三維自動(dòng)進(jìn)樣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

何德，何毅斌，李晶

三維自動(dòng)進(jìn)樣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

何德，何毅斌*，李晶

（武漢工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

數(shù)字PCR設(shè)備三維自動(dòng)取樣系統(tǒng)是完成數(shù)字PCR檢測(cè)儀設(shè)備核心結(jié)構(gòu)。根據(jù)電子設(shè)備高精密度和緊促性要求，以絲桿步進(jìn)電機(jī)與滑動(dòng)導(dǎo)軌相結(jié)合的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方式能夠有效提高機(jī)器工作精度、降低運(yùn)動(dòng)噪音。取樣針采用雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使設(shè)備能夠有效實(shí)現(xiàn)無污染反復(fù)取樣，并能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)清洗。利用多剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)理論，通過ADAMS軟件完成三維運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，結(jié)果證明了系統(tǒng)運(yùn)行的精密性和可靠性，運(yùn)動(dòng)能滿足要求。

數(shù)字PCR檢測(cè)儀；自動(dòng)進(jìn)樣；取樣針；ADAMS

數(shù)字PCR檢測(cè)技術(shù)作為最新一代聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（Polymerase Chain Reaction，PCR）技術(shù)，對(duì)生物基因檢測(cè)不依賴標(biāo)準(zhǔn)曲線而能達(dá)到絕對(duì)定量、實(shí)驗(yàn)精度高，在基因檢測(cè)領(lǐng)域有巨大應(yīng)用前景。三維取樣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究是重要環(huán)節(jié)，本文設(shè)計(jì)以絲桿步進(jìn)電機(jī)與滑動(dòng)導(dǎo)軌相結(jié)合方式、結(jié)構(gòu)緊促、精密度高的三維取樣進(jìn)樣系統(tǒng)，采用雙層取樣針實(shí)現(xiàn)采樣的反復(fù)進(jìn)行。對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，得出取樣針各個(gè)方向位移、加速度的變化，驗(yàn)證滿足設(shè)計(jì)要求。

1 三維取樣平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 驅(qū)動(dòng)方式選擇

目前實(shí)現(xiàn)三維機(jī)構(gòu)傳動(dòng)目前主要有三種方式[1]：步進(jìn)電機(jī)與皮帶輪（同步輪）設(shè)計(jì)；絲桿步進(jìn)電機(jī)（伺服電機(jī)）與直線滑動(dòng)導(dǎo)軌；兩種方式混合使用。絲桿電機(jī)通過脈沖信號(hào)控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，能保證運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和高精度要求。同時(shí)由于電機(jī)運(yùn)動(dòng)路程較短，采用絲桿步進(jìn)電機(jī)作為系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力，直線導(dǎo)軌相比于皮帶輪傳動(dòng)平穩(wěn)性更高，更能滿足系統(tǒng)的高精度要求。因此，選用本設(shè)計(jì)選用絲桿步進(jìn)電機(jī)和直線滑動(dòng)導(dǎo)軌的驅(qū)動(dòng)方式，來控制三維系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)。

1.2 取樣針的設(shè)計(jì)

取樣針是取樣系統(tǒng)的核心部件，取樣針通過連接件固定在軸運(yùn)動(dòng)方向上，為保證取樣的反復(fù)進(jìn)行，設(shè)計(jì)為內(nèi)層和外層的雙層針（圖1），內(nèi)層用于取樣，外層主要用于取樣完成后通清洗液清洗取樣針內(nèi)層外壁、以防止試劑間的相互干擾。工作時(shí)，內(nèi)層連接負(fù)壓機(jī)構(gòu)進(jìn)行負(fù)壓取樣，取樣完成后，外層連接正壓機(jī)構(gòu)通清洗液對(duì)取樣針內(nèi)層外壁進(jìn)行清洗。取樣針內(nèi)外壁保持光潔，焊接處選用A022不鑄鋼焊絲，焊接完成后拋光處理。取樣針外層使用PTFE鍍層加工和金屬渡層加工，PTFE渡層加工可增強(qiáng)防水性、減少交叉污染。取樣針內(nèi)層內(nèi)外徑為0.6 mm和1 mm，外層內(nèi)外徑為1.4 mm與1.8 mm。材料選用316L不銹鋼，具有很好的防腐蝕性能。取樣針零件如圖1所示。

1.3 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)平臺(tái)采用組裝式原則，、、三個(gè)方向相互垂直，根據(jù)運(yùn)動(dòng)范圍確定軸機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，再確定軸，最后確定軸。通過有序設(shè)計(jì)和計(jì)算保證設(shè)計(jì)過程合理性與可靠性，所以從下至上三個(gè)方向上主動(dòng)件和從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)方式可設(shè)定為笛卡兒坐標(biāo)系中的、、三軸向。由于三軸的裝配關(guān)系直接影響整體運(yùn)行的精度，故各部件的接觸表面都要求保持相應(yīng)的精度。通過三維取樣平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，、、軸電機(jī)與滑動(dòng)導(dǎo)軌分別控制整個(gè)機(jī)構(gòu)的、、運(yùn)動(dòng)。絲桿連接末端通過彈性管套連接，降低系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的震動(dòng)強(qiáng)度。連接取樣針軸臂上有壓力傳感器，當(dāng)針頭壓力過大時(shí)可通過壓力傳感器反饋使整個(gè)機(jī)器停止工作。在每個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)方向上，通過槽式光電開關(guān)確定零點(diǎn)位置，通過限位柱限定系統(tǒng)的最大運(yùn)行路程，防止系統(tǒng)出現(xiàn)故障而產(chǎn)生更大的破壞，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)通過三維空間的任意位置。整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 取樣針零件圖

