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      基于歐姆龍PLC的上藥機(jī)械手研究

      2015-07-11 07:43:50黃曉冉董小雷
      制造業(yè)自動(dòng)化 2015年14期
      關(guān)鍵詞:上藥齒輪軸感應(yīng)器

      黃曉冉,董小雷,梁 超

      (河北聯(lián)合大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,唐山 063009)

      0 引言

      伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和醫(yī)藥技術(shù)的不斷提高,合適各樣的藥品進(jìn)入了我們的生活中[1]。同時(shí)機(jī)電一體化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的也是突飛猛進(jìn),催生的自動(dòng)化藥房在很大程度上提高了醫(yī)藥服務(wù)水平,也在一定程度上緩解了緊張的醫(yī)患關(guān)系。現(xiàn)有的大型自動(dòng)化儲(chǔ)藥設(shè)備,對(duì)機(jī)械手自動(dòng)上藥的效率和準(zhǔn)確性均提出了新的要求,也成為影響藥房設(shè)備自動(dòng)化水平的一個(gè)重要因素。

      小型的自動(dòng)化儲(chǔ)藥設(shè)備采用人工上藥的方式即可,但對(duì)于已經(jīng)投入應(yīng)用的大型自動(dòng)化藥房而言,采用上述方法就不是很合理。大型自動(dòng)化藥房對(duì)上百種藥品進(jìn)行集中管理,藥品數(shù)量達(dá)到幾千盒,人工上藥的方式就會(huì)降低上藥的效率,增加醫(yī)務(wù)工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,也增加了藥品管理的成本。在我國(guó)市場(chǎng)上,現(xiàn)有的上藥機(jī)械手存在單次上藥量少、上藥速度慢和適用范圍有限等問(wèn)題,所以為了解決以上出現(xiàn)的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種上藥機(jī)械手,此上藥機(jī)械手采用一套新的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)方案,為解決大型自動(dòng)化儲(chǔ)藥設(shè)備的上藥問(wèn)題提供了有效的方法。

      1 上藥機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成及工作原理

      上藥機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由水平和豎直方向的直線導(dǎo)軌、帶有滑條的上下雙層發(fā)藥槽、齒輪軸、上從動(dòng)半齒輪、下從動(dòng)半齒輪、光電對(duì)射感應(yīng)器、電磁鐵、“凹”型擋板等部分組成。機(jī)械手整體機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示,雙層發(fā)藥槽的主視圖如圖2所示。

      1)為提高機(jī)械手上藥的速度和靈活性,上藥機(jī)械手在水平和豎直方向均采用雙直線導(dǎo)軌,使得上藥機(jī)械手能夠按照工控機(jī)指令沿著直線導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、快速的定位[2],以提高機(jī)械手上藥的效率。

      圖1 上藥機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)示意圖

      2)針對(duì)現(xiàn)有上藥機(jī)械手存在單次上藥量少的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了上下雙層發(fā)藥槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行上藥,可以提高了單次上藥的數(shù)量。此外,發(fā)藥槽上表面和側(cè)面均鋪設(shè)有三角滑條,實(shí)現(xiàn)藥品與發(fā)藥槽的線接觸,減小了藥品與發(fā)藥槽之間的摩擦力,保證藥品能夠沿發(fā)藥槽快速、順利的滑落至儲(chǔ)藥柜。

      3)上下雙層發(fā)藥槽兩側(cè)均安裝有從動(dòng)半齒輪,通過(guò)中間的一個(gè)主動(dòng)齒輪軸連接,實(shí)現(xiàn)三個(gè)齒輪的嚙合。每個(gè)齒輪和齒輪軸均通過(guò)軸承與移動(dòng)架鏈接,既對(duì)發(fā)藥槽起到了支撐和固定的作用,也使得發(fā)藥槽、齒輪、齒輪軸和移動(dòng)架成為一個(gè)整體,并且能夠在豎直方向做直線運(yùn)動(dòng)。主動(dòng)齒輪軸帶動(dòng)從動(dòng)半齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)發(fā)藥槽的旋轉(zhuǎn),通過(guò)人工設(shè)置,其旋轉(zhuǎn)角度可變,這樣可適用于具有不同傾斜角度的斜坡式儲(chǔ)藥柜,使得機(jī)械手的應(yīng)用更加廣泛。齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)具有傳動(dòng)精度高,工作強(qiáng)度大的特點(diǎn)[3],從而提高機(jī)械手的上藥動(dòng)作的準(zhǔn)確度,并延長(zhǎng)其機(jī)械壽命。

