基于單片機的生物組織自動切片機的設計與實現

魯杰爽

(湖北職業(yè)技術學院,湖北孝感 432000)

生物組織切片機是醫(yī)院病理科必備的醫(yī)學檢驗儀器,要求對包埋有生物組織的石蠟樣本進行連續(xù)地均勻切片,切片厚度可自由設置(厚度范圍1～600μm),常見厚度為2～5μm,精度要求非常高。傳統的生物組織切片機為手動切片機,使用不方便,切片厚度不能滿足全部需求,自動切片機逐漸成為市場主流。

由于切片厚度為微米級,這對自動切片機的機械系統和電子控制系統提出了很高的精度要求。首先機械部分的零件加工精度、軸承、絲桿傳動等零件的精確配合是基礎,其次就是如何控制步進電動機精確地進刀切削。

步進電動機是一種將電脈沖信號轉換成相應角位移的執(zhí)行元件。由于每步進一步的能量及速度的脈動沖擊,必然會產生振動和噪音。將一個步距角細分成若干步的驅動方法,稱為細分驅動方式。步進電動機細分驅動時的步距角更小[1],其步進精度也更高,同時可以大幅降低脈沖的沖擊能量,有效抑制低速運行中固有振動和噪音問題。

對比自動切片機每次切削的微米級進給量和主軸絲桿傳動的毫米級螺距可知,步進電動機的步距角顯然過大,須采用細分驅動器來控制步進電動機以更小更精確的步距角旋轉步進,才能實現2～5μm進給量的均勻切削,抑制機器運行的振動和噪音。這種驅動方式相對而言性價比很高,本文設計了一種以單片機為控制核心、步進電動機細分驅動的生物組織自動切片機,采用升降速曲線控制算法對步進電動機進行精確控制,有效地提高了切片機的切削精度。

本文將就自動切片機研制中的兩個核心問題,即旋轉角度的測量和步進電機切削工作時升降速控制的設計進行闡述。

圖1 手柄旋轉角度的測量電路設計和輸出信號波形圖

1 旋轉角度的測量設計

自動切片機裝有快速進退的旋轉手柄,需要對手柄的旋轉角度進行準確的測量。對比位置速度傳感器、旋轉變壓器、感應同步器等[2],本文采用了工控領域廣泛應用的光電編碼器。它精度高、反應靈敏可靠。

光電編碼器上裝有在相位上相差90°的兩路光電檢測[3],它檢測轉盤旋轉的機械角度并光電轉換輸出為脈沖電信號,該電信號的脈沖個數正比于旋轉角度的大小。因此單片機通過對脈沖信號進行計數就可以計算出轉盤旋轉的角度大小。

本文設計的手柄旋轉角度的測量電路原理圖如圖1所示。手柄主軸與光電編碼器固定連接,同步旋轉,光電編碼器輸出A、B、Z三路信號,其中A路與B路脈沖信號相位上相差90°。

手柄順時針旋轉時,光電編碼器輸出的A路信號相位超前B路,如圖1所示,B路信號出現上升沿時,A路信號總是高電平,故D觸發(fā)器的輸出端Q將一直保持為高電平,A路脈沖信號將通過被“打開”的U3A與非門,并被作為正轉角度信號T0給單片機進行計數;同時D觸發(fā)器的反相端輸出低電平,“關閉”U3B門。

類似地,當手柄逆時針旋轉時,B路信號超前A路信號,與非門U3B被“打開”,此時A路脈沖通過后,被作為反轉角度信號T0給單片機進行計數。

單片機對接收的脈沖個數進行計數,計算出旋轉角度的大小,進一步可以準確計算切削時的進刀量。經實際測試,本文設計的旋轉角度測量電路不僅反應靈敏可靠,而且測量精度高,簡單有效。

2 步進電機切削工作時升降速控制的設計

如何在各種復雜工況如突然起動、高速旋轉、突然停止等過程中讓步進電機不失步、不過沖,做到定位準確,是確保自動切片機能夠精密切削的核心難題。從步進電機的矩頻特性可以看出,電機負載運行時有最大起動轉速和最大負載轉速,超過它們就會導致電機失步,而且電機輸出轉矩隨著步進頻率的增加而下降。因此電機的起動必須經過一個升速階段,同樣地高速運轉中的電機也必須經過一個降速階段后才能停轉,避免電機因慣性而出現過沖?？傊?必須經過“起動加速階段—勻速旋轉階段—減速停止階段” 才能精確控制步進電機的運轉。如何設計出合理的步進電機切削升降速曲線,直接決定了電機步進時的定位精度,也很大程度上決定著系統的綜合性能如運行平穩(wěn)性、運行噪音等。

