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及移动龙门式。固定悬臂式如图1.6所示
图 1.6 移动悬臂式
1.2.2.三文精密工作台点样仪
根据以压电作动器件作为脉冲惯性力动力源制备中等密度基因芯片微阵列
的要求，本文采用双轴可移动固定悬臂式结构作为点样仪的机械结构型式。双轴
可移动固定悬臂式点样仪示意图如图 1.7 所示。该点样仪为 X、Y、Z 三轴联动
式结构，工作台面固定于一个二文平面工作台上，可以实现 X、Y方向的移动，
点样头装夹于可动 Z 轴上，三轴的传动采用丝杠螺母机构并由五相步进电机驱
动。
1.3.研究内容
本次毕业设计旨在研究应用于基因芯片点样技术的三文精密工作台机械结
构及其控制系统的设计和制作，主要内容如下：
（1） 三文精密工作台总体设计；
（2） 三文精密工作台机械结构设计；
（3） 三文精密工作台的驱动与控制方法设计；
（4） 三文精密工作台系统的调试与标定。
其中，三文精密工作台的驱动与控制方法设计包括：下位机核心板设计，步
进电机驱动电路设计， 上位机和单片机之间的串行通信设计以及上位机人机操作
界面设计。
全文共分 6 章，主要内容为：
第 1 章 绪论 ，概述基因芯片与基因芯片点样技术的研究现状，总结基因芯
片点样仪的结构型式，提出本文的研究内容。
第 2 章 总体方案设计，根据基因芯片点样仪设计要求，提出三文精密工作
台的总体设计方案，确定工作台的设计指标。
第 3 章 机械结构设计，根据三文精密工作台的设计指标，完成三文精密工
作台机械结构部分设计。
第 4 章 硬件电路设计，基于串口通信原理，设计工作台硬件驱动电路，包
括：下位机核心版设计，串口通信电路设计和步进电机驱动电路设计。
第 5 章 驱动软件设计，为实现上下位机的通信功能，定义串口通信命令格
式，设计上位机人机操作界面和下位机控制程序。
第 6 章 调试与标定，对所设计并制作出的三文精密工作台机械结构及其控
制系统进行整合、调试与标定，测试系统性能是否能够达到预期的设计指标。
2.三文精密工作台总体方案设计
三文精密工作台及其控制系统的设计是基因芯片点样仪设计的重要组成部
分，在此基础上，加入微流体脉冲惯性驱动的点样头及其控制系统即可实现完整
的基因芯片点样仪功能。
2.1.设计方案
三文精密工作台及其控制系统工作流程为：在上位机设计点样阵列参数，通
过以 VB软件为平台设计的串口通信将点样信息传输给下位机， 由下位机通过步
进电机驱动电路控制三轴步进电机。首先，控制二文工作台完成 X、Y方向的双
轴运动，将用于装夹压电作动器点样针头的 Z 轴运动到水平面内的指定位置；
然后，控制 Z 轴运动以调节点样头与孔板之间的竖直位置，最终实现基因芯片
点样头的三文位置控制功能。
三文精密工作台及其控制系统的总体设计流程图如图2.1 所示，其中机械结
构设计是整个基因芯片点样仪设计的基础。
图 2.1 三文精密工作台总体设计流程图
2.2.设计指标
根据基因芯片点样技术的要求，确定三文精密工作台的设计指标如表 2.1。
表 2.1 三文精密工作台的设计指标
设计指标 参数
工作台定位精度 ±5µm
运动速度 0-5000μm/s
点样大小范围 50mm×50mm
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