章累没有体会。但是对于盖章多的部门如学校、政府机关等每年都要盖成百上千的章，靠人工来盖印是一件很辛苦的事情，而且长时间的盖章印使人劳累，导致有搓章的现象。为了解决这一问题，结合单片机、机械原理、机械设计等知识设计出了能代替人工的自动盖章的机器。本装置由 12V 电源驱动，组成包括单片机、A4988 驱动板、步进电机、光轴、铝齿轮、轴承支座、传送带、Ramps1.4、2020 型方铝轨道、滑块、角铝、光轴固件、印章夹具等。通过对单片机编写 Arduino 言驱动程序，控制步进电机正反转，调节步进电机的转速，与电机相连的铝齿轮传动给同步带带，带动与之相连的滑块，使印章上下移动，与由步进电机带动的印泥配合，从而实现自动盖章的功能。该设计在使用之前，在控制板内写好参数，根据需要，可以调节电机的速度，在盖章的初期使用者在体力充沛的情况下，可以根据适合的自己的速度来设定参数。在印泥不是太充分的情况下，可以调节印章的下降距离，来间接的加大对文件的压力，从而盖出清晰的印章。在底板上有一个适合的空间，使用者可以灵活自由的来调节放置文件的位置。开启机器，只用调好要盖章印的位置，使用者只需放拿文件，盖章机就可以盖出清晰的章印。文章介绍了国内外发展状况、选题的意义、基本的设计思路。提出设计的基本要求选定动力原件对机械各项装置进行外观设计。本文还对控制系统进行简单介绍，对机器控制部分的程序编写、调试，对部分重要的程序进行了注释、说明，电路部分的线路设计，线的尺寸的选择、实物的展示。且对本次毕业设计的创新点进行了简要说明。关键词：关键词：自动化；编程；步进电机；Arduino 单片；同步带送带ABSTRACTThrough the observation found that at present many departments seal is by artificial, inkpad seal machine has not yet appeared in the people of the seal life. After understanding, the number for a small department seal, cover the number is not a lot, so tired of no stamp. But for seal many departments such as schools, government offices, etc. every year to cover hundreds of chapters, rely on artificial to seal is a very hard thing, and for a long time stamped printed fatiguing, resulting in Chapter rub phenomenon. In order to solve this problem, combined with SCM, mechanical principle, mechanical design knowledge is designed to replace the manual automatic sealing machine. The device by the 12V power supply driven, is composed of MCU, the a4988 drive plate, a step into the motor, axis, aluminum gear, bearing, conveyor belt, Ramps1.4, 2020 type aluminum rail, a slide block, a aluminum angle, optic firmware, the clamp seal etc. Through of the MCU writing Arduino said driver, control of stepper motor of positive rotation, reverse rotation, adjusting the step motor speed, is connected with the motor of the aluminum gear transmission to synchronous belt, driven by connected with the slider, move the seal, and with inkpad is driven by a step motor, so as to realize the automatic sealing function. The design before use, in the control board written parameters, according to need can adjust the motor speed in sealed early adopters in stamina can according to a suitable own speed to set parameters. In inkpad is not too full, you can adjust the seal drop distance to indirectly increase the pressure on the file, so as to build a clear seal. There