（电气工程专业论文）医用缝合线线径智能测试仪的研制.pdf

江苏大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h ea u t o m a t i cd e t e c t i n g t e c h n o l o g yh a sa l r e a d yb e e np u ti n t ob r o a du s ei nc h i n a m e d i c i n ei so n eo ft h ef i e l d s o fi t sa p p l i c a t i o n a c c o r d i n gt op r cy y016 6 - 2 0 0 2 i ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pa n a u t o m a t i cd e t e c t i n gd e v i c et oc h e c kt h ed i a m e t e ro fs u r g i c a la b s o r b a b l es e a m t h i sp a p e rf i r s t g i v e sa ni n t r o d u c t i o nt ot h eh i s t o r yo ft h ea u t o m a t i cd e t e c t i n g i n s t r u m e n ti nc h i n a ，a n dt h e nc o n d u c t ss o m er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to nt h e d e s i g no ft h es u r g i c a ls u t u r ea u t o m a t i cd e t e c t i n g d e v i c e b a s e do nh i sd e t a i l e d s u r v e ya n di n t e l l i g e n tr e s e a r c h ，t h ea u t h o rh a sm a d ec l e a ri t st e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n s a n dw o r k i n gp r i n c i p l e s a n d ，h et h e nd o e sr e s e a r c h e si n t oi t ss t u c t u r a ld e s i g n ，w i r i n g ， s o f t w a r e s ，e r r o ra n a l y s i sa n dd a t ap r o c e s s i n g ，e t c ，t or e d u c et h ei m p a c to ft h e s t r u c t u r eo nt h em e a s u r e m e n tr e s u l t st ot h ef u l l ，h ea l s om a k e ss o m ei m p r o v e m e n to n t h ed e s i g no fi t s g e a r i n g ，g u i d ea n dp e d e s t a l a8 0 5 1o n e c h i pm i c r o p r o c e s s o ri s b u i l ti ni t sc i r c u i tt om e a s u r e ，a n a l y s e ，a n de v a l u a t et h es i g n a l sf r o mt h el o a dc e l lt o g e tt h ew h o l eo p e r a t i o no ft h ed r i v em o t o ru n d e rc o n t r o l ；ag r a t i n gs e n s o rt om e a s u r e t h ed i a m e t e ro ft h es u t u r e b yi m p r o v i n gt h ed e s i g no ft h es o f t w a r e s ，t h es y s t e mc a n s e tu pt h et y p e sa n dp a r a m e t e r st h r o u g ht h ek e y b o a r da n dc o n d u c ta na u t o m a t i cd a t a p r o c e s s i n go nt h em e a s u r m e n t s ，a n dt h e nd i s p l a yt h er e s u l t sa n dd a t ao nt h el c d w i t ht h e s ed e s i g n