圖2 用階段曲線去逼近擬合最優(yōu)升降速曲線

生物組織自動切片機研制的核心問題之一在于按照最優(yōu)升降速曲線精確控制步進電動機,確保切片切削時步進電動機不失步、不過沖,才能實現連續(xù)均勻地切削2～5μm級的生物組織薄片。多年的研制實踐表明,相對拋物線、梯形和指數曲線等[4-5]幾種步進電機升降速曲線而言,指數曲線[6-7]更能有效發(fā)揮電機轉矩,縮短加速/減速時間。

本文中的步進電機升速曲線采用了指數曲線f(t)=fm(1-e-t/τ)。

通過多次切片機額定載荷下的電機運行測試數據對比,結合步進電機工作力矩、額定負載工作頻率、加速時間長短等要求,計算編制出步進電機的最優(yōu)升速曲線。

如圖2所示,本文用若干段的階梯曲線去逼近擬合最優(yōu)升速曲線,并計算出各階段頻率點及該階段運轉步數。步進電機以突跳頻率(它小于最大起動頻率)起動,在每個階段頻率點上運轉一定步數(避免電機失步)后,再按照指數規(guī)律階躍加速,直至最高階段頻率點后保持勻速運轉。

步進電機加速/減速控制可以通過改變單片機定時器中斷的定時時延,從而發(fā)送不同頻率的步進脈沖信號來控制電機的步進速度。根據升速階梯曲線的各階段步進速度,就可以計算出對應各階段頻率點的定時器初值。將測試出的最優(yōu)升速曲線各階段頻率點對應的定時器初值和運轉步數計算好,按照各階段頻率點的速度增加順序定義了一個升速控制數組,將數組中的最高階段頻率點的運轉步數設定為0x00,作為加速結束標志。

步進電機運轉控制程序中,正向順序查詢升速控制數組中的階段頻率點數據即可控制電機按照設計好的最優(yōu)指數規(guī)律進行加速。為了簡化控制方案,減速過程則直接采用了加速的逆過程,即反向查詢該數組的數據控制電機按照指數規(guī)律減速。

為了提高電機的運轉精度,本文考慮了定時器誤差,對升速控制數組中的各個定時器初值進行了調整。該誤差主要包括單片機中斷響應時間和中斷函數內定時器賦初值指令及其前面指令的執(zhí)行時間之和。

本文設計了步進電動機運轉控制函數void Moto Moving(bit flag,uint MoveSteps)。基本思想是flag=1表示電機正轉,正向查詢升速控制數組加速,否則反向查詢該數組減速,MoveSteps則表示控制運轉的總步數,啟動定時器,在定時中斷函數中控制電機精確加速、勻速高速、減速運轉形式參數MoveSteps所指定的總步數,最后關閉定時器。程序流程如圖3所示。

圖3 步進電動機控制流程

實踐中,這種步進電機升降速控制的軟件設計方案取得了理想的切削效果,滿足了自動切片機的切削精度要求。

3 結語

本文研制的自動切片機原型機經實際測試,結果表明該機切削的切片厚薄比較均勻,厚度精度能夠滿足要求。誤差的來源主要包括:

一方面,切片機機械零部件之間存在加工誤差和配合誤差。生物組織自動切片機的一些機械零部件存在配合關系,它們之間的配合誤差,尤其是主軸和軸承之間的配合間隙誤差,機械絲桿傳動的軸向間隙誤差等,相對于微米級的切片厚度而言,仍然比較大,必須采用高精度的軸承和絲桿傳動,才能從根本上保證切片機的切削精度。

另一方面,步進電動機細分驅動器存在步進誤差。由于電機參數、制造工藝上的差異及驅動器的性能差異,其實際性能與理論值有一定差距,這也是造成切片誤差的重要原因之一。