is a suitable space on the floor, the user can freely adjust the location of the file placement. Open the machine, only a good tune to stamp printing position, the user only needs to put and get the file stamp machine can cover a clear stamp.This paper introduces the development of domestic and international situation, the significance of the topic, the basic design ideas. The design of the basic requirements of the original design of the mechanical components of the mechanical design of the device. The of the control system were introduced, to machine control Comment vcx6: 按此模板书写part of the program writing and debugging, the important parts of the program of annotation, explanation, part of the circuit of the circuit design, the selection of the size of the line, the kind of show. And a brief description of the innovation of this graduation project.Keywords: Automation; programming; stepping motor; Arduino single chip; synchronous belt conveyor目 录1 绪论.11.1 选题目的及意义.11.2 国内外的发展现状.11.3 设计思路.21.3.1 系统功能描述.21.3.2 系统组成.31.3.3 整体结构方案.31.4 本设计的主要内容.42 系统结构设计.62.1 设计要求.62.2 盖章机升降台的设计.62.2.1 印章升降台的设计方法.62.2.2 印章升降台各部件的具体外观尺寸设计.72.3 升降台左右移动工作平面的设计.102.3.1 升降台左右移动工作平面的设计方法.102.3.2 升降台左右移动工作平面部件的具体外观尺寸设计.102.4 印泥左右移动工作平面的设计.132.4.1 印尼左右移动工作平面的设计.132.4.2 印尼左右移动工作平面部件的具体外观尺寸设计.132.5 机架的设计.142.5.1 机架的设计.142.5.2 机架部件的具体外观尺寸设计.142.6 同步带轮和同步带传动机构的设计.162.6.1 同步轮设计.162.6.2 同步带传动的方案.182.7 电机的选择.192.7.1 电机的分类.192.7.2 直流电机与步进电机的比较.192.7.3 装置电机的最终选定.192.8 整机装配图.203 控制系统.213.1 单片机.213.1.1 单片机简介.213.1.2 Arduino 单片机编程软件 .243.1.3 单片机烧录软件.253.2 程序的编写.253.2.1 软件的使用.253.2.2 代码的书写.264 盖章机控制代码和注释.285 实物制作.316 结论.336.1 全文总结.336.2 创新点及展望.33参考文献.34附 录.35致 谢.361 绪论绪论1.1 选题目的及意义选题目的及意义 当今所处的时代是一个科技飞速发展的时代，企业与企业之间的竞争，国家与国家之间的竞争就是科技的竞争。经济竞争转向为科技创新的竞争。科技的创新程度体现着一个国家在当今社会的发展速度。决定着整个国家的经济发展，和人民的劳动力是否得到真正意义上的解放。总之，科技创新是经济发展的第一生产力，是解放人民体力劳动的关键所在，提高创新能力关系着国家的安定，的富强。随着工业的不断发展，逐级深化，经历了 1.0 到 3.0 的转变。从 18 世纪 60年代至 19 世纪中期的机械设备制造时代，到 19 世纪后半期至 20 世纪初的电气化与自动化时代，再到 20 世纪 70 年代开始并一直延续至现在的信息化时代，人们所用的机器越来越容易操作和控制。自动化设备已经大量进入人类的生活，但是在不为人醒目的盖章方面没有太多的自动化设备来解放劳动者的体力。通过大学四年的学习、生活中感受到学校招就处老师们手动盖章的辛苦，每年4000-5000 份的录取通知书和就业推荐表需要盖章，这给招就处的老师们带来了很大的工作量。招就处的工作人员只能手动盖章，消耗体力工作繁琐，经常出现搓印的现象，使盖出的张印模糊，给招生工作带来了极大的麻烦。为了解决这一问题，结合大学四年所学的机械原理、机械设计、单片机等的专业知识，经过研究，设计出一款自动盖章的机器。该机器大大减低了盖章的劳动强度，为招就事业缩短了盖章周期，避免了搓章现象的发生。以此同时通过该盖章机的研究和制作很好的检验了大学四年到底学到了多少知识，锻炼了动手能力。同时希望这个机器越来越成熟，能帮到越来越多需要的人。