基于伺服控制的平皿自動分裝系統(tǒng)研究

（上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

0 引言

平皿是制藥、食品、疾控、醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域微生物檢測必備的器材。在現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室中，各類無菌培養(yǎng)基的分裝是必不可少的，因此平皿自動分裝系統(tǒng)被廣泛地應(yīng)用于菌落樣本的生產(chǎn)制備過程中。平皿自動分裝系統(tǒng)可高效地完成平皿的分裝，與手動分裝方式相比，該系統(tǒng)的使用降低了操作者的勞動強(qiáng)度，并提高了分裝效率和精度[1,2]。

傳統(tǒng)平皿自動分裝系統(tǒng)利用平皿上蓋與下盤直徑差的構(gòu)造，設(shè)計(jì)了內(nèi)直徑大于下盤而小于上蓋的開蓋裝置，當(dāng)平皿沿該裝置中心線水平下落時(shí)，實(shí)現(xiàn)上蓋與下盤分離，該開蓋方式只適合一種規(guī)格的平皿。本系統(tǒng)采用了吸盤式開蓋結(jié)構(gòu)和單孔雙路堆棧機(jī)構(gòu)，適用于市面上大部分平皿，適用性更廣泛。同時(shí)采用全閉環(huán)PLC伺服控制、電氣結(jié)合的動力輸出方式和傳感器反饋程序設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)工作效率和精度以及自動處理緊急情況的能力，使系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠。

1 整體機(jī)構(gòu)及工作流程

平皿自動分裝系統(tǒng)分為吸盤式開蓋機(jī)構(gòu)和單孔雙路堆棧機(jī)構(gòu)兩部分。吸盤式開蓋機(jī)構(gòu)是以真空吸盤的內(nèi)外壓強(qiáng)差特性為理論依據(jù)將平皿上蓋吸附并打開；單孔雙路堆棧機(jī)構(gòu)用于大量平皿的有序羅列，其主要核心是控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動精確角度，實(shí)現(xiàn)單平皿的分離和重堆棧。如圖1所示為其整體機(jī)構(gòu)原理圖。

圖1 整體機(jī)構(gòu)原理圖

平皿自動分裝系統(tǒng)的工作流程為：1）復(fù)位，PLC控制器接收來自各傳感器的反饋信息，依據(jù)信息輸出控制信號，使各機(jī)構(gòu)復(fù)位；2）單平皿分離，升降平臺上升至平皿支撐盤同平面位置，盛放平皿堆棧的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)（俯視圖觀看）30°，升降平臺下降一個(gè)平皿的厚度，然后旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)30°，至此單個(gè)平皿被分離出來；3）平皿開蓋，升降平臺下降至初始位置，舵機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，使真空吸盤處于被分離的平皿正上方，升降平臺上升適當(dāng)高度，使平皿上蓋緊貼真空吸盤，使真空吸盤吸附上蓋，升降平臺下降至初始位置，至此平皿開蓋完成；4）培養(yǎng)基注入，啟動蠕動泵向下盤內(nèi)注入培養(yǎng)基；5）平皿關(guān)蓋，升降平臺上升至適當(dāng)高度，操作電磁閥，使真空吸盤內(nèi)充入氣體使平皿下落；6）平皿重堆棧，舵機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°復(fù)位，升降平臺上升至適當(dāng)高度，旋轉(zhuǎn)升降平臺順時(shí)針旋轉(zhuǎn)30°，升降平臺再次上升一個(gè)平皿的厚度，旋轉(zhuǎn)升降平臺復(fù)位。重復(fù)進(jìn)行上述動作，可完成7個(gè)平皿堆棧的分裝，整個(gè)過程PLC接收各傳感器檢測的位置和角度信息。

2 開蓋電氣回路設(shè)計(jì)

2.1 真空吸盤特性分析

如圖2所示為平皿開蓋系統(tǒng)中真空吸盤部分的力學(xué)模型示意圖，真空吸盤吸持通常有水平吸持和垂直吸持兩種方式，本文采用的是水平吸持的方式，并會基于該方式對真空吸盤的受力進(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)分析[3～6]。

