基于PLC的上藥機(jī)械手的研究

黃曉冉，董小雷

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

0 引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步和人民生活水平的不斷提高，人們對(duì)醫(yī)療服務(wù)水平的要求也是越來(lái)越高[1]。醫(yī)藥技術(shù)的不斷創(chuàng)新，催生了形形色色的藥品種類，如何對(duì)藥品進(jìn)行科學(xué)化管理，為人們提供更加高效的醫(yī)藥服務(wù)，成為當(dāng)前大中型醫(yī)院藥房面臨的一個(gè)棘手的問(wèn)題。

自動(dòng)化藥房的誕生，實(shí)現(xiàn)了藥品信息化、集中化管理。上藥系統(tǒng)是自動(dòng)化藥房系統(tǒng)中一個(gè)重要的組成部分。一個(gè)運(yùn)行穩(wěn)定、快速、定位精確的上藥系統(tǒng)，能夠大大降低醫(yī)務(wù)工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和提高藥房設(shè)備的自動(dòng)化水平。市場(chǎng)上現(xiàn)有的上藥機(jī)械手存在單次上藥數(shù)量少、定位不精準(zhǔn)的問(wèn)題，為了解決這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)上藥機(jī)械手，采用兩端四發(fā)藥槽機(jī)構(gòu)和齒輪嚙合旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)配合，保證自動(dòng)化儲(chǔ)藥設(shè)備快速、高效的的補(bǔ)藥。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)原理

上藥機(jī)械手由水平雙直線導(dǎo)軌、豎直雙直線軌道、回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置、從動(dòng)齒輪、齒輪軸和移動(dòng)架等組成。上藥機(jī)械手的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

移動(dòng)架在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下沿著豎直方向的導(dǎo)軌做上下直線運(yùn)動(dòng)，豎直導(dǎo)軌整體沿著水平方向的導(dǎo)軌做左右直線運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的定位。為保證其運(yùn)行的穩(wěn)定性，在豎直和水平方向均采用雙直線導(dǎo)軌。

豎直雙直線導(dǎo)軌的底部和頂部均安裝有回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置，如圖1所示，在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下能夠使得豎直雙直線導(dǎo)軌完成180度的旋轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)的兩端四個(gè)發(fā)藥槽都可以向儲(chǔ)藥柜上藥，這樣很好的解決了機(jī)械手單次上藥量少的問(wèn)題。

圖1 上藥機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)示意圖

發(fā)藥槽的上表面與水平面成一定的傾角，如圖2所示，藥品平放在發(fā)藥槽中時(shí)，會(huì)依靠重力作用緊貼著發(fā)藥槽側(cè)壁。同時(shí)每個(gè)發(fā)藥槽前端開(kāi)矩形孔，三角擋板與電磁鐵相連，穿過(guò)矩形孔擋住發(fā)藥槽中的藥品，對(duì)藥品起到定位的作用。當(dāng)電磁鐵得電，三角擋板向下收縮，藥品則沿著發(fā)藥槽滑落。在每個(gè)發(fā)藥槽出口處的兩側(cè)和中間擋板處分別開(kāi)通孔，并安裝光電開(kāi)關(guān)，一個(gè)光點(diǎn)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)一端兩個(gè)發(fā)藥槽中藥品發(fā)送情況進(jìn)行檢測(cè)。

圖2 雙發(fā)藥槽主視圖示意圖

兩端的雙發(fā)藥槽尾部分別安裝從動(dòng)齒輪，如圖3所示，并與轉(zhuǎn)動(dòng)軸固定在一起，成為一個(gè)整體，轉(zhuǎn)動(dòng)軸通過(guò)軸承與移動(dòng)架連接。主動(dòng)齒輪軸帶動(dòng)從動(dòng)齒輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)兩個(gè)齒輪軸分別與固定在發(fā)藥槽上的從動(dòng)齒輪嚙合，在齒輪軸的驅(qū)動(dòng)下，兩端的發(fā)藥槽以轉(zhuǎn)動(dòng)軸為中心旋轉(zhuǎn)，可根據(jù)自動(dòng)化儲(chǔ)藥柜中儲(chǔ)藥道的傾斜角度來(lái)設(shè)置發(fā)藥槽的旋轉(zhuǎn)角度。齒輪嚙合旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，提高了發(fā)藥手旋轉(zhuǎn)角度的準(zhǔn)確性，保證機(jī)械手上藥定位的精度。

圖3 兩端四發(fā)藥槽機(jī)構(gòu)仰視示意圖

2 控制系統(tǒng)及原理

2.1 上藥機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

上藥機(jī)械手的控制系統(tǒng)采用由上位機(jī)和下位機(jī)組成的二級(jí)控制系統(tǒng)[2]，硬件控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。上位機(jī)采用液晶觸摸屏工控機(jī)，主要對(duì)上藥機(jī)械手起檢測(cè)作用，并通過(guò)上位機(jī)對(duì)機(jī)械手的一些動(dòng)作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。下位機(jī)控制系統(tǒng)的硬件部分主要包括四個(gè)伺服電機(jī)、四個(gè)電磁鐵和兩個(gè)光電開(kāi)關(guān)，根據(jù)設(shè)計(jì)需求，選用性價(jià)比較高的歐姆龍CP1H型PLC，能夠發(fā)送四路脈沖，并配合CP1W—40EDRIO擴(kuò)展模塊和四個(gè)SGDV—5R5A01A伺服驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)硬件的控制。

