中藥飲片的等分機(jī)構(gòu)及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 沖 張志強(qiáng) 婁唯佳

中藥飲片的等分機(jī)構(gòu)及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 沖 張志強(qiáng) 婁唯佳

（北京信息科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京100192）

針對(duì)中藥房在中藥飲片稱(chēng)量中使用的等分機(jī)構(gòu)，對(duì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，彌補(bǔ)了原來(lái)中藥調(diào)配“手抓戥稱(chēng)”工作模式效率低、誤差大的缺陷，為中藥房的稱(chēng)量工作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化提供了解決方案。

中藥飲片；等分機(jī)構(gòu)；機(jī)械結(jié)構(gòu)；工作流程；控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

0 引言

長(zhǎng)期以來(lái)，傳統(tǒng)中藥房一直依靠人工估算的“手抓戥稱(chēng)”的中藥調(diào)配工作模式，不僅工作量大、效率低，而且誤差大、患者等待時(shí)間較長(zhǎng)。

現(xiàn)根據(jù)中藥飲片的種類(lèi)、形狀、特性，以經(jīng)過(guò)預(yù)處理、黏性較小的常用中藥飲片為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一款針對(duì)中藥飲片的等分機(jī)構(gòu)。

1 中藥等分機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

中藥等分系統(tǒng)是機(jī)電一體化系統(tǒng)，其主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)組成。

1.1 中藥等分機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成

中藥等分機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。等分板位于輸送帶之上，可進(jìn)行直線往返運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)軌跡遍布輸送帶全程。傳送帶安裝在兩側(cè)板中間，下方安裝有張緊裝置和調(diào)節(jié)螺釘。傳送帶的主要作用是將振動(dòng)均勻的物料輸送到等分槽中。前擋板通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)杠桿作用控制前擋板的抬起和落下。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，通常情況下醫(yī)生的處方劑數(shù)都在10劑以?xún)?nèi)，因此，此處等分槽沿輸送帶的寬度方向?qū)⑵溥M(jìn)行10等分，并通過(guò)兩側(cè)長(zhǎng)度不等的連接板將其固定，限制其6個(gè)自由度。將等分槽末端的出料擋板與十字滑臺(tái)直線導(dǎo)軌模組連接。其中，導(dǎo)軌模組固定在等分槽的下方。

圖1 中藥等分機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

根據(jù)共振原理，當(dāng)電磁振動(dòng)器的激勵(lì)頻率接近裝置的固有頻率時(shí)，裝置于低臨界共振狀態(tài)下工作，此狀態(tài)下機(jī)構(gòu)工作平穩(wěn)、功耗較低。其中，銜鐵通過(guò)一個(gè)平板機(jī)構(gòu)與傳送帶側(cè)板固定相連，鐵芯及其固定裝置安裝在基架上。當(dāng)給鐵芯接通經(jīng)過(guò)半波整流后的單相交流電時(shí)，在電壓的正半周，鐵芯與銜鐵就會(huì)產(chǎn)生脈沖電磁力，銜鐵被鐵芯吸附而產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)；在電壓的負(fù)半周電磁力消失時(shí)，銜鐵被釋放，裝置向相反方向運(yùn)動(dòng)。中藥等分機(jī)構(gòu)在50 Hz的交流電下工作，使得傳送帶上的物料看起來(lái)像在均勻連續(xù)地移動(dòng)，物料振動(dòng)均勻。板彈簧組在振動(dòng)裝置中起到了提供回復(fù)力的作用。

1.2 中藥等分機(jī)構(gòu)的具體工作流程

中藥等分機(jī)構(gòu)的具體工作流程如圖2所示。系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)時(shí)，兩組十字滑臺(tái)直線導(dǎo)軌模組的電機(jī)相繼運(yùn)動(dòng)到指定位置，當(dāng)經(jīng)過(guò)混合均勻的中藥飲片被倒入裝置中時(shí)，電磁振動(dòng)器便會(huì)通電開(kāi)始振動(dòng)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，振動(dòng)停止，前擋板電機(jī)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)前擋板抬起至一定高度后停止，此時(shí)傳送帶運(yùn)轉(zhuǎn)將物料送到等分槽中，然后前擋板回落，等分板歸零。當(dāng)后續(xù)的包裝系統(tǒng)啟動(dòng)到位后，出料板在十字滑臺(tái)導(dǎo)軌模塊的驅(qū)動(dòng)下，每次運(yùn)動(dòng)一個(gè)等分格的距離，以便飲片逐格出料并對(duì)其進(jìn)行包裝。

2 等分效果仿真

本文通過(guò)三維CAD軟件建模后導(dǎo)入EDEM軟件對(duì)等分機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析。為了方便導(dǎo)入，將與分析無(wú)關(guān)的部件先行刪除后再行導(dǎo)入，減少了軟件處理各部件的時(shí)間。等分效果仿真如圖3所示。

