可吸收縫合線的紡絲工藝及恒張力控制系統(tǒng)研究*

隋修武,王 碩,李 瑤,徐立偉

(天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300387)

可吸收縫合線的紡絲工藝及恒張力控制系統(tǒng)研究*

隋修武*,王 碩,李 瑤,徐立偉

(天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300387)

為了解決殼聚糖和膠原蛋白可吸收縫合線制備工藝中縫合線線徑粗細(xì)不均、抗張強(qiáng)度不均的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了可吸收縫合線恒張力控制系統(tǒng)。檢測(cè)裝置采用敏感元件為電阻應(yīng)變片的三輥式張力傳感器;控制算法采用PID算法;執(zhí)行裝置采用變頻調(diào)速三相電機(jī)。實(shí)驗(yàn)證明:恒張力控制系統(tǒng)能將被控張力誤差控制在±0.1 N以?xún)?nèi),實(shí)時(shí)性好,可靠性高,制作出的縫合線完全符合美國(guó)藥典第32版中膠原縫合線的標(biāo)準(zhǔn)。

恒張力控制系統(tǒng);三輥式張力傳感器;PID;可吸收縫合線;變頻調(diào)速

世界縫合線市場(chǎng)自2004年達(dá)到13億美元以來(lái),一直以10%～20%的速度增長(zhǎng)。目前我國(guó)醫(yī)用縫合線每年約有15億元人民幣的市場(chǎng)需求,其中可吸收縫合線約有7.5億元,而縫合線的國(guó)產(chǎn)化率卻不到40%[1-2]。

殼聚糖和膠原蛋白可吸收縫合線是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前,對(duì)于殼聚糖和膠原蛋白可吸收縫合線生產(chǎn)和纏繞過(guò)程中的控制主要以設(shè)定電機(jī)恒轉(zhuǎn)速為主。隨著收卷過(guò)程的進(jìn)行,收卷筒的半徑越來(lái)越大,可吸收縫合線的實(shí)際線速度會(huì)慢慢提高。由于牽伸張力通過(guò)改變縫合線材料中的大分子鏈排列結(jié)構(gòu)來(lái)改變其線經(jīng)和抗張強(qiáng)度,隨著縫合線實(shí)際線速的提高,可吸收縫合線牽伸張力增大,很容易造成制作出的縫合線線徑粗細(xì)不均、抗張強(qiáng)度不均,嚴(yán)重影響到臨床應(yīng)用效果。因此,對(duì)可吸收縫合線的紡絲工藝及控制系統(tǒng)的研究不僅具有很高的理論研究?jī)r(jià)值,而且有著更重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本文針對(duì)可吸收縫合線研究了一種恒張力控制系統(tǒng),系統(tǒng)由傳感器、控制器、執(zhí)行器和人機(jī)界面組成。利用電阻應(yīng)變片式張力傳感器,采用直接測(cè)量法檢測(cè)縫合線的張力,采用PID控制算法[3-5],通過(guò)變頻器控制三相電機(jī)的轉(zhuǎn)速,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)張力的精確閉環(huán)控制[6]。

1 紡絲成形工藝及其控制

1.1 濕法紡絲工藝介紹[7]

將一定配比的殼聚糖和膠原蛋白、蓖麻油材料,經(jīng)超細(xì)絲直徑閉環(huán)控制系統(tǒng)控制的噴絲機(jī)構(gòu)制9根直徑約為0.01 mm的初生態(tài)絲,初生態(tài)絲經(jīng)凝固浴,與凝固液(丙酮、氨水等成分)之間進(jìn)行雙擴(kuò)散作用,形成成品絲,再經(jīng)過(guò)假捻機(jī)構(gòu)進(jìn)行加捻和解捻操作,編制成原始縫合線,然后經(jīng)過(guò)交聯(lián)處理,增加其強(qiáng)度及調(diào)節(jié)親水性,經(jīng)過(guò)相應(yīng)化學(xué)處理及清洗烘干后,成為具有一定直徑和強(qiáng)度的中縫合線,由送卷機(jī)構(gòu)送入帶有微細(xì)牽伸張力控制的收卷機(jī)構(gòu),完成成品縫合線的纏繞。殼聚糖和膠原蛋白可吸收縫合線的紡絲成形工藝流程圖如圖1所示。

