（机械电子工程专业论文）自动分析仪器旋转定位系统研究.pdf

鉴玺羞王兰盔：三兰翟圭兰簦鎏銮 1 1 课题背景 第1 章绪论 本课题来源于迈瑞生物医疗电子股份有限公司生化研发部的全自动生 化分析仪( a u t ob i o c h e m i c a la n a i y z c r ) ，项目名称是全自动生化分析仪反 应盘精密定位系统。 1 1 1 生化仪概述 生化分析仪( 如图1 1 ) 是临床检验医学中经常使用的仪器，主要用 于测定人体体液中的各种生化指标，如转氮酶、血红蛋自、白蛋白、胆固 醇、葡萄糖、无机磷、淀粉酶、钙、肝功、肾功、免疫球蛋白等常规生化 指标。结合其它临床资料进行综合分析，可以帮助诊断疾病，对器官功能 做出评价，并且可罄别并发因子及决定今后治疗的基准等】。 图1 - l 全自动生化分析仪 f i g 1 la u t p m 砒i cb i o c h e m i c a la n a l y z e r 全自动生化分析仪就是把生物化学分析过程中的取样、加试剂、去干 扰、混合、保温反应、自动检测、数据处理、打印报告及实验后的清洗等 步骤进行自动化操作的仪器1 4 5 】。它完全模仿并替代了手工操作，不仅提高 了工作效率，而且减少了主观误差，稳定了检验质量。它是光学、精密机 械、电子技术、生物化学和计算机等多项技术相互结合的产物，可以实现 临床生化检验的自动化，提高分析效率和结果的正确性。由于这类仪器一 般都具有灵敏、准确、快速、节省和标准化等优点，所以在临床生化分析 中得到了广泛应用，已经是医疗机构进行临床诊断所必需的仪器之一。 1 1 2 生化仪的工作原理 生化分析仪常用的分析方法有分光光度法( s p e c t r o p h o t o m e t r y ) 【6 和 离子选择电极法( i o ns e l e c te l e c t r o d e ，i s e ) 俐。 分光光度法是基于不同分子结构的物质对电磁辐射的选择性吸收而建 立起来的方法，属于分子吸收光谱分析。分光光度法的物理学理论基础是 朗伯一比尔定律( l a m b e r t b e e rl a w ) f 6 ，7 】离子选择电极法( 1 0 ns e l e c t e l e c t m d e ，】s e ) 的物理学基础是能斯特方程( n e r s te q u 8 t i o n ) 帆 分光光度法包括吸收光谱法( 比色法) 和透射比浊法( 比浊法) 。比色 法是目前生化分析仪广泛采用的一种方法。分光光度法的测量原理如图l - 2 所示。 光 电 转 换 器 例l - 2 比色法原理图 f i g 1 - 2s c h e m a t i cd r a w i n go f c o l o r i m e t r y 单色器将光源发出的复色光分成单色光，特定波长的单色光通过盛有 样本溶液的比色杯，光电转换器将透射光转换为电信号后送入信号处理系 统进行分析。 朗伯一比尔定律的内容可以表述为：特定波长的单色光通过溶液，其 吸收强度与溶质浓度和光通过的距离( 即光径) 成正比。布格( b 0 u g u e r ) 和朗伯( l a m b e r t ) 先后在1 7 2 9 年和1 7 6 0 年阐明了光辐射强度和吸收层厚 度的关系：1 8 5 2 年比尔( b e e r ) 又提出了光辐射强度和吸收物浓度也有类 似的关系。朗伯一比尔定律的数学表达式为： 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 一= l g ( l ) = 嬲l 式中彳光通过介质被介质吸收的吸光度： ，n 入射光强度； f 透射光强度； k 介质摩尔吸光系数，m i m o i c m ； c 吸收物的摩尔浓度，n l o l m l ： 三吸收层厚度，或者称光径，c m 。 当待测样品是一种均匀分布的溶液时，它与入射单色光的作用仅限于 吸收过程，面不会发生荧光、散射和光化学现象，并且在吸收过程中溶液 各物质无相互作用，各物质的吸光度具有加和性。这样的条件完全符合朗 伯一比尔定律。在应用中将光程固定，如果测得了溶液对某一单色光的吸 收强度，根据两者线性关系就可以得到溶液的浓度。 1 1 3 生化分析仪的结构及分析过程 按照反应装置的结构，生化分析仪可以分为连续流动式、离心式、分 立式和干片式四类。目前连续流动式几乎不再被采用，分立式则被绝大部 分生化分析仪采用。 分立式的全自动生化分析仪主要由机械操作系统、微量注射系统、恒 温控制系统、制冷系统、供水排水系统、光学测量系统以及数据采集系统、 控制驱动系统等组成。其工作流程示意图如图1 3 所示。 加样本 加试剂i 茎h 囊h 蓁hi 萎h 囊h 蓁h 蓁 打印结果 清洗比色杯 图1 - 3 分立式全自动生化分析仪工作流程不意图 f i g 1 - 3f l o wc h a r to f a u t o b i o c h e m i c a l a n a l y z e ro p e r a t i o n p r i n c i p l e 具体机械结构因制造商的不同而不同，但是大体上基本一致，一般都 包括：样本盘、取样机构、微量注射器、试剂盘、取试剂机构、反应盘( 用 来放置比色杯) 、搅拌机构( 用于将试剂和样本混合均匀) 和清洗机构( 清 洗比色杯，用于下次检测，防止交叉污染) 。