（通信与信息系统专业论文）正电子药物自动分装仪装置的研究(1).pdf

原刨性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：囊迭 日期：竺：3 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 上 论文作者签名：象邀导师签名： 山东大学硕士学位论文 中文摘要 目前我国核医学事业正在飞速发展，大型核医学设备如e c t 、p e t 、p e t c t 等 在临床上大量应用，该类设备检查用核素的种类及数量越来越多。相关放射工作 人员在使用核素时需要对其进行分装，即由大剂量分成适合每个病人检查所需的 剂量，分装基本采用手工分装方式，放射工作人员接受辐射比较大，放射防护不 容乐观；并且手工分装不精确、重复性差，为此我们开发、研制放射性核素自动 分装仪器以减少工作人员的受辐射剂量，同时提高放射性药物分装的准确性、与 重复性。 自动分装仪利用p l c 作为系统的控制核心，由步进电机、触摸屏伺服电机、气 动元件附以一定的机械装置构成，可以对所需核素剂量进行准确分装、重复性好； 触摸屏提供友好的操作界面进行有关参数的设置与显示；微型打印机打印有关参 数。所有相关的管路、产物瓶、注射器都是一次性物品，保证严格的无菌操作。 符合临床需要。在放射防护方面采取注射器加钨合金防护套、传输管线加铅屏蔽 的方式进一步保证分装过程中工作人员尽可能少的接受辐射，保证工作人员身体 健康。 关键词：核医学放射性药物自动分装p l c 步进电机伺服电机触摸屏 山东大学看甄士学位论文 _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ i i - - _ - _ _ _ _ _ - - _ _ - _ _ - l _ - _ _ _ _ _ l - _ - _ _ _ _ _ - - - _ _ _ - - _ _ - _ _ _ _ _ a b s t r a c t t h i st h e s i sp r o p o s e st h ep r o j e c to fd e v e l o p i n ga n dd e s i g n i n g8 1 1a u t o m a t e d r a d i o p h a r m a e e u t i c a ld i s p e n s e ri no r d e rt oa d a p tt ot h er a p i dd e v e l o p m e n to fn u c l e a r m e d i c i n ei no u rc o u n t r y t h ed i s p e n s e r ，t h a to f f e rs e v e r a la d v a n t a g e so y e rm a n u a l p r o c e d u r e s ，t h ek e yb e n e f i t si n c l u d er e d u c e dh a n dd o s e ，r e d u c e dr i s ko f r s l ( r e p e t i t i v e s l l k i ni n j u r y ) a n di n c r e a s e dt h r o u g h p u tw h i l em a i n t a i n i n ga c c u r a c ya n dr e p e a t a b i l i t y t h ed i s p e n s e re m p l o y sap l ci n t e r f a c e dt oas t e pm o t o r 、as e r v om o t o r 、as e to f a i r - d r i v e da p p a r a t u sa n dat o u c hs c r e e n t h et o u c hs c r e e no f f e r saf r i e n d l yo p e r a t i n g i n t e r f a c et ol e tr a d i o p h a r m a c i s tt os e ta l ls o r t so fp a r a m e t e r sa n dd i s p l a y st h e m a l l m a t e r i a l si nc o n t a c t 谢mt h er a d i o p h a r m a c e u t i c a la r es t e r i l ea n dd i s p o s a b l e an o v e l t r a n s p o r ts a f ea n ds y r i n g ep r o t e c t i o ni se m p l o y e dt of i l r t h e rr e d u c er a d i a t i o ne x p o s u r e k e yw o r d ：n u c l e a rm e d i c i n e 、r a d i o p h a r m a c e u t i c a l 、a u t od i s p e n s e r 、p l c 、s t e p m o t o r 、s e r v om o t o r 、t o u c hs c r e 4 詈n 4 山东大学硕士学位论文 第一章引言 本课题旨在开发一种放射性药物自动分装仪，下面介绍一下论文产生的背景、 课题的来源、课题国内外研制现状以及课题的关键技术。 1 1 研究背景 放射性同位素用于医学领域已有9 0 多年的历史，到本世纪3 0 年代利用镭治疗 肿瘤达到盛期，到5 0 年代后，随饕核技术和医学的相互结合，形成了一门年轻学 科核医学。