s ，t h i ss y s t e mi sw e l l - e q i p p e dw i t hp r a c t i c a lu s ea n da d a p t a b i l i t y t of o l l o wt h ep r i n c i p l e so fb e i n g ”r e l i a b l e ，a d v a n c e d ，p r a c t i c a b l ea n dc h e a p ”， t h i sp a p e rh a sc o n d u c t e dar e s e a r c ha n de n t i r ed e s i g no nt h ea u t o m a t i cs u r g i c a l s u t u r ed e t e c t i n gd e v i c e t h ef i n a le x p e r i m e n ts h o w st h a t ，b yi m p r o v i n gt h ed e s i g no f i t ss o f t w a r e sa n dh a r d w a r e sa n dt h eu s eo ft h ea s s e m b l yl a n g u a g e ，t h ed e v i c ei s w e l l p e r f o r m i n gi nd e t a i l e da n a l y s i s ，a n dd a t ap r o c e s s i n g k e yw o r d s ：s u t u r e ；i n t e l l i g e n td e t e c t i n gi n s t r u m e n t ；l o o pc o n t r o l ；m e a s u r e m e n t ； s t r i n gc o m m u n i c a t i o n ；e r r o ra n a l y s i s 江苏大学学位论文版权使用授权书 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 学位论文作者签名： 1 年月3 曰 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密圈。 形砷卫 【 艚撕躲刁亥蟊采 年月胪 独创性l 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 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做i h 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 孑豫义 日期：1 “刖日 江苏大学工程硕士学位论文 1 1 课题研究现状 第一章绪论 众所周知，测试仪表是科学进步的前提和生产活动的依据。当人类活动的领 域越过感觉器官极限的时候，仪器仪表就成了科学进步和一切事业取得成功的前 提，许多科学的进展首先取决于仪器仪表的进展。数字技术的出现把模拟仪器仪 表的测量控制精度、灵敏度、速度及可靠性提高了几个量级，为实现测量控制自 动化打下了良好的基础。计算机的引入，使仪器的功能发生了质的变化，从个别 参量的测量转变成测量整个系统的特征参数，从单纯的接收、显示转变为控制、 分析、处理、计算与显示输出，从用单个仪器进行测量转变成用测量系统进行测 量。9 0 年代，测量控制与仪器仪表科技的突破性进展是仪器仪表智能化程度的 提高；d s p 芯片的大量问世，使仪器仪表数字信号处理功能大大加强；微型机的 发展，使仪器仪表具有更强的数据处理能力和图像处理功能；现场总线技术是 九十年代迅速发展起来的一种用于各利t 现场自动化设备与其控制系统的网络通 信技术，i n t e r n e t 和i n t r a n e t 技术也将进入控制领域。现代仪器仪表产品将向 着数宁化、网络化、智能化、集成化的方向发展，跨学科的综合设计、高精尖的 制造技术使它能更高速、更灵敏、更可靠、更简捷地获取被分析、检测、控制对 象的全方位信息。 在工业生产中，仪器仪表是“倍增器”美国商务部国家标准局2 0 世纪9 0 年 代中发布的调查数据表明，美国仪器仪表产业的产值约占工业总产值4 ，而它 拉动的相关经济的产值却达到社会总产值6 6 ，仪器仪表发挥出“l l j 两拨千斤” 的巨大的“倍增”作用。事实上，现代化大生产，如发电、炼油、化工、冶金、 飞机和汽车制造等，离开了只占企、i k 固定资产大约1 0 的各种测量与控制仪器仪 表装置就不能正常安全生产，更难以创造巨额的产值和利润。专家们形象地把仪 器仪表比喻为围民经济中的“卡脖子”产业。在科学研究中，仪器仪表是“先行 官 离开了科学仪器，一切科学研究都无法进行。 江苏大学工程硕士学位论文 现代仪器仪表还是当今社会的“物化法官”，检查产品质量，监测环境污染， 查服违禁药物，识别指纹假钞，侦破刑事案件等，无一不依靠仪器仪表进行“判 断”。