1.2 国内外的发展现状国内外的发展现状印章最早出现在春秋战国以前，直至今日已经有几千年的历史。它在中国乃至世界都有不可替代的作用，从古代的玉玺，官印，到现在人们用的木印都属于印章。盖章的技术从古至今大多是人工手动盖章，没有太多的变化。盖章分为两类，一类是盖钢印的。一类是盖印泥的。在 20 世纪 3040 年人们对钢印印章有了需求，才慢慢出现了钢印的印章机。随着科技的进步，钢印的印章机也在不断的变化，但是工作原理基本是一样的，没有太大的变化。到当代出现了击打打印机，由于本身属于专用的击打打印机，所以功能和使用范围都受到了一定限制，没有太大的变化。而盖印泥章印的机器出现的很少。目前世界上有名的盖章机有美国 HEDMAN 海德曼 EDP-PLUSIN 自动连续盖章机、德国 Reiner 自动盖章机等，这些都是击打式盖章机。SEAL-A 型电子自动盖章机，是印泥盖章机，是目前可以查到的销售的盖章机。钢印盖章机的种类也不是太多。印章在国内出现的很早，但在盖章技术方面，技术比较单一，大多是人工手动盖章。目前市场上主要有两种形式的自动盖章机，自动钢印盖章机、击打自动盖章机。这两种自动盖章机的优点是安全、智能化。共同的缺点是，功能单一，效率低，灵活性不够高。 图 1-1 击打式 图 1-2 升降钢印式1.3 设计思路设计思路 1.3.1 系统功能描述该机器通过载入程序到 Arduino Mega 2560 R3 与 Ramps 1.4 叠加板，控制42 步进电机的正反转，转动的先后顺序，转动的圈数，转动的快慢。步进电机与铝齿轮相连，通过传送带把动力传到滑块，带动印章上下移动。在配合带动印泥的电机，从而实现自动盖章的功能。其工作的流程图如图 1-3 所示：图 1-3 自动盖章装置系统 1.3.2 系统组成 自动盖章机系统主要由动力系统、机身结构、控制系统三部分构成。 1.动力系统动力系统由步进电机、铝齿轮、传送带和滑块。 2.机身结构机身结构包括盖章机支架、印泥放置滑板、轴承座、滑轮、光轴、滑块、电机支座、光轴紧固件构成。 3.控制系统控制系统包括 Arduino Mega 2560 R3 板、Ramps1.4 板、控制电路、控制程序。 1.3.3 整体结构方案 如图 1-4 所示，在工作台面上装有步进电机，步进电机的轴端装有铝齿轮，铝齿轮通过齿型传送带与光轴上的滑块相连，印章与滑块由连接筒相连。侧面的电机和印泥基座由齿条连接。Arduino 控制板编译下载程序通电后自动控制电机的正反转和转动的先后顺序。在 Arduino 控制板编译好电机 X、电机 Y、电机 Z 的运转顺序。设置为电机 X、Y 同时同向同速度先转动，从而带动印章上下往复运动。侧边的印泥与齿条连接由电机 X 驱动，在滑槽左右往复运动。通过三个电机的启动停止的先后顺序的配合实现印章蘸印泥、盖章的动作，从而达到自动盖章目的。图 1-4 自动盖章机系统结构1.4 本设计的主要内容本设计的主要内容本设计主要完成适用于招生就业处盖章的自动盖章机及整机所有的零件的设计、改装和组装，同时对自动盖章机的控制系统进行程序编译和参数调试设置，最终实现自动盖章的功能。主要的内容如下：1对需求者进行调研，总结。2拟定设计方案，并对方案进行优化改进，选定最终方案。3对自动盖章机的系统拟工作结构进行设计，主要是装置框架与线路布局的设计。4对自动自动盖章机控制部分进行编程，完成单片机与电机的组装连线。5对电机驱动的电流调试。6对组装好的自动盖章机进行总体的安装调试，确保完成盖章任务。7长时开机，调试，确保盖章机的稳定性。在设计制作过程中如何通过计算选择合适的电机，如何编写 Arduino 语言程序实现对盖章机的自动控制，等重点问题是需要解决的。本设计中的难点很多，具体如下：1设计结构紧凑，质量轻便的装置机身。2控制装置自动运行的 Arduino 语言程序的编写。3不同方位的电机怎样紧密的配合，是盖出的章没有搓印。4印章怎样由电机多次间接传动后垂直下压。5印泥怎样精准的左右往复移动，它传动的部件怎样选择。2 系统结构设计系统结构设计2.1 设计要求设计要求本设计盖章装置要求体积小，外观漂亮，并且能托起质量为 50g 的铜印章，所以选择了垂直下压机构。根据招就处的所需盖的纸张的大小。暂时定位A3、A4 两种纸张的长宽规格即 A3：297*420mm A4：210*297mm，并购买实验板。为了保证印章的垂直升降，选择配套的光轴和滑块。为了使盖的印章章印明显，要选择弹性适中的印垫。该设计现在用的印章形状有长方形和圆形的两种，所以在选择印章的夹具上，经过多次选择材料，夹具定为，圆形内孔，两边有紧固螺母。该设计设计了盖章机的机械部分主要由印章升降台、升降台左右移动工作平面、印泥左右移动工作平面、机架。2.2 盖章机升降台的设计盖章机升降台的设计2.2.1 印章升降台的设计方法针对学校招就处的公章的大小来设计升降台的长宽。红河学院的校章是直径为 40mm，高为 60mm 带柄的圆柱体。在生活中或多或少都接触过章，大家都知道在盖章的过程中不是轻轻的压一下就能盖出清晰的章印，需要有一定的下压力，才可以盖出清晰的章印。在设计的时候，就设计了一个升降台机构，实现印章上下运动。手动盖章会出现搓章的现象，这一现象的出现是因为在盖章的过程中印章没有达到垂直升降的功能，在提起印章的时候手左右的摆动造成的。在现实生活中可以实现升降的机构很多，如凸轮连杆机构、螺杆螺纹块机构等。凸轮机构在运动时，摆动幅度较大，不利于实现印章的垂直升降，且震动较大，会影响盖出章印的质量。螺纹螺纹块机构，进给速度受限，虽然可以达到精准进给，但是，耗时长，能量消耗多。