核医学的发展是医学现代化的重要标志之一，它不仅为阐明代谢 过程、探讨生命活动的物质基础及客观规律提供了灵敏、特异、快速和方便的研 究手段，也为临床诊断、放射治疗、医学科学研究开辟了新的途径。核医学临床 诊断是利用放射性核素作示踪荆，并通过核仪器测定其在脏器中的分布和强度， 可以诊断疾痫。选用合适的放射性药物( 放射性核素或标记化合物) 作示踪剂引 入体内，采用闪烁扫描机、y 照相机或发射断层显像技术( e m i s s i o n c o m p u t e d t o m o g r a p h y ，e c t ) ，包括单光子发射计算机断层仪( s i n g l ep o s i t r o ne m i s s i o n c o m p u t e dt o m o g r a p h y ，s p e c t ) 和正电子发射计算机断层仪( p o s i t r o ne m i s s i o n c o m p u t e dt o m o g r a p h y p e c t ) ，可以观察放射性在人体内的分布状况与动态变化， 从而诊断脏器是否病变，并确定病变位置l lj 。举例如下：脑的核素显像对脑部肿瘤、 脑循环障碍及脑的代谢与机能的诊断等发挥重要作用。 核医学的检测的物质基础是放射性核素，核素的本质属性有两条：一是具有 放射性，二是具有半衰期。核医学用核素的辐射本质上是y 辐射，y 辐射的能量 从l o o k e v - - 1 5 0 0 k e v 不等。p e t 中心常见的正电子药物产生的y 辐射能量为5 1 1 k e y 。 y 辐射穿透力将，不易防护。医学上常用铅作防护器材，其半价层为l - 4 5 m m 。 由于核素具有放射性，所以必然会给核医学工作者带来放射性损伤，放射性 损伤轻者可以导致皮肤溃疡，严重者可以导致癌变；如何减少辐射，保障放射性 工作人员的身体健康就成为一个重要的课题。 1 2 课题来源 目前国内外的p e t 中心需要的放射性药物如胆碱 c - 1 1 卜h o l i n e 、2 - - 【f 一1 8 1 山东大学硕士学位论文 一f l u o r o 一2 一d e o x y g l u c o s e ( f d g ) 等，都是利用回旋加速器生产的，药物成品最终 存放于一个无菌小瓶中待用，从生产完毕到此后的9 个小时内，工作人员需要每 次将一定剂量的放射性药物从小瓶中抽取出来并注入被检查者体内，剂量从5 到 1 5 m e i 不等。检查所需的剂量大小是比较严格的，手动抽取时存在两个缺点：一 是不能准确抽取预定的量，二是重复性差注射器不能每次都能抽取合适体积的 药液。工作人员需要从总量大约为3 5 0 m c i 的小瓶中快速准确的抽取预定的单次剂 量，还需要将抽取的药物放入活度计( 计量核素放射性活度的仪器) 测量本次抽 取的荆置大小，如果不能达到预定的值，必须重新抽取，这使得工作人员接受太 多得辐射。 从放射防护的角度看，有效的防护原则有三帑：一是减少接触放射源的时间， 二是减少离放射源的操作距离( 射线的衰减与距离的平方成反比) 兰是加以有效 的屏蔽 2 1 。自动分装代替手工分装可以有效地满足以上原则。 手工分装的不准确性、重复性差以及接受太多辐射的缺点促使我们寻找新的 分装方式，解决的办法就是开发一种使用方便，具有防护功能的自动分装仪，这 就是本课题的来源。 13 研究意义 目前核医学的发展非常迅速，国内外p e t 诊疗中心陆续建立，仅美国就3 0 0 多家医院成立p e t 中心，国内目前成立的p e t 中心已有近3 0 个，并且有迅速上 升的趋势。所有的p e t 中心都面临同样的放射性药物分装问题。所以开发一种实 用的分装仪很有实用价值。 1 3 1 国内外研制现状 从文献上看国外已经开发过几种自动或半自动分装仪。美国n a t i o n a ll r l s t i t u t e s o f h e a l t h p e t c e n t r e r 开发的自动分装仪基本实现了自动化分装，基本原理如下： 系统控制核心是计算机，产物瓶放置于一个可以上下运动的铅防护罐中，利用真 空泵通过电磁阀与抽取注射器连接，计算机控制电磁阀的导通时间来完成预定活 度的抽取。此方法管线连接多，操作过程种注射器管口与产物瓶外接管线需手动 连接，操作麻烦，自动化程度不高口1 。 德国生产的一种分装仪不能自动测量活度，须用一种机械手操作产物瓶投分 德国生产的一种分装仪不能自动测量活度，须用一种机械手操作产物瓶及分 6 山东大学硕士学位论文 装好的药物放入活度计中进行测量，手动操作太多，十分不方便。 g e n e r a le l e c t r o n i c ( g e ) 公司开发一种基于气体压力传输的蠕动泵，该装 置适合大剂量分装，比如生产了3 0 0 0 m c i 药物，分装成1 0 份，每瓶3 0 0 r n e i ，而每 次分装5 1 0 m e i 则做不到。 国内因核医学起步较晚，目前还没有文献报导有此类装置研制，国内的p e t 中心有几家购置了国外的产品，虽然能进行分装，但是操作不是很方便。 1 3 2 应用前景 开发一种完备的使用方便的自动分装仪器，不仅可以满足耳前p e t 中心临床的 需要，而且可以用于其他核医学领域，以及需要进行放射性核素实验的科研单位， 摆脱目前该装置需要进口的局面，填补国内空白，具有极大的社会与经济效益。 1 4 本文主要贡献 首先本课题利用可编程控制器p l c 作为系统的控制核心，较计算机或单片机 等为控制核心的分装仪硬件设计、连接简单，且改动灵活方便，易于功能扩充， 开发周期相对较短。其次课题有效地解决产品活度自动测量以及每次分装活度测 量闯题，避免了手动测量过程中接受辐射。第三采用简单的机械结构解决了不同 型号注射器都能用于分装的要求，既能抽取小体积药液也能抽取大体积药液，能 很好的满足临床与科研的需要。第四有效地解决了注射器空气排空以及抽取过程 中液体的滴漏问题，方便临床注射操作，使医护人员更少的接受辐射。 