自动生物显微镜移动载物台的仿真设计

　　1.引言

　　显微镜是一种常用的光学仪器，传统的显微镜操作方式主要基于操作者手动操作。然而，为了更有利于人们深入微观世界和诊断及治疗人类疾病，那么就得突破传统显微镜上的一些局限性。这些限制包括：手动操作的局限性、精确操作难度大、实现多视野的拼接和观察的难度大以及无法实现专家异地会诊等。针对这些局限性，自动生物显微镜应运而生。一台自动生物显微镜的硬件部分包含三大系统，一是光学系统，二是机械系统，三是电子控制系统。本文就是针对机械系统中的载物台，采用伺服系统驱动细分驱动器控制步进电机带动高精度滚珠丝杠运动，实现X、Y方向运动的自动化和精确定位，并通过仿真模拟证明具有良好的可行性。

　　2.工作原理及结构分析

　　本设计中移动载物台的运动机构大致由三部分组成：一是载物台面，它是载物台的主体部分，XY轴向的运动机构都搭载在台面上;二是X轴的运动机构，包含有步进电机、联轴器、滚珠丝杠副、固定端轴承座、支撑端轴承座、主直线导轨、副直线导轨;三是Y轴运动机构，包含有步进电机、联轴器、滚珠丝杠副、固定轴承座、支撑轴承座、托板，交叉滚柱导轨，标尺。

　　工作台面材料选择铝合金，镀铬硬膜涂层表面，防腐、耐磨。在运动机构上采用高精密直线导轨和滚珠丝杆，为了获得高可靠性，对滚珠丝杠采用预压，联轴器采用专业联轴器，具有较高的机械性能，能保证自动生物显微镜运动精度。伺服系统采用先进的数控系统，根据步进电机选择配套细分驱动器，满足速度、载荷脉冲当量等个性化的要求。在控制部分上采用CNC可编程步进电机控制器内核为单片机控制,通过自行拆装原有封装，重新制作集成在一个控制盒内，由控制手柄控制方向，而旁边的数字功能键则完成输入速度、锁定、重复定位等功能。全部建模完成后的爆炸视图如图1 所示。

　　3.传动系统设计

　　3.1 X 方向丝杠受力分析

　　X方向由电机转动带动丝杠旋转使螺母产生直线运动，在向前运动中所克服摩擦力是由标本夹、连接架和螺钉重量加载在滑块上对导轨摩擦所产生。X轴组件重量Wx产生的轴向工作载荷FN主要由导轨承担，在X-Y工作台中滚珠丝杠是采用水平放置使用，而X方向丝杠主要承受X方向的轴向力Fx。X方向丝杠所受的总轴向力F由X轴组件重量W1载荷在导轨上产生的摩擦力FN构成。

　　滚珠丝杠在静止或运动中，由于冲击或启动停止会产生的惯性力，所以要对Famax进行校核：

　　其中：Famax为容许轴向负荷(KN);Coa为基本静额定负荷(KN); fs为静态安全系数