一種取樣平臺三維運動控制模塊的設(shè)計

一種取樣平臺三維運動控制模塊的設(shè)計楊延麗;黃震【摘要】介紹了一種實用性較強的取樣平臺的三維運動控制模塊的設(shè)計.在機械結(jié)構(gòu)上，采用步進電機帶動同步帶，同步帶固定在直線導(dǎo)軌上，按照Y、X、Z的順序設(shè)計三維機械結(jié)構(gòu).硬件上采用PC加嵌入式運動控制卡的模式驅(qū)動步進電機，極大減輕了PC的運動計算工作量.軟件則編寫了完善的運動控制函數(shù)庫和大三維運動控制單元測試軟件，采用的平穩(wěn)運動和軌跡控制的相關(guān)算法實現(xiàn)了精度和平穩(wěn)度的要求【期刊名稱】《天津科技》【年(卷)，期】2018(045)003【總頁數(shù)】3頁(P60-62)【關(guān)鍵詞】三維運動控制;步進電機;軌跡控制算法【作者】楊延麗潢震【作者單位】廈門安防科技職業(yè)學(xué)院福建廈門361026;廈門大學(xué)福建廈門361005【正文語種】中文【中圖分類】TP230引言隨著我國醫(yī)療水平不斷提高，對于全自動化的醫(yī)療設(shè)備需求量越來越大，同時對全自動設(shè)備的自動化程度、精度穩(wěn)定性等指標(biāo)的要求也越來越高，對于醫(yī)療設(shè)備的研制來說，如何將手工設(shè)備和半自動設(shè)備升級成穩(wěn)定可靠的全自動化設(shè)備，是非常重要的問題。全自動化的醫(yī)療儀器往往需要在一個操作平臺上完成各種動作，如吸取血清樣本、吸取反應(yīng)試劑、向反應(yīng)杯中加入微量液體等，這些動作都需要使用全自動化的運動控制器來完成，再結(jié)合相應(yīng)的控制軟件和人機界面軟件等。依據(jù)醫(yī)療儀器檢驗項目的檢驗方法和原理，完成復(fù)雜的醫(yī)療檢驗過程，能大幅度提高醫(yī)療檢驗的通量、精度、重復(fù)性等指標(biāo)，降低檢驗成本。本文介紹了一種用于醫(yī)療儀器取樣平臺的三維運動控制模塊的設(shè)計，該模塊已經(jīng)在全自動化醫(yī)療儀器上進行了批量的生產(chǎn)并投入醫(yī)院使用，從總體運行情況和大量的測試數(shù)據(jù)來看，該運動控制模塊運行穩(wěn)定，可靠性高。1取樣平臺三維運動控制模塊機械結(jié)構(gòu)設(shè)計在儀器的操作平臺上，設(shè)計三維運動控制進行定位的機械機構(gòu)，即X、Y、Z三軸運動機械臂，X、Y、Z三軸的電機，三軸電機驅(qū)動器，嵌入式運動控制卡共同組成本模塊的大三維運動控制系統(tǒng)。在機械運動機構(gòu)設(shè)計上，每軸均采用了〃步進電機+直線導(dǎo)軌”的方式進行直線運動，各軸根據(jù)負(fù)載大小的不同采用不同的電機型號和導(dǎo)軌型號。步進電機是一種可以開環(huán)使用的數(shù)字傳動裝置，具有快速啟動、停止，轉(zhuǎn)速與輸入時鐘頻率成正比，能實現(xiàn)精確定位以及直接接受數(shù)字量等特點［1］。本模塊采用的CPC滾珠靜音直線導(dǎo)軌可以進行平穩(wěn)的運動導(dǎo)引，能達到很高的定位精度。Y軸導(dǎo)軌安裝在儀器平臺左右兩側(cè)的金屬固定板上，為了保證運行精度和平穩(wěn)性，Y軸導(dǎo)軌左右各一個。Y軸電機固定在底板上，電機軸上裝入主動輪，與主動輪等高同線的另夕卜一端固定從動輪，主動輪和從動輪通過同步帶連接，同步帶的兩個末端通過固定零件固定在直線導(dǎo)軌的滑塊上。通過左右兩個直線導(dǎo)軌保證Y軸運行的直線性。Y軸安裝完畢后，在左右兩個導(dǎo)軌的滑塊上固定X軸，大三維的X軸就架在Y軸之上運行。為了保障X軸運行的平穩(wěn)性和直線性，X軸仍然采用雙導(dǎo)軌設(shè)計。如圖1所示，將電機和X軸固定座安裝在X軸固定板上，套入主動輪。從動輪固定座、X軸固定底板墊塊固定于X軸固定底板上，同樣采用同步帶連接主動輪和從動輪，同步帶末端固定在導(dǎo)軌的滑塊上。