图1 4 为日立某型生化分析仪 的整机布局示意图p 。 一。 堕玺鎏王：銮兰三主墨圭兰竺鎏兰 图1 4 某型生化分析仪整机图【9 1 f i gi 4o p e r a t j o np r i n c i p l eo f a u t ob i o c h e m c a la n a l y z e 一9 5 全自动生化分析仪的分析过程一般包括样本和试剂的存储、传送，化 学反应和反应的检测，信号处理、数据报告和结果分析等步骤。 样品( s p e c i m e n ) 是被测试对象的血液、尿液等体液。在放入生化分 析仪进行分析前需要对样品加以标记、处理。样品经过处理后进入生化分 析仪后称为样本( s a m p l e ) 。 化学反应和反应的检测都是在比色杯中完成的。在一个比色杯中加入 样本和相应于某种检测的几种试剂，对其进行搅拌，使其混合均匀并发生 化学反应，在不1 司时间分别测定其吸光度。比色杯的环境温度由温控系统 控制，稳定在一定的恒温( 3 0 或者3 7 ) 。 计算机作为生化分析仪的控制核心，对由光学测量得到的信号进行处 理分析，存储并打印测量数据，经过分析得出检验结果。 1 1 4 反应盘系统介绍 反应盘是全自动生化分析的核心部件，其圆周方向上安装比色杯 一4 一 ：誊耋三：銮耋三兰堡圭耋堡鎏兰 图1 4 某型生化分析仪整机囝”l f i g 1 4 0 p e r a t j o np r i n c i p l eo f a u t o b i o c h e m j ca l a n a l y 趾r 1 全自动生化分析仪的分析过程一般包括样本和试剂的存储、传送，化 学反应和反应的检测，信号处理、数据报告和结果分析等步骤。 样品( s p e c i m e n ) 是被测试对象的血液、尿液等体液。在放入生化分 析仪进行分析前需要对样品加以标记、处理。样品经过处理后进入生化分 析仪后称为样木( s a m p l e ) 。 化学反应和反应的检测都是在比色杯中完成的。在一个比色杯中加入 样本和相出于某葺中检测的几种试剂，对其进行搅拌，使其混合均匀并发生 化学反应。在不同时间分别测定其吸光度。比色杯的环境温度由温控系统 控制，稳定在一定的恒温( 3 0 或者3 7 ) 。 计算机作为生化分析仪的控制核心，对由光学测量得到的信号进行处 理分析，存储并打印测量数据，经过分析得出检验结果。 1 1 4 反应盘系统介绍 反应盘是全自动生化分析的核心部件，其圆周方向上安装比色杯 反应盘是全自动生化分析的核心部件，其圆周方向上安装比色杯 哈尔滨工业大学工学颂士学位论文 ( c u v e t t e ) 。比色杯是试剂和样本混合搅拌、化学反应、进行光电测量的 容器。 比色杯分为一次性比色杯和可重复使用比色杯。一次性比色杯可以避 免交叉污染，但是大量废弃的比色杯的后续处理较困难。比色杯重复使用， 则需要生化分析仪中安装自动清洗机构来避免交叉污染。图l - 5 a 为某型全 自动生化分析仪使用的一次性比色杯【l 。图1 5 b 为可以重复使用的比色 杯。目前大部分中高端全自动生化分析仪都采用可重复使用的比色杯。 a ) 一次性比色杯“b ) 重复性比色杯 圈l - 5 比色杯 f i g 1 - 5c u v e t t e 全自动生化分析仪工作过程中，反应盘载着比色杯转动，依次实现加 样本、加试剂、搅拌、光电检测以及清洗比色杯等流程。这些流程都涉及 到了比色杯的定位问题。加样本、加试剂和搅拌时，注射器和搅拌杆需要 伸入比色杯内；光电检测时，比色杯的位置要与光学元件的位置保持在一 定的范围内，否则可能造成光电检测不能正常进行；清洗比色杯是定位要 求比较高的环节，清洗机构一般都采用清洗头深入比色杯内进彳亍清洗，如 图1 6 所示。清洗头与比色杯尺寸接近，并且要伸入比色杯内进行往复运 动，如果反应盘定位误差较大，则可能使清洗头无法深入比色杯内，甚至 发生碰撞，对机器造成不必要的损害，所以相对于清洗头，比色杯的定位 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 误差要控制在较小的范围内。 图1 6 比色杯清洗头 f i g 1 - 6r i n s i n gm e c h 眦i s mo f a u t ob i o c h e m i c a la n a l y z 盯 1 2 本课题研究的目的及意义 衡量全自动生化分析仪的指标主要有：自动化程度、分析效率、应用 范围、分析精度以及其他一些性能( 仪器取液量、最小反应液体积和测试 速度等) 。 其中反应盘的定位系统的定位精度影响生化分析仪的自动化程度、分 析精度等主要指标。自动化程度是指仪器能够独立完成生化溯定操作程序 的能力。与半自动生化分析仪相比，全自动生化分析仪就增加了加样本、 加试剂、搅拌和清洗等功能。反应盘的定位精度的优劣影响了生化分析仪 的自动化程度的提高。 