脊髓打擊系統(tǒng)中移動(dòng)平臺(tái)的位移測(cè)量與定位設(shè)計(jì)

葛霜　崔鑫

摘 要：近年來(lái)，脊髓損傷的發(fā)病率逐年上升，受病人群越來(lái)越年輕化，且難以治愈，需要進(jìn)行大量的臨床試驗(yàn)對(duì)脊髓損傷的藥物進(jìn)行研究和測(cè)試，所以如何制備大量的，標(biāo)準(zhǔn)化的脊髓損傷模型就顯得尤為重要。本文針對(duì)脊髓打擊器中的脊髓打擊平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一種移動(dòng)平臺(tái)及其定位方法，利用絕對(duì)編碼器每一個(gè)位置都對(duì)應(yīng)唯一的格雷碼輸出和斷電記憶等功能，通過(guò)PLC編程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)平臺(tái)位置的定位和測(cè)量并通過(guò)觸摸屏實(shí)時(shí)顯示。

關(guān)鍵詞：絕對(duì)編碼器；觸摸屏；定位；脊髓打擊裝置

中圖分類號(hào)：TP311.52

近年來(lái)，脊髓損傷由于受病面廣，難以治愈而受到醫(yī)學(xué)界的廣泛關(guān)注[1]，由于市面上大部分脊髓打擊器只能一維移動(dòng)，即打擊錘的上下移動(dòng)，在制備動(dòng)物脊髓損傷模型時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)由于打擊錘難以精準(zhǔn)的打擊在暴露的脊髓部分，而造成大量脊髓損傷模型廢棄的現(xiàn)象，這給實(shí)驗(yàn)研究和資源利用造成了巨大的損失和浪費(fèi)。本文介紹了一種打擊平臺(tái)可移動(dòng)，可定位的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)觸摸屏對(duì)移動(dòng)平臺(tái)位置的設(shè)定和實(shí)時(shí)顯示，使脊髓打擊更加精準(zhǔn)化。

1 系統(tǒng)工作原理及硬件設(shè)計(jì)

該平臺(tái)移動(dòng)系統(tǒng)主要包括一個(gè)二維移動(dòng)平臺(tái)，平臺(tái)采用鋼制材料，總長(zhǎng)29cm，寬33.7cm，高52cm[1]，在兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下，可左右（X方向）和前后（Y方向）兩個(gè)方向移動(dòng)，分別由兩臺(tái)128A高細(xì)分步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)中采用Proface的AST3501W-T1-D24觸摸屏，在觸摸屏上繪制相應(yīng)按鈕和輸入框，可輸入平臺(tái)將要移動(dòng)的位移和方向，同時(shí)也可以實(shí)時(shí)顯示平臺(tái)當(dāng)前的位置信息（相對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn)的位移和方向）。傳感器選擇光洋TRD-NA1024NW-2302型10位數(shù)字量輸出絕對(duì)編碼器，具有位置唯一，斷電記憶，干擾小等功能，X、Y兩個(gè)方向都使用編碼器的高8位，通過(guò)上拉電阻接入PLC的數(shù)字量輸入模塊，圖1所示為X方向絕對(duì)編碼器與PLC的硬件接線圖。

系統(tǒng)中兩臺(tái)電機(jī)和觸摸屏均由西門子S7-300控制。通過(guò)對(duì)S7-300的編程，利用程序塊SFB3發(fā)出脈沖，同時(shí)利用絕對(duì)編碼器做成閉環(huán)系統(tǒng)，達(dá)到位移定位和實(shí)時(shí)顯示的目的。圖2為PLC通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器對(duì)X，Y兩個(gè)方向的步進(jìn)電機(jī)控制的原理圖。

2 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用Simatic Manager軟件對(duì)西門子PLC S7-300進(jìn)行編程，整個(gè)程序主要包含一個(gè)主程序和三個(gè)子程序。主程序即PLC對(duì)兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，編碼器和觸摸屏的控制；子程序分別為：編碼器格雷碼和二進(jìn)制碼的轉(zhuǎn)換；步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的判別和相應(yīng)位移下SFB3所需要發(fā)出的脈沖數(shù)量；編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)和平臺(tái)移動(dòng)位移的計(jì)算。

2.1 主程序設(shè)計(jì)