圖1X軸機械結(jié)構(gòu)設(shè)計圖Fig.1Mechanicalstructureoflarge-scalethreedimensionalX-axismotionl.X軸固定座；2.導(dǎo)軌；3.加樣針臂殼；4.X軸固定底板；5.主動輪；6.X軸電機大三維的Z軸負(fù)責(zé)帶動加樣針進行垂直運動，完成一系列動作。Z軸的直線運動機構(gòu)仍然采用電機和直線導(dǎo)軌方式，Z軸下端固定在X軸的一個導(dǎo)軌滑塊上，Z軸架在乂軸的運動機構(gòu)之上。2三維運動控制模塊硬件控制設(shè)計對于大三維運動控制單元，要求速度快，動作精確，并且載重量大，因此本模塊采用了PC作為運動控制中心，根據(jù)運動控制的方法、方式對三維機構(gòu)多點、多曲線度地連續(xù)控制，可以達到非常高的速度和精度。系統(tǒng)每次運行，需要進行幾百上千次操作，傳動系統(tǒng)需要保證穩(wěn)定性、精確性、可靠性。在三維運動中，目前大多使用光電開關(guān)與光柵板配合的方式，這樣無論在精確度、方便性和成本上都沒有優(yōu)勢。本模塊針對機器的特點進行了改進，將光電開關(guān)、光柵板去除，只保留原點位置的—個位置檢測，并且保證每次都是同一方向的位置定位，這樣就提高了原點定位的準(zhǔn)確度。通過軟件的控制設(shè)計，本模塊可以完成一系列復(fù)雜的自動化工作，由于PC是整個醫(yī)療儀器系統(tǒng)的控制中心，有許多重要的通訊、控制、人機交互等工作需要處理，所以大三維運動控制采用專門的嵌入式運動控制卡，對X、Y、Z三軸電機進行控制，結(jié)合加速、減速曲線控制，實現(xiàn)精確定位、平穩(wěn)的啟動與停止。在長期運行時，會按環(huán)節(jié)即時復(fù)位，重新定位，以保證最大限度地減少誤差。使用運動控制卡來完成運動控制和計算，大大減輕了PC上位機的工作量。另一方面整機的機械結(jié)構(gòu)得到了很大的精簡。根據(jù)以上的運動控制分析，設(shè)計了如下硬件控制方案：大三維的運動控制以上位機PC為總控制中心，PC通過串口控制嵌入式運動控制卡，運動控制卡根據(jù)PC指令完成各種運動控制的運算，控制X、Y、Z三軸的電機驅(qū)動器，從而實現(xiàn)了上述復(fù)雜的運動控制［2］。硬件連接邏輯關(guān)系如圖2所示。圖2大三維運動控制硬件連接邏輯關(guān)系圖Fig.2Thecircuitinterconnectionwithlogicalfunctionoflarge-scalethree-dimensionalmotioncontrolmodule本模塊選用的集成化嵌入式運動控制卡EasySmc5470，它使用高速ARM32位處理器（主頻208,Hz），配合FPGA實現(xiàn)三軸的運動控制。該控制卡提供了豐富的通訊控制命令，為上位機PC對大三維的定位和運動控制提供了可靠的保障［3］。X軸電機驅(qū)動器MD656的EN-、DIR-、PLS-分別連接嵌入式運動控制卡的X-FREE、X-DIR、X-CP引腳，這3個功能引腳分別為脫機信號、方向控制、步進脈沖信號，X軸電機驅(qū)動器MD656的EN+、DIR+、PLS+全部接入嵌入式運動控制卡的X-OPTP陽極公共端。X軸電機驅(qū)動器MD656的A+、A-、B+、B-4個引腳分別接入X軸兩相步進電機的A相和B相。X軸電機驅(qū)動器外接24,VDC電源。Y軸和Z軸電機、電機驅(qū)動器、運動控制卡之間的電路連接方式與X軸相同。3三維運動控制模塊控制軟件設(shè)計運動控制模塊的軟件設(shè)計主要是運動軌跡控制算法的設(shè)計、運動控制函數(shù)庫的設(shè)計和上位機PC的界面程序設(shè)計。上位機與集成化嵌入式運動控制卡之間的通訊，按照在運動控制卡基本控制命令基礎(chǔ)上制定的完備的通訊協(xié)議格式進行。運動控制模塊的控制功能主要依靠運動控制函數(shù)庫，該函數(shù)庫包含所有的與運動控制相關(guān)的功能函數(shù)。