基于觸摸屏與可編程序控制器技術(shù)的穿刺針噴砂機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

衛(wèi)黃河，李松，程智超，于圣言，布俊豪，李新東

河南駝人醫(yī)療器械集團(tuán)有限公司智造工程中心 （河南新鄉(xiāng) 453400）

觸摸屏是一種智能化操作控制顯示裝置，主要功能包括數(shù)據(jù)的輸入與顯示、實(shí)時(shí)信息顯示、報(bào)警處理與打印，且通過設(shè)置觸摸控件可將其作為控制面板進(jìn)行控制操作[1]?？删幊绦蚩刂破鳎╬rogrammable logic controller，PLC）是用存儲(chǔ)邏輯代替以往的接線邏輯，具有編程簡(jiǎn)單、維護(hù)性能好、應(yīng)用靈活的特點(diǎn)，且其抗干擾能力強(qiáng)，能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境[2]。目前，PLC 技術(shù)及其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)持續(xù)改進(jìn)，功能日益強(qiáng)大，性價(jià)比越來越高。隨著遠(yuǎn)程I/O、通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理、智能工廠等工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的需要，觸摸屏與PLC 技術(shù)相結(jié)合的控制技術(shù)的應(yīng)用愈加深入。

目前，椎管內(nèi)神經(jīng)阻滯技術(shù)常被應(yīng)用于臨床麻醉及疼痛治療中，通過將麻醉藥物注入椎管的蛛網(wǎng)膜下腔或硬膜外腔，阻滯脊神經(jīng)根并使該神經(jīng)根支配的相應(yīng)區(qū)域產(chǎn)生麻醉作用[3]。隨著椎管內(nèi)神經(jīng)阻滯在臨床上的應(yīng)用愈加廣泛[4-7]，麻醉后拔管困難甚至導(dǎo)管斷裂的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生[8-10]。吳新民等[11]指出，導(dǎo)管折斷或打結(jié)的原因包括導(dǎo)管被穿刺針切斷、導(dǎo)管質(zhì)量較差和導(dǎo)管拔出困難。因此，臨床對(duì)穿刺針的品質(zhì)提出了更高的要求，而下刃口內(nèi)邊緣圓角效果是穿刺針的一項(xiàng)重要品質(zhì)因素。噴砂機(jī)是一種利用壓縮空氣將石英砂等介質(zhì)高速噴射至零件表面進(jìn)行處理的裝置?，F(xiàn)有的噴砂機(jī)需通過視窗或燈光指示觀察噴砂處理過程，并需人眼檢查砂罐中砂粒的剩余量，使其應(yīng)用存在一定的限制。本研究將觸摸屏與PLC 技術(shù)相結(jié)合用以改善和解決以上問題，并將基于觸摸屏與PLC 技術(shù)的噴砂機(jī)控制系統(tǒng)用于某型穿刺針下刃口內(nèi)邊緣的研磨，經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐證實(shí)該系統(tǒng)控制過程簡(jiǎn)單、方便，操作速度可控。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