山东大学硕士学位论文 第二章技术方案 自动分装仪主要用来完成放射性药物的分装，分装主要解决以下几个方面的 问题：一是分装精度、重复性，分装精度尽量高，满足牦床与科研的需要，重复 性好；二是分装体积问题；既能做到分装小体积也能分装大体积，体积在0 1 m 1 1 0 m l 之间都可以精确抽取；三是放射防护问题：解决好放射性药物的传输防护、测量 防护、注射器防护、取注射器的防护；四是解决好分装过程中几个重要细节问题： 产品瓶内的压力平衡、分装时的液体滴漏等问题。 为解决以上问题，自动分装仪采用三大功能部件：机械运动部分、气动部分、 机电控制部分密切配合完成药物的自动分装功能。技术方案如下。 2 1 机械运动装置设计方案 机械运动装置主要作用是完成步进电机、伺服电机的固定，提供气功器件的 固定与支撑。步进电机、伺服电机通过滚珠丝杠与滑动板相连，带动滑板上下运 动；滑板上固定气手指，气手指用来加持注射器防护套和注射器活塞。所有机械 制图通过a u t o c a d 制图软件设计，完成后通过机械加工厂加工。 2 2 电器部分方案 电器控制部分的核心是p l c ，要完成以下工作： i 、p l c 对步进电机的控制编程： 完成步进电机的原点定位，运动极限定位、步进电机的上下运动等问蹶。 2 、p l c 对伺服电机的控制编程： 完成伺服电机的原点定位，运动极限定位、伺服电机的上下运动、伺服故障 报警等问题的编程控制。 3 、p l c 对气动元件的控制编程： 完成对气动元件的压力设定、调节、气阀的导通开合等的控制。 4 、完成触摸屏的编程： 设计触摸屏界面，形成友好的人机操作界面，以实现各种初始化参数的输入 以及实时数据的显示、故障报警的显示等功能。 山东大学硕士学位论文 5 、实现打印相关参数功能： 打印需要分装活度值、抽取体积、抽取时间、抽取序号、操作者等参数。 2 3 气动元件部分方案 气动元件部分：包括两个加持气缸、气动三大件( 滤清器、润滑、调压) 、气 阀等构成。完成以下功能： l 、气缸辅助其他机械装置组成气手指，完成加持注射器防护套与注射器活塞 的功能。 2 、配合医用两位两通、两位三通电磁阀完成产品的传输、产品瓶内压力平衡 等问题。 2 4 系统组装与调试 1 、系统组装与调试； 完成机械装置的加工后，将整个系统的硬件部分组装成一个整体，检查测 试尺寸、位置、电器连接等是否正确，是否与图纸设计相符，精度是否达到设 计要求。 2 、软件调试： 在完成电气的编程后，将程序写入p l c 进行软件调试，检验程序是否正常运 行，以及能否达到预定目的。 3 、测试： 测试分装精度、分装最小最大体积能力、放射防护能力、产品瓶内压力平衡、 液体滴漏等项目；试运行多次。监测分装的重复性、及机器的连续运行情况。 9 山东大学硕士学位论文 第三章自动分装仪的硬件系统 3 ，1 电器部分组成与功能 分装仪的电器组成如图3 1 所示 l o g i c a lc o n t r o l l e r ，p l c ) 、伺服电机、 其控制核心是p l c 。 产品瓶 主要包括：可编程控制器( p r o g r a m m a b l e 步进电机、触摸屏、打印机、活度计等， 图3 1 系统硬件构成 下面就分别介绍一下他们的工作原理。 3 1 1 可编程控剜器系统p l c “” 可编程控制器是系统的控制核心，p l c 是一种数字运算操作的电子系统，专为 在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序， 执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字 或模拟式输入，输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部 设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计总 之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。 山东大学硕士学位论文 它具有丰富的输入，输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并 不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置， 其软件需根据控制要求进行设计编制。 一、p l c 的特点 l 、高可靠性 ( 1 ) 所有的i o 接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与p l c 内部 电路之间电气上隔离。 ( 2 ) 各输入端均采用r - c 滤波器，其滤波时间常数一般为1 0 - - 2 0 m s ( 3 ) 各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。 ( 4 ) 采用性能优良的开关电源。 ( 5 ) 对采用的器件进行严格的筛选。 ( 6 ) 良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，c p u 立 即采用有效措施，以防止故障扩大。 ( 7 ) 大型p l c 还可以采用由双c p u 构成冗余系统或有= c p u 构成表决系统， 使可靠性更进一步提高。 2 、丰富的i 0 接口模块 p l c 针对不同的工业现场信号，如：交流或直流；开关量或模拟量：电压或 电流；脉冲或电位；强电或弱电等。有相应的i o 模块与工业现场的器件或设备， 如：按钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接连 接。另外为了提高操作性能，它还有多种人机对话的接口模块；为了组成工业局 部网络，它还有多种通讯联网的接口模块。 