此外，仪器仪表在教学实验，气象预报，大地测绘，交通指挥，控测灾情， 尤其是越来越受人关注的诊治疾病等社会生活许多领域都有着广泛应用。可以说 遍及“吃穿用、农轻重、海陆空”无所不在。因此，现代仪器仪表的发展水平， 是国家科技水平和综合国力的重要体现，仪器仪表制造水平反映出国家的文明程 度。为此，世界发达国家都高度重视和支持仪器仪表的发展。美国对发展仪器仪 表的蕈视和支持不用再说；日本科学技术厅把测黾传感器技术列为2 l 世纪首位 发展的技术；德国大面积推广应用自动化测控仪器系统，2 0 世纪9 0 年代6 年就 增加了3 5 0 的市场，保证了劳动牛产率增长1 9 ；欧共体制定第三个科技发展 总体规划，将测量和检测技术列为1 5 个专项之一。我国政府在国民经济和社会 发展第十个五年计划纲要中明确指出“把发展仪器仪表放到重要位置”，国家发 改委和科技部列二号项支持仪器仪表发展，国家制定中长期科学和技术发展舰划对 仪器仪表也给予了高度的重视。发展仪器仪表行业也是最新出台的振兴装备制造 业规划中的重要内容：在国务院关于振兴装备制造业的若干意见中，装备制 造业在未来需要实现重大突破的1 6 个关键领域巾就有一项有关仪器仪表的内 容。 近些年，由于固内经济快速发展，固定资产投资维持高位，带动了仪器仪表 行业的继续快速发展，仪器仪表行业已经连续5 年实现了2 0 以上的收入增长。 统计数据显示：截至2 0 0 6 年1 2 月3 1 同，仪器仪表及文化、办公用机械制造行 业总失有企业3 9 6 1 家，总资产2 6 6 0 亿元。2 0 0 6 年全年销售收入3 4 4 0 亿元，同 比增长2 4 4 9 ；利润总额2 0 0 亿元，同比增长3 1 4 2 。其中，仪器仪表总共 有企业3 5 4 7 家，总资产2 0 2 5 亿元。2 0 0 6 年全年销售收入2 1 0 6 亿元，同比增长 2 7 2 8 ；利润总额1 5 8 亿元，同比增长3 6 7 7 。2 0 0 9 年中国仪器仪表行业协 会对国内仪器仪表业科技现状及发展趋势进行了如下分析：仪器仪表行业整体综 合技术水甲达剑国际2 0 世纪8 0 年代中期水平。微电子技术和计算机技术在仪器 仪表产品中普遍采用，约1 5 的产品实现了智能化，达到国际9 0 年代水平；3 0 的产品实现了数字化，达到国际2 0 世纪8 0 年代木期水平。我国仪器仪表行业 2 江苏大学工程硕士学位论文 呈现出“散、小、弱”的局面，国内近半数仪器仪表需要进口目前大部分国产仪 器仪表产品处于国际上九十年代初、中期的水平。在产品的可靠性、功能、智能 化程度、产品技术更新周期、面向对象的专用解决方案等方面都存在较大差距担1 。 我国对仪器仪表的需求量的二分之一是由进口产品满足的，大型高精度的仪器仪 表几乎全部依赖进口。 2 0 0 5 年，我国仪器仪表进出口总额为1 9 2 6 亿美元，逆差8 7 7 亿美元，是 机械行业中逆差最大的行业；进口仪器仪表总额为1 4 0 1 亿美元，增幅为1 5 7 ，已连续两年从5 0 以上大幅下降，但是仪器仪表行业进口产品仍然占据了 约5 0 的市场份额，并且占据了附加值较高的高端市场。考察仪器仪表行业近 些年的进出口变化，出口增长增幅持续大于进口增幅，出现了一些可喜的变化： 贸易逆差增幅持续缩小，2 0 0 4 、2 0 0 5 年分别比上年同期增长1 8 7 亿美元和6 亿 美元，“十一五 期问有望首次出现贸易逆差下降的局而。 因此，大力提升我困测量控制与仪器仪表的研制、开发、制造能力，对真正 提高我国国民经济的整体素质，以信息化带动工业化，最终实现我围经济、社会 和科技跨越式发展，维护困家和社会安全足十分迫切和必要的。本课题所研制的 医用缝合线线径智能测试仪就是在目前的状况下开展的。 1 2 课题研究目的与意义 微电脑测试仪己在我国广泛使用，随着我国医疗水平的提高，各种医用材料 也越来越广泛的被采用，相应的需要各种检测仪器米对这些材料进行检测。2 0 0 2 年1 月8 日，困家药品管理局发布了中华人民共和国医药行业标准：y y 0 1 6 6 - 2 0 0 2 ，对可吸收性外科缝线的相关性能指标和检测方法作了详细的规定。 本课题的就足根据该标准结合生产厂家的具体要求，研制一种能检测医用外科缝 合线线径的智能测试仪器。 1 9 9 9 年国内医用缝合线市场容量约为1 5 亿人民币。据调查和二手资料显示， 目前可吸收缝合线的使用量仪占5 左右( 含羊肠线、p g a 类线) ，但金额占总量 的5 0 左右，约7 5 亿。据台湾工业技术研究院报告，1 9 9 4 年全球医用缝合线 市场值估计为1 5 亿美元，年增长率为4 。我网约有1 2 亿人口，占全世界1 4 江苏大学工程硕士学位论文 左右，考虑我国人均国民收入水平较低，假设实际消耗的医用缝合线低于世界平 均值，按占全世界缝合线用量的1 0 计算，人民币兑美元汇率按7 3 计算，那么 可得出如下表1 1 所示结论： 表1 1 医用缝合线发展情况 n 全球中国可吸收线容量 增长率 年份飞 ( 亿u s d )( 亿r m b )( 亿r m b ) 1 9 9 41 5 0 01 2 5 06 2 5 1 9 9 91 8 2 01 5 1 07 5 02 2 2 0 0 42 2 1 ( )1 8 4 09 2 04 8 到2 0 0 7 年高档可吸收缝合线将达到3 7 4 4 力根m 1 ，长度将达到l5 0 0 万米。 