圖2 真空吸盤受力示意圖

圖中各參數(shù)如下：

Fs為氣缸可以產(chǎn)生的吸力；

Fd為作用在吸盤上表面的壓強(qiáng)；

Ad為有效吸附面積；

Fh為水平負(fù)載；

Fr為吸盤與被吸持物之間的摩擦力；

Fv為垂直負(fù)載。

1）靜態(tài)負(fù)載受力分析

當(dāng)吸盤吸持被吸持物體且處于靜止時(shí)，x方向（水平方向）的摩擦力和其他力均為0，只需對y方向（豎直方向）進(jìn)行受力分析，由平衡條件可知，吸力與垂直負(fù)載之間的關(guān)系為：

2）動態(tài)負(fù)載受力分析

本文設(shè)計(jì)的吸持裝置在吸附起平皿上蓋時(shí)，連接真空吸盤的連桿會有45°的旋轉(zhuǎn)移動動作，此時(shí)靜態(tài)受力分析將不再適用，需要進(jìn)行動態(tài)分析：

設(shè)旋轉(zhuǎn)角速度為ω，旋轉(zhuǎn)半徑r，吸附時(shí)間t，則：

角加速度：a=ω×t。

離心力：FZ=mω2r。

切向力：Ft=mar。

因此，水平負(fù)載為：

當(dāng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)勻速運(yùn)動時(shí)，受力處于平衡狀態(tài)：

又因?yàn)槟Σ亮Φ扔谡驂毫Τ艘曰瑒幽Σ料禂?shù)μ，在該系統(tǒng)中即為吸盤上表面受到的壓力乘以摩擦系數(shù)，則，代入式(2)得x方向平衡關(guān)系如下：

y方向平衡關(guān)系如下，即吸力與垂直負(fù)載之間的關(guān)系為：

為保證吸持的安全，在計(jì)算過程中還應(yīng)考慮安全系數(shù)α，在水平吸吊時(shí)α≥4，則吸盤直徑應(yīng)為：

式中：D吸盤直徑，m被吸持物質(zhì)量，n吸盤個(gè)數(shù)。

通常，吸盤內(nèi)的真空度不能達(dá)到氣泵最大真空度的100%，只有63%～95%，且到達(dá)真空度不能瞬時(shí)到達(dá)，有一段延遲時(shí)間，如圖3所示。

圖3 真空度與到達(dá)時(shí)間函數(shù)曲線

為提高吸吊能力，同時(shí)降低真空度的到達(dá)時(shí)間，本文選擇真空度為70%。則為滿足要求吸盤直徑由于吸附時(shí)有效吸附面積要小于選用的吸盤面積，因此本文選取的吸盤面積為6mm。則理論上可產(chǎn)生的吸力為實(shí)際吸力大約為0.15kg～0.2kg之間，而單個(gè)平皿上蓋（玻璃材質(zhì)）的質(zhì)量只有該數(shù)值的20%，因此能夠保證安全的吸附。

2.2 開蓋電氣回路組成

如圖4所示為開蓋電氣回路系統(tǒng)圖，該電氣回路由兩部分組成，一部分是由真空吸盤、氣壓傳感器、電磁閥和隔膜泵組成的氣動開蓋裝置，另一部分是由舵機(jī)和連桿組成的旋轉(zhuǎn)部分。工作時(shí)，先由真空吸盤將平皿的上蓋與下盤分離，為防止吸附在吸盤上的上蓋脫落，在真空隔膜泵抽氣時(shí)，將五通二位電磁閥的電磁鐵接通右位，使氣動軟管封閉，以保證吸盤內(nèi)外存在較大壓差。氣壓傳感器負(fù)責(zé)檢測真空吸盤內(nèi)的氣壓值，并把數(shù)據(jù)傳送給PLC控制器，如果氣壓增大至閾值，啟動隔膜泵和控制電磁閥，使真空吸盤內(nèi)部氣壓保持在合理區(qū)間。驅(qū)動器負(fù)責(zé)驅(qū)動真空隔膜泵和舵機(jī)運(yùn)行，舵機(jī)則負(fù)責(zé)驅(qū)動連接吸盤的連桿旋轉(zhuǎn)固定的角度[7]。