3 、采用模块化结构 为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型p l c 以外，绝大多数p l c 均 采用模块化结构。p l c 的各个部件，包括c p u 、电源、i o 等均采用模块化设计， 由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。 二、p l c 的功能： p l c 的输入，输出系统功能完善，性能可靠，能适用于各种形式和性质的开关 量和模拟量的输入，输出。在p l c 内部具有许多控制功能诸如时序、计算器、主控 机电器以及移位寄存器、中间寄存器等。由于采用了微处理器，它能够很方便地 实现延时、锁存、比较、跳转和强制i o 等诸多功能，不仅具有逻辑运算、算术运 山东大学硕士学位论文 算、数值转换以及顺序控制功能，而且还具备模拟运算、显示、监控、打印及报 表生成功能。此外它还可以和其他微机系统、控制设备共同组成分布式或分散式 控制系统，还能事先成组数据的传送、矩阵运算、闭环控制、排序与奄表、函数 运算及快速终端等功能。因此p l c 具有极强的适应性，能够很还地满足各种类型控 制的需要“1 。 三、p l c 工作原理 最初研制生产的p l c 主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置， 但这两者的运行方式是不相同的： ( 1 ) 继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈 通电或断电，该继电器所有的触点( 包括其常开或常闭触点) 在继电器控制线路 的哪个位置上都会立即同时动作。 ( 2 ) p l c 的c p u 则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输 出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点( 包括其常开或常闭触点) 不会 立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。为了消除二者之间由于运行方式不 同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在l o o m s 以上， 而p l c 扫描用户程序的时间一般均小于l o o m s ，因此，p l c 采用了一种不同于一 般微型计算机的运行方式扫描技术。这样在对于i 0 响应要求不高的场合。 p l c 与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。 l 、扫描技术 当p l c 投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序 执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期 间，p l c 的c p u 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 ( 1 ) 输入采样阶段 在输入采样阶段，p l c 以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它 们存入i 0 映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出 刷新阶段。在这两个阶段中。即使输入状态和数据发生变化，i 0 映象区中的相应 单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽 度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 ( 2 ) 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，p l c 总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序( 梯形 山东大学硕士学位论文 图、。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控毒4 线 路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算。然 后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统r a m 存储区中对应位的状态；或 者刷新该输出线圈在i o 映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所 规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在i o 映象区内的 状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在i o 映象区或系统r a m 存储 区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果 会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯 形圈，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上 面的程序起作用。 ( 3 ) 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，p l c 就进入输出刷新阶段。在此期间，c p u 按照i o 映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的 外设，这时才是p l c 的真正输出。 