但目前市场中缝线质量不一，比较混乱，严重的影响了医用材料市场和病人的健 康。为此，国家约品监督管理局发布了中华人民共和国医药行业标准：y y l l l 6 - - 2 0 0 2 ，对可吸收性外科缝线制定了详细的行业标准，对缝线的规格和直径作了 详细的舰定，并确定了相应的检测方法。我国f 1 前有一级医疗检测中心十几个， 二级检测中心上百个，相关牛产厂家上千家，研制本测试仪j 下是根据国家的标准 来进行的，对保证缝线的质量，规范国内医用材料市场，保障病人的利益和健康 都具有重大意义和价值。如果形成量产将会部分替代进广i ，为国家节省大量外汇， 产生巨大的经济效益和社会效益。 1 3 课题研究的主要内容 本课题的手要任务是研制一台医用缝合线线径智能测试仪，要求采用微电脑 控制测量系统，能自动测量、自动数据处理、l c d 中文显示和打印，在低成本的 基础上尽鼍提高其测量精度，减少误差。根据测试仪的性能指标确定测试仪的整 体结构框图，确定总体方案。 本课题的主要研究工作有以下几个方面： ( 1 ) 测试仪的结构部分设计：包括平台、支架导轨、夹具和传动部分等的设 计，特别要研究合适的构造来保证测量的精度。 ( 2 ) 测试仪的硬件控制部分设计：包括c p u 等各种兀器件的选择与设计，传 4 江苏大学工程硕士学位论文 感器的选择与设计、控制电路的设计等。 ( 3 ) 测试仪的软件部分设计，可靠性和抗干扰没计，串行接口和上位机的通 信等。 ( 4 ) 误差分析和测量结果的处理，对测量结果进行详细的分析。 江苏大学工程硕士学位论文 第二章医用缝合线线径智能测试仪总体设计 2 1 概述 医用缝合线线径智能测试仪是根据中华人民共和国医药行业标准： y y i l l 6 2 0 0 2 “可吸收性外科缝线”等有关标准而设计，技术性能和指标完全符 合国家医药行业有关标准，专门用于医用缝合线线径的测黾。医用缝合线线径测 量仪由智能控制器、测力机构、测距机构、执jj ：机构、打f n 老j l 、显示等部分组成。 其中智能控制器由c p u 、主板、液晶显示屏、键艋、电源等部分组成。屏幕采用 全中文视窗显示，用键韶控制光标进行选项、操作、设定，无须专门培训即可按 照提示来操作使用。 2 2 技术指标 l 环境： 工作温度：5 4 0 ； 卡日对湿度：4 5 8 0 ； 电源电压：2 2 0 v 2 2 v ； 电网频率：5 0 h z 川z 。 2 显示方式： ( 1 ) 采用11 行1 2 0 列的点阵液晶显示屏，全中文视窗显示； ( 2 ) 采用键盘控制液晶显示屏卜的菜单； ( 3 ) 消耗功率：3 0 0 v a ； ( 4 ) 仪器加载范围：o 5 0 n ，精度：0 1 n ； ( 5 ) 测量缝线公称规格：1 2 - 0 5 的所有i 、i i 类医用缝合线； ( 6 ) 线径测量分度值：0 0 0 2 m m ； ( 7 ) 压脚直径：1 2m m ；基准面直径：1 2m m ； ( 8 ) 压脚荷载：1 6 0 9 ； ( 9 ) 压脚与基准面平整度：不大于0 0 0 5 m m ； 6 江苏大学工程硕士学位论文 ( 1 0 ) 压脚与基准面平行度：不大于千分之一； ( 1 1 ) 打印方式：可打印3 点测量测试数据及平均值，可打印5 次测试平均 值数据及其总平均值和偏差值。 2 3 检测原理 根据要求将被测缝线在央具上固定，给缝线的另一端施加一定的张力，张力 的大小由中华人民共和国医药行业标准：y y l l l 6 2 0 0 2 “- - j - j l 及收性外科缝线”等 有关标准确定，加力到规定值后停止，线径测试仪的压头( 位移传感器) 轻轻的 落在缝线上，分别在线的1 4 、1 2 、3 4 处三个点测量，结果送单片机处理、显 示、打印。 图2 1 检测原理示意图 2 。4 系统控制原理与总体设计 图2 。2 控制原理方框示意图 7 江苏大学工程硕士学位论文 如图2 2 所示，整个系统主要由智能控制器、传动机构、测量机构三大部分 组成。智能控制器由c p u 、主板、液晶显示屏、键盘、电源等组成，主要部分就 是单片机；传动机构包括丝杆螺母、导轨等，测量机构包括测力传感器和测距传 感器。测量时，在夹具上安装好缝线，在控制器的控制下对缝线加压，测力传感 器实时测试加力的大小，达到规定值大小后加力停止。然后测距传感器分三个点 对缝线的直径进行测量，测量结果送到控制器进行处理，处理后的结果在显示屏 上显示出来，同时也可以送打印机打印，单片机也可以通过串行接口和上位机 p c 机进行通信。 2 4 1 智能控制器 智能控制器由c p u 、主板、液晶显示屏、键盘、电源等部分组成，其主要部 分就足单片机，本设备的单片机采用a t m e l 公司生产的a t 8 9 系列产品的a t 8 9 c 5 5 单片机。a t m e l 公司是世界上著名的高性能、低功耗、非易失性存储器数字集成 电路的一流半导体制造公司。