圖4 開蓋電氣回路系統(tǒng)圖

3 單孔雙路堆棧機(jī)構(gòu)

如圖5所示為堆棧機(jī)構(gòu)系統(tǒng)示意圖，其中單孔雙路堆棧機(jī)構(gòu)包括兩部分，一部分是由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、編碼器、支撐盤、伺服電機(jī)及其動力傳輸機(jī)構(gòu)組成的旋轉(zhuǎn)部分；另一部分是由推桿電機(jī)、升降平臺和電磁接近傳感器組成的升降部分。工作時(shí)，編碼器檢測旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動的角度并反饋給PLC控制器，伺服電機(jī)經(jīng)動力傳輸部分驅(qū)動旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動其內(nèi)部的平皿在支撐盤上滑動；電磁接近傳感器檢測升降平臺的位置，推桿電機(jī)驅(qū)動升降平臺及其上方的平皿上下移動。

圖5 堆棧機(jī)構(gòu)系統(tǒng)示意圖

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

如圖6所示為以PLC為控制核心的控制系統(tǒng)框圖，其控制系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103ZET6作為可編程控制器，杭州MOVING公司生產(chǎn)的YZ-ACSD系列的伺服驅(qū)動，廣東ALIENTEK公司的ATK-7'電容觸摸屏，歐姆龍E6B2-CWZ6C1000P/R編碼器，北京星儀傳感器公司的CYYZ11-HK氣壓傳感器，以及亞德客CS1-M-020系列磁性感應(yīng)開關(guān)。觸摸屏可以用來進(jìn)行控制操作和實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的一些狀態(tài)信息（如運(yùn)行步驟、平皿數(shù)量、故障警告、真空吸盤壓力、旋轉(zhuǎn)角度等），對系統(tǒng)穩(wěn)定性實(shí)時(shí)監(jiān)控，方便工作人員操作和管理。上位機(jī)軟件與下位機(jī)通過RS232串口進(jìn)行通信，并采用

圖6 平皿分裝控制系統(tǒng)框圖

【】【】CRC進(jìn)行通信校驗(yàn)，防止數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤。上位機(jī)接收PLC傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并保存和生成文件，供工作人員查看和統(tǒng)計(jì)；同時(shí)PLC可接收上位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行相應(yīng)控制[8～10]。

圖7為PLC可編程控制器、伺服驅(qū)動器和伺服電機(jī)電路連接圖，其中PB0為高速脈沖發(fā)生引腳，向伺服驅(qū)動器的PU-端口輸出脈沖信號，通過改變脈沖頻率和數(shù)量控制電機(jī)轉(zhuǎn)動速度和總角度；PB1引腳與DIR-相連，通過改變PB1的高低電平控制電機(jī)轉(zhuǎn)動方向；PB2引腳與EN-相連，通過改變PB2的高低電平控制電機(jī)轉(zhuǎn)動和停止；PC8和PC9引腳分別接收來自PF1和PF2引腳的編碼器脈沖反饋信號，并進(jìn)行計(jì)數(shù)對比，防止伺服電機(jī)發(fā)生失步現(xiàn)象。

圖7 PLC與伺服驅(qū)動接線圖

5 結(jié)束語

本文針對不同直徑規(guī)格的平皿在使用過程中開蓋注液和堆棧分裝的問題，設(shè)計(jì)了基于伺服控制的平皿自動分裝系統(tǒng)。分析了開蓋電氣回路的工作特性，計(jì)算出器件選型參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了不同直徑規(guī)格的平皿準(zhǔn)確開蓋的問題。利用PLC和伺服電機(jī)聯(lián)合控制實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)快速精確的角度轉(zhuǎn)動，采用軟硬件結(jié)合實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的可靠性和操作的簡單性，結(jié)果表明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，效果良好。

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