OPELA 90/20型診斷床控制和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)改造研發(fā)

胥勝江 魯本艷 鄧厚友

1 OPELA 90/20電動(dòng)診斷床的缺陷

意大利GMM公司生產(chǎn)的OPELA 90/20型的電動(dòng)診斷床采用光纜通信，極大地減少了控制臺(tái)與機(jī)柜的連接電纜，布線、安裝、保養(yǎng)都十分方便。但是，由于過(guò)于追求造型美觀和較低的床面高度，設(shè)計(jì)上只得盡量將中心支承點(diǎn)向床面一端靠近，床面抬起時(shí)則需要非常大的驅(qū)動(dòng)功率，導(dǎo)致高故障率和高維修成本。

2 電動(dòng)診斷床控制和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)改造主要目標(biāo)和思路

2.1 技術(shù)改造必要性

機(jī)器正常使用不滿2年，驅(qū)動(dòng)電機(jī)有可能報(bào)廢。由于電機(jī)結(jié)構(gòu)特殊，國(guó)內(nèi)尚無(wú)替代產(chǎn)品，若只是簡(jiǎn)單的原型號(hào)更換，將面臨以下問(wèn)題：①價(jià)格昂貴；②供貨周期長(zhǎng)，③使用壽命短。為了從根本上解決問(wèn)題，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)改造。由于交流電機(jī)成本較低，國(guó)產(chǎn)貨質(zhì)量亦很穩(wěn)定，且可在本地購(gòu)到，擬設(shè)計(jì)修改控制電路后用國(guó)產(chǎn)交流電機(jī)替換進(jìn)口直流電機(jī)。鑒于OPELA 90/20型診斷床的電動(dòng)診斷床控制高故障率和高維修成本(見(jiàn)表1)，因此對(duì)其進(jìn)行控制線路、動(dòng)力和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的技術(shù)性改造。

表1 改造前后故障率和成本對(duì)照

2.2 技術(shù)改造主要目標(biāo)

對(duì)美國(guó)長(zhǎng)青RD2000型數(shù)字化X線影像系統(tǒng)診斷床控制部分進(jìn)行技術(shù)改造的目標(biāo)是：解析OPELA 90/20診斷床原控制電路原理，重新設(shè)計(jì)交流電機(jī)控制電路，完成電機(jī)替換。電機(jī)替換后必須保持以下運(yùn)行控制：電機(jī)正向運(yùn)動(dòng)、立床到位自動(dòng)停止，電機(jī)反向運(yùn)動(dòng)、倒床到位自動(dòng)停止。技術(shù)改造選用的交流電機(jī)須運(yùn)行平穩(wěn)、經(jīng)久耐用。技術(shù)改造后診斷床的操作控制應(yīng)與改造前無(wú)任何改變；新設(shè)計(jì)的控制電路與整套設(shè)備電腦控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)良性對(duì)接，確保整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行正常，避免出現(xiàn)意外的故障提示和保護(hù)停機(jī)。用功率大、故障率低、成本廉價(jià)的交流電機(jī)替換原用功率小、故障率高、維修成本高的直流電機(jī)是技術(shù)改造的最終目標(biāo)。

2.3 技術(shù)改造主要思路

對(duì)同型號(hào)數(shù)字化X線影像系統(tǒng)及配有OPELA 90/20診斷床的機(jī)器進(jìn)行了對(duì)比分析，廣泛征求了操作醫(yī)生和維修工程師的意見(jiàn)，結(jié)合機(jī)器的實(shí)際情況，經(jīng)過(guò)科學(xué)計(jì)算和反復(fù)試驗(yàn)、修正，對(duì)OPELA 90/20診斷床電機(jī)供電電路、控制電路、方向操縱電路實(shí)施針對(duì)性修改，選擇功率、品質(zhì)、體積均符合要求的交流電機(jī)，最終確定交流電機(jī)的最佳安裝位置，并繪制相應(yīng)的框圖作為原理圖設(shè)計(jì)的方向[1]。

3 電路原理圖的設(shè)計(jì)

3.1 診斷床電機(jī)電路設(shè)計(jì)