即使选择可以变速的电机带动，高速旋转电机容易产生热量，使电机发烫。学校里盖录取通知书，就业协议，不只是一两份。长时间的工作会造成电机线路烧坏，从而影响到学校的招就工作。综合上述考虑到要准确的控制印章的升降，而且造价经济实惠。该设计选择了同步带轮传动，光轴滑块机构。电机给驱动力，同步带轮传动，通过电机的正转反转，控制印章的上下移动。2.2.2 印章升降台各部件的具体外观尺寸设计 在该设计中印章升降台主要由轴承支座、滑动轴承滑块、光轴、印章连接座、印章连杆组成。（1）轴承支座具体外观尺寸设计 经过测量印章的直径为 4cm，为了使印章有一个合适的升降平面，把尺寸拟定为，8cm*6cm 的平面。平面是由 4 根光轴撑起的俯视截面。所以选择孔心间距为 6cm 的轴承支座来固定。轴承支座分别安装在光轴的两端，起到固定两光轴间距的作用，在设计中用到 4 个轴承支座。由此得出轴承支座的形状与具体尺寸如图 2-1 所示 ：(a) 模型图(b) 设计尺寸示意图图 2-1 轴承支座示意图（2）滑动轴承滑块具体外观尺寸设计该滑块是由两个滑动轴承筒通过金属板连接成的，摩擦是不可避免的，在设计时，为了尽可能的减低摩擦，选择了滚动摩擦。为了方便安装同步带，在该设计上，设计了三个不同规格的方孔，小的方孔是用于与同步带固定，大的孔是便于调节同步带（同步带会在后文做详细介绍）。两轴承筒内安装的是滚子轴承，这样的设计不仅可以减小摩擦，而且可以保证印章达到垂直升降，在设计中用到 2 个滑块。由此得出滑动轴承滑块的形状与具体尺寸如图 2-2 所示：(a) 模型图(b) 设计尺寸示意图图 2-2 轴承支座示意图（3）光轴具体外观尺寸设计 在该设计中，考虑到盖章机的外形尺寸协调，美观，印章跟底板的距离拟定为 35cm，为了保证印章的活动灵活，把光轴的距离定为 50cm，该设计中用到 4 根光轴。由此得出光轴的形状与具体尺寸如图 2-3 所示：(a) 模型图(b) 设计尺寸示意图图 2-3 光轴示意图（4）印章连接座具体外观尺寸设计 印章连接支座是用在把两个滑块连接起来，衔接印章连杆的机构。印章的直径为 4cm，因此选择连接座的连接柱直径为 3cm。3cm 直径的圆柱，两机构的接触面积，这样增加了连接杆的稳定性。连接座上还有连接的螺孔，用膨胀螺丝来连接连接杆。由印章的直径把印章连接座的长和宽定为 20*60cm。为了加工方便选择了易加工的铝合金。由此得出印章连接座的形状与具体尺寸如图2-4 所示：(a)模型图(b) 设计尺寸示意图图 2-4 印章连接支座示意图（5）印章连杆具体外观尺寸设计 为了在使用盖章机时，方便使用者手的活动，把底板与滑槽之间的距离定为 20cm。印章在盖印时必须与底板接触，所以把印章连杆的长度定为 30cm。直径 4.5cm。远离连接支座的一端为是带孔的圆柱筒，孔是拧螺柱固定印章的。为得到适合该设计的连杆，选择了亚克力圆柱作为材料。由此得出印章连杆的形状与具体尺寸如图 2-5 所示：（a）模型图(b) 设计尺寸示意图图 2-5 印章连杆示意图2.3 升降台左右移动工作平面的设计升降台左右移动工作平面的设计2.3.1 升降台左右移动工作平面的设计方法针对不同的文件所需要盖的章印的位置不同。印章在文件上的前后位置可以通过调节文件的前后位置来调节，但是，印章在文件上的左右位置也不是固定。要实现盖章机的多位置盖章，就需要设计一个可以左右移动的工作面，来实现盖章机的多方位运作。通过日常生活中的观察，这样的机构很多。例如滑板在滑槽中的移动、方形滑块在光轴上的滑动等。为了美观选择了 2020 型的铝合金与铝合金板的配合作为升降台左右移动工作平面的机构。2.3.2 升降台左右移动工作平面部件的具体外观尺寸设计在盖设计中升降台移动工作平面由 2 根 2020 型铝合金、4 个光轴固件、2个电机支座、2 块铝合金滑板组成。（1）2020 型铝合金具体外观尺寸设计2020 型的铝合金有两种，一种是截面为 20*20mm 侧面无槽。另一种也是20*20mm 但是侧面有槽。为了在组装时与铝合金滑板配合，所以选择后者。在招就处，需要大量盖章的纸型为 A3 的录取通知书，A4 的就业协议就业推荐表，A3 、A4 的纸张的边长分别为 297*420 mm 和 210*297mm ，所以把 2020 型的铝合金长度定为 350mm，这样就可以满足这两种纸张的多方位的盖章。由此得出 2020 型铝合金形状与具体尺寸如图 2-6 所示： （a）模型图 （b）设计尺寸示意图图 2-6 2020 型的铝合金示意图（2）光轴固件具体外观尺寸设计设计中为了把升降台和升降台移动工作平面连接起来，选择了光轴固件。固件为铝合金材质，和设计的升降台配合更加美观。光轴固件是跟光轴配套的，所以光轴固件形状与具体尺寸如图 2-7 所示： (a)模型图 (b) 设计尺寸示意图 图 2-7 光轴固件示意图（3）电机支座具体外观尺寸设计电机作为整个机器的传动部分一个稳固的支座的必须的，为了托起滑块、印章连接杆、印章连接支座、印章的重量需要选择合适的电机（电机的选择在后文有详细的介绍）电机支座和电机是配套的。电机支座的形状与具体尺寸如图 2-8 所示：(a)模型图(b) 设计尺寸示意图图 2-8 电机支座示意图（4）铝合金滑板具体外观尺寸设计滑板的设计，为了满足升降台的左右移动，需要设计一个可以安装升降台的工作平面，在该平面上要安装光轴固件、电机支座，要打孔为了便于加工，选择了铝合金板。根据光轴之间的距离，安装固件和电机支座的空间，把每块铝合金滑板尺寸定为 150mm*100mm。