全自动生化分析仪的分析精度取决于仪器各部件的加工精度、装配精 度和精确的工作状态。清洗机构的清洗效果很大程度上影响了分析结果的 准确性，如果清洗不彻底，可能会造成交叉污染。而清洗效果又受到反应 盘定位精度的影响。 由上所述，反应盘定位系统的定位精度对整个全自动生化分析的工作 性能起到了决定性的作用，如果不能很好地解决反应盘定位系统的相关问 题，就无法彻底地提高全自动生化分析仪的性能。 本文采用单级大速比的齿轮传动形式，配合一定的反馈检测手段，通 过系统优化设计和参数的匹配选择，使得反应盘定位系统的定位精度最终 控制在合理的范围内，从而为整个全自动生化分析仪的性能提高提供保障。 坠玺鎏三些銮：三：鎏圭：2 兰吝 1 3 国内外相关技术发展现状 1 3 1 国内、外生化分析仪发展状况 国外临床生化分析仪发展从5 0 年代开始。 自5 0 年代s k e g g s 首次介 绍了一种i 晦床生化分析仪的原理以来，随着科学技术尤其足医学科学的发 展，各种自动生化分析仪和诊断试剂均有了很大的发展，自动化程度有了 显著提高，各公司推出了种类繁多、性能优良的生化分析仪。 世界上首台实用的自动生化分析仪是美国t e c h n i c o n 公司在1 9 5 7 年推 出的a u t oa n a l y z e r ，此后世界上许多家公司都纷纷推出自己的产品，如美 国贝克曼一库尔特( b e c k m a n c o u l t e r ) ，日本日立( h i t a c h i ) 、奥林巴斯 ( o l y m p u s ) 、岛津( s h i m a d z u ) ，德国拜尔( b a y e r ) 等都相继研制成功全自 动生化分析仪，并且已经发展了几代，在分析精度、检验速度方面也不断 提高。 国内生化仪的研制工作起步较晚，目前国内太部分公司的产品仍然处 于半自动生化分析仪的研制阶段。2 0 0 2 年，中国科学院长春光学精密机械 研究所在国内率先研制成功了半自动的生化分析仪c a 9 5 8 ，填补了国内的 空白。2 0 0 3 年，深圳迈瑞医疗电子股份有限公司率先推出了具有自主知识 产权的商品化的全自动生化分析仪b s 3 0 0 ，打破了国外产品一统市场的局 面。另外南京英诺华和北京松上等公司也相继研制出了各自的全自动生化 分析仪。 从目前生化分析的发展趋势来看，高端全自动生化分析仪一般都具有 以下的功能【i “： ( 1 ) 用条形码( b a rc o d e r ) 标记样品和试剂并由读码器识别，大大提高 了系统工作的准确率和操作人员的安全性【1 2 】； ( 2 ) 比色杯的自动清洗功能和惰性液的应用能有效的防止交叉感染： ( 3 ) 测试项目任选式； ( 4 ) 各种自检( s e l f - m o n i t o r i n g ) ，自动重检功能，警告功能； ( 5 ) 急诊样品插入功能( s t a ta v a i l a b l e ) ： ( 6 ) 管理功能包括交验程序管理、数据管理、质控管理。 2 銮篓三些查兰三耋璧：。兰堡鎏茎 1 3 2 结构优化设计的发展现状 优化理论和方法的起源可以追溯到微积分诞生的年代。然而，直到二 十世纪三、四十年代，由于军事、航天等方面的迫切需要，才使得它得到 了蓬勃的发展。计算机的问世和软硬件的迅猛发展使得优化计算的成本大 幅下降，于是基于迭代原理的各种数值优化方法，如单纯形法，共轭方向 法、惩罚函数法等得以广泛的应用。 18 9 0 年m a x w e l l 和1 9 0 4 年m i c h e l l 分别发表了关丁最小体积构架结构 设计问题的论文。第二次世界大战期间发展出了数学规划方法，它是运筹 学的重要内容，包括线性、非线性规划和动态规划，是一些典型问题的特 殊解决方法最优化方法。六十年代s c h m i t 用数学规划的方法来解决结 构优化设计问题。 在这以前的优选思想带有经验性，2 0 世纪4 0 年代，机械优化设计盛 行的是“同时破坏理论”，即在单一载荷作用下整个结构破坏时，每个受 力件都同时达到其材料的强度极限，这就是最佳结构。1 9 5 6 年的gg e r 盯d 第一次发表了同时破坏理论的优化设计文章，其理论基础是经典的函数极 小优化理论，仅能处理一些简单的结构，应用受到很大的限制。1 9 6 0 年出 现了“最佳准则”理论，它用来选取最小体积结构，这种理论来源于结构 力学的极值理论，一般局限于简单的结构形式和载荷状况。1 9 6 9 年j j a y o r 和w p r a g e r 发表了以“最小准则”概念选取最小体积结构优化的论文。1 9 7 1 年v v e n k a v v a 和l i b e r e c 也发表了这方面的文章”。 人工神经网络控制( a n n ) 8 0 年代以来得到了广泛重视和研究，并且 得到了广泛的应用。6 0 年代的发展使得其理论研究已经比较成熟，迄今为 止已经有了4 0 多种神经网络，其中有些可以用来做结构设计优化，如 h o p f i e l d 神经网络”4 j 。 1 9 6 5 年著名的控制论专家c a l i f o m i a 大学的l a z a d e h 教授提出了 “模糊集合”概念，从而诞生了模糊数学。