3.1.1 原直流電機(jī)分析

原直流電機(jī)型號(hào)為ESA 3M 52，將該電機(jī)接上直流電源、轉(zhuǎn)速表，測(cè)量電壓、電流和空載轉(zhuǎn)速，再用電橋測(cè)量冷態(tài)的電阻。通過(guò)下面的公式進(jìn)行計(jì)算[2](U=E+IR，E=Ke×n，Ke=Kt，T=Kt×I)，最后得到的結(jié)果與直流電機(jī)參數(shù)表相同(見(jiàn)表2)。

表2 直流電機(jī)參數(shù)

3.1.2 交流電機(jī)分析

有了由上述直流電機(jī)的主要參數(shù)：Rate speed：3000 rpm；bemf：40 V/Krpm Power：0.6 kW stall torque：1.6 Nm。

用下面公式計(jì)算交流電機(jī)參數(shù)[3]：

M=9550×P/N(計(jì)算電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩)；

M額=7594×P/N(考慮到電機(jī)有功率因數(shù)，計(jì)算額定轉(zhuǎn)矩)；

轉(zhuǎn)差率=60×電源頻率/極對(duì)數(shù)；

經(jīng)過(guò)上面認(rèn)真仔細(xì)的計(jì)算我們得出所需三相異步電機(jī)的主要參數(shù)[4]為：功率：1.0 kW；電壓：380 V；電流：1.9 A；轉(zhuǎn)速：2825 r/min。交流、直流電機(jī)參數(shù)對(duì)照表見(jiàn)表3。

表3 交流、直流電機(jī)參數(shù)對(duì)照表

3.1.3 交流電機(jī)電路設(shè)計(jì)

由上述參數(shù)，考慮到其控制是由直流電路對(duì)其進(jìn)行控制的，并且電機(jī)要正反兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。所以，用兩個(gè)交流接觸器J3、J4。由于診斷床頻繁翻轉(zhuǎn)，選擇時(shí)主要注意其觸點(diǎn)的用料，經(jīng)過(guò)認(rèn)真仔細(xì)的篩選確定用JTX-3C(AC 220 V 7.5 A～DC 12 V 10 A)這種繼電器。由上述分析所得交流電機(jī)主要參數(shù)：功率：1.0 kW(功率留有余地)；電壓：220 V；電流：1.9 A；轉(zhuǎn)速：2825 r/min。通過(guò)認(rèn)真查詢，確定所用電機(jī)為國(guó)產(chǎn)Y80M1-2的單相異步電機(jī)。為避免電機(jī)受工頻電源的不穩(wěn)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)卡死或負(fù)荷過(guò)重等因素的影響而受到損壞，用了3只2 A的保險(xiǎn)管串入電路中。故設(shè)計(jì)出交流電機(jī)電路[5]如圖1所示。

圖1 交流電機(jī)電路

3.2 診斷床電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

由交流電機(jī)控制電路、RD2000型數(shù)字化X射線影像系統(tǒng)電腦控制柜需反饋電壓等條件，診斷床電機(jī)控制電路應(yīng)由以下兩部分組成，電源電路和電機(jī)控制電路。

3.2.1 電源電路

電源作為能量提供裝置，保證后繼電路的正常工作，電源電路應(yīng)提供+12 V和+5 V的直流電壓[6]?？紤]到控制電路所需功率不大，我們用變壓器降壓。采用硅鋼片磁芯、頻率50 Hz、空載電流200 mA、電壓12 V、功率2 W的微型變壓器即可；采用橋式整流電路進(jìn)行整流，整流二極管選用1N4007(VRRM：1000 V，VRMS：700 V，IAV：1 A，ISMF：40 A，VF：1 V，IR：50 μA)；用2700 pF的磁片電容保護(hù)整流二極管；由電容濾波電路進(jìn)行濾波，選用4700 μF電解電容；采用三端集成穩(wěn)壓電路進(jìn)行穩(wěn)壓，選用L7812(VO：11.5～12.5 V，ID：6 mA，RO：19 Ω)，L7805(VO：4.8～5.2 V，ID：6 mA，RO：15 Ω)，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單性能穩(wěn)定。AC220 V經(jīng)變壓器B降壓，橋式整流電路D1-VD4整流，電容C1濾波，三端穩(wěn)壓電路L7812穩(wěn)壓輸出+12 V直流電壓；+12 V經(jīng)C2進(jìn)行二次濾波，由三端穩(wěn)壓器L7805二次穩(wěn)壓輸出+5 V直流電壓；R4、D7組成+12 V直流電壓正常否指示；R5、D8組成+5 V直流電壓正常否指示(如圖2所示)。

