基于歐姆龍PLC的上藥機(jī)械手研究

黃曉冉，董小雷，梁 超

（河北聯(lián)合大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，唐山 063009）

0 引言

伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和醫(yī)藥技術(shù)的不斷提高，合適各樣的藥品進(jìn)入了我們的生活中[1]。同時(shí)機(jī)電一體化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的也是突飛猛進(jìn)，催生的自動(dòng)化藥房在很大程度上提高了醫(yī)藥服務(wù)水平，也在一定程度上緩解了緊張的醫(yī)患關(guān)系。現(xiàn)有的大型自動(dòng)化儲(chǔ)藥設(shè)備，對(duì)機(jī)械手自動(dòng)上藥的效率和準(zhǔn)確性均提出了新的要求，也成為影響藥房設(shè)備自動(dòng)化水平的一個(gè)重要因素。

小型的自動(dòng)化儲(chǔ)藥設(shè)備采用人工上藥的方式即可，但對(duì)于已經(jīng)投入應(yīng)用的大型自動(dòng)化藥房而言，采用上述方法就不是很合理。大型自動(dòng)化藥房對(duì)上百種藥品進(jìn)行集中管理，藥品數(shù)量達(dá)到幾千盒，人工上藥的方式就會(huì)降低上藥的效率，增加醫(yī)務(wù)工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，也增加了藥品管理的成本。在我國(guó)市場(chǎng)上，現(xiàn)有的上藥機(jī)械手存在單次上藥量少、上藥速度慢和適用范圍有限等問(wèn)題，所以為了解決以上出現(xiàn)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種上藥機(jī)械手，此上藥機(jī)械手采用一套新的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)方案，為解決大型自動(dòng)化儲(chǔ)藥設(shè)備的上藥問(wèn)題提供了有效的方法。

1 上藥機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成及工作原理

上藥機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由水平和豎直方向的直線導(dǎo)軌、帶有滑條的上下雙層發(fā)藥槽、齒輪軸、上從動(dòng)半齒輪、下從動(dòng)半齒輪、光電對(duì)射感應(yīng)器、電磁鐵、“凹”型擋板等部分組成。機(jī)械手整體機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示，雙層發(fā)藥槽的主視圖如圖2所示。

1）為提高機(jī)械手上藥的速度和靈活性，上藥機(jī)械手在水平和豎直方向均采用雙直線導(dǎo)軌，使得上藥機(jī)械手能夠按照工控機(jī)指令沿著直線導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、快速的定位[2]，以提高機(jī)械手上藥的效率。

圖1 上藥機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)示意圖

2）針對(duì)現(xiàn)有上藥機(jī)械手存在單次上藥量少的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了上下雙層發(fā)藥槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行上藥，可以提高了單次上藥的數(shù)量。此外，發(fā)藥槽上表面和側(cè)面均鋪設(shè)有三角滑條，實(shí)現(xiàn)藥品與發(fā)藥槽的線接觸，減小了藥品與發(fā)藥槽之間的摩擦力，保證藥品能夠沿發(fā)藥槽快速、順利的滑落至儲(chǔ)藥柜。

3）上下雙層發(fā)藥槽兩側(cè)均安裝有從動(dòng)半齒輪，通過(guò)中間的一個(gè)主動(dòng)齒輪軸連接，實(shí)現(xiàn)三個(gè)齒輪的嚙合。每個(gè)齒輪和齒輪軸均通過(guò)軸承與移動(dòng)架鏈接，既對(duì)發(fā)藥槽起到了支撐和固定的作用，也使得發(fā)藥槽、齒輪、齒輪軸和移動(dòng)架成為一個(gè)整體，并且能夠在豎直方向做直線運(yùn)動(dòng)。主動(dòng)齒輪軸帶動(dòng)從動(dòng)半齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)發(fā)藥槽的旋轉(zhuǎn)，通過(guò)人工設(shè)置，其旋轉(zhuǎn)角度可變，這樣可適用于具有不同傾斜角度的斜坡式儲(chǔ)藥柜，使得機(jī)械手的應(yīng)用更加廣泛。齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)具有傳動(dòng)精度高，工作強(qiáng)度大的特點(diǎn)[3]，從而提高機(jī)械手的上藥動(dòng)作的準(zhǔn)確度，并延長(zhǎng)其機(jī)械壽命。

4）雙層發(fā)藥槽均與水平面成一定傾斜角度，如圖2所示，傾斜的發(fā)藥槽能夠使得藥品在重力作用下緊貼在發(fā)藥槽的側(cè)壁，以實(shí)現(xiàn)藥品在發(fā)藥槽中的定位。電磁鐵通過(guò)與“凹”型擋板相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)藥品在沿三角滑條方向的定位。當(dāng)發(fā)藥槽轉(zhuǎn)到設(shè)定好的角度時(shí)，電磁鐵得電，“凹”型擋板向下收縮，藥品擺脫擋板的束縛，在重力作用下，沿著發(fā)藥槽滑落。

圖2 雙層發(fā)藥槽的主視圖

5）分別在雙層發(fā)藥槽出藥口的位置打圓孔，并安裝常閉型光電對(duì)射感應(yīng)器。藥品沿著發(fā)藥槽滑落，當(dāng)藥品遮擋住光電對(duì)射感應(yīng)器發(fā)出的光時(shí)，該裝置會(huì)激發(fā)高電平，并通過(guò)總線將電信號(hào)傳給PLC，當(dāng)藥品發(fā)送完畢，藥盒不再遮擋對(duì)射光線，光電對(duì)射感應(yīng)器恢復(fù)低電平[4]。光電對(duì)射感應(yīng)器能夠檢測(cè)機(jī)械手中的藥品是否發(fā)送完畢。