圖1 紡絲成形工藝流程圖

1.2 溫度控制

紡絲液溫度和烘箱溫度需要進(jìn)行溫度控制。通過(guò)熱電阻溫度傳感器采集溫度?？刂破鞑捎脙?nèi)置ON/OFF控制,繼電器輸出方式,開(kāi)關(guān)式控制循環(huán)冷卻水泵的開(kāi)啟和關(guān)斷來(lái)控制紡絲液溫度;控制器采用電壓脈沖輸出方式(0～14 V),通過(guò)內(nèi)置PID控制,利用占空比,通過(guò)交流繼電器控制電阻絲的加熱時(shí)間來(lái)控制烘箱溫度。

1.3 酸度控制

原料混合液需要進(jìn)行酸度控制。通過(guò)酸度計(jì)采集PH值。控制器采用內(nèi)置ON/OFF控制,繼電器輸出方式,開(kāi)關(guān)式控制電磁閥的通斷來(lái)控制原料混合液各個(gè)成分的加入量,進(jìn)而控制原料混合液的酸度。另一路由手動(dòng)控制添加的方式來(lái)控制酸度。

2 恒張力控制系統(tǒng)

2.1 張力控制的原理

可吸收縫合線在收卷筒上纏繞時(shí),調(diào)節(jié)牽伸張力來(lái)改變縫合線的線徑和抗張強(qiáng)度。直接法張力控制能夠?qū)ιa(chǎn)線上總的干擾因數(shù)做出電氣上的補(bǔ)償[8-10]。圖2為縫合線生產(chǎn)線上直接法恒張力控制系統(tǒng)的框圖,系統(tǒng)由傳感器、控制器、執(zhí)行器和人機(jī)界面組成。系統(tǒng)輸入量是以電阻應(yīng)變片式張力傳感器為檢測(cè)元件的模擬電壓信號(hào),經(jīng)張力變送器之后,輸出與PLC相匹配的4 mA～20 mA的電流信號(hào);電流信號(hào)經(jīng)PLC處理運(yùn)算后經(jīng)模擬輸出模塊以電壓信號(hào)直接輸出給變頻器,變頻器對(duì)應(yīng)的可調(diào)范圍為0～60 Hz,通過(guò)變頻器控制可吸收縫合線的收線電機(jī)和撥線桿(作用是左右撥動(dòng)送線,保證縫合線在收卷筒上一層一層地鋪放)牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速,確保整個(gè)系統(tǒng)中縫合線張力的恒定。在觸摸屏界面可以實(shí)現(xiàn)微張力設(shè)定、張力顯示、纏繞電機(jī)轉(zhuǎn)速顯示、PID參數(shù)設(shè)定,以及進(jìn)行其他手動(dòng)控制等。

圖2 直接法恒張力控制系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)采用敏感元件為電阻應(yīng)變片的張力傳感器。此傳感器采用三輥式測(cè)量結(jié)構(gòu),中間是檢測(cè)輥,左右是輔助輥,起導(dǎo)向的作用,被測(cè)縫合線繞于3個(gè)輥上。將縫合線收卷張力轉(zhuǎn)換為作用在檢測(cè)輥上的壓力,再由傳感器進(jìn)行檢測(cè),從而使恒張力控制系統(tǒng)的階數(shù)降低。圖3為三輥張力測(cè)量結(jié)構(gòu)圖。

圖3 三輥張力測(cè)量結(jié)構(gòu)圖

圖3中,T為纏繞于檢測(cè)輥上的縫合線收卷張力,F為施加于張力檢測(cè)輥上的總的合力,檢測(cè)輥的自重可以通過(guò)調(diào)節(jié)傳感器的調(diào)零功能來(lái)消除。它們之間的關(guān)系滿(mǎn)足歐拉公式:F=2Tcos(θ/2),式中θ為檢測(cè)輥包角,θ=θ1+θ2,本設(shè)計(jì)中θ1=θ2=70°。在理論上,F只與T有關(guān),但由于兩個(gè)輔助輥的內(nèi)圈和外圈都存在著摩擦力,所以在實(shí)際測(cè)量中存在理論誤差,那么在選用軸承的時(shí)候,要選擇微型軸承并且其摩擦系數(shù)也要盡量的小。

電阻應(yīng)變片式張力傳感器作為敏感元件,通過(guò)測(cè)量電橋和調(diào)理電路將應(yīng)變片的微小電阻變化轉(zhuǎn)化成4 mA～20 mA的電流信號(hào),送入PLC,精確調(diào)整電路參數(shù),使傳感器在小量程0～5 N范圍內(nèi)的測(cè)量精度達(dá)到±0.05 N。