基于觸摸屏與PLC 技術(shù)的噴砂機(jī)控制系統(tǒng)的人機(jī)交互接口采用觸摸屏技術(shù)，控制系統(tǒng)核心采用PLC 技術(shù)，兩者以RS485方式通過2根信號(hào)線實(shí)現(xiàn)雙向通信，可節(jié)省一個(gè)RS232接口，方便以后進(jìn)行功能擴(kuò)展；噴砂機(jī)采用某型加高單倉(cāng)噴砂主機(jī)，且為了保證噴砂的穩(wěn)定性，采用正泰TND3（TSD）-3交流穩(wěn)壓電源為其單獨(dú)供電；伺服電機(jī)控制系統(tǒng)由伺服電機(jī)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成，采用2個(gè)限位傳感器和1個(gè)原點(diǎn)信號(hào)保證其安全性和準(zhǔn)確度；吹氣系統(tǒng)采用電磁閥控制氣源噴出，吹掉多余砂粒；觸摸屏面板下方設(shè)置啟動(dòng)、暫停和急停3個(gè)實(shí)體按鈕，其余所有控制操作、反饋均在觸摸屏上實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)的工作原理為：將穿刺針針管夾具放至夾具端臺(tái)并夾緊，夾具被送入噴砂柜體并傳感到位；升降柜門自動(dòng)關(guān)閉，然后下壓氣缸下降壓住夾具（進(jìn)入伺服電機(jī)控制系統(tǒng)）；伺服電機(jī)帶動(dòng)噴嘴從夾具一端運(yùn)行至另一端，同時(shí)噴嘴噴出高壓砂粒研磨針尖內(nèi)緣銳角，吹氣系統(tǒng)通過吹氣電磁閥吹氣，當(dāng)運(yùn)行至設(shè)定位置后伺服電機(jī)再返回運(yùn)行至原點(diǎn)，同時(shí)噴砂吹氣停止、下壓氣缸縮回；柜門自動(dòng)打開并自動(dòng)送出成品，準(zhǔn)備下次操作；該過程伺服電機(jī)運(yùn)行速度可以直接在觸摸屏上設(shè)置，并可根據(jù)生產(chǎn)需要進(jìn)行調(diào)整，從而保證工作效率；噴砂工作進(jìn)度、噴砂剩余次數(shù)可在觸摸屏進(jìn)度條上實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)直觀顯示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的軟件部分主要包括觸摸屏控制組態(tài)和PLC 控制程序。觸摸屏采用臺(tái)達(dá)DOP-107CV，其控制組態(tài)在臺(tái)達(dá)軟件DOPSoft4.00.06環(huán)境下完成；PLC 采用臺(tái)達(dá)DVP28SV11T2，其控制程序在臺(tái)達(dá)軟件WPLSoft2.48環(huán)境下完成。PLC的輸入、輸出端子分配見表1，控制程序流程見圖2。

圖2 PLC 控制程序

表1 PLC 輸入輸出端子分配

觸摸屏組態(tài)及控制界面主要包含5個(gè)總切換畫面，分別為主頁(yè)、管理員界面、手動(dòng)調(diào)試畫面、設(shè)備運(yùn)行信息和報(bào)警信息畫面，通過這5個(gè)總切換畫面的按鈕可以進(jìn)入相應(yīng)子畫面進(jìn)行設(shè)置和控制。觸摸屏控制主頁(yè)具有顯示實(shí)時(shí)時(shí)間、實(shí)時(shí)噴砂工作進(jìn)度、實(shí)時(shí)噴嘴距原點(diǎn)距離及實(shí)時(shí)噴砂剩余次數(shù)（可以直觀顯示在噴砂用量進(jìn)度條上）等功能，另外通過畫面下方按鈕可以進(jìn)入其余4個(gè)總界面進(jìn)行相應(yīng)操作，見圖3。

圖3 觸摸屏控制主頁(yè)

操作人員通過觸摸屏動(dòng)態(tài)觀察噴砂工作進(jìn)度、噴嘴距原點(diǎn)距離的原理見圖4。（1）伺服電機(jī)在PLC 發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)控制下帶動(dòng)噴嘴往復(fù)運(yùn)行；（2）D230是PLC 內(nèi)部掉電保持型數(shù)據(jù)寄存器，保存有帶動(dòng)噴嘴往復(fù)運(yùn)行PLC 應(yīng)發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)；（3）D1336是PLC 內(nèi)部掉電保持型特殊數(shù)據(jù)寄存器，可動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)記錄PLC 已經(jīng)發(fā)出給伺服電機(jī)的脈沖數(shù)；（4）觸摸屏通過進(jìn)度條控件讀取D1336的數(shù)值，即可以在觸摸屏上精確實(shí)時(shí)顯示噴砂整體工作進(jìn)程、噴嘴工作位置。

圖5所示的管理員界面單獨(dú)為技術(shù)人員服務(wù)，該界面包含整個(gè)系統(tǒng)的全部重要參數(shù)設(shè)置和手動(dòng)控制按鈕，可方便技術(shù)人員進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)和參數(shù)調(diào)試。其中，電機(jī)相關(guān)設(shè)定可以設(shè)置電機(jī)工作噴砂的運(yùn)行速度、電機(jī)回原點(diǎn)時(shí)的第一速度和近點(diǎn)信號(hào)時(shí)的蠕動(dòng)速度等，該系統(tǒng)具備儲(chǔ)存記憶且掉電保存功能。