2 上藥機(jī)械手的控制系統(tǒng)組成與工作過(guò)程

上藥機(jī)械手的控制系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分組成。

2.1 控制系統(tǒng)硬件的組成與工作過(guò)程

上藥機(jī)械手的控制系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示。

由液晶觸摸屏組成的上位機(jī)主要對(duì)上藥機(jī)械手作業(yè)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和對(duì)儲(chǔ)藥柜中藥品信息進(jìn)行實(shí)時(shí)管理，還能夠?qū)Πl(fā)藥槽所需旋轉(zhuǎn)的角度進(jìn)行設(shè)置。下位機(jī)選用歐姆龍系列CP1H型的PLC，實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)、光電對(duì)射感應(yīng)器、電磁鐵等硬件的控制。RS485總線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)傳輸速率高、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[5]，所以控制系統(tǒng)中硬件組態(tài)之間通信采用該總線，從而保證信息交流和數(shù)據(jù)傳遞的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。

結(jié)合圖3，上藥機(jī)械手的具體作業(yè)過(guò)程如下：液晶觸摸屏顯示自動(dòng)化藥房?jī)?chǔ)藥柜中藥品的信息，并提示醫(yī)務(wù)工作人員對(duì)儲(chǔ)藥柜進(jìn)行補(bǔ)藥。人工將藥品平放在上藥機(jī)械手的發(fā)藥槽中，啟動(dòng)上藥機(jī)械手的工作啟動(dòng)按鈕，PLC按照程序指令驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)M1和M2，使得機(jī)械手沿著水平和豎直方向的直線導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)到指定的位置，此時(shí)PLC驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)M3，使得發(fā)藥槽在主動(dòng)齒輪軸的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)至設(shè)定好的角度，一層發(fā)藥槽電磁鐵得電擋板向下收縮，藥品沿著滑道滑向自動(dòng)化藥房的儲(chǔ)藥柜，此時(shí)光電對(duì)射感應(yīng)器檢測(cè)機(jī)械手中藥品發(fā)送的情況，一層發(fā)藥槽上藥結(jié)束后，如果需要繼續(xù)上藥，PLC則發(fā)出指令控制另一層發(fā)藥槽以相同的動(dòng)作完成上藥，之后機(jī)械手復(fù)位。

圖3 上藥機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)圖

2.2 PLC對(duì)伺服電機(jī)和電磁鐵的控制

設(shè)計(jì)的上藥機(jī)械手下位機(jī)控制系統(tǒng)需輸入點(diǎn)數(shù)共12點(diǎn)，輸出點(diǎn)數(shù)共10點(diǎn)，選用歐姆龍系列CP1H型的PLC，并且采用主單元和擴(kuò)展單元相配合，即可滿足上述設(shè)計(jì)要求。

上藥機(jī)械手在上藥動(dòng)作過(guò)程中，PLC通過(guò)發(fā)送不同頻率和數(shù)量的脈沖給伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服驅(qū)動(dòng)器直接連接編碼器，從而構(gòu)成速度、位移的閉環(huán)控制，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角的精確控制[6]，保證上藥機(jī)械手的準(zhǔn)確定位。PLC主模單元可以發(fā)送三路脈沖信號(hào)給伺服驅(qū)動(dòng)器，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)三個(gè)伺服電機(jī)的控制。串接的擴(kuò)展單元通過(guò)控制繼電器的通斷，來(lái)控制電磁鐵得電和失電，從而控制“凹”型擋板的伸縮，實(shí)現(xiàn)藥品的發(fā)送。PLC的輸出地址分配如表1和表2所示。

表1 PLC主單元I/O功能分配表

表2 擴(kuò)展單元I/O功能分配表

2.3 軟件控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上藥機(jī)械手的軟件控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，由通信模塊、運(yùn)行監(jiān)測(cè)模塊和發(fā)藥模塊三部分組成。如圖4所示。

圖4 軟件控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

通信模塊主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信，保證機(jī)械手按照指令快速、準(zhǔn)確的作業(yè)。運(yùn)行檢測(cè)模塊主要實(shí)現(xiàn)機(jī)械手控制系統(tǒng)的初始化和開機(jī)測(cè)試，并對(duì)機(jī)械手整個(gè)工作過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，以保證機(jī)械手安全有效的工作。發(fā)藥模塊則嚴(yán)格按照程序控制機(jī)械手上藥。三個(gè)模塊相互配合，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手有條不紊的運(yùn)行。程序流程如圖5所示。

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)的上藥機(jī)械手，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，提高了機(jī)械手的耐用性和應(yīng)用廣泛性，為其長(zhǎng)期重復(fù)周期性工作提供了基礎(chǔ)保障。基于PLC的機(jī)電控制系統(tǒng)和模塊化設(shè)計(jì)的軟件控制系統(tǒng)相結(jié)合，保證了上藥機(jī)械手高效的進(jìn)行作業(yè)。上藥機(jī)械手能夠解決自動(dòng)化儲(chǔ)藥設(shè)備自動(dòng)上藥的問(wèn)題，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

圖5 軟件控制系統(tǒng)流程圖

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