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基于P L C 上药机械手的设计与研究 The desi gn and s t udy of m edi c aI m ani pul at e bas ed on PLC 黄晓冉 ，董小雷 HUANG Xi a o ． r a n ．DONG Xi a o ． 1 e i 河北联合大学 机械工程学院，唐山 0 6 3 0 0 9 摘要 根据现在我国自动化药房补药面临的问题，设计了一种自动上药机械手，主要介绍上药机械手 的机构组成、工作原理和作业过程。根据机械手的工作流程设计了其基于P L C 的控制系统，并 对控制系统的硬件和软件系统的组成与功能做详细阐述。 关键词 机械手；控制系统 ； P L C 中图分类号T P 2 4 文献标识码A 文章编号 1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 5 0 5 下 一 0 1 0 7 0 2 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． I s s n ． 1 0 0 9 -0 1 3 4 ． 2 0 1 5 ． 0 5 下 ． 3 1 0 引言 随着我国经济的增长，医药技术水平也有了很大程 度 的提 “ ，形形色色 的药品种类和成千上万的药品数 量进入 了人们 的生活 中。为了满足人们 日益增长的医疗 需求，缓解医患紧张关系，提高医疗服务水平，自动化 药房在大型医院被较为广泛 的应用 。如何实现 自动化药 房的快速、准确、及时的补药，成为影响 自动化药房设 备性能的重要因素。 传统 的补药方式是 人工按照上位机提示 ，手动 对缺药的储药柜完成药品的补充 。大型的自动化药房设 备，对数以千计的药品进行集中化、信息化管理，采用 人工上药的方式，会很大程度 的增加 医务工作人员的劳 动强度，同时上药的准确性也得不到保障。市场上现有 的 自动上药机械手存在 单次上药数量少 、机械 结构 复 杂 、不方便维护 的问题 ，为了解决上述的问题，设计了 一 种 自动上药机械手，此上药机械手采用 了新的机械结 构和控制系统 ，为其更有效地解决 自动化药房设备的补 药 问题提供 了方案 。 1 上药机械手的机构组成及其工作原理 自动 上药机械手主 要 由水平直线导轨 、竖直直线 导轨 、整体移动支架 、电磁推杆 、发药道、回转扣、支 架 、弹簧、挂钩、轴承、主动齿轮、从动半齿轮等部分 组成 。上药机械手的整体结构如图1 所示，局部放大图 如 图2 所示。 上药机械手 在水平和竖直 方 向均采用 圆柱直 线导 轨 ，圆柱直线导轨具有 磨损小、承载能力强 、定位精 度高【 等特点，能够保证上药机械手在伺服电机的驱动 下 ，快速准确的到达预定 的位置 ，为 自动上药的行程精 度提供保障。整体移动架沿着竖直导轨做上下运动 ，双 竖直导轨沿着水平导轨左右运动。 为 了提 高单 次上药的数量 ，采用双发 药道进 行上 药。发药道通过旋转扣与发药道支架链接，能够以旋转 扣为中心发生前后的旋转。发药道底部安装有挂钩 ，通 过弹簧与从动半齿轮挂钩链接，装药时，在弹簧拉力的 作用下，发药道向 后旋转，处于后仰状态，盒装药品 沿 着滑道斜面下滑，最终 由发药道挡板挡住，实现药品在 发药道中的定位 。 主动齿轮 、从动半齿轮通过轴承与整体移动架链接 成为一个整体。主动齿轮在伺服的驱动下带动从动半齿 轮左右转动。从动半齿轮的上部平面焊接有发药道支撑 架 ，端面焊接有挂钩。 1 ． 水平导轨2 ． 主动齿轮 ；3 ．电磁推杆 4 ． 发药道挡板； 5 发 药道；6 ． 竖直导轨；7 ．从动半齿轮 ；8整体移动架 图1 上药机 械手的整体结构 为了使得机械手 的结构简单，控制起来方便可靠， 在移动挡板的中间安装一个 电磁推杆，用来实现发药道 的发药。当机械手到达指定的位置时，伺服 电机驱动主 动齿轮转动，从而带动从动半齿轮、发药道支撑架、发 药道这一整体 向内侧面倾斜，盒装药品会在重力作用下 收稿日嗣2 0 1 4 -1 2 -2 2 作者简介黄晓冉 1 9 8 9 一 ，男，河北张家 口 人，硕士研究生，研究方向为机电一体化。 第3 7 卷第5 期2 0 1 5 0 5 下 [ 1 0 7 ] 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 1 电磁推杆；2 从动半齿轮挂钩 ；3弹簧4竖直导轨 i 5发药槽挂钩6 ．发药道 7圄转扣 8发药遭支架 ；9 ．从动半齿轮 ；1 0轴承1 1 整体移动架 l 2 ． 主动齿轮 图2 上药机械手局部放大 图 滑 向发药道 的内侧面。电磁推杆得 电，推动发药道 向前 旋转，当处于发药道处于前倾状态时，药品在重力作用 下贴着发药道 内侧面和底面 ，滑 向自动化储药柜 。当一 个发药道上药完毕时，另一个发药道以相同的动作 ，继 续发药 。 2 上药机械手控制系统组成 上药机械手的控制系统由硬件控制系统和软件控制 系统组成。 2 ． 1控制系统的总体结构设计 硬件控制 系统 由上位机 硬件控 制系统和下位机硬 件控制系统组成，总体结构如 图3 所示 。上位机硬件系 统主要 由触摸屏组成 ，其作用是实现对上药机械手工作 情况起到实时监控，将机械手的运转状况显示在触摸屏 上，并对 自动化药房的储药情况 包括药 品的种类、数 量、药性、位置等信息 进行记录和显示。友好的人机 界面方便 了人工对上药机械手的操作和对 自 动化药房储 药情况的了解。下位机硬件系统主要 由P L C、伺服 电机 驱动器、伺服电机、继电器等组成 ，其相互配合实现上 药机械手的定位、发药、复位等一系列动作，保证上药 机械手的上药效率。 图3总体结构 图 [ 1 O 8 1 第3 7 卷第5 期2 0 1 5 0 5 下 结合 图3 2 药机械手 的工作过程如下通过触摸屏 查询储药柜所缺药 品的信息 ，人工将盒装药 品平放在 发药道 中，启 动上药按钮，P L C 发 出指令 ，伺服 电机 M1 和M2 驱动上药机械手分别在水平和竖直方向快速移 动，精确到达所需上药的位置点，伺服 电机M3 驱动主 动齿轮带动从动半齿轮 向内侧面转动，当一侧发药道倾 斜到达指定角度 时，电磁推杆得 电，推动发药道前仰， 药品滑落至储药柜，待发药完毕后，电磁推杆失电，伺 服 电机M3 驱动另一侧发药道 向内侧面转动 ，以相 同的 动作完成上药，机械手复位 。 为满 足机械手 的动作 要求 ，选 用欧姆龙CP1 H型 P L C，采用主单元和扩展单元相互配合的方式完成对上 药机械手的控制。P L C 主单元 向伺服 电机驱动器发送脉 冲 ，从而驱动伺服 电机 ，带动上药机械手完成上药作 业 。伺服 电机驱动器设置为位置控制模式，P L C发送不 同频率的脉冲控制伺服 电机运动的速率 ，脉冲的数量决 定伺服 电机转动的角度 ，S I G N端口发出的方 向信