模糊技术的应用也扩展到了结 构设计领域，如多目标优化问题。1 9 7 5 年，美国m i c h 堙a n 大学j h h o l l a n d 提出了遗传算法( g e n e t i c a l g o r j t h m ，g a ) 。此后，遗传算法中启发式概率 搜索的思想不断得到发展，逐渐形成了目前的演化计算( e v o l u t i o n a r y c o m p u t a t i o n ，e c ) 这一领域。由于e c 固有的自组织，自适应、自学习等 智能特性，使得它对所解的优化设计问题没有太多的数学要求。可咀处理 任意形式的目标函数和约束i l ”。e c 对各种特殊问题可以提供极大的灵活 芝玺篓三些奎耋三兰翟圭：竺兰兰 性来混合构造邻域独立的启发式算法，这是算法的通用性和灵活性，一般 而言，针对具体问题只需要设计相应的演化算子，这是算法的简单性【1 6 】。 遗传算法在结构优化设计中的应用最早可见g o l d b e 豫和s a m t a n i 的工 作。他们研究了十杆桁架仅受应力约束的尺寸优化问题【1 ”。文献 1 8 将遗 传算法用于杆梁组合屋顶、三杆桁架和薄壁结构优化问题。文献 1 9 将遗 传算法用于结构优化中非凸问题的求解。文献 2 0 将数学规划方法与遗传 算法结合起来应用于结构的复合材料板的优化，提出了一种两级优化技术。 文献 2 1 将遗传算法用于天线结构优化设计；文献 2 2 将遗传算法应用于 抗震结构的智能优化设计中。 目前国内将演化算法运用于结构优化处于发展的初级阶段。文献 2 3 将神经网络用于桁架结构优化设计。文献 2 4 用演化算法解桁架结构的拓 扑优化问题。文献 2 5 提出了一种改进进化算法的遗传算法，用于桁架结 构优化设计。文献 2 6 ，2 7 应用遗传算法进行离散变量结构优化设计。 1 3 3 齿轮传动概述 齿轮传动是各种机器设备中应用最广泛的动力和运动传递装置，也是 历史最为悠久的机械传动之，自l7 6 5 年欧拉( le u j e r ) 创立渐开线圆 柱齿轮以来，迄今已有两百余年的历史。1 8 9 1 年赫兹( h e n z ) 公式和1 8 9 2 年l e w i s 公式的提出奠定了现代齿轮强度计算的基础，齿轮制造进入了工 业化生产阶段。美国齿轮制造协会( a g m a ) 、德国( d i n ) 以及国际标准 化组织( i s o ) 先后制定了较为配套的齿轮标准【2 引。 目前齿轮的齿型主要有渐开线齿型、圆弧齿型和双圆弧齿型。1 7 6 5 年 欧拉( l e u l e r ) 创立渐开线圆柱齿轮；1 9 0 7 年，英国人f r a n kh u m d h r i s 发明了圆弧齿型；英国r d l l s - r o y c e 公司的r m s t u d e r 提出了分阶式双圆 弧齿轮，1 9 7 0 年获得美国专利。 齿轮的传动形式除了常用的开式齿轮副，行星齿轮，蜗轮蜗杆等之外， 现在研究较多的集中在了少齿差齿轮( 如谐波齿轮，三环减速器【2 9 3 0 1 ) ， 星型齿轮删以及其它一些高速、重载、大速比的齿轮f 3 l 】。 在齿轮的精度设计方面，文献 3 2 ，3 3 将齿轮偏心误差视为瑞利分布。 文献 3 4 提出了对齿轮主要误差的统计表达式。齿轮传动的间隙 ( b a c k l a s h ) 是研究的热点，很多文献也提出了各种消除传动间隙的方法。 对于要求消隙精度达到角秒级的装置，可采用电消隙的双电机驱动方式， 哈尔滨工业大学丁学硕i ：学位论文 效果良好但是造价过高【3 5 。文献 3 6 采崩双传动链，基本上可将传动链的 空程误差加以消除，极火提高了传动精度。文献 3 3 提出了利用弹簧力完 全消除回差的办法，在传动力矩较小的情况下是切实可行的，目前在精密 机械中应用广泛。 1 4 本文主要研究内容 目前国内全自动生化分析仪正处于起步阶段，与国外全自动生化分析 仪相比某些性能还存在较大的差距。反应盘系统作为制约全自动生化分析 仪性能的一个重要部件，它的性能好坏直接决定了全自动生化分析仪的性 能。反应盘的定位精度就是制约生化分析仪工作质量的关键因素。本文从 生化分析仪系统性能要求出发，提出了合理的设计方案，对反应盘结构参 数，电机驱动及软硬件控制等方面进行合理的匹配。建立了备环节误差与 定位精度之间的关系，通过优化设计的方法选择了传动系统的参数，并且 利用有限元方法校核了传动系统承载能力。最后通过实验证明了本文所建 立的反应盘定位系统的定位精度可以达到要求。 本文的主要内容有以下几部分： ( 1 ) 建立既可以满足系统的性能要求，又可以将成本控制在可以接受的 范围内的反应盘系统方案。 ( 2 ) 采用网络枚举法对传动系统参数进行优化选择，得出较为理想的传 动系统参数。 ( 3 ) 对反应盘系统进行误差分析，建立各误差与系统定位精度之问的关 系，从而确定传动系统零部件的精度等级。 ( 4 ) 在m a t l a b 中利用坐标变换法计算精确的齿廓曲线，并且编制了g u i 界面，通过a p d l 语言导入a n s y s 进行有限元分析。 ( 5 ) 建立合理的实验方案，测试系统的实际性能。 哈尔滨工业大学工学硕j j 学位论文 第2 章反应盘定位系统的方案设计 2 1 反应盘定位系统的性能指标和特点 反应盘系统是生化分析仪工作的主要场所，全自动生化分析仪的主要 动作流程包括化学反应和光学检测都要在这个系统内完成。 生化分析仪工作流程大致为加样本、加试剂、搅拌混匀、光学检测、 数据处理和打印报告及比色杯清洗，如图2 - l 所示。反应盘系统在一个检 验周期内频繁的启动和定位。 图2 1 反应盘系统动作流程 f j g 2 - lf l o wc h a r to f r e a c t j 彻d j s ko p e r 甜i o n 反应盘系统的各项性能指标决定了全自动生化分析仪的工作质量，同 时也是我们进行系统设计的依据，反应盘系统的性能指标主要有： ( 1 ) 定位精度反应盘的定位精度决定了比色杯与清洗头、试剂针、样 本针等的相对位置误差，该误差过大会造成碰撞现象，损害仪器。本文所 述全自动生化分析仪要求其反应盘定位精度控制在其嘲周方向上 0 1 5 m m ，折算成角度为： 圭坠塑竺生：o 0 6 5 ，f 2 1 1 月1 8 0 。 。 式中月比色杯u 中心到反应盘旋转中心的径向距离。 ( 2 ) 转动速度反应盘的转动速度一定程度上决定了系统的检验速度， 高速化是全自动生化分析仪发展的一个趋势。本文所述的全自动生化分析 仪要求转动速度控制在1 转秒左右。 彗堡篓三些盔兰三耋至圭耋竺譬銮 ( 3 ) 反应盘杯数反应盘的杯位数受恒温反应时间和加试剂周期的影 响，一般控制在1 0 0 个左右。本文所述全自动生化分析仪的反应盘上均布 有8 0 个比色杯，每个比色杯杯位对应3 6 0 。8 0 = 4 5 。 2 2 系统结构方案设计 2 2 1 齿轮传动 传动系统决定了电机的负载力矩、系统的效率、运行平稳性、运行精 度、系统刚度等，是影响系统定位精度的一个重要的原因。 目前自动化行业巾最常用的机械传动形式有齿轮传动和同步带传动。 同步带传动以其安装方便，对中心距变化不敏感效率高等特点应用越来 越广泛；齿轮传动一直以来都是机械传动的主要形式，它具有速度和承载 能力变化范围大，传动比恒定，结构紧凑，传动精度高，效率高等特点。 齿轮传动与同步带传动相比，在精度要求较高的应用场合具有以下一 些优势： ( 1 ) 结构紧凑与同步带相比齿轮系统结构紧凑，尤其是采用了行星齿 轮结构时，可以在很小的空间内实现很大的传动比。 ( 2 ) 精度范围广齿轮传动精度可以随着齿轮加工精度的提高而提高， 目前齿轮已经有了明确的精度等级，加工设备齐全。 ( 3 ) 应用环境范围广相配合两个齿轮的材料可以根据需要选择，以适 应不同的工作环境要求，比如说高温，高速重载等。而同步带的材料只能 在有限的范围内选择。 2 2 1 1 传动形式反应盘的定位精度要求较高，所以传动系统应该采用较 大的传动比来减小系统脉冲当量。在齿轮传动的各种结构型式中，星形减 速器在飞机、工程机械、轮船、仪表等方面也应用越来越广泛，它具有结 构紧凑、重量轻、传动效率高、运动平稳、抗冲击和抗振动能力强等特点， 是目前齿轮研究的重点之一1 2 ”。但是其具有安装调试复杂的特点，也限制 了它在一些领域的应用。其它一些行星齿轮减速器和少齿差减速器( 如三 环减速器和谐波减速器) 也都具有这方面的特点。考虑到安装和加工的问 题，本文采用单级大速比齿轮传动。齿轮单级传动比一般控制在1 0 以内， 但是由于反应盘系统的传动装置负载力矩要求很小，齿轮啮合过程中，轮 鉴玺鎏苫些銮：三兰錾圭兰竺兰吝 齿所承受的力矩和表面压力都很小，所以采用单级大速比的齿轮传动是可以满足要求的。 2212齿轮材料采用大速比的单级传动，大齿轮的体积相对较大，若仍 然选择传统的金属材料，就会造成系统负载惯量太大，增加了电机的负载， 所以要选用强度密度比高的材料，当然成本上也要控制。目前齿轮材料除 了传统的各种钢材、铸铁、铜合金等，工程塑料也应用的越来越广泛。常 用于齿轮的工程塑料主要有：尼龙6 、尼龙6 6 、尼龙6 1 0 、尼龙1 0 1 0 、m c尼龙、聚碳酸脂和聚甲醛等“。 m c 尼龙( 又称单体浇注尼龙) 是目前较常用的齿轮材料，与普通尼 龙相比，它具有良好的机械物理特性，吸水率低，耐磨性较高，摩擦系数 低，耐化学腐蚀，兼具自润滑和强韧的特性，越来越多的被应用于大型、结构复杂的塑料齿轮i 3 ”。本文采用m c 尼龙作为大齿轮材料，使得大齿轮 在尺寸较大的情况下，既保证了强度又降低了系统负载惯量， 拳酵副殳胁再引| | i | j 箱旒等建疆酣；糕新裂鼎翁誊if 耘杀旨型籍 n 掣夸“。掣型曼趔沙糍婴殒箭辏蓍埘列甜髹誉i l ，i 。 f 娜”魏褂潞鲻书祈辑醛戮玎酏型船园，嚏渤j 丽唆满曛淹撒撼挥 潦瞅辜乐 。型婚群霜# 妻书垂； 蠢翌。 霎蠢凌萋 群g 掣搿萋谬噬一 ，另外文献 5 3 采用 了一种半经验半理论的方法对中厚扳轧机的工作辊初始辊型和支撑辊初始辊型 进行优化设计。 3 2 23 压下负荷分配 压下负荷分配是中厚板轧机板形与板凸度控制中一个非常重要的手段。