一般来说，p l c 的扫描周期包括自诊断、通讯等，即一个扫描周期等于自诊 断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。 四、f x 2 n - - 3 2 m t 可编程控制器” 本课题采用三菱公司生产的p l c 进行编程控制，型号为f x 2 n - - m t ，晶体管输 出。f x 2 n 系列p l c 功能强大，性能指标如下： 1 、高速运算： 基本指令：0 0 8 l as 指令，应用指令1 5 2 至几百us 指令。 2 、丰富的元件资源 3 0 7 2 点辅助继电器，2 5 6 点计时器。2 3 5 点计数器和8 0 0 0 点数据寄存器。 3 、很强的数学指令集 使用3 2 位处理浮点数、方根和三角几何指令，满足数学功能很高的要求。 4 、网络数据通信 连接刀世界上最流行的开放式网络c c - - l i n k ，p r o f i b u sd p 和d e v i e e n e t 或者 采用传感形式的网络如a s i 或i 0 1 j n k 解决通信需求，串行通信选项包括r s 2 3 2 ，r s - - 4 8 5 或r s 一4 2 2 。 山东大学硕士学位论文 3 1 i2 伺服电机系统。” 伺服电动机又叫执行电动机，或叫控制电动机。伺服系统本质上是一种随动系 统，只不过被控量是位移或是其对时间的导数。随动系统，就是一个系统的输出 尽可能以最快，最精确的方式复现输入信号。其衡量的指标有超调量、延迟。在 自动控制系统中，伺服电动机是一个执行元件，它的作用是把信号( 控制电压或 相位) 变换成机械位移，也就是把接收到的电信号变为电机的一定转速或角位移， 其容量般在0 t i o o w ，常用的是3 0 w 以下。伺服电动机有直流和交流之分。 一、伺服电动机的特点 1 、控制精度高 交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以三菱全数字式 交流伺服电机为例，对于带标准2 5 0 0 线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用 了四倍频技术，其脉冲当量为3 6 0 。1 0 0 0 0 = 0 0 3 6 。对于带1 7 位编码器的电机而 言，驱动器每接收2 1 7 = 1 3 1 0 7 2 个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为3 6 0 。 1 3 1 0 7 2 = 9 8 9 秒，是步距角为1 8 。的步进电机的脉冲当量的1 6 5 5 。 2 、低频特性好 交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象e 交流伺服 系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机 能( f f t ) ，可检测出机械的共振点，便于系统调整。 3 、矩频特性好 交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速( 一般为2 0 0 0 r p m 或3 0 0 0 r p m ) 以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。 4 、过载能力强 交流伺服电机具有较强的过载能力。以三菱交流伺服系统为例，它具有速度 过载和转矩过载能力，其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启 动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯 性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，丽机器在正常工作期间又不需要那么大 的转矩，便出现了力矩浪费的现象。 5 、运行性能为闭环控翻 交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采 1 4 山东大学硕士学位论文 样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控 制性能更为可靠。 6 、速度响应性能高 交流伺服系统的加速性能较好，以三菱m r 一交流伺服电机为例，从静止加速 到其额定转速3 0 0 0 r p m 仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。而步进电 机从静止加速到工作转速( 一般为每分钟几百转) 需要2 0 0 4 0 0 毫秒。 二、伺服电机工作原理 1 、电机工作原理 交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似，如图3 2 所示。 o 南 图3 2 交流伺服电动机原理图 其定子上装有两个位置互差9 0 。的绕组，一个是励磁绕组r t 它始终接在交流电 压u 趾；另一个是控制绕组l ，联接控制信号电压u e 。所以交流伺服电动机又称两 个伺服电动机。交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电动机具 有较宽的调速范围、线性的机械特性，无“自转”现象和快速响应的性能，它与 普通电动机相比，应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。目前应用较多的 转子结构有两种形式：一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠 笼转子，为了减小转子的转动惯量，转子做得细长；另一种是采用铝合金制成的 空心杯形转子，杯壁很薄，仅0 2 - 0 3 m m ，为了减小磁路的磁阻，要在空心杯形转 子内放置固定的内定子，如图3 3 所示。 