這些函數(shù)主要是基本運動函數(shù)，包括原點復(fù)位函數(shù)、限位光耦查詢函數(shù)、運動初始化函數(shù)、單軸運動函數(shù)、多軸直線插補函數(shù)、兩軸圓弧插補函數(shù)、制動函數(shù)、軸狀態(tài)查詢函數(shù)、運動參數(shù)查詢函數(shù)等。主要的工作過程包括初始化、工作模式設(shè)定、運動函數(shù)、狀態(tài)讀取等，從而完成運動控制功能，對于具體運動，編寫了相應(yīng)的運動函數(shù)，方便程序的進一步開發(fā)；另夕卜根據(jù)運動控制卡的寄存器和命令的結(jié)構(gòu)，編寫了通用的操作函數(shù)。要實現(xiàn)醫(yī)療儀器平臺的準(zhǔn)確取樣、往微孔板加樣、拾取加樣TIP頭等動作，要求X、Y軸準(zhǔn)確運動定位，再者總體移液量大，分液程序復(fù)雜，所以要求三維運動控制機構(gòu)運行要達到一定速度，才能滿足儀器整體檢測速度和檢測效率的要求。為此，三維運動控制模塊控制軟件設(shè)計需要采用合適的運動軌跡算法（直線插補、圓弧插補）和加減速控制算法（梯形曲線加減速、S曲線加減速）［4］。三維運動的目標(biāo)是實現(xiàn)高速高精度的移液，因此一方面要求三維運動系統(tǒng)反應(yīng)快，快速準(zhǔn)確起停，縮短準(zhǔn)備時間；另一方面要求運動過程平穩(wěn)，沖擊小，而電機在起動和停止時容易產(chǎn)生沖擊、超程或振蕩，這就必須進行加減速控制。其中最常用的—種方式是梯形曲線加減速算法［5］。規(guī)則的梯形曲線分為3個階段：①勻加速段，速度按照設(shè)定的加速度值從零加速到最大速度Vmax:②勻速段，加速度值為零，速度保持已達到的最大速度運行；③勻減速段，按設(shè)定的加速度減速到零，同時到達目標(biāo)位置。梯形速度曲線的實質(zhì)在于限制了加速度的大小，實際上也就限制了電機的起動電流和起動轉(zhuǎn)矩，減少了對機械部件的沖擊力度。可以證明，梯形曲線是在給定位置、最大速度和加速度的條件下，各種運動軌跡中時間最優(yōu)的曲線。上位機PC界面程序采用Delphi來編寫，同時需要生成數(shù)據(jù)報表的組件FastReport4.2和串口通訊控件SPCOMM。在控制界面上，通過直接輸入XYZ坐標(biāo)使三維運動控制機構(gòu)直接運動到目的地，或者在當(dāng)前位置基礎(chǔ)上實現(xiàn)XYZ中任意一軸的單步運動，從而可以對本三維運動模塊進行測試，滿足其運動的準(zhǔn)確性、可靠性、穩(wěn)定性等指標(biāo)。該程序根據(jù)每臺儀器的參數(shù)的實際定位，將三軸的坐標(biāo)原點尺寸，加樣平臺上試劑、血清樣本位置等參數(shù)實際測量調(diào)校后保存在參數(shù)表中，這樣每次使用儀器時，直接將參數(shù)表調(diào)入使用，大大簡化了批量生產(chǎn)制造和使用過程對儀器初始位置尺寸參數(shù)調(diào)校工作，也有利于提高儀器三維運動控制的準(zhǔn)確性。4結(jié)論本文介紹的這種適合醫(yī)療儀器取樣平臺三維運動控制模塊，經(jīng)過研制的樣機的性能指標(biāo)測試，可以實現(xiàn)平臺上各種樣品取樣、移液、加樣等醫(yī)學(xué)檢驗所需要的自動化動作，并在整體運行速度、運動控制精度、運行平穩(wěn)度方面完全滿足醫(yī)療儀器的指標(biāo)要求，是一種成本較低、實用性比較強的三維運動控制模塊。但是，該模塊在運行精度、長時間運行可靠性方面還有進一步提升的空間，比如在運動軌跡控制算法上借鑒數(shù)控加工機械的位插補控制算法，采用更專業(yè)的運動控制芯片等，這也是下一步研究工作的重點。參考文獻郭成，翁盛隆，談士力，等.DSP和PBL3717A構(gòu)成的步進電機的控制系統(tǒng)[J] .單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，200