2.2 恒張力控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

恒張力控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 恒張力控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

①檢測(cè)裝置:由于可吸收縫合線纏繞過(guò)程中的張力控制屬于微小張力控制,系統(tǒng)采用小量程(0～10 N),敏感元件為電阻應(yīng)變片的張力傳感器,型號(hào)為SCX,精度達(dá)到0.05%。通過(guò)檢測(cè)到檢測(cè)輥所受的壓力值,直接測(cè)量出縫合線的所承受張力,輸出其對(duì)應(yīng)的模擬電壓信號(hào)。再通過(guò)張力變送器,輸出可供控制裝置所匹配的電流信號(hào)。

②控制裝置:以歐姆龍CP1H-XA為核心的控制模塊,該型號(hào)PLC本身帶24個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入點(diǎn)和16個(gè)開(kāi)關(guān)量輸出點(diǎn),另有4路模擬量輸入和2路模擬量輸出信號(hào)?？傮w測(cè)量精度達(dá)千分之一。利用PLC提供的PID編程功能模塊,只需設(shè)定好所需的PID參數(shù),運(yùn)行PID控制指令,就能求得所需輸出控制值,實(shí)現(xiàn)模擬量閉環(huán)控制。

③執(zhí)行裝置:本恒張力控制系統(tǒng)的最終執(zhí)行機(jī)構(gòu)為可吸收縫合線的收線電機(jī),調(diào)節(jié)收線電機(jī)的轉(zhuǎn)速與變頻器的頻率相匹配,實(shí)時(shí)保證縫合線的恒張力。

2.3 恒張力控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

恒張力控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括兩方面:張力數(shù)據(jù)處理及處理信號(hào)的輸出;歐姆龍CP1H型PLC的軟件編程環(huán)境為CX-Programmer 6.0。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行開(kāi)始后,首先需要手動(dòng)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)可吸收縫合線所需要的張力值,然后將系統(tǒng)在生產(chǎn)線上實(shí)際檢測(cè)出的張力與其比較,再進(jìn)行PID算法的控制,通過(guò)PID參數(shù)整定,最終確定最佳的比例、積分和微分系數(shù)?？刂葡到y(tǒng)流程圖如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)流程圖

CX-Programmer 編程軟件的分辨率設(shè)置為6 000,程序包括以下2個(gè)關(guān)鍵指令:

①?gòu)埩υO(shè)定值的比例縮放指令SCL3(487)。

系統(tǒng)將根據(jù)指定的帶偏移一次函數(shù),將帶符號(hào)BCD數(shù)據(jù)縮放(轉(zhuǎn)換)為帶符號(hào)BIN數(shù)據(jù)。符號(hào)如圖6所示。

圖6 比例縮放指令SCL3

將S所指定的帶符號(hào)BCD 數(shù)據(jù)(BCD數(shù)據(jù)為絕對(duì)值,用CY標(biāo)志判別正負(fù)、ON:負(fù)、OFF:正)根據(jù)C指定的參數(shù)(斜率和偏移)所決定的一次函數(shù),轉(zhuǎn)換為帶符號(hào)BIN數(shù)據(jù),將結(jié)果輸出到D。

圖7 C決定的一次函數(shù)

轉(zhuǎn)換式為:

我還夢(mèng)見(jiàn)三爹的腿經(jīng)常抽筋，顫抖得厲害，有時(shí)姐姐還在做著出門(mén)打工的準(zhǔn)備，父母在那里幫著收拾行李，我暗暗地傷心難過(guò)……

(1)

式中:ΔY/ΔX為斜率。偏移可以為正數(shù)、0、負(fù)數(shù)。當(dāng)偏移為0時(shí),C決定的一次函數(shù)如圖7所示。

本程序帶偏移一次函數(shù)由D50設(shè)定,通過(guò)MOV(021)指令為其設(shè)定數(shù)值。參數(shù)D50設(shè)置如下:D50設(shè)置為#0,即偏移量為0;D51設(shè)置為#100,即Δx=100%;D52設(shè)置為#1770,即Δy=1770;D53設(shè)置為#1770,即最大轉(zhuǎn)換值為1770H;D54設(shè)置為#0,即最小轉(zhuǎn)換值為0。