山东大学硕士学位论文 图3 3 空心杯形转子伺服电动机结构 空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳，因此被广泛采用。 交流伺服电动机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子 静止不动。当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方 向旋转，在负载恒定的情况下，电动机的转速随控制电压的大小而变化，当控制 电压的相位相反时，伺服电动机将反转。交流伺服电动机的工作原理与分相式单 相异步电动机虽然相似，但前者的转子电阻比后者大得多，所以伺服电动机与单 机异步电动机相比，有三个显著特点： ( 1 ) 起动转矩大 由于转子电阻大，其转矩特性曲线如图3 4 中曲线1 所示，与普通异步电动机 的转矩特性曲线2 相比，有明显的区别。它可使临界转差率s o i ，这样不仅使转 矩特性( 机械特性) 更接近于线性，而且具有较大的起动转矩。因此t 当定子一 有控制电压，转子立郾转动，即具有起动快、灵敏度高的特点。 1 6 图3 4 伺服电动机的转矩特性 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 运行范围较宽： 如图3 4 所示，较差率s 在0 到l 的范围内伺服电动机都能稳定运转。 ( 3 ) 无自转现象 正常运转的伺服电动机，只要失去控制电压，电机立即停止运转。当伺服电动 机失去控制电压后，它处于单相运行状态，由于转子电阻大，定子中两个相反方 向旋转的旋转磁场与转予作用所产生的两个转矩特性( t 1 - - s 1 、t 2 - - s 2 曲线) 以 及合成转矩特性( t s 曲线) 如图3 5 所示，与普通的单相异步电动机的转矩特 性( 图中t7 一s 曲线) 不同。这时的合成转矩t 是制动转矩，从而使电动机迅速停 止运转。 盼丙 i 。? 。 k 图3 5 伺服电动机单相运行时的转矩特性 图3 6 是伺服电动机单相运行时的机械特性曲线。负载一定时，控制电压u c 愈高， 转速也愈高，在控制电压一定时，负载增加，转速下降。 图3 6 伺服电动机的机械特性 交流伺服电动机的输出功率一般是0 1 1 0 0 w 。当电源频率为5 0 h z ，电压有 3 6 v 、1 1 0 v 、2 2 0 、3 8 0 v ：当电源频率为4 0 0 h z ，电压有2 0 v 、2 6 v 、3 6 v 、1 1 5 v 等 山东大学硕士学位论文 _ _ _ - _ - _ _ - _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ l _ - - _ l l 自_ _ l _ - i _ _ _ _ _ _ l - i l _ _ _ _ _ - - _ _ - _ _ - - _ 多种。交流伺服电动机运行平稳、噪音小。但控制特性是非线性，并且由于转子 电阻大，损耗大，效率低，因此与同容量直流伺服电动机相比，体积大、重量重， 所以只适用于0 5 1 0 0 w 的小功率控制系统。 2 、伺服驱动器 在位置控制方式下，伺服驱动器接收数控主机发出的位置指令信号脉冲方 向，送入脉冲列形态，经电子齿轮分倍频后，在偏差可逆计数器中与反馈脉冲信 号比较后形成偏差信号。反馈脉冲是由光电编码器检测到电机实际所产生的脉冲 数，经四倍频后产生的。位置偏差信号经位置环的复合前馈控制器调节后，形成 速度指令信号。速度指令信号与速度反馈信号与位置检测装置相同比较后的偏差 信号经速度环比例积分控制器调节后产生电流指令信号，在电流环中经矢量变换 后，由spw m 输出转矩电流，控制交流伺服电机的运行。位置控制精度由光电 编码器每转产生的脉冲数控制。它分增量式光电编码器和绝对式光电编码器。增 量式编码器构造简单，易于掌握，平均寿命长，分辨率高，实际应用较多。 三、h c - k f e 3 2 伺服电机“1 1 、电机介绍 本课题中采用的是三菱公司生产的伺服电机，型号：h c - - k f e 3 2 ，伺服驱动 器型号m r e 一2 0 a 。该电机性能指标如下： ( 1 ) 电源要求：三相3 8 0 v - 相2 2 0 v 。 ( 2 ) 采用p d s c 结构处理器，减少设定运行参数，响应速度快。 ( 3 ) 通过串行通信方式，使用一对电缆传送编码，数据接线简单。 ( 4 )伺服电机准带有确对编码器，可以进行绝对位置控制。 ( 5 )4 行1 3 字的l c d 显示面板，设定参数方便。 ( 6 ) 内置r s 2 3 2 通信口。 ( 7 )具有实时自动调整功能。 ( 8 )最大转矩：3 9 7n m 2 、伺服放大器 ( 1 ) 控制方式：正弦p w n 控制，电流控制两种模式。 ( 2 ) 速度频率响应：2 5 0 h z 以上。 ( 3 ) 电子齿轮值设定范围：0 6 5 5 3 5 。 ( 4 ) 具有输入滤波、自动调谐功能。 山东大学硕士学位论文 3 、安装与联接 伺服电机与工作台的联接一般有以下两种种情况，一是电机与滚珠丝杠利用 联轴器直接联接如图3 7 所示，这样的联接结构简单，减少了零件的数目，减少 了中间环节的影响，没有闯隙，效率高。减少了中闻环节的影响，没有间隙，效 率高。但此种联接有其致命的缺点，对安装、加工的要求非常高，一般都在几丝 范围以内，否则，将可能损坏电机。 图3 7 伺服电机与工作台连接 二是使用同步齿形带，可自由调节传动比，而且，没有传动间隙，工作中没 有冲击，传动零件的制造精度相对来说可低一些，但结构复杂一些，考虑到仪器 的小巧性，课题采用第一钟连接方式。 4 、伺服电机的驱动 该伺服电机有两种控制模式。是位置控制模式，二是速度控制模式。我们 采用位置控制模式，通过伺服电机自带功能键设置各种参数。 