因此铝合金滑板形状与具体尺寸如图 2-9所示： (a) 模型图 (b) 设计尺寸示意图图 2-9 铝合金滑板示意图2.4 印泥左右移动工作平面的设计印泥左右移动工作平面的设计2.4.1 印尼左右移动工作平面的设计盖钢印章和盖印泥章最大的区别就是，在盖印泥章的过程中需要不断的沾印泥。要设计一个自动盖印泥章的机器就必须解决自动沾印泥这一问题。在生活中在盖印泥章的时候，不沾印泥的话，后面盖出来的章就会清晰。在升降的设计中已经解决了自动下压的问题，是通过印章的自动往复升降来实现的盖章的，要实现印章蘸印泥需要配合印章的上下往复运动。把印章的上下运动分为两个动作做，一组是蘸印泥；一组是盖章。在第一组动作中印章向下移动时，设计与之配合的印泥左右移动，就可以实现自动蘸印泥的动作，配合升降台的运动就完成了自动盖章机的一组盖章动作。要实现印泥的左右移动，需要一个托盘托住印泥盒，在通过同步装置来带动。在生活中有很多这样的装置，例如同步带轮、齿轮齿条等在该机器初设计中选择的是齿轮齿条。2.4.2 印尼左右移动工作平面部件的具体外观尺寸设计印泥左右移动工作平面由 2 根 2020 型铝合金、1 块铝合金托板、齿轮齿条组成。（1）2020 型铝合金具体外观尺寸设计在该部分需要的 2020 型铝合金和上述的类型一样，该类型的铝合金符合设计的需要，而且安装方便，美观，尺寸形状同上所述。（2）铝合金托板具体外观尺寸设计铝合金托板是用来托住印泥盒的，在设计中选择了直径为 8cm 的圆盘印泥盒，要盛放这样面积的印泥盒，就必须选择比这个面积大的托盘。而且要和上述的升降台移动平面匹配所以把托盘的尺寸定为 15cm*10cm。因此铝合金托盘形状与具体尺寸如图 2-9 所示： (a)模型图 (b) 设计尺寸示意图图 2-10 铝合金托板示意图（3）齿轮齿条具体外观尺寸设计齿轮齿条是印泥左右移动工作平面的传动部分，在后文有详细的设计说明。2.5 机架的设计机架的设计 2.5.1 机架的设计机架是整个外形设计的主要设计部分。在该设计中根据需要盖印纸张的大小，把底板的尺寸的定为 30cm*35cm（1 块），侧板的尺寸定为20cm*25cm（2 块），为了加工的方便和需要强度的考虑，在该设计中选择了铝合金板，机架的连接件选定为 2020 型角铝。在机架安装电机和 2020 型方铝，需要在底板和侧板上打上孔。2.5.2 机架部件的具体外观尺寸设计机架由 1 块底板、2 块侧板、4 个角件组成。（1）底板的具体外观尺寸设计底板是放置盖印文件的地方，考虑到常用的盖印章文件的大小为 A4、A3纸，所以底板的形状与具体尺寸如图所示 2-11 所示： (a) 底板模型图 (b) 底板设计尺寸示意图图 2-11 底板示意图（2）侧板具体外观尺寸设计侧板上需要安装电机和其他部件，所以在安装的位置上需要打孔。需要加工，这也是在设计中选择铝合金的原因。两块侧板需要安装的部件不同，外形也不一样。侧板的形状与具体尺寸如图 2-12 所示： (a) 左侧板模型图 (b) 左侧板计尺寸示意图 (c) 右侧板模型图 (d) 右侧板模计尺寸示意图图 2-12 侧板示意图（3）机架连接件具体外观尺寸设计在市场上没有刚好合适该设计的连接件，需要加工。具体的具体外观尺寸设计如图 2-13 所示： (a)连接件模型图 (b) 连接件计尺寸示意图图 2-13 机架连接件示意图2.6 同步带轮机构的设计同步带轮机构的设计2.6.1 同步轮设计同步轮一般由钢、铝合金、铸铁、黄铜等材料制造。内孔有圆孔、D 形孔、锥形孔等。在盖章机的设计中，印章需要上下运动，由于印章和连接轴质量大，有 1kg，在下压的过程有一定的惯性，如果选择轴传动，会引起大的震动，不利于机器的长时间的使用。同步带轮有以下特点：1能准确传动，工作时没有滑动，传动比恒定；2平稳传动，具有减震、缓冲的能力，低噪声的特点；3高效率传动，可达 0.98，有明显的节能效果；4维护便洁、维护方便，不需润滑，维护费用低；5具有大的速比范围，一般为 10，线速度能够达到 50m/s；6无污染,在不允许有污染和工作环境较为恶劣的场所下也能正常工作。 经过综合考虑拟定同步带轮为盖章机升降台的传动机构。在拟定中不需要大的转数，所以把同步带轮机构拟定为如图 2-14 所示：图 2-14 同步带轮机构由图 2-2 可知两根光轴间的距离为 60mm，所以选定同步轮的直径为12mm。齿顶圆直径就为 12mm。齿轮在运动过程中不需要太大的力所以通过查表 2-1 确定（模数根据齿轮受力情况和结构需要确定，选取标准值）。由下图2-15 可直观的看出齿轮的各个参数之间的关系。图 2-15 模数根据齿轮受力情况和结构表 2-1 标准模数系列（GB/T 1357-2008）通过查表把齿轮模数定为 1。为了便于齿轮设计和制造而选择的一个尺寸参考圆称为分度圆。设计中把分度圆直径定为 10mm。 根据 分度圆直径 d d=mz； 齿顶高 ha ha1=ha2=ha.m； 齿根高 hf hf1=hf2=（h+c）m； 齿全高 h h1=h2=(2ha+c) m； 齿顶圆直径 da da1=(z1=2ha) m； 齿根圆直径 df df1=（z1-2ha-2c）m； 基圆直径 db db1=d1cosa； 齿距 p p=m； 模数 m m=p/ ； 把 m=1 ；d=10mm ；da =12mm 带入，求得 z =16 ；其齿轮模型如下图尺寸示意图如 2-16 所示： 第二系列1.125111.3751.752.252.753.54.55.56.571418222835459 第一系列1121.251.522.53451620253240506810180 (a)铝齿轮模型图 (b) 铝齿轮尺寸示意图示意图图 2-16 铝齿轮示意图2.6.2 同步带传动的方案同步带综合了齿轮传动和带传动的优点发展起来的传动带。