圖2 三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)圖

2 基于ADAMS的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

2.1 三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真模型的建立

做運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真之前需構(gòu)件物理模型，通過對(duì)部分零部件進(jìn)行一定抽象和簡化，將固定螺栓和不重要零件去掉，為構(gòu)建運(yùn)動(dòng)學(xué)模型提供實(shí)體模型。在Creo軟件中輸出.X_T文件導(dǎo)入ADAMS。多剛體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型中部件（part）的定義并不一定要與實(shí)際工程零部件一一對(duì)應(yīng)，通常只將與運(yùn)動(dòng)形態(tài)密切相關(guān)的零部件定義為部件，而與運(yùn)動(dòng)無關(guān)的零部件通過合并操作進(jìn)行組合形成一個(gè)構(gòu)件，從而減少整個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)件數(shù)，以降低運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的復(fù)雜程度[2]。

主要步驟為：①定義材料屬性，選擇材料為steel；②重命名部件；③將相對(duì)位置不變的零部件創(chuàng)建固定副，在電機(jī)軸與固定板上創(chuàng)建圓柱副、在滑動(dòng)導(dǎo)軌上創(chuàng)建移動(dòng)副；④在移動(dòng)副上添加驅(qū)動(dòng)，設(shè)置驅(qū)動(dòng)函數(shù)；⑤設(shè)置求解器。

三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)多剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)模型[3]中所有的零部件都是采用不會(huì)變形的剛體，通過運(yùn)動(dòng)副的相互約束將處于自由狀態(tài)的零部件連接構(gòu)具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系的機(jī)構(gòu)，并設(shè)置滑移副、旋轉(zhuǎn)副等運(yùn)動(dòng)副的主從運(yùn)動(dòng)關(guān)系，設(shè)置固定副固定元件，最后通過添加驅(qū)動(dòng)使得整個(gè)的機(jī)構(gòu)自由度為0。

2.2 多剛體運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真

由實(shí)際工作過程可知，三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)需要、、三個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)，需要三個(gè)運(yùn)動(dòng)控制 Motion來實(shí)現(xiàn)，通過測(cè)量取樣針到達(dá)取樣點(diǎn)三個(gè)方向的距離，確定、、三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)距離。、方向同時(shí)進(jìn)行，到達(dá)取樣點(diǎn)上方后再移動(dòng)軸。通過驅(qū)動(dòng)程序控制電機(jī)的運(yùn)行速度和時(shí)間，三維機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)參數(shù)如表1所示。

表1 三維機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)參數(shù)

將運(yùn)動(dòng)參數(shù)方程輸入Motion中，模擬一個(gè)完整取樣過程，選擇GSTIFF積分器進(jìn)行求解，通過后處理，選擇最后分析，選擇結(jié)果分析，選擇取樣針，分量選擇速度和加速度，得出取樣針的加速度和位移曲線如圖3所示?？芍?8 s的一個(gè)取樣流程內(nèi)，取樣針沿軸方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)60 mm、沿軸方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)50 mm、沿軸方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)25 mm，剛好完成一層完整的取樣，加速度分別為15 mm/s2、12.5 mm/s2、6.25 mm/s2。由唯一曲線可知在8～10 s時(shí)間段內(nèi)，、、方向位置沒有發(fā)生變化，取樣針在定點(diǎn)取樣，運(yùn)動(dòng)仿真過程滿足需求。

圖3 取樣針加速度與位移仿真圖

3 小結(jié)

雙層取樣針的設(shè)計(jì)能夠很好地滿足重復(fù)進(jìn)樣而又不會(huì)帶來污染，光電傳感器和限位柱的使用能夠保證運(yùn)動(dòng)精度的準(zhǔn)確性，通過以絲桿步進(jìn)電機(jī)和直線滑動(dòng)導(dǎo)軌為驅(qū)動(dòng)部件的三維取樣平臺(tái)滿足了取樣系統(tǒng)的高精度需求。最后通過ADAMS運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，反應(yīng)出了運(yùn)動(dòng)的真實(shí)工作情況，與實(shí)驗(yàn)預(yù)期結(jié)果相同，驗(yàn)證了三維自動(dòng)取樣系統(tǒng)的可靠性，滿足了設(shè)計(jì)要求。

[1]莫易敏，魏麗娜，姜宏霞，等. 微型汽車離合器操縱機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比的研究[J]. 機(jī)械研究與應(yīng)用，2009，3（2）：26-28.

[2]李堅(jiān). 單立柱有軌巷道式堆垛機(jī)結(jié)構(gòu)及多體系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真分析[D]. 重慶：重慶大學(xué)，2006.

[3]呂博. CT-SIM激光燈定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究[D]. 沈陽：沈陽建筑大學(xué)，2011.

Structural Design and Kinematics Analysis of 3D AutoSampling System

HE De，HE Yibin，LI Jing

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan430074 , China )

Digital PCR equipment, three-dimensional automatic sampling system is to complete the core structure of the PCR detector device, according to the high precision of electronic equipment and tightening requirements, to study the screw stepper motor and sliding guide combination of drive design, can effectively improve Machine work accuracy, reduce movement noise. Sampling needle with double-layer structure design, so that equipment can effectively achieve repeated pollution-free sampling, and can achieve automatic cleaning. The kinematic simulation of the three - dimensional motion system is completed by ADAMS software. The results show that the system is accurate and reliable, and the kinetic energy can meet the requirements.

digital PCR detector；autosampling；sampling needle；ADAMS

TP216

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.03.011

1006－0316 (2018) 03－0043－03

2017－06－12

何德（1992－），男，湖北咸寧人，工學(xué)碩士，主要研究方向?yàn)樯锓治鰞x器。

何毅斌（1966－），男，湖北武漢人，工學(xué)博士，教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)仿真及輕量化。