結(jié)合圖4，上藥機(jī)械手的工作過(guò)程如下：上位機(jī)液晶觸摸屏提示需要上藥的種類和數(shù)量，工作人員將藥品別平放在發(fā)藥槽中，并設(shè)置機(jī)械手工作時(shí)的一些參數(shù)，隨后啟動(dòng)機(jī)械手工作按鈕，PLC發(fā)出指令，機(jī)械手在伺服電機(jī)M1和M2的驅(qū)動(dòng)下精確到達(dá)指定的位置，在此過(guò)程中伺服電機(jī)M3也得到指令，驅(qū)動(dòng)主動(dòng)齒輪軸帶動(dòng)前后端四個(gè)發(fā)藥槽旋轉(zhuǎn)至設(shè)定好的角度，此時(shí)由發(fā)藥槽1首先進(jìn)行上藥，電磁鐵得電三角擋板向下收縮，藥品沿著發(fā)藥槽滑落至儲(chǔ)藥柜，同時(shí)光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)藥品的發(fā)送情況，當(dāng)發(fā)藥結(jié)束時(shí)，PLC控制發(fā)藥槽2繼續(xù)上藥。當(dāng)前端兩個(gè)發(fā)藥槽全部上藥完畢時(shí)，如果需要繼續(xù)上藥，伺服電機(jī)M4控制驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)裝置，使得機(jī)械手完成180°旋轉(zhuǎn)，接著后端兩個(gè)發(fā)藥槽以相同的方式繼續(xù)進(jìn)行上藥，整個(gè)過(guò)程結(jié)束后，機(jī)械手復(fù)位。

圖4 上藥機(jī)械手控制系統(tǒng)組成框圖

上藥機(jī)械手上位機(jī)與下位機(jī)之間的信息交流和數(shù)據(jù)交換采用RS485總線作為介質(zhì)。RS485總線與其他總線相比具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)傳輸速率高、抗干擾性強(qiáng)[3]等的優(yōu)點(diǎn)，從而保證通信的速度和穩(wěn)定性。

為保證機(jī)械手動(dòng)作的準(zhǔn)確性，對(duì)伺服電機(jī)M1、M2和M3均采用閉環(huán)控制。PLC通過(guò)脈沖輸出通道1、2和3，向三個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送不同數(shù)量和頻率脈沖，驅(qū)動(dòng)器將脈沖轉(zhuǎn)化成電信號(hào)去控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，編碼器會(huì)將伺服電機(jī)發(fā)出的脈沖反饋信號(hào)經(jīng)由高速脈沖計(jì)數(shù)器1、2和3傳遞至PLC的CPU，經(jīng)過(guò)處理與計(jì)算，最后輸出補(bǔ)償脈沖，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的閉環(huán)控制[4]。伺服電機(jī)M4則由PLC脈沖輸出通道4進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手180°旋轉(zhuǎn)。PLC主單元模塊輸出地址分配如表1所示。

表1 PLC主單元輸出功能分配表

PLC通過(guò)CP1W—40EDRIO擴(kuò)展模塊，控制繼電器KM1、KM2、KM3和KM4的通斷，來(lái)控制電磁鐵的得電和失電，實(shí)現(xiàn)三角擋板的伸縮運(yùn)動(dòng)，從而分別控制四個(gè)發(fā)藥槽中的藥品的定位和發(fā)送。擴(kuò)展模塊輸出功能分配如表2所示。

表2 CP1W—40EDRIO擴(kuò)展單元輸出功能分配表

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

機(jī)械手自動(dòng)上藥的過(guò)程是嚴(yán)格按照順序控制的方式執(zhí)行，其軟件控制系統(tǒng)由初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)輸出模塊四個(gè)部分組成。

初始化模塊主要對(duì)PLC系統(tǒng)進(jìn)行初始化，并對(duì)機(jī)械手工作時(shí)所需的一些參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。數(shù)據(jù)采集模塊主要收集由編碼器反饋回來(lái)的信號(hào)，對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制。數(shù)據(jù)處理模塊主要是將人工設(shè)置的數(shù)據(jù)和反饋回來(lái)的信號(hào)由CPU進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)輸出模塊則主要是根據(jù)指令進(jìn)行脈沖輸出和繼電器輸出，控制機(jī)械手上藥的動(dòng)作。軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

圖5 軟件設(shè)計(jì)流程圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的上藥機(jī)械手，通過(guò)前后兩端四個(gè)發(fā)藥槽機(jī)構(gòu)與回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置相互配合，很大程度提高了機(jī)械手自動(dòng)上藥的數(shù)量，直線導(dǎo)軌和齒輪嚙合傳動(dòng)機(jī)構(gòu)配合實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的準(zhǔn)確定位。由PLC控制伺服電機(jī)和電磁鐵，保證機(jī)械手高效運(yùn)行。整個(gè)機(jī)械手系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，在自動(dòng)化藥房領(lǐng)域里有積極的意義。

[1] 李成群,王偉,贠超,朱賢,曹建波,張銀花.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,2007,05：27-32.

[2] 劉貫華.基于PLC的污水處理控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程技術(shù),2008,01：86-88+110.

[3] 耿立中,王鵬,馬騁,賈惠波.RS485高速數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,08：1311-1314.

[4] 王有慶,田涌濤,王占杭,李從心.用PLC實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度閉環(huán)控制[J].機(jī)床與液壓,2002,03：28-29.