它由齿形的一工作面与齿形轮的齿槽啮合进行传动，其强力层是由高拉伸强度、小伸长的金属材料或纤维材料组成，通过这样使同步带在传动过程中节线长度基本保持不变，带轮与带之间在传动过程中没有滑动，这样保证主动轮、从动轮间呈无滑差的同步传动。同步带传动具有准确传动比，对轴作用力小，紧凑结构，耐磨性好，耐油，抗老化性能好，一般使用温度-2080，v50m/s，P300kw,i10,对于要求同步的传动也可用于低速传动。 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、链和齿轮传动的所有优点。传动过程中，通过带齿与轮的齿槽相啮合来传递动力。同步带传动具有传动比准确，无滑差，能获得恒定的速比，平稳传动，能吸振，小噪音，大范围传动比，一般可高达 1:10。允许线速度可达 50M/S，功率传递从几瓦到几千瓦。高传动效率，一般可达97%，紧凑结构，能够适用于多轴传动，不需要润滑，没有污染。同步带的特点：(1)、准确传动，无滑动工作，传动比是恒定的 ；(2)、平稳传动，具有减振、缓冲能力，低噪声；(3)、高效率传动，传动效率可高达 98%，节能明显； (4)、维护便洁，保养方便，不需要润滑，维修护理费用低；(5)、大的速比范围，一般能达到 10，线速度能达到 45m/s，功率传递范围较大，可达几瓦到几百千瓦； (6)、能适用长距离传动，中心距可达 10m 以上。根据盖章时，章印需下压的高度，把同步带的长度定为 500mm。同步带的其他参数和同步带轮的配套。其齿轮如下图 2-17 所示。图 2-17 同步带示意图2.7 电机的选择电机的选择经对制作的实物测试，若要驱动阻力为 10N 的升降台，电机的驱动力至少为 12N。2.7.1 电机的分类目前市面上的微型电机依据控制原理不同可分为两大类，直流电机和步进电机。直流电机只要加上电压就能运转，且运转的方向和电压方向有关。步进电机是将脉冲信号转变为角位移或线位移，运转方向受脉冲影响，可通过编程和相应的驱动器进行精确控制。2.7.2 直流电机与步进电机的比较（1）直流电机的优缺点直流电机的优点是调速性能优越、抗过载能力好、热动和制动转矩大等。（2）步进电机的优缺点步进电机的优点是控制精度高、转速范围宽、可靠性高、起停和翻转响应好；缺点是控制复杂、转矩较小、转速不高、易产生共振。2.7.3 装置电机的最终选定本装置对电机的要求是精确控制旋转角度，易控制其正反转，可靠性高，电压较低，重量较轻，综合以上考量，最终确定电机为 42 型步进电机，其详细参数如表 2-2：表 2-2 电机参数电压电流步距角相数电阻电感7.8V1.5A1.825.2109.0mH20静力矩定位力矩绝缘电阻绝缘等级转动惯量重量4.0kgcm150gcm500VDC100MB57gcm0.24kg电机的三维尺寸如下图所示：图 2-18 电机尺寸示意图同步带轮的的传动效率高，与齿轮配合，足够驱动，使印章升降台，快速，高效的上升和下降。2.8 整机装配图整机装配图根据以上设计的零件可装配出以下装配图：1.轴承座；2.滑块；3.光轴；4.42 步进电机；5.光轴固定件；6. .2020 铝合金型材铝合金方管角铝；7.底座；8.连接角件；9.铝齿轮；10.铝齿条；11.步进电机支座；12. 印泥托盘；13.印章固定件；14.齿型传送带；15.连接筒；16.中心连接块；17.轴承图 2-19 整体装配图在生活中完成一次盖章，需要两个动作，一是沾印泥，二是盖章。为了实现这个动作，在设计中通过步进电机的传动，由两个步进电机带动印章的上下运动，由左侧的电机带动印泥左右运动。通过 Arduino 板控制印章和印泥的运动顺序，来完成沾印泥和盖章的动作，从而实现自动盖章的功能。3 控制系统控制系统控制系统主要由；Arduino 单片、4988ET 驱动、跳线帽、Ramps1.4 控制板，实现对自动盖章机的调试和控制。3.1 单片机单片机Arduino 单片机是整个控制系统中执行元件的“大脑”元件，怎样控制步进电机的转动速度、转动方向、启动顺序等，因此在控制系统中选择单片机是非常重要的一环。 3.1.1 单片机简介单片机，全称单片微型（英语：Single-Chip Microcomputer），又称微（Microcontroller）。单片机最早诞生于 1971 年，目前经过 44 年的发展已经由最早的裸机开发使用发展到如今的拥有嵌入式操作系统的高级单片机。单片机拥有系统结构简单、低功耗、快速度、高可靠性、低廉价格等的优点。单片机在发展过程中产生了许多种类，STC、PIC、EMC、ATMEL 等都是常见的单片机。单片机通常用于工业控制、家电控制、网络设备、汽车电子等方面，现在有很多的产品都晕了单片机来做控制，例如：智能家居、智能小车等自动化产品，都运用了单片机。该板支持 USB 供电和电源供电，在供电方面节约了很多的时间。本装置中依据成本、可靠性、实用性选定 Arduino Mega 2560 R3 单片机作为装置控制系统的“大脑”。单片机实物图如图 3-1 所示、内部图及引脚图如图3-2 所示：图 3-1 Arduino Mega2560 R3 单片机实物图图 3-2 Arduino Mega2560 R 单片机引脚 为了步进电机的链接方便，除了需要单片机外，单片机的扩展板 Ramps1.4也是必不可少，Ramps1.4 板的简介如下：Ramps1.4 英文名称为（RepRap Arduino Mega Pololu Shield）。