与 支撑辊和工作辊的初始辊型不同，压下负荷分配可以根据当前生产中的板形情 况适时进行调整，可操作性强，反应速度快。在工作辊的一个服役期中，可以 根据当时的 潭壬媳窒喽 x 鉴玺鎏苫些銮：三兰錾圭兰竺兰吝 齿所承受的力矩和表面压力都很小，所以采用单级大速比的齿轮传动是可 以满足要求的。 2 2 1 2 齿轮材料采用大速比的单级传动，大齿轮的体积相对较大，若仍 然选择传统的金属材料，就会造成系统负载惯量太大，增加了电机的负载， 所以要选用强度密度比高的材料，当然成本上也要控制。目前齿轮材料除 了传统的各种钢材、铸铁、铜合金等，工程塑料也应用的越来越广泛。常 用于齿轮的工程塑料主要有：尼龙6 、尼龙6 6 、尼龙6 1 0 、尼龙1 0 1 0 、m c 尼龙、聚碳酸脂和聚甲醛等“。 m c 尼龙( 又称单体浇注尼龙) 是目前较常用的齿轮材料，与普通尼 龙相比，它具有良好的机械物理特性，吸水率低，耐磨性较高，摩擦系数 低，耐化学腐蚀，兼具自润滑和强韧的特性，越来越多的被应用于大型、 结构复杂的塑料齿轮i 3 ”。本文采用m c 尼龙作为大齿轮材料，使得大齿轮 在尺寸较大的情况下，既保证了强度又降低了系统负载惯量。 小齿轮的转速会相对大齿轮高很多，轮齿啮合频繁，所以要具有较高 的耐磨性。本文小齿轮采用相对较耐磨的铝青铜a 1 9 - 4 。 齿轮的安装形式采用可调中心距的方案，这样可以减少对齿轮安装中 心距的限制，有利于系统装配调试。 2 2 2 执行电机 机电系统中控制电机一般有交流伺服电机、直流伺服电机和步进电机。 交流伺服电机和直流伺服电机可以达到的精度较高但是控制较复杂，成本 也较高；步进电机与伺服电机相比成本相对较低，控制简单但是精度没有 前两种电机好。考虑到反应盘系统的性能和成本要求，选用步进电机驱动 作为驱动元件。 步进电机分为反应式步进电机、永磁式步进电机和混合式步进电机。 混合式步进电机兼有反应式步进电机和永磁式步进电机的优点，即步距角 小，有较高的起动和运行频率，相绕组不通电时具有一定的定位转矩，消 耗功率小，符合反应盘系统工作的要求。 步进电机的步距角大小影响系统的脉冲当量，系统的脉冲当量是决定 系统定位精度的个主要因素。脉冲当量越小，系统越容易获得较高的定 位精度。综合考虑成本和性能，选择1 8 。的混合式两相步进电机。 哈尔演工业大学工学硕士学位论文 2 2 3 检测与反馈元件 检测与反馈元件的误差对系统误差的影响相对较大，如果不能合理的 选用检测与反馈元件，则系统的定位精度很难有质的提高。在旋转定位系 统中，常用的检测元件有旋转变压器、感应同步器和光电编码器等，它们 的精度都较高，完全可以满足系统定位精度的要求，但是存在成本偏高的 问题，而且在反应盘系统中使用这些元件，会使得结构布置与系统算法实 现变得复杂。 本文采用两个h o n e y w e u 的红外光电传感器( 如图2 2 a 所示) 和一个 分度码盘( 如图2 2 b 所示) 组成。分度码盘下端面安装一个零位挡块，当 零位传感器捕捉到零位挡块的边沿时，向控制板发送零位信号。分度码盘 的圆周方向上有与反应盘上比色杯对应的8 0 个齿，当一个齿的边沿遮住传 感器时，传感器会向摔制板发送一个码盘信号，表示码盘转过一个齿。控 制板计数器从接收到零位信号开始，记 o o 一萋鐾墓鍪； ；了j i jo o = = j 。io - 一= ! 醋甄蓥瞳囊 霎墼垂一妻刍j ! i i ；耋塞a ? 基盖_ 秀嘲趔漫 x 哈案竺疆竺工i 业曩垒雹= t i 学 睡j 竺；耋| | 溪薹霎霞花矬 冀篓蓄喜羹薹羹墓鎏帑妻菩科| 蠹褥私纠雏懿9 0 磊! 拓垂甄舻疖事誊 孥表鳅嘲彗卧排良攀；轻翟怪姑嚣荨摧蕊m 雾弛副 篇；斟蒯副虱m 磊 露蠢：“薯岂酏为一嚣般甄甄髯洲二全馨秽彰藓疖殳削杉扪! 玩鳓 型到翁握洲鞯二矮桩箍窭罄瑷摇惺裂嗣叠器黎对戳：雾枣受烈彰m 匣j 牡驯 妻艇蟊篓r 嘶糊鲐棼割菠掣f 鹫甜象鞠；瞬封翱瓣茜氲群勤型毳型薹器 睫蛸硼醵墼： 雾要磊孽第鎏夔m _ ；辫g 蹦篓蓄堕嚣冀蓉砷；醛摊| | 蹦托i 驴驼 赐哩萋蟊i 素蓉i 。昂爆；莹缸。戳量誊皇戛耄蔼博垂信号茬誉为：齿 毪嘣嶝嘘四嚯奄毒蝎登耋荔娶篙谨矗= 霎湛嫩盘罐愿琅悸嘲垮。道攫洌蔗 萎 招崭雪善戥爹型驯豇礤营联氆碍湃i ；墓静j “骢强”扭m 酆碧戮 驵”琶；磺鬣落蕊萎鹰盘璺籀嚣一焉鲔髻器型j 兰量薹童三；一圣i 一 乏。叠毒i 舞毒亨蓦差童霉： o o 一萋鐾墓鍪； ；了j i jo o 二j 。i o - 一二醋甄蓥瞳囊 霎墼垂一妻刍j ! i i ；耋塞a ? 基盖_ 秀嘲趔漫 x 兰玺鎏三兰銮兰三主要圭耋鳘鎏兰 2 ，4 系统控制方案 反应盘系统的结构示意图如图2 5 所示，系统采用半闭环的控制方法 如图2 - 6 所示 图2 5 反应盘系统方案示意图 f j g 2 - 5s c h e m a t i cd r a w i n go f r e a c t i o nd i s ks y s t 哪 给定杯位数 步进电机带动码盘和反应盘转动 传感器检测码盘齿沿 计数器计算转过的码盘齿数 到达需要定位杯位 i 一 步进电机停止转动 图2 - 6 反应盘系统控制方案流程图 f i g 2 - 6c o n t r o im e t h o do f r e a t i o nd i s ks ys t i 釉 n 堕玺鎏三些銮兰王：翟土兰竺兰銮 3 1 引言 第3 章反应盘定位系统详细设计 在上章方案设计部分采用步进电机、大速比齿轮副、码盘和光电传感 器组成了系统方案。