圖2 電源電路圖

3.2.2 電機(jī)控制部分

由于對(duì)電機(jī)要實(shí)行正反轉(zhuǎn)控制，因此用兩組相同電路來(lái)實(shí)現(xiàn)(如圖3所示)[7]。

圖3 電機(jī)控制電路圖

晶體三極管(Q1)2SC2055(VCBO：18 V；VEBO：4 V，VCEO：9 V)，繼電器(J1)(VCBO：18 V；VEBO：4 V，VCEO：9 V)，二極管D5并在J1保護(hù)J1，電阻(R1)1K作為偏置電阻，串入限位開(kāi)關(guān)，可調(diào)電阻R3，操作臺(tái)控制手柄W1，限位開(kāi)關(guān)組成交流電機(jī)的正向運(yùn)動(dòng)及到位停止控制。

晶體三極管(Q2)2SC2055(VCBO：18 V；VEBO：4 V，VCEO：9 V)，繼電器(J2)(VCBO：18 V；VEBO：4 V，VCEO：9 V)，二極管D6并在J2保護(hù)J2，電阻(R2)1K作為偏置電阻，串入限位開(kāi)關(guān)，可調(diào)電阻R3，操作臺(tái)控制手柄W1，限位開(kāi)關(guān)組成交流電機(jī)的反向運(yùn)動(dòng)及到位停止控制。直接取+12 V電壓加在診斷床變速箱軸上的多圈電位器反饋給電腦控制箱的CPU上。保證RD2000型數(shù)字化X射線影像系統(tǒng)在診斷床的控制上不報(bào)錯(cuò)。控制臺(tái)操作指令向上時(shí)，+5 V電壓經(jīng)R3、W1、正限開(kāi)關(guān)，和R2給晶體三極管Q2的基極提供偏置電壓，Q2飽和導(dǎo)通繼電器J2礪磁吸合，常開(kāi)觸點(diǎn)J2-1閉合，將+12 V提供給繼電器J4，J4礪磁吸合交流電機(jī)得電運(yùn)轉(zhuǎn)，床開(kāi)始向上運(yùn)動(dòng)。當(dāng)床到位后正限位開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，Q2失去偏壓截止，繼電器J2失去控制電壓，常開(kāi)觸點(diǎn)J2-1斷開(kāi)，繼電器J4失去+12 V的控制電壓斷開(kāi)，電機(jī)失去220 V交流電停止運(yùn)行，診斷床到位停止，診斷床向上運(yùn)行到位。

控制臺(tái)操作指令向下時(shí)，+5 V電壓經(jīng)R3、W1、正限開(kāi)關(guān)和R1給晶體三極管Q1的基極提供偏置電壓，Q1飽和導(dǎo)通繼電器J1礪磁吸合，常開(kāi)觸點(diǎn)J1-1閉合，將+12 V電壓提供給繼電器J3，J3礪磁吸合交流電機(jī)得電運(yùn)轉(zhuǎn)，床開(kāi)始向下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)床到位后反限位開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，Q1失去偏壓截止，繼電器J1失去控制電壓，常開(kāi)觸點(diǎn)J1-1斷開(kāi)，繼電器J3失去+12 V的控制電壓斷開(kāi)，電機(jī)失去220 V交流電停止運(yùn)行，診斷床到位停止，診斷床向下運(yùn)行到位。

3.3 數(shù)字胃腸機(jī)操作控制臺(tái)