它设计的目的是用低成本在一个小尺寸电路板上的集成 Reprap 所需的所有电路接 RAMPS连接强大的 Arduino MEGA 平台，并拥有充足的扩展空间。除了步进电机驱动器接口外，RAMPS 提供了大量其他应用电路的扩展接口，RAMPS 是一款更换零件非常方便，拥有强大的升级能力和扩展模块化设计的 Arduino 的扩展板。实物如图所示 3-3 所示，内部电路如图 3-4 所示：Arduino 的扩展板（Ramps1.4）的特点：（1）全开放的模块化设计：所有硬件资源对用户开放，随心所欲搭配，硬件软件不会出现束缚的情况。不仅可以学习软件，而且能更好的深入的了解硬件。 （2）强大的电路配备：集成了基本上所有单片机应用中可能会遇到的功能模块部分，不必去找其它零件便能完成开发任务。 图 3-3 Arduino 的扩展板（Ramps1.4）图 3-4 Arduino 的扩展板（Ramps1.4）内部电路图Arduino Mega2560 R3 和 Ramps1.4 叠加板在控制步进电机时还需要驱 动。在设计中选择 4988ET 驱动模块，4988ET 的简介去下：该 A4988 是一个完整微电机驱动器与内置转换器,易于操作.它设计操作双极步进电机在全,半,1/4,八分,及 1/16 步进模式,具有高达 35 V 和2 A.输出驱动能力。A4988 的包括一个固定关断时间电流调节器,它可在慢或混合衰减模式下工作能力。4988ET 的实物如图 3-5 所示：A4988 的特点：（1）一个步进中输入一个脉冲就可以驱动步进电动机产生微动，没有相序表,也没有高频率控制线,或复杂的界面；（2）该 A4988 界面适用于复杂微处理器；（3）在 A4988 斩波控制可自动选择电流衰减模式； （4）在混合衰减模式下，设备初始设置为一个快速衰减为固定关断时间比例,然后以缓慢衰变对关断时间剩余时间；（5）.混合衰减电流控制能减少可听到电动机噪音,增加步进精度,并降低功耗。图 3-5 驱动 4988ET3.1.2 Arduino 单片机编程软件 Arduino 使用起来要比其他微处理器更易懂，与 Basic Stamp 有些相似，Arduino 的编程语言更为人性化和简单，Arduino 编程语言基于 C 语言，但其实用性要远高于 C 语言，主要由于它将一些常用语句组合函数化。大学中学习的编程语言很少，对于机械的学生编程的地方也很少，现在做毕业设计是一个把机械和编程结合在一起的最好的实践机会。就 Arduino 而言编程有两种形式，工作界如下。直接编译式如图 3-6 所示编译软件 arduino-1.0.6。按钮拖动式如图3-7 所示编译软件 EDUarduino2.0。图 3-6 直接编译式界面图 3-7 按钮拖动式界面对于编程不熟悉的同学建议使用后者。 3.1.3 单片机烧录软件 arduino-1.0.6 软件编写好的 arduino 语言程序可以直接校验。调试校验后没有问题，直接下载到 Arduino Mega2560 R3 中。在 arduino-1.0.6 软件中还有相应的库文件，可以直接调用，为编写者节约了时间，并且减少了出错的概率该软件 arduino-1.0.6 有绿色版，不需安装，直接运行就可以开始编译。对于EDUarduino2.0 编程软件，由图（3-4）可以直观的看出，在 EDUarduino2.0 的编写界面里有直观的拖拽按钮。编写时，理清楚思路，根据需要，直接拖拽相应的按钮，这样给编程带来极大的方便，降低了编译过程中出错的概率。但在运用编写时，不足的地方是，库里面的按钮不是全面的，有的指令也需要输入放入方式来编写。需要添加复杂指令时，把按钮转化成代码的形式，就可再次编译。操作如图 3-8 所示。图 3-8 代码转换按钮界面3.2 程序的编写程序的编写 3.2.1 软件的使用直接打开 arduino-1.0.6 安装包，运行快捷方式。软件运行，编程文件的新建。如图所示 3-9 所示： 图 3-9 运用界面在 arduino-1.0.6 软件中它自带了一些库文件，在编写控制步进电机的程序时，可以直接调用。调用的界面如图 3-10 所示：图 3-10 库的调用界面3.2.2 代码的书写 在编写需要的控制代码前，对要实现的功能要有清晰的思路。为了直观的看出，画出功能图很关键，它可以引导怎样写代码，不至于在书写的时候，遗忘要实现的功能。一下是在设计中电机动作结构图，如图 3-11 所示：图 3-11 电机动作结构图在编写代码的时候，对编译程序需要有所了解。Arduino 的函数结构：1、声明接口名称及变量（int val;int ledPin=13;）；2、setup()函数在程序开始时使用，可以初始化变量、接口模式、启用库等（例如：pinMode(ledPin,OUTUPT);）；3、loop（）在 setup()函数之后，即初始化之后，loop() 让你的程序循环地被执行。使用它来运转 Arduino。基本指令的了解，一下是在设计时所用到的 Arduino 的指令，和标标注解释，是在编写程序时，必须了解的。步进电机是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，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。脉冲信号对控制步进电机很关键，了解脉冲信号的构成，便于调节步进电机的转数，转动方向。脉冲信号，脉冲波，如下图 3-12 所示：图 3-12 脉冲程序中参数的设置。