②PID運(yùn)算指令PID(190)。

PID指令將從輸入通道獲取指定的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的輸入范圍,按照設(shè)定參數(shù)進(jìn)行PID運(yùn)算,并將運(yùn)算結(jié)果存放到輸出通道中。符號(hào)如圖8所示。

圖8 PID運(yùn)算指令PID

根據(jù)C所指定的參數(shù)(設(shè)定值、PID常數(shù)等),對(duì)S進(jìn)行作為測(cè)定值輸入的PID運(yùn)算(目標(biāo)值濾波型2自由度PID運(yùn)算),將操作量輸出到D。

PID運(yùn)算指令的參數(shù)通過(guò)PID參數(shù)整定方法確定。選用現(xiàn)場(chǎng)工程整定法的臨界比例度法。

臨界比例度法操作方法如下:①將調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間TI置于最大(TI=∞),微分時(shí)間置零(TD=0),比例度δ適當(dāng),平衡操作一段時(shí)間,把系統(tǒng)投入自動(dòng)運(yùn)行;②將比例度δ逐漸減小,得到等幅振蕩過(guò)程,記下臨界比例度δK和臨界振蕩周期TK值;③根據(jù)δK和TK值,采用經(jīng)驗(yàn)公式,計(jì)算出調(diào)節(jié)器各個(gè)參數(shù),即δ、TI、TD的值。公式如表1所示。④按“先P后I最后D”的操作程序?qū)⒄{(diào)節(jié)器整定參數(shù)調(diào)到計(jì)算值上。若還不夠滿(mǎn)意,可再作進(jìn)一步調(diào)整。

表1 臨界振蕩整定經(jīng)驗(yàn)公式

本系統(tǒng)對(duì)象控制通道滯后較小,負(fù)荷變化大,但不允許有余差的情況,所以選用比例積分控器。最終確定比例系數(shù)為900,積分系數(shù)設(shè)定為10,微分系數(shù)為0。

本程序設(shè)定參數(shù)由D100設(shè)定,通過(guò)MOV(021)指令為其設(shè)定數(shù)值。參數(shù)D100設(shè)置如下:D101存儲(chǔ)比例系數(shù),D102存儲(chǔ)積分系數(shù),都由用戶(hù)人工通過(guò)觸摸屏輸入設(shè)定并通過(guò)BIN(023)指令將BCD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為BIN 數(shù)據(jù);D103設(shè)置為#0,即微分時(shí)間為0;D104設(shè)置為#000A,即取樣周期為10;D105設(shè)置為#0008;D106設(shè)置為#1595;D107設(shè)置為#0,即操作量下限值為0;D108設(shè)置為#1770,即操作量上限值為1770H。

3 實(shí)驗(yàn)及分析

為了驗(yàn)證恒張力控制系統(tǒng)的性能,采用本系統(tǒng)進(jìn)行了張力控制實(shí)驗(yàn)、縫合線綜合性能實(shí)驗(yàn)和比對(duì)實(shí)驗(yàn)。

3.1 張力控制實(shí)驗(yàn)

以威綸通觸摸屏的系統(tǒng)時(shí)鐘為計(jì)時(shí)工具,對(duì)每分鐘內(nèi)觸摸屏實(shí)時(shí)顯示的實(shí)際張力值進(jìn)行觀察與記錄。經(jīng)多組實(shí)驗(yàn),本系統(tǒng)能將實(shí)際張力值與設(shè)定張力值的誤差控制在±0.1 N以?xún)?nèi)。

3.2 縫合線綜合性能實(shí)驗(yàn)

通過(guò)張力控制實(shí)驗(yàn)確定本系統(tǒng)可以保證牽伸張力恒定后,通過(guò)縫合線綜合性能實(shí)驗(yàn),再次驗(yàn)證縫合線試樣的線經(jīng)和結(jié)點(diǎn)抗拉強(qiáng)度是否符合美國(guó)藥典[11](USP)標(biāo)準(zhǔn)。

3-0、2-0和0規(guī)格的縫合線試樣各取10根,用螺旋測(cè)微儀在每根試樣的1/4,1/2和3/4處進(jìn)行測(cè)量取平均值,結(jié)果填入表2中。將每組的10次測(cè)量結(jié)果取平均值,結(jié)果填入表2中;用電子單紗強(qiáng)力機(jī),標(biāo)距長(zhǎng)度為10 cm,在約6 cm處打結(jié),以280 mm/min的速度拉斷,記錄在打結(jié)處斷裂時(shí)的數(shù)據(jù)。測(cè)30個(gè)點(diǎn),結(jié)果填入表2中,取平均值后結(jié)果填入表2中。