3 1 3 步进电机系统阻” 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步迸驱 动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度 ( 及步进角) 。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目 的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速 的目的。 一、步迸电机的特点 1 、一般步进电机的精度为步进角的3 - 5 ，虽不累积。 2 、步进电机外表允许的最高温度： 步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于 失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般 来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏1 3 0 度以上，有的甚至高达摄氏2 0 0 度以上， 1 9 山东大学硕士学位论文 所以步进电机外表温度在摄氏8 0 - 9 0 度完全正常。 3 、步进电机的力矩会照转速的升高而下降； 当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势：频率越高， 反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率( 或速度) 的增大而相电流减小， 从而导致力矩下降。 4 、步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫 声： 步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正 常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步 或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉 冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频 ( 电机转速从低速升到高速) 。 二、步进电机原理 l 、步进电机原理 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个 脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度伟女为“步距角”) ， 它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移 量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速 度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机， 利用其没有积累误差( 精度为1 0 0 ) 的特点，广泛应用于各种开环控制。 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机( v r ) 、永磁式步进电机( p m ) 、 混合式步进电机( m ) 和单相式步进电机等。 永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7 5 度或1 5 度；反 应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进是一般为1 5 度，但噪声和振 动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组， 利用磁导的变化产生转矩。混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。 它又分为两相和五相：两相步进角一般为1 8 度而五相步进角一般为0 7 2 度。这 种步进电机的应用最为广泛。 步进电机的一些基本参数： ( 1 ) 电机固有步距角： 山东大学硕士学位论文 它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了 一个步距角的值，如8 6 b y g 2 5 0 a 型电机给出的值为0 9 1 8 。( 表示半步工作时为 0 9 0 、整步工作时为1 8 0 ) ，这个步距角可以称之为电机固有步距角，它不一定是 电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。 ( 2 ) 步进电机的相数： 是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。 电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0 9 1 8 0 、三相的为 o 7 5 0 1 ，5 。、五相的为o 3 6 。0 7 2 。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相 数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则“相数”将变 得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。 ( 3 ) 保持转矩( h o l d i n gt o r q u e ) ： 是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重 要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输 出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转 矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2 n r l l 的步进电机， 在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2 n m 的步进电机。 ( 4 ) d e t e n tt o r q u e ： 是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。d e t e n tt o r q u e 在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子 不是永磁材料，所以它没有d e t e n tt o r q u e 。 2 、迸电机驱动器的原理 步进电机的运行要有一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器， 它是把控制系统发出的脉冲信号，加以放大以驱动步进电机。步进电机的转速与脉 冲信号的频率成正比，控制步进脉冲信号的频率，可以对电机精确调速；控制步 进脉冲的个数，可以对电机精确定位。 典型的步进电机驱动控制系统主要由三部分组成： 1 、步进控制器，由单片枫实现。 2 、驱动器，把单片机输出的脉冲加以放大，以驱动步进电机。 3 、步进电机。 典型的步进电机驱动控制电路图如下： 2 1 山东大学硕士学位论文 图3 8 步进电机驱动控制电路 图中单片机的i o 口一位控制相绕组，根据所选定的步进及控制方式可写出 相应的控制方式的数学模型，如三相单三拍、三相双三拍、三相六拍。 现以三相六拍为例： 步序控制位cba 控制模型 d 7d 6d 5d 4d 3d 2d 1d o a l1 l1l o o 1f 9 h a b1 1 1llo 1 l f b h blllll0l0f a h b cll1llllof e h c1ll l l l o 0 f c h c a11llllolf d h 以上为步进电机正转时的控制顺序及数学模型。因此，步进驱动控制器实际上 就是按上述的控制方式所规定的顺序送脉冲序列，即可实现驱动步进电机三相六 拍方式的转动。输入顺序脉冲序列的速率就是步进电机的速率。 三、 k i l l c o2 s 8 6 q - - 0 4 3 b 步进电机介绍 本课题采用趾r l c ou 2 m 0 8 2 系列电机，电机型号：2 s 8 6 q - - 0 4 3 b ，驱动器型号： 2 m 5 3 0 。 1 、电机性能指标 ( 1 ) 保持扭矩：4 1 8n m ( 2 ) 额定电流：5 8a p h a s e ( 3 ) 电压：d c l 8 , - - 4 0 v ；交流1 6 0 2 6 0 v 山东大学硕士学位论文 ( 4 ) 输入信号：脉冲信号脉宽最小2 5us 电机在脉冲上升沿动作；方向信 号先于脉冲信号1 0 s 建立。 ( 5 ) 功能：半流功能选择、细分选择、相电流调节。 2 、步进电机作用： 步进电机通过连轴器与滚珠丝杠连接，一方面用于带动机械装置的上滑板上 下运动并准确定位，另一方面用于提升下滑板。 3 1 ，4 触摸屏系统“o 触摸屏技术( t o u c hs c r e e nt e c h n o l o g y ) 是随着计算机技术的发展，为满足非专 业计算机用户操作计算机的需要而逐渐成熟与发展起来的，触摸屏技术是计算机 的种输人技术，由用户通过显示屏输人信息以实现对计算机的控制从计算机与 人组成的人机系统来讲，触摸屏是一种交互输人设备计算机的交互输入设备很 多，例如键盘、鼠标器、跟踪球、操纵杆、数字化输入板等，但它们都是为专业 人员或具有一定计算机基础的用户提供的触摸屏技术则是面向非计算机专业人或 没有接触过计算机的用户由于触摸屏技术的应用，而且系统提供了良好的且友善 的交互界面，消除了用户操作计算机时面对诸如键盘等交互设备时的畏惧、困惑 心理他们只需利用手指或光笔等触摸屏上需要的内容即可控制计算机的运行，操 作非常简单，提高了用户的兴趣，并且因为感受到了计算机对信息处理的强大功 能，从而激发起用户学习、掌握计算机技术的积极性。触摸屏技术对于计算机技 术的普及及利用，可以发挥非常重要的作用。 、触摸屏的特点 1 、简单易用( s i m p l e ) 利用触摸屏进行人机对话，在用户屏幕界面上，使用者仅需用手指触摸所需 要的内容即可完成交互过程对没有接触过计算机的用户来说，使用触摸屏不会产 生面对键盘时的困惑、恐惧心理，也不会像鼠标或轨迹球一样难以控制，不需要 培训即可操纵自如。 2 、灵活性( f l e x i b l e ) 触摸屏不象利用数字接口的按钮或键盘，它完全由软件进行各项设置，然后 即可实现交互输人如果是兼容鼠标的触摸屏，则只需加载它的驱动程序即可代 替鼠标操作凭借系统提供的菜单，用户可输入并获得大量的信息 3 、经济性( e c o n o m i c ) 山东大学硕士学位论文 触摸屏具有很好的商业价值，因为无论功能多么强大的产品，都应该具有易 操作使用的特点像早期的计算机，程序语言全用机器代码，输出的结果只是圜孔， 非专业人员根本不可能掌握，故应用范围受到很大限制而现在应用程序可以方便 地利用触摸屏进行交互，并且触摸屏同其它输人设备相比，耐用性与可靠性明显 增强因此从这种意义上讲，触摸屏具有良好的经济性 二、触摸屏技术的基本原理 触摸屏的种类比较多，根据其工作原理不同可以分为四大类： l 、面声波触摸屏： 表面声波。超声波的一种，在介质( 例如玻璃或金属等刚性材料) 表面进行浅层 传播的机械能量波。表面声波性能稳定、易于分析，并且在横波传递中具有非常 尖锐的频率特性。玻璃屏的左上角和右下角各固定了竖直和水平方面的超声波发 射换能器，右上角则固定了两个相应的超声波接收换能器。玻璃屏的四周边则刻 有4 5 度