在该设计中规定步进电机的正转的脉冲信号（low-high-low）；反转的脉冲信号为（high-low-high）。转数的控制，步进电机在转一圈时 i=3000，转的圈数就按圈数乘以 3000.例如：转 6 圈的书写形for(inti=0;i18000;i+) 。铝齿轮的齿根圆半径为 10mm。周长 S=2R所以电机旋转一周，同步带上升下降的的距离为 S=2*1062.8mm速度的控制，步进电机的速度控制用延时函数来控制。例如：delayMicroseconds(100)； 把规定的圈数在 1 秒里完成。在 arduino-1.0.6 里时间单位的换算为：1S=100 速度 u=s/t 4 盖章机控制代码和注释盖章机控制代码和注释#define X_STEP_PIN 54#define X_DIR_PIN 55#define X_ENABLE_PIN 38#define Y_STEP_PIN 60#define Y_DIR_PIN 61#define Y_ENABLE_PIN 56#define Z_STEP_PIN 46#define Z_DIR_PIN 48#define Z_ENABLE_PIN 62#define E0_STEP_PIN 26#define E0_DIR_PIN 28#define E0_ENABLE_PIN 24#define E1_STEP_PIN 36#define E1_DIR_PIN 34#define E1_ENABLE_PIN 30void setup() pinMode(X_STEP_PIN , OUTPUT); pinMode(X_DIR_PIN , OUTPUT); pinMode(X_ENABLE_PIN , OUTPUT); pinMode(Y_STEP_PIN , OUTPUT); pinMode(Y_DIR_PIN , OUTPUT); pinMode(Y_ENABLE_PIN , OUTPUT); pinMode(Z_STEP_PIN , OUTPUT); pinMode(Z_DIR_PIN , OUTPUT); pinMode(Z_ENABLE_PIN , OUTPUT); pinMode(E0_STEP_PIN , OUTPUT); pinMode(E0_DIR_PIN , OUTPUT); pinMode(E0_ENABLE_PIN , OUTPUT); pinMode(E1_STEP_PIN , OUTPUT); pinMode(E1_DIR_PIN , OUTPUT); pinMode(E1_ENABLE_PIN , OUTPUT); digitalWrite(X_ENABLE_PIN , LOW); digitalWrite(Y_ENABLE_PIN , LOW); digitalWrite(Z_ENABLE_PIN , LOW); digitalWrite(E0_ENABLE_PIN , LOW);定义电机 X、电机Y、电机Z 在控制板上的对应的脚。定义脚的输入输出定义脚的输入输出。规定低电频为电机正转方向。 digitalWrite(E1_ENABLE_PIN , LOW); void loop () digitalWrite(Z_DIR_PIN ,HIGH); for(int i=0;i5820;i+) digitalWrite(Z_STEP_PIN , HIGH); delayMicroseconds(100); digitalWrite(Z_STEP_PIN , LOW); delayMicroseconds(100); digitalWrite(X_DIR_PIN , LOW); digitalWrite(Y_DIR_PIN , LOW); for(int i=0;i5120;i+) digitalWrite(X_STEP_PIN , HIGH); digitalWrite(Y_STEP_PIN , HIGH); delayMicroseconds(100); digitalWrite(X_STEP_PIN , LOW); digitalWrite(Y_STEP_PIN , LOW); delayMicroseconds(100); digitalWrite(X_DIR_PIN , HIGH); digitalWrite(Y_DIR_PIN , HIGH); for(int i=0;i5120;i+) digitalWrite(X_STEP_PIN , HIGH); digitalWrite(Y_STEP_PIN , HIGH); delayMicroseconds(100); digitalWrite(X_STEP_PIN , LOW); digitalWrite(Y_STEP_PIN , LOW); delayMicroseconds(100); digitalWrite(Z_DIR_PIN , LOW); for(int i=0;i5820;i+) digitalWrite(Z_STEP_PIN , HIGH); delayMicroseconds(100); digitalWrite(Z_STEP_PIN , LOW); delayMicroseconds(100); 定义电机 Z的旋转方向为正向，旋转圈数为1.94 圈，同步带的上升距离为121.832mm定义电机 Z的旋转方向为负向，旋转圈数为1.94 圈，同步带的上升距离为121.832mm定义电机X、Y 的旋转方向为正向，旋转圈数为 1.7 圈，同步带的上升距离为106.76mm定义电机X、Y 的旋转方向为负向，旋转圈数为 1.7