圖6所示為報(bào)警信息畫面。當(dāng)噴砂機(jī)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)彈出該畫面，可以顯示故障點(diǎn)的報(bào)警序號(hào)、時(shí)間和報(bào)警信息，報(bào)警信息欄里則包含報(bào)警位置和解決方法，方便操作人員快速查找故障位置和排除故障，提高工作效率。

通過圖3觸摸屏“當(dāng)前噴砂剩余次數(shù)”實(shí)時(shí)顯示砂罐砂粒剩余量的原理（見圖7）為：（1）D232是PLC內(nèi)部掉電保持型數(shù)據(jù)寄存器，用以保存砂罐噴砂額定次數(shù)（砂罐滿，通過點(diǎn)擊圖3觸摸屏控制主頁(yè)的“設(shè)定噴砂額定次數(shù)”按鈕實(shí)現(xiàn)）；（2）D238是PLC內(nèi)部掉電保持型數(shù)據(jù)寄存器，在第1次砂罐加滿砂粒時(shí)設(shè)置與D232數(shù)據(jù)相同（通過點(diǎn)擊圖6報(bào)警信息畫面的“玻璃砂”按鈕實(shí)現(xiàn)）；（3）每按動(dòng)1次啟動(dòng)按鈕，D238自動(dòng)減1；（4）觸摸屏通過進(jìn)度條控件讀取D238的數(shù)值（當(dāng)前噴砂剩余次數(shù)），即可在觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示砂罐中砂粒剩余量；（5）由于對(duì)某一確定型號(hào)穿刺針管的噴砂參數(shù)是確定的，所以D232數(shù)據(jù)第1次設(shè)定時(shí)可以采用人眼觀察砂罐的噴砂總次數(shù)，此后可固定使用該數(shù)據(jù)。

3 功能驗(yàn)證與測(cè)試

（1）調(diào)整好噴嘴的機(jī)械角度，檢查安裝和機(jī)械固定有無松動(dòng)，準(zhǔn)備好穿刺針管夾具等物料；（2）打開主壓縮空氣閥門通氣，調(diào)整壓力為0.45 MPa，調(diào)整氣缸和傳感器位于初始位置；（3）打開電源，按下觸摸屏下方的復(fù)位按鈕，伺服電機(jī)自動(dòng)于原點(diǎn)歸位，其余氣缸、電磁閥等元件進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作，控制系統(tǒng)處于待工作位；（4）將穿刺針管夾具放至夾具端臺(tái)并夾緊，按下啟動(dòng)按鈕進(jìn)行批量試產(chǎn)。

通過批量試產(chǎn)，將噴砂研磨處理后的產(chǎn)品放入高清電子顯微鏡下觀察，穿刺針刃口邊緣實(shí)現(xiàn)了圓角和鈍化效果。效果對(duì)比見圖8。

圖8 噴砂研磨處理前后產(chǎn)品對(duì)比

通過對(duì)在針管內(nèi)穿引/拔出導(dǎo)管對(duì)比，處理后針管與導(dǎo)管配合效果較處理前好，達(dá)到預(yù)期；另外，由于夾具一次可放置穿刺針管150根，系統(tǒng)往返1次即可達(dá)到鈍化效果，產(chǎn)能可達(dá)3萬支/8 h 以上。

4 小結(jié)

該控制系統(tǒng)能夠在觸摸屏與PLC 的控制下，通過伺服電機(jī)帶動(dòng)噴嘴運(yùn)行并吹氣，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)該型穿刺針下刃口內(nèi)邊緣進(jìn)行噴砂研磨處理并將產(chǎn)品送出的功能；同時(shí)，該系統(tǒng)能夠?qū)⒐ぷ鬟M(jìn)度、噴砂用量在觸摸屏上直觀實(shí)時(shí)顯示，不必再通過視窗進(jìn)行人眼觀察，節(jié)省人力的同時(shí)操作也更加方便，且可有效提高產(chǎn)能；此外，該系統(tǒng)界面友好且操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠，能夠有效改善穿刺針品質(zhì)和解決噴砂機(jī)的性能問題。