该公司把其公司最引人流注目的f l a s h 存储器巧妙 地运用丁单片机，彤成内含f l a s h 存储器的a t 8 9 、a t 9 0 、a t 9 1 系歹i j 单片机，使 其不仅广泛用于计算机外部设备、通信设备、自动化工业控制、仪器仪表和各种 消费类产品，还在航空航天仪表、雷达系统、导弹、智能自适应仪器、机器人和 各类武器系统广泛应用。a t 8 9 系列单片机与i n t e l 的m c s 一5 1 系列单片机完全 兼容，具有相同的指令系统、地址空间和寻址方式，采用模块化的结构h 1 。a 1 8 9 c 5 5 是一种高性能单片机，适应于仪器仪表、工业控制、汽车控制、特殊控制等实时 应用领域。同8 0 5 1 相比具有如下特点：采用8 9 c 5 5 ，利用其内置2 0 k 可编程r o m ， 使外部不用外接程序：卷片，系统电路结构简单，工作可靠，而且方便程序的录制 和修改b 1 。 单片机的最小系统一般包括程序存储器、数据存储器、地址锁存器、地址译 成码电路及i o 扩展等。常采用2 7 x x e p r o m 、6 x x x r a m 及7 4 系列逻辑：苎：片组成。 因8 9 c 5 5 内置2 0 k 的f a l s h 型r o m ，本设备不外接程序存储器；由于要存储五次 的实验数据( 为方便显示和打印输出，采用b c d 格式存储) ，而且由于实验的种 类多，要进行大晕的计算，要存储的中问数据很多，所以外接一片随机数据存储 器6 2 6 4 ，该芯片为静态r a m ，依靠触发器存储二进制信息，片内容量8 k 字节， 8 江苏大学_ t - 程硕士学位论文 最大存取时间2 0 0 n s ，采用c m o s 工艺制造，供电电监为5 v 陆1 。 地址锁存器采用7 4 l s 3 7 3 。外接一片8 2 7 9 和一片8 2 5 5 ，其中8 2 7 9 用于键盘 的控制，8 2 5 5 用于发光二极管的控制。系统在实现预定功能的同时尽是减少了 外围器件的扩展，这样不仅提高系统的可靠性和稳定性，还有另一重要f 1 标足减 少没备的体积，以利于执行机构的设计和安装。 2 4 2 传动机构 常用的传动部件有螺旋传动、齿轮传动、同步带、高速带传动以及各种非线 性传动部件等。其主要功能是传递转矩和转速。冈此，它实质上二是一种转矩、转 速变换器n 3 。其目的是使执行元件与负载之间在转矩与转速方面得到最佳匹配。 传动部件对伺服特性有很大的影响，特别是其传动类型、传动方式、传动刚性以 及传动的可靠性对机电一体化系统的精度、稳定性和快速响应性有重大影响h 1 。 因此，应设计和选择传动间隙小、精度高、体积小、重量轻、运动平稳、传动转 矩大的传动部件。随着机电一体化技术革命的发展，要求传动机构不断适应新的 技术的要求。具体有三方面： ( 1 ) 精密化 对于某特定的机电一体化产品来说，应根锯其性能的需要提出适当的精密度 要求，虽然不是越精密越好，但由于要适应产品的高定位精度等性能的要求，对 机械传动机构的精密度要求也越米越高。 ( 2 ) 高速化 产品工作效率的高低，直接与机械传动部分的运动速度卡h 关。因此，机械传 动机构应能适应高速运动的要求。 ( 3 ) 小型化、轻量化 随着机电一体化系统精密化的发展，必然要求其传动机构小型轻量化，以提 高运动灵敏度、减少冲击、减低能耗。为与电子部件的微型化相适应，也要尽可 能做到使机械传动部件短小轻薄化阳1 。 根据医用缝合线线径智能测量仪的工作条件，宜选用结构简单、加工方便、 运转平稳、制造成本低且具有自锁功能的滑动螺旋传动。丝杆和螺埘桐对运动组 合情况有 7 q 种：螺母固定、丝杆转动并移动，该传动形式因螺母本身起着支撑作 q 江苏太学工程硕士学位论文 用，消除了丝杆aj 能产牛的附加轴向窜动，结构简单，- 叮获得较高的传动精度； 神剃转动、螺母移动，陔传动需# b 制螺埘的转动，无须导向装置；螺母转动、丝 杆移动，该传动形式需要限制螺母移动和丝杆转动，结构复杂且站用轴向空问较 人，很少丌1 ；丝杆崮定、螺啡转动并移动，陔结构使用极不方便很少用。再根 据测晕的实际需要选用螺母转动、螺杆移动的结构形式。 2 4 3 测量机构 本系统需要的测力传感器的精度达到o 1 n ，所以为了促使精确度达到保证， 我们使用的足r 乜阻应变片式测力传感器。电阻应变片式测力俄感嚣内部电路 般是桥式 乜蹄， u 【作为转换儿什，i b 阻阻值的变化最终以信号的形式输出。 h 柯结构1 i ；：| 巾、线性和稳定性好、输出柑度高等特点，在实际。p 越米越受到重 视“。其采用的敏感儿仆是弹性测试儿件， t 体就是一个弹性体，其巾弹性体的 结构j 髟状与州关尺、对测力传感器性能的影响极人。，如果测力传感器的弹性体 设计小合耻，尢论惮比体的加t 精度多高、粘贴的电阻应变儿的品质多蚶，测力 传感器都难以达到较r 蜀的测力性能。闪此，布测力传感器的选择过程中，弹性体 喙测试仪的_ _ 丘力榆洲电蹄由a c v 57 型心变式压力传感器，及路中的并联 的6 0 0 0 分脏r l l l 16o k q 的保护电阻构成，压杆所施加的压力由压力传感器 榆测电路采集，并传输给相关接ii ，采集到的屯压信譬经变换电路，转换成数字 测距传感器采用光栅传搏器，选用的是l ： 海 i 品祥l ur - h 限公司的e s s as 川2 型光栅传 感器，测晕精_ 笠达00 0 1r n m ，j 匕栅它是h j 很多 一1 相等节距的透光和不透光的刻线帽间排列构： 黧戮：芝黧峨岫删啪袱ii 或刻度盘，如图23 所示。