按下系統(tǒng)總開(kāi)關(guān)并選擇運(yùn)動(dòng)方式（同步或分步）后，在觸摸屏相應(yīng)的位移框內(nèi)輸入需要移動(dòng)的位移和方向，點(diǎn)擊“運(yùn)動(dòng)執(zhí)行”按鈕后，PLC迅速運(yùn)算行至相應(yīng)位置所需發(fā)射的脈沖數(shù)，然后步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)，同時(shí)絕對(duì)編碼器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)位置信息并反饋到觸摸屏上，當(dāng)編碼器檢測(cè)到平臺(tái)到達(dá)設(shè)定的位移后，PLC停止發(fā)射脈沖，電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)，平臺(tái)定位成功。

2.2 子程序設(shè)計(jì)

2.2.1 格雷碼到二進(jìn)制碼的轉(zhuǎn)換

本系統(tǒng)中所使用的絕對(duì)編碼器輸出的信號(hào)為格雷碼，難以被控制器讀取和控制，需要將格雷碼轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制碼。程序中，首先將通過(guò)上拉電阻進(jìn)入PLC S7-300的格雷碼作取反處理，第一位保持不變，之后的每一位格雷碼與上一位得出的二進(jìn)制碼抑或，即得到轉(zhuǎn)化后的二進(jìn)制碼。

2.2.2 在不同的運(yùn)動(dòng)方式中，對(duì)輸入的方向和位移進(jìn)行判斷和計(jì)算

系統(tǒng)中所使用的兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的步距角都為1.8度，絲杠導(dǎo)程都為2毫米，即步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈需要SFB3發(fā)出200個(gè)脈沖，從而得出X、Y兩軸SFB3發(fā)出的脈沖數(shù)和平臺(tái)移動(dòng)位移的比為100，將設(shè)定的位移乘以100，就可以得到PLC的SFB3程序快需要發(fā)出的脈沖的數(shù)量。

2.2.3 反饋環(huán)節(jié)中，編碼器對(duì)位置信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)中所使用的光洋TRD-NA1024NW-2302型10位數(shù)字量輸出絕對(duì)編碼器為單圈絕對(duì)編碼器，并不具備多圈絕對(duì)編碼器的功能，無(wú)法僅僅依靠機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)距離的絕對(duì)位置測(cè)量，所以此處利用了西門子S7-300中具有記憶存儲(chǔ)功能的寄存器，對(duì)編碼器旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)n按照正向旋轉(zhuǎn)加1，反向旋轉(zhuǎn)減1進(jìn)行記憶，把累計(jì)的位移值作為平臺(tái)的當(dāng)前值并顯示在觸摸屏上。選擇具有存儲(chǔ)記憶功能的寄存器主要是防止系統(tǒng)斷電后，位置信息的丟失和錯(cuò)亂。

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)醫(yī)學(xué)研究中脊髓打擊器當(dāng)前面臨的打擊精度不準(zhǔn)確現(xiàn)象，設(shè)計(jì)的可定位和進(jìn)行當(dāng)前位置檢測(cè)的移動(dòng)平臺(tái)，采用西門子S7-300作為主控制器，通過(guò)單圈絕對(duì)值編碼器檢測(cè)技術(shù)和S7-300具有記憶存儲(chǔ)功能的寄存器的聯(lián)合應(yīng)用，輔以友好的人機(jī)界面——Proface觸摸屏，實(shí)現(xiàn)打擊平臺(tái)的準(zhǔn)確定位和位置信息的實(shí)時(shí)顯示。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)可以應(yīng)用于脊髓打擊器中，以提高打擊標(biāo)本的合格率。

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作者簡(jiǎn)介：葛霜（1989.12-），女，北京人，碩士研究生，研究方向：脊髓打擊器設(shè)計(jì)；崔鑫（1990.02-），男，北京人，工程師，助理工程師，本科，研究方向：工程控制。

作者單位：北方工業(yè)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，北京 100144；北京七星華創(chuàng)電子股份有限公司，北京 100016

基金項(xiàng)目：學(xué)科建設(shè)—國(guó)家特殊需求—城市道路交通智能控制人才培養(yǎng)項(xiàng)目（市級(jí)）（項(xiàng)目編號(hào)：PXM2015_014212_000023）；研究生培養(yǎng)-產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合培養(yǎng)研究生基地（市級(jí)），（項(xiàng)目編號(hào)：PXM2015_014212_000018）。