表2 測(cè)量結(jié)果

將本系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果與表3美國(guó)藥典第32版中膠原縫合線的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)。

表3 美國(guó)藥典第32版中膠原縫合線的標(biāo)準(zhǔn)

通過(guò)對(duì)表2、表3中數(shù)據(jù)的比較分析,對(duì)于3-0、2-0和0規(guī)格的縫合線,采用本恒張力控制系統(tǒng)制作出的縫合線完全符合美國(guó)藥典第32版中膠原縫合線的標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明本恒張力控制系統(tǒng)能有效地保證牽伸張力的恒定,可靠性高,能制作出符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的縫合線。

3.3 比對(duì)實(shí)驗(yàn)

采用與實(shí)驗(yàn)3.2相同的方法,測(cè)試未使用本控制系統(tǒng)的立管式濕法紡絲機(jī)生產(chǎn)的2-0規(guī)格的縫合線樣品10根,測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 未用本控制系統(tǒng)的紡絲機(jī)生產(chǎn)樣品的測(cè)量結(jié)果

通過(guò)對(duì)表2、表4中數(shù)據(jù)的比對(duì)分析,可以看出在應(yīng)用本控制系統(tǒng)后,“立管式濕法紡絲機(jī)”生產(chǎn)出來(lái)的2-0規(guī)格的縫合線,直徑和抗張強(qiáng)度的不均勻性分別由原來(lái)的23.44%、34.73%提高到了5%以?xún)?nèi)。

4 結(jié)論

本恒張力控制系統(tǒng)能將被控張力誤差控制在±0.1 N以?xún)?nèi)。所生產(chǎn)的縫合線的質(zhì)量指標(biāo)已達(dá)到和超過(guò)了美國(guó)藥典第32版所規(guī)定的指標(biāo)要求。系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好,可靠性高,可以按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定完成殼聚糖和膠原蛋白可吸收縫合線的精確張力閉環(huán)控制。

針對(duì)“立式向上管式濕法紡絲機(jī)[12]”研究的恒張力控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制方法相比,在殼聚糖和膠原蛋白可吸收縫合線生產(chǎn)和纏繞過(guò)程中能很好地對(duì)線徑和抗張強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,生產(chǎn)出均勻性好的縫合線,批量生產(chǎn)后將大大提高其生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率。此次研究的微細(xì)纏繞張力控制技術(shù)可在紡織工程、化學(xué)工程、材料加工等行業(yè)中推廣應(yīng)用。

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Study on Spinning Process and Constant Tension Control System of Absorbable Suture*

SUIXiuwu*,WANGShuo,LIYao,XULiwei

(Tianjin Key Laboratory of Advanced Mechatronics Equipment Technology,School of Mechanical Engineering,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387,China)

In the producing process of absorbable suture,in order to solve the problem of suture diameter and the tensile strength are uneven,constant tension control system of absorbable suture is designed. Detection device uses the three rollers tension sensor whose sensitive element is the resistance strain gauge;Control algorithm uses the PID algorithm;Execution device uses the variable frequency speed control three-phase motor. Experiments show that the constant tension control system can control the controlled tension error in less than ±0.1 N. The system has good real-time performance and high reliability. The suture made by the constant tension control system is completely in line with the standard of the United States Pharmacopoeia thirty-second edition of the collagen suture.

constant tension control system;three rollers tension sensor;PID;absorbable suture;frequency control

隋修武(1971-),男,吉林省公主嶺人,天津大學(xué)畢業(yè),博士學(xué)位,現(xiàn)任天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程系副教授,主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代測(cè)控技術(shù)與智能化儀器,allensui@163.com;王 碩(1991-),男,河北省唐山人,天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程系碩士研究生在讀,主要研究方向?yàn)閭鞲衅骷夹g(shù),billgesure@qq.com。

項(xiàng)目來(lái)源:天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)項(xiàng)目(15JCYBJC19700);天津市科技特派員項(xiàng)目(15JCTPJC56800)

2016-06-02 修改日期:2016-09-17

TP273.5

A

1004-1699(2017)01-0157-05

C:7210X

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.01.028