i i _ 】 ：_ 图2 3 光栅放大图 光栅的丰要特点足：o u 距d , ；线条长；大多数情况下线宽度等于缝隙宽度。 设：w 为栅距：a l j 线宽；b 为缝宽，一般abw 2 ，则 江苏大学工程硕士学位论文 w = a + b 一般可以按式( 2 1 ) 来设计栅距。 ( 2 一1 ) 光栅按工作原理可分为物理光栅和计量光栅，计量光栅刻线较物理光栅粗， 利用光栅的莫尔条纹现象进行位移的精密测量。 江苏大学工程硕士学位论文 第三章仪器关键部件设计 本测试仪是机电结合的产物，为了达到设备的使用功能和要求，需要从机械 结构和电子两个方面考虑，使两个方面紧密结合，互相配合，协调工作，才能达 到设备的设计目的和要求。机械系统是整个仪器的基础，它为仪器的使用和运行 提供机械方面的保障，并为电子器件提供了栖身之所。一个结构合理、设计巧妙、 制造精密的机械系统不仅能使仪器正常工作，提高测鼍精度，还能够减轻电路方 面的工作量。随着微电子技术、传感器技术、激光技术和计算机应用技术的发展， 现代精密仪器设备正沿着自动化、光电一体化和智能化方向蓬勃发展，成为光、 机、电多种技术应用的综合技术系统，目前，纯机械的仪器设备虽已不能适应高 技术发展的需要，但机械系统依然是现代精密仪器设备发展的基础和必不可少的 重要组成部分。各种科学的最新成果和先进的技术系统将成为具有实化价值的仪 器设备，都不能完令脱离机械系统而独立存在。 大量技术实践证明，在仪器设备的研制、生产和使用过程中，机械系统的质 量优劣直接影响仪器设备的性能指标和可靠性。可以认为，没有机械系统，就不 可能产生高质量的精密仪器设备，在仪器设备中，机械系统占有无可质疑的重要 地位。所以，在整个仪器设计中，机械机构系统设计十分重要。而机电一体化系 统的机械系统与一般的机械系统相比，除要求具有较高的定位精度之外，还虑具 有良好的动态响应特性，就是响应要快、稳定性要好。机械系统设计一般由减速 装置、丝杆螺母副、蜗轮蜗杆副等各种线性传动部件以及连杆机构、凸轮机构等 非线性传动部件、导向支撑部件以及机架等组成h 。为保证机械系统的传动精度 和工作稳定性，在没计中，常提出无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度等要求。除 此之外还应改进支撑及架体的设计以提高刚性、减少震动、降低噪音，以确保系 统的小型化、轻量化、高速化和高可靠性化。 3 1 自动检测机构设计 在该系统机构设计中，如图3 1 所示，传动部件采用螺旋传动设计，支撑部 件采用导轨设计，这两部分是主要基础部分，然后是基座设计。基座上面固定两 1 2 江苏大学工程硕士学位论文 块夹具，导轨就通过孔与夹具相连。缝合线的一端通过夹具来固定，另一端通过 螺旋传动机构将缝合线固定并施加一预紧力，从而能比较精确的测量出缝合线的 线径，达到精确测罩的目的。由于导轨较长容易发生颤动变形，影响测量精度， 因此，在导轨和基座i 、r j 要用加强筋支撑，保障测量精度。缝合线要与导轨保持较 好平行度，一方面设计导轨能很好的支撑动导轨，发生很小的弹性变形；另一方 面采用万向节来调节。力向= 箝指的是利用球型连接实现不同轴的动力传送的机械 结构，它允许被连接的零件之间的夹角在一定范围内变化，为满足动力传递、适 应导轨上下跳动所造成的角度变化。除此之外还应改进支撑及架体的设计以提高 刚性、减少震动、降低噪音，以确保系统的小型化、轻量化、高速化和高可靠性。 i。f 缝线 n 尸( if ll l 广 lj u 导轨 阳韦驯 图3 1 检测机构设计示意图 3 1 1 传动部件丝杆螺母机构设计 随着机电一体化系统精密化的发展，必然要求其传动机构小型轻量化，以提 高运动灵敏度、减少冲击、减低能耗。为与电子部件的微型化相适应，也要尽可 能做到使机械传动部件短小轻薄化。 1 螺纹牙型的选择 仪器设备中的滑动螺旋传动主要采用公制普通螺纹和梯形螺纹，在该滑动螺 旋传动中采用的是梯形螺纹。 2 丝杆螺母传动的类型、结构形式 丝卡f 螺母机构又称螺旋传动机构，它主要是用来将旋转运动变为直线运动， i 司时传递动力，有滑动螺旋传动、滚动螺旋传动和静压传动。 1 3 江苏大学工程硕士学位论文 根据医用缝合线线径测量仪的工作条件在这选择滑动螺旋传动。 3 滑动螺旋传动的材料 滑动螺旋转动的螺杆材料要具有足够的强度和耐磨性，螺母的材料除具有足 够的强度外，还要求在与螺杆材料相配合时摩擦系数小和耐磨n 纠。因此，根据表 3 1 螺母选用铸铁，螺杆选用c 4 5 。 表3 1 螺旋传动常用材料 螺旋副材料牌号应用范围 材料不经热处理，适用丁经常运动，受力不大，转速较低的 q 2 3 5 、q 2 7 5 、4 5 、5 0 传动 4 0 c r ，6 5 m n ，t 1 2 ，4 0 w m n ，材料需经热处理，以提高其耐磨性，适用于重线、转速较高 螺杆 1 8 c r m n t i 的一霞要传动 材料需经热处理，以提高其尺寸的稳定性，适用于精密传导 9 m n 2 v 、c r w m n 、3 8 c r m o a1 螺旋传动 z c ui o p i 、z c u 5 p b 5 z n 5 材料耐磨性好，适用丁一般传动 材料耐磨性好，强度高，适用丁重载、低速的传动。