RD2000型數(shù)字化X射線影像系統(tǒng)的操作控制臺(tái)是一個(gè)設(shè)計(jì)操作先進(jìn)、合理的操作臺(tái)。從相應(yīng)的操作手柄下斷開(kāi)原連接線，重新引出3根控制連線，連接在控制電路上改造即可。

4 印制電路板

4.1 電路原理圖轉(zhuǎn)換成電路版圖[9]

利用前面原理圖著手將其繪制出電路實(shí)物版圖，用電子原理圖繪圖軟件將電子電路原理圖轉(zhuǎn)換為電子電路實(shí)物板圖，但是轉(zhuǎn)換出的實(shí)物圖需要做一些小的改動(dòng)才可以。經(jīng)反復(fù)修改得到所需的電子電路實(shí)物板圖。

4.2 印制電路板

(1)手工繪制黑白稿：將制好的版圖打印出制成畫(huà)稿，用小刀在草稿上刻掉不要的部分繪制成草圖；直接將刻好的版圖粘貼在設(shè)計(jì)打磨干凈的銅鉑面進(jìn)行描墨線、填墨和修補(bǔ)。

(2)表面清洗：將敷銅浸入5%鹽酸洗數(shù)十秒，見(jiàn)板面呈粉紅色取出用銅絲刷拋光去污，再上保護(hù)層。

(3)蝕刻：用重量百分比濃度為2%～28%，溫度在40～50 ℃ FeCl3溶液進(jìn)行浸泡蝕刻。

(4)去保護(hù)層：將蝕刻好的銅鉑板子打好孔，用5%～20%的燒堿液去保護(hù)層。

5 技術(shù)改造的實(shí)施

5.1 技術(shù)改造所需的元件與元器件的選擇

根據(jù)電路設(shè)計(jì)的要求和確定的元器件參數(shù)選擇所需元器件[8](見(jiàn)表4)。

表4 所需元器件參數(shù)

5.2 電路組裝與電路調(diào)試

在電路組裝過(guò)程中，遇到的最大問(wèn)題是我們的儀器儀表不夠精確，選出來(lái)的元器件不夠準(zhǔn)確，因此調(diào)試時(shí)主要對(duì)以下測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)[10]：

(1)確定變壓器B的輸入端的220 V交流電壓，次級(jí)輸出的12 V交流電壓。

(2)測(cè)量L7812的輸入端的+16～17 V的直流電壓和輸出端+11.5～12.5 V直流電壓。

(3)測(cè)量L7805輸出端+4.8～5.2 V直流電壓[11]。

(4)控制臺(tái)操作指令向下時(shí)[12]，測(cè)量Q1是不飽和導(dǎo)通，J1和J3是否得電吸合，并觀察交流電機(jī)是否順時(shí)針運(yùn)行?？刂婆_(tái)操作指令向上時(shí)，測(cè)量Q2是不飽和導(dǎo)通，J2和J4是否得電吸合，并觀察交流電機(jī)是否逆時(shí)針運(yùn)行。

(5)調(diào)試的關(guān)鍵是控制電路，原機(jī)中診斷床位置控制電路由電腦控制柜集中控制，它的輸出是直流40～75 V，而且它的控制檢測(cè)電路要求同時(shí)由電機(jī)反饋給CPU3.6～7.5 V的直流電壓，以確認(rèn)電機(jī)已正常啟動(dòng)。同時(shí)，在該診斷床變速箱軸上加有一10 k的多圈電位器連接到CPU[13]，以確認(rèn)診斷床的運(yùn)行速度及運(yùn)行方向。如果沒(méi)有電機(jī)反饋的3.6～7.5 V的直流電壓及診斷床變速箱軸上10 k多圈電位器與CPU的正常連接，則CPU將認(rèn)為電機(jī)運(yùn)行反常而保護(hù)關(guān)機(jī)。

前期技術(shù)改造遇到的最突出問(wèn)題就是CPU報(bào)錯(cuò)停機(jī)，經(jīng)反復(fù)調(diào)試診斷床變速箱軸上10 k多圈電位器與變速箱軸分離，通過(guò)技術(shù)處理，實(shí)現(xiàn)了既正常操控診斷床又避免CPU報(bào)錯(cuò)停機(jī)。

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