      4)雙層發(fā)藥槽均與水平面成一定傾斜角度,如圖2所示,傾斜的發(fā)藥槽能夠使得藥品在重力作用下緊貼在發(fā)藥槽的側(cè)壁,以實(shí)現(xiàn)藥品在發(fā)藥槽中的定位。電磁鐵通過(guò)與“凹”型擋板相連,實(shí)現(xiàn)對(duì)藥品在沿三角滑條方向的定位。當(dāng)發(fā)藥槽轉(zhuǎn)到設(shè)定好的角度時(shí),電磁鐵得電,“凹”型擋板向下收縮,藥品擺脫擋板的束縛,在重力作用下,沿著發(fā)藥槽滑落。

      圖2 雙層發(fā)藥槽的主視圖

      5)分別在雙層發(fā)藥槽出藥口的位置打圓孔,并安裝常閉型光電對(duì)射感應(yīng)器。藥品沿著發(fā)藥槽滑落,當(dāng)藥品遮擋住光電對(duì)射感應(yīng)器發(fā)出的光時(shí),該裝置會(huì)激發(fā)高電平,并通過(guò)總線將電信號(hào)傳給PLC,當(dāng)藥品發(fā)送完畢,藥盒不再遮擋對(duì)射光線,光電對(duì)射感應(yīng)器恢復(fù)低電平[4]。光電對(duì)射感應(yīng)器能夠檢測(cè)機(jī)械手中的藥品是否發(fā)送完畢。

      2 上藥機(jī)械手的控制系統(tǒng)組成與工作過(guò)程

      上藥機(jī)械手的控制系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分組成。

      2.1 控制系統(tǒng)硬件的組成與工作過(guò)程

      上藥機(jī)械手的控制系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)圖,如圖3所示。

      由液晶觸摸屏組成的上位機(jī)主要對(duì)上藥機(jī)械手作業(yè)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和對(duì)儲(chǔ)藥柜中藥品信息進(jìn)行實(shí)時(shí)管理,還能夠?qū)Πl(fā)藥槽所需旋轉(zhuǎn)的角度進(jìn)行設(shè)置。下位機(jī)選用歐姆龍系列CP1H型的PLC,實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)、光電對(duì)射感應(yīng)器、電磁鐵等硬件的控制。RS485總線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)傳輸速率高、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[5],所以控制系統(tǒng)中硬件組態(tài)之間通信采用該總線,從而保證信息交流和數(shù)據(jù)傳遞的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。

      結(jié)合圖3,上藥機(jī)械手的具體作業(yè)過(guò)程如下:液晶觸摸屏顯示自動(dòng)化藥房?jī)?chǔ)藥柜中藥品的信息,并提示醫(yī)務(wù)工作人員對(duì)儲(chǔ)藥柜進(jìn)行補(bǔ)藥。人工將藥品平放在上藥機(jī)械手的發(fā)藥槽中,啟動(dòng)上藥機(jī)械手的工作啟動(dòng)按鈕,PLC按照程序指令驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)M1和M2,使得機(jī)械手沿著水平和豎直方向的直線導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)到指定的位置,此時(shí)PLC驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)M3,使得發(fā)藥槽在主動(dòng)齒輪軸的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)至設(shè)定好的角度,一層發(fā)藥槽電磁鐵得電擋板向下收縮,藥品沿著滑道滑向自動(dòng)化藥房的儲(chǔ)藥柜,此時(shí)光電對(duì)射感應(yīng)器檢測(cè)機(jī)械手中藥品發(fā)送的情況,一層發(fā)藥槽上藥結(jié)束后,如果需要繼續(xù)上藥,PLC則發(fā)出指令控制另一層發(fā)藥槽以相同的動(dòng)作完成上藥,之后機(jī)械手復(fù)位。