对于尺 螺母z c u a l 9 f e 4 n i 4 m n 2 寸较人或高速传动，螺母可采用钢或铸铁制造，内孔浇注青 z c u z n 2 5 al6 f e 3 m n 3 铜或巴氏合金 4 滑动螺旋机构的设计计算 主要失效形式：螺牙的磨损； 设计准则：按抗磨损确定直径，选择螺距；校核螺杆，螺母强度等。 设计方法和步骤如下： ( 1 ) 耐磨性计算 滑动螺旋的磨损与罗纹工作面上的压力、滑动速度、螺纹表面粗糙度以及润 滑状态等因素有关。其中最主要的是螺纹工作面上的压力，压力越人螺旋副问越 容易形成过度磨损。因此，滑动螺旋的耐磨性计算，主要是限制螺纹工作面上的 压力p ，使其小于材料的许用压力 p 。假设作用于螺杆的轴向力为q ( n ) ，螺 纹的承压面积( 指螺纹工作表面投影到垂直于轴向力的平面上的而积) 为a ( m m 2 ) ， 螺纹中径为d ( m m ) ，螺纹工作高度为h ( r a m ) ，螺纹螺距为p ( 咖) ，螺母高 1 4 江苏大学工程硕士学位论文 度为d ( 唧) ，螺纹工件圈数为u = h p 。 如图3 2 所示，则螺纹工作而上的耐磨性条件为 p 2 署2 最2 箍咖k浯。) 式( 3 - 1 ) 可作为校核计算用，为了导出设计计算式，令由：h d ：， 则t l = 由d ：，代入式( 3 1 ) 整理后可得 蟊 对于梯形螺纹，h = o 5 p ，则 吃 ( 互 1 l f 劢研纠 o s 焉 图3 2 螺旋副受力 ( 3 2 ) ( 3 - 3 ) 由于 p = 1 3 1 8 取1 3m p a ，o 。= 3 5 5m p a ，= 1 2 2 5 ，取1 2 ， q = l o nd 。2 6 7 2 选d 。= 9 1 8 8 查表3 2 选用d = 1 0m m ，p = 1 2 5 螺母高度h = d ：= 11 0 2 6m m 旋合圈数z = h p = 8 1 0 满足螺纹工作高度h = 0 5 p = 0 6 2 5 1 5 江苏大学工程硕士学位论文 表3 2 滑动螺旋副材料的许用压力 p 螺杆一螺母的材料 滑动速度许用压力 低速 1 82 5 3 o1 11 8 钢一青铜 61 271 0 1 512 淬火钢一青铜 61 21 01 3 o 1 6 一o 6 3 u m 。 导向面母线的直线度公差应在2 5 级精度内选择，对于该导轨，选3 级精 度。 导向面基准轴线的平行度公差在1 4 级选择，在该导轨中选择3 级。 4 导轨主要尺寸的确定 导轨主要尺寸是指导轨面的宽度、面导轨的跨度 ( 1 ) 两导轨间的跨距1 取较小的导轨跨距町以减小整机的外形尺寸，节约材料，但跨距小，当载荷 作用点偏置是，会使运动部件不稳定。较合适的跨距应在保证运动部件工作稳定 2 0 江苏大学工程硕士学位论文 的条件下，取较小值。 1 = 1 3 0m m ( 2 ) 导轨面的宽度b 导轨面宽度与导轨承载大小有关，在动导轨长度l 已定的条件下，若外载荷 大，则宽度b 也应增大，设仪器承载能力w = 3 0 0 0 0 n ，根据一起精度要求选取合 适的比压，则 b = w p l = i om m 3 ) 动导轨长度l 较长的动导轨对导向精度及工作可靠性都有利，但这会使仪器外形尺寸增 大，既笨重又浪费材料。 根据经验，可取l = ( 1 2 1 8 ) 1 = 1 2 3 1 3 0 m m = 1 6 0 嗍 3 1 3 基座设计 各种仪器必须有基座，基座主要用于支撑仪器的机械、电气、光学等组成部 分，使它们联合组成一个有机整体，并精确保持各部分的相对位置，以保证仪器 的持久精度要求。其特点如下： 尺寸较大，是整个仪器的基础支撑件；结构比较复杂，通常采用铸铁毛坯制 作；需加工面较多，且对这些加工面的尺寸精度、形位公差都有较高的要求。 1 基座的外形结构 基座的外形应根据仪器的总体设计和布局，并根据冈性、稳定性的要求，以 及对仪器艺术造型设计的考虑来确定。基座的常见外形有马蹄形、矩形、t 形、 船形和圆形等，根据该仪器的实用性选用矩形形状。 2 基座的基本尺寸 根据导轨的尺寸以及仪器的整体机构，基座设计长为11 0 0r a n l ，宽为2 0 0m m 。 3 2 电路硬件部分设计 一个具体的设备的控制系统，般由硬件和软件两个部分组成，它们互桂i 配 合，协调工作，是两个不可缺少的组成部分。硬件足整个系统的物质基础，是整 个系统能够工作的基本保障，是软件赖以工件的基础；软件是整个系统设计思想 2 1 江苏大学工程硕士学位论文 的实现途径，是系统的灵魂。只有设计出正确的电路，才能有针对性地在此基础 上编制出高质、高效的软件，形成一个功能完备、运行可靠的系统。 3 2 1 控制电路概述 1 硬件电路组成简介 设备的硬件控制系统基本组成框图如图3 5 所示。