本章详细设计部分主要是对齿轮副的参数、齿轮精度、 电机选择和码盘加工精度进行分析计算。 在齿轮参数选择中，采用了网络枚举法。首先初选电机，采用多项式 拟和的方法得出电机矩频特性曲线的表达式，将其作为优化设计的约束条 件。考虑到反应盘系统，齿轮副传递的力矩很小，轮齿的承载能力在设计 前进行初估，也将其作为设计约束。优化结束后根据所得参数，准确的校 核电机输出力矩，齿轮承载能力将在第4 章通过有限元分析校核。 齿轮参数确定之后，进行齿轮和码盘的精度设计，分析各主要误差与 系统定位精度的关系，建立它们之间的关系式，从而确定齿轮和码盘的加 工精度。 3 2 驱动电机力矩的估算 3 2 1 估算驱动力矩 系统工作速度为大概每秒一转，所以对于步距角为1 8 。的两相电机， 其转速大约为； l x 等啦2 5 0 0p p s ( 3 - 1 ) 1o o j- 初估电机工作速度为2 5 0 0 3 0 0 0 p p s ( p u i s ep e rs e c o n d ) 。 粗略估计反应盘系统的转动惯量为1 8 1 0 。2 k g m 2 ，电机轴上的总的等 效惯量约为9 1 0 。妇- m 2 。 初步选择加速时间o 0 5 s ，则系统启动停止需要的力矩为【3 9 ： 一：，。型。曼五 ” 1 8 0 。 1 f 3 2 1 ：9 x l o 气型坚掣地1 7 n m 1 8 0 =o 0 5 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 度) 函数。 采用描点法得出电机矩频曲线上各点的坐标，利用m a t l a b 进行多项式 拟合。六次多项式拟合的方程为： t ( ，) = - 0 0 0 0 2 4 2 8 2 0 4 7 6 6 3 ，6 + 0 0 0 8 5 7 0 13 9 5 9 7 1 可5 o 11 8 2 1 3 6 7 6 6 3 6 6 4 ，4 十o 7 9 8 4 7 7 1 6 6 9 4 6 8 可 r 3 3 、 一2 6 3 9 3 0 8 7 6 9 5 0 7 9 缈2 + 3 0 0 3 8 1 3 3 4 7 9 1 4 6 9 ， + 4 0 0 9 7 6 4 0 0 2 5 1 7 4 2 拟合曲线如图3 2 所示。 例3 2 六次多项式拟合的矩频曲线方程 f i g 3 - 2n t t e ds t 。p p e rm o t o rp u l l - o u tc u r v eo fs i x - d e g r e ep o l y n o m i a l 3 3 齿轮承载能力的估算 齿轮承载能力的计算是指齿轮轮齿弯曲疲劳强度计算和齿轮齿面接触 疲劳强度计算，是为了保证传动系统的可靠性。齿轮相关的国家标准提供 了一系列的计算、校核齿轮强度的计算方法。但是如前所述，反应盘系统 传动负载很轻，齿轮受载破坏的可能性较小，在设计之初只进行粗略的估 算，齿轮参数基本确定之后再进行承载能力校核。 由于大齿轮采用的材料是m c 尼龙，目前在塑料齿轮设计和承载能力 等方面已有较多研究1 4 “”，但是还没有完善的关于尼龙材料的设计方法， 鉴筌蒌三、业銮兰苫兰罂圭兰垒鲨兰 现在主要还是套用金属齿轮的设计方法设计工程塑料齿轮f 4 4 j 。 本课题采用g b t 3 4 8 0 1 9 9 7 所述的方法，对齿轮的承载能力进行估算， 公式中的系数近似选择，得： 墨 1 4 0 m 互业 5 5 d“ 式中f 端面内分度圆上的名义切向力 d 小齿轮分度圆直径。 3 4 系统参数优化设计 ( 3 4 ) 开式齿轮副在悬臂支撑的情况下，机械设计手册推荐采用齿宽系数 0 3 0 5 ，选用齿宽占= 8 。 采用直齿渐开线标准齿轮传动。 3 4 1 设计变量 选取设计变量为传动系统的传动比“、齿轮模数聊、小齿轮齿数z ， 即x = “，晰，z 1 。其中齿轮模数m 和小齿轮的齿数z 都是离散的变量，而传 动比甜则是连续变量。 齿轮模数选用国家标准g b t 1 3 5 7 1 9 8 7 第一系列中的f o 5 ，o 6 ，o 8 ， l ，1 2 5 ，1 5 ，2 1 。 小齿轮齿数范围选取 1 7 ，1 8 ，1 9 ，2 0 ，2 1 ，2 2 ，2 3 ，2 4 ，2 5 ，。 3 4 2 目标函数 参数优化的目标函数是根据系统的性能要求来制定的。按照系统性能 要求，在优化设计中需要考虑的性能指标有：系统定位精度尽量高，结构 尺寸尽量紧凑，电机负载尽量低，步进电机转速尽量低。相应的选择脉冲 当晕最小、传动中心距最小、等效转动惯量最小、电机转速最低作为衡量 各性能指标的分目标函数。 ( 1 ) 脉冲当量脉冲当量的大小很大程度上决定了系统定位精度的高 低。系统设计时，脉冲当量按照系统定位精度的公差来选定，一般取其精 哈! 外是：工_ 业 竿二二萼 l ? 