圖2 中藥等分機(jī)構(gòu)的具體工作流程圖

圖3 等分效果仿真圖

從圖中數(shù)據(jù)可以看出：槽中最大質(zhì)量22 g、最小質(zhì)量19.8 g，兩者相差2.2 g。該機(jī)構(gòu)較人工等分誤差要小很多，在很大程度上能夠滿足等分稱(chēng)量要求。

3 中藥等分機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)的硬件組成

中藥等分機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)主要由工控機(jī)、PCI運(yùn)動(dòng)控制卡、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)組成。其中，工控機(jī)選擇的是研華610L型號(hào)，該工控機(jī)具有標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口和RS485接口用于設(shè)備通信。PCI運(yùn)動(dòng)控制卡選擇的是PCI1020控制卡，該卡是PCI總線四軸伺服/步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制卡，能精確地控制所發(fā)出的脈沖頻率（電機(jī)速度）、脈沖個(gè)數(shù)（電機(jī)轉(zhuǎn)角）及脈沖頻率變化率（電機(jī)加速度）。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選擇的是SH20340，其具有噪音低、效率高、溫升低、設(shè)置靈活的優(yōu)點(diǎn)，細(xì)分?jǐn)?shù)最大可達(dá)256。步進(jìn)電機(jī)選用的是42BYGH混合式步進(jìn)電機(jī)，其步進(jìn)角為1.8°，扭矩為0.5～2.8 kgf·cm。

3.2 控制系統(tǒng)的軟件組成

上位機(jī)程序使用C#編程語(yǔ)言，程序編寫(xiě)前對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速率進(jìn)行標(biāo)定，每個(gè)脈沖電機(jī)的線位移為0.015 mm，將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為脈沖數(shù)的代碼為：

int i=Convert.ToInt32（text1.Text）;

int s=42*（10—i）;

int pulseNum=Convert.ToInt32（s/0.015）;

由于篇幅所限，下面是等分板電機(jī)和出料板電機(jī)相繼運(yùn)動(dòng)的代碼：

//設(shè)置倍率、初始速度、驅(qū)動(dòng)速度、脈沖方式、驅(qū)動(dòng)方式等參數(shù)

for（i=0;i＜2;i++）﹛DL[i].Multiple=1;DL[i]. StartSpeed=100;

DL[i]. DriveSpeed=8000; DL[i]. Acceleration= 500;DL[i].Deceleration=5000;

LC[i].PulseMode=PCI1020.PCI1020_CWCCW; LC[i].Line_Curve=PCI1020.PCI1020_Line;LC[i]. LV_DV= PCI1020. PCI1020_DV;LC[i]. Direction= PCI1020.PCI1020_PDIRECTION;PCI1020.PCI1020_ InitLVDV（hDevice,// 運(yùn)動(dòng)卡卡號(hào)ref DL[i],// 公共參數(shù)結(jié)構(gòu)體指針ref DL[i]）;﹜//設(shè)置出料板電機(jī)為等分板電機(jī)的同步軸

Para1[0]. AXIS3=1;// Para1[0]. EDND=1; PCI1020. PCI1020 _ SetSynchronAction（hDevice, PCI1020.PCI1020_XAXIS,ref Para1[0],ref Para2[0]）;

Para2[1].FDRVP=1;// 當(dāng)?shù)确职咫姍C(jī)激勵(lì)后，啟動(dòng)出料板電機(jī)定長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)

PCI1020.PCI1020_SetSynchronAction（hDevice, YAXIS,ref Para1[1],ref Para2[1]）;PCI1020. PCI1020 _ StartLVDV（hDevice,PCI1020. PCI1020_ YAXIS）;

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文的設(shè)計(jì)分析包括了中藥等分機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)以及上位機(jī)的控制編程。等分機(jī)構(gòu)大幅度降低了傳統(tǒng)人工中藥等分的誤差；控制系統(tǒng)結(jié)合上位機(jī)的邏輯編程實(shí)現(xiàn)了等分機(jī)構(gòu)的順序動(dòng)作，完美地完成了中藥飲片的等分工作。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是對(duì)中藥飲片等分工作的創(chuàng)新性探索，以期為我國(guó)傳統(tǒng)中醫(yī)藥行業(yè)貢獻(xiàn)綿薄之力。

[1] 蘇昆林.自動(dòng)化中藥房控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南京：南京理工大學(xué)，2013.

[2] 李成群，王偉，贠超，等.自動(dòng)化藥房的現(xiàn)狀和新進(jìn)展[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2007（5）.

[3] 夏作新，李海鷗，劉紹周.微機(jī)自動(dòng)控制發(fā)藥機(jī)：中國(guó)，86105746[P].1988-02-10.

2015-07-21

王沖（1988—），男，河北保定人，在讀碩士研究生，研究方向：機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用。

張志強(qiáng)（1964—），男，陜西人，博士，副教授，研究方向：機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用。

婁唯佳（1987—），男，河北秦皇島人，碩士研究生，研究方向：機(jī)電設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)與診斷技術(shù)。