单片机最小系统由m c s 一 5 1 单片机及随机数据存储器、地址锁存器、地址泽码电路及i 0 扩展器件等组 成；显示系统采用字符式液晶显示器；键盘采用触摸式按键，操作人员通过键盘 输入各种指令控制设备工作；打印机采用专用微型打印机，输出测量结果；电机 控制部分通过驱动控制电路控制电机的正反转、起、停；由压力传感器、放大电 路和a d 转换器构成设备的数据采集系统把采集到的数据送到单片机进行处理； 上、下位机通过串行通信接口进行数据传输，单片机把测试数据上传到p c 机， p c 机可对这些数据进行分析，分类存储，并可用于同后查询、打印。 图3 5 设备硬件控制系统结构框图 2 系统功能的设计要求 根据该类设备在交际使用中的情况和标准中对此类设备的技术要求，设备要 操作方便，设备的各种动作如：自动控制、自动测量、停止、返程等动作应稳定 江苏大学_ t - 程硕士学位论文 可靠，要能对传感器的温飘和零飘进行控制和调整，传感器的检测要求准确。 3 2 2 单片机的选择及特点 目前的单片机市场上，8 位单片机占主导地位，而m c s 一5 1 系列单片机以其 优良的性能价格比，成为8 位机市场上最流行的产品；同时，由于m c s 一5 l 单片 机是最早传入我国的单片机，所以也是我国广大的工程技术人员最熟悉的单片 机。 表3 58 9 c 5 5 与8 0 5 1 的功能比较 8 9 c 5 58 0 5 1 2 5 6 字。诲静态r a m 存馘器 1 2 81 节r a m 酝速定时输l j j 和摊捉输入阵列定时器无 4 个定时器计数器2 个定时器汁数器 1 个j 漆说定时器无 2 路眯冲宽艘溯制输；i ：p w m免 1 个食救i ：异步书 f j ( u a r t )1 个u a r t 6 个8 能i o 列4 个 m c s 一5 l 系列单片机所具有的完善的体系结构，奠定了它在单片机领域的地 位，形成了事实上的单片机标准结构，时至今日，许多半导体厂家以m c s 一5 l 中 8 0 5 1 为内核，开发出许多新型堆片机系列，一直有旺盛的生命力。本设备的硬 件控制部分的啦片机采用a t m e 公司生产的a t 8 9 系列产品的a t 8 9 c 5 5 单片机。 3 2 3 复位电路 1 看门狗电路 8 9 c 5 5 除了附加定时器t 2 和标准定时器t 0 、t 1 外，还有一个监视定时器t 3 ( w a t c h d o gt i m e r ) ，t 3 是解决软件故障的一个有力手段，在微控制器进入错误 的处理状态( 可能是电1 噪声引起) 时使单片机复位，恢复其正常的控制作用。 t 3 是8 位定时器，当8 9 c 5 5 外部引脚e w 为低电平时监视定时器操作才有效， 此时不能用软件禁止t 3 的复位操作。若用户程序在指定的时间内没有对t 3 重新 装入初值，t 3 就会溢出，产生系统复位信号。龄视定时器t 3 的这种功能可用于 恢复软件故障。设计程序时，必须在监视时i u j 问隔内执行对t 3 再装入指令，即 江苏大学工程硕士学位论文 调用看门狗程序。如果程序运行时出现问题，如程序进入死循环，静电干扰或硬 件故障使程序不能按正常条件运行，因而没能在监视问隔内执行对t 3 装入的指 令，t 3 就会溢出使程序系统复位，t 3 的这种功能被称作看门狗。 利用不受c p u 控制的t 3 ，就可以保证故障持续时间最长不超过2 x 2 5 5 m s ( 1 2 m h z ) ，系统就能从故障中恢复过来，复位后重新开始运行。另外，为了防止 错误软件对监视定时器的再装入，可通过如下步骤：首先置位p c o n 4 ，然后再装 入t 3 。 2 复位电路 8 9 c 5 5 可由外部电路复位，也可由片内电路复位，复位时的输入引脚是r s t ， 复位信号高电平有效，持续时间为2 4 个时钟周期以上。 8 9 c 5 5 的片内复位电路与r s t 复位引脚相连，施密特触发器用于提高抗干扰 能力，c p u 在每一个机器周期采样施密特触发器的输出状态。在振荡器工作时， r s t 引脚至少保持2 个机器周期的高电平，才能完成一次复位。8 9 c 5 5 的1 3 位计 数器溢出时，溢出信号经一上拉晶体管在r s t 引脚产生一宽度为三个机器周期的 正脉冲，使系统复位。 3 2 4 单片机的前向通道接口设计 前向通道一般由信号拾取电路、信号调节电路和信号变换电路等几部分组 成，其主要功能是拾取各种测试信号和控制信号n 副，将其以一定的方式处理和变 换后输入到唯片机系统。凶此单片机系统的的向通道是原始数据的输入通道，也 是体现被测对象与系统相互联系的信号输入通道，是被测对象及控制参数输入部 分与单片机之间必不可少的联系纽带。本系统前向通道主要包括被测信号的拾 取、拾取后的信号的调节和变换等。 1 信号拾取电路 信号拾取电路由传感器及其辅助电路组成，冈测量需要选用了两个传感器。 一个是测力应变式传感器，用来测量给缝线预加力的大小，一个采用高精度的光 栅测距传感器。 本系统采用a c y 5 - 7 型应变式压力传感器，它主要由接管嘴，膜片，应变计， 补偿元件，外壳和捅座组成。采用带凸缘的平板圆膜片作为弹性变形元件，圆 2 4 江苏大学工程硕士学位论文 形组合应变计由4