      圖3 上藥機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)圖

      2.2 PLC對(duì)伺服電機(jī)和電磁鐵的控制

      設(shè)計(jì)的上藥機(jī)械手下位機(jī)控制系統(tǒng)需輸入點(diǎn)數(shù)共12點(diǎn),輸出點(diǎn)數(shù)共10點(diǎn),選用歐姆龍系列CP1H型的PLC,并且采用主單元和擴(kuò)展單元相配合,即可滿足上述設(shè)計(jì)要求。

      上藥機(jī)械手在上藥動(dòng)作過(guò)程中,PLC通過(guò)發(fā)送不同頻率和數(shù)量的脈沖給伺服驅(qū)動(dòng)器,伺服驅(qū)動(dòng)器直接連接編碼器,從而構(gòu)成速度、位移的閉環(huán)控制,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角的精確控制[6],保證上藥機(jī)械手的準(zhǔn)確定位。PLC主模單元可以發(fā)送三路脈沖信號(hào)給伺服驅(qū)動(dòng)器,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)三個(gè)伺服電機(jī)的控制。串接的擴(kuò)展單元通過(guò)控制繼電器的通斷,來(lái)控制電磁鐵得電和失電,從而控制“凹”型擋板的伸縮,實(shí)現(xiàn)藥品的發(fā)送。PLC的輸出地址分配如表1和表2所示。

      表1 PLC主單元I/O功能分配表

      表2 擴(kuò)展單元I/O功能分配表

      2.3 軟件控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

      上藥機(jī)械手的軟件控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),由通信模塊、運(yùn)行監(jiān)測(cè)模塊和發(fā)藥模塊三部分組成。如圖4所示。

      圖4 軟件控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

      通信模塊主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信,保證機(jī)械手按照指令快速、準(zhǔn)確的作業(yè)。運(yùn)行檢測(cè)模塊主要實(shí)現(xiàn)機(jī)械手控制系統(tǒng)的初始化和開機(jī)測(cè)試,并對(duì)機(jī)械手整個(gè)工作過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),以保證機(jī)械手安全有效的工作。發(fā)藥模塊則嚴(yán)格按照程序控制機(jī)械手上藥。三個(gè)模塊相互配合,實(shí)現(xiàn)機(jī)械手有條不紊的運(yùn)行。程序流程如圖5所示。

      3 結(jié)論

      設(shè)計(jì)的上藥機(jī)械手,機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠,提高了機(jī)械手的耐用性和應(yīng)用廣泛性,為其長(zhǎng)期重復(fù)周期性工作提供了基礎(chǔ)保障。基于PLC的機(jī)電控制系統(tǒng)和模塊化設(shè)計(jì)的軟件控制系統(tǒng)相結(jié)合,保證了上藥機(jī)械手高效的進(jìn)行作業(yè)。上藥機(jī)械手能夠解決自動(dòng)化儲(chǔ)藥設(shè)備自動(dòng)上藥的問(wèn)題,具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

      圖5 軟件控制系統(tǒng)流程圖

      [1] 龔從揚(yáng),臧鐵鋼,袁金虎.藥房快速自動(dòng)發(fā)藥機(jī)單元的研發(fā)[J].中國(guó)制造業(yè)信息化,2012,05:64-66,70.

      [2] 張沈生.直線導(dǎo)軌的原理及其應(yīng)用[J].洪都科技,2004,02:44-49.

      [3] 李陸俊,呂新民.聯(lián)合收割機(jī)割刀行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2011,04:67-70.

      [4] 姚正武.基于AT89S51的雙紅外激光對(duì)射開關(guān)實(shí)現(xiàn)智能照明控制[A].中國(guó)照明學(xué)會(huì)(China Illuminating Engineering Society).2014年中國(guó)照明論壇——LED照明產(chǎn)品設(shè)計(jì)、應(yīng)用與創(chuàng)新論壇論文集[C].中國(guó)照明學(xué)會(huì)(China Illuminating Engineering Society),2014:9

      [5] 謝劍,金永喬,白江,王宇晗.高檔數(shù)控系統(tǒng)中的RS485串行總線接口研究與開發(fā)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2010,05:22-25,30.

      [6] 閆娓,陳忠提,趙安.PLC觸摸屏直接控制伺服電機(jī)程序設(shè)計(jì)[J].機(jī)床電器,2009,04:37-38,41.

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