自；二鐾堪。军囊篱，蔷耄篓掘罕? 任萋嚆釜焉l l 譬；jf 私f 刊粥般副q l “羔攀! 童 浠羹弱蓉l l l 届爱高涵馏jj ? ： i蓖f j 二；i ? 二! ；! 囊薹一，至萋z 竺| | ；一。髦，玉= _ j j j | | | | 0 毒至毛一_ ；墓善e 薯；j ；j 三 至| | ；曼? ；i i j ：i j ：! i ：i i i 。 j i l ；基。连! 露 j i 丢i 、i ；矗j 鐾自z ；薯垂i i = 专i f f | 妻孽：j l 二：蘸 ! 妻萝! 妻! ；| ；善毫囊；j ；辞_ 摹蓍i 鳝l 塞| ；! i 茎 ；j 争蓦i i i ! i 主i ；i ； l 女：主姜q l l ! i 善争一：_ 0 。 i i ? 萝 ! 毒掌i ，j j ；jj j i i i i ，i _ 7 1 = 二jr i ? r ；j j j = i ? j ；g j ? t g ；自1 ；萎s ? | | l r j “l “j j - 一一= 二_ _ j j j j i ；j j 叠耋笔墨 女j ! i i 善_ i j i 董j i = i i j = j o j j j o j0 j = j - 勇_ ? _ | | i ? j i ：? ：_ _ jj i = _ _ ? i ? i 二_ | _ | ； 女c i r 圭i j = i j i ；口i j 蔓i 11 9 h 薹i ! 莹；霎 一 f l 誊；i 耋i ；三誊a o ? l i 妻i ! l l 露l 誉一l 耋= l l 善j j ? ；i 薹；i 善f 童，；l 主莲l 辱i i ；圭l 萋一要li ! i 至i 墓二暮；匿娶q i ；| lt j 荒i t 2 荤喜? i i ；i 喜| 隧兰：l 呈：j ；耋i 翻薹i ! ! i 塑垂蘸。望譬重蚕二r 篓；圣 ；羁! 一车妻一 ! ；秦l霪堑j ；i 二! 毒? j i j a i ? ；i 鍪i g i ! 萼j i ：目! ； 季霉；斗 主i 妻! i | | | | ：j 耄i 誊ii 酱蟊，鐾i j 耋! ；i i ； ：i 量；耋冒蠢谨i 苫l 本! 龟 萼：j ji ；i 1 1i i i ；薹蠹i ： ；i i 二t e p ；i ；l l ；蓬。l 攀妻垂? i 季砘j 。 ，i 墓l j 0 差一| 1 i l ；i 攀囊萎= 薹耋妻曩琴k 甲静而引且鎏f 嗟i 蚕；高溺；# 基夸纂前0 ii ；l ? l l 蓟膏 酱。扛r 器蓖苻幽i i i 。匙臻。i l ；s | i ! i ? ：i i s ， l l ；雒鏊：引羹蔓矗毒霎渍囊姜碧斟转“萋刚囊蔫罂i 譬i j 霉引二机的甍意鬟! ；? i ；。 i 1i ； 鋈。薹舅| i 氢，篓囊l i j r 善i j 垂o f 要雾l l i 囊 二；毛薹 t 雪掣耋羹囊譬l ；薹嚣| l ：交i ；! ：；! ! 馨7 三l l 摹o ii 目昏； ! 罾：j ：j = 毒；b i ! 蚕h ； 著薹螽差耋葛。i i i ；至薯蠹譬2 窭；：! 喜j 蓉i 季主囊? 雾耋j 孽i i f 旨_ 蠢；= i 葛姜箍j j 掌圭萼! 錾t 吲j 鼋；i 字萎| ! l ；hl 掌垂季3 ；喜i i i j 薹! 喜塞。ji 。霉i i l ；孽薹靼b 昌囊耋g 垂 蚕i i g 宴；! i ! ! t ；薹善垂，孬；蟊 ! 韧i i吉。甜l i # h ：孽p i j 自r 0 萼鼍；雾蔓? i i 饕丧i ；= 蚕￥专奏；j 蔓i ! 霉中f ，】_ 疆i ；舞t ；：；i 耄i 矗誓；车| i 翼目d ! 攀囊尹蠢苣；嘉i ：虻i e ”童j i i ii 囊嚣； ；i 套童i 喜耋l 薹；il 曼一鸯萼。 j i 妻i引 ；羹| 叠j 。毒i | 笔量； 吾；d 萎i 要* ；女鲜；、i j j 莹；： | 】i i l 蓦基? j 一一毫差1 i l 薯；迫孽i i i ；_ _ 毒；茸i 篝；：j ? 1 0 宣? jj o j j 一= j _ _ ；? 兰筌鎏三兰查兰三兰堡圭兰竺兰兰 对应于五的单位k p p s ，瓦单位为去n m 为满足系统运转要求，电机输出力矩要太于负载加速力矩与安全系数置 的乘积 即 丁= k 疋 r ( 正) ( 3 2 6 ) 式中x 一般取1 5 2 。 ( 5 ) 齿轮承载能力齿轮的承载能力包括轮齿的弯曲疲劳强度和接触疲 劳强度，计算结果如式( 3 _ 4 ) 。 ( 6 ) 小齿轮轴孔小齿轮通过紧定螺钉的方式与电机轴配合，为了保证 紧定螺钉的最小旋和长度，本文采用限制小齿轮分度圆直径的方式来保证 满足上述两种情况。所选电机k h 5 6 j m 2 - 9 5 l 的轴伸直径为厶= 6 3 5 ，所以 取约束条件小齿轮分度圆直径大于等于1 0 。 即 d 1 0 m m ( 3 2 7 ) ( 7 ) 大齿轮直径大齿轮的加工受齿轮加工机床加工尺寸范围的限制， 大齿轮的直径要有上限。一般小模数高精度滚齿机的加工尺寸范围在 4 0 0 m m 以下。 3 4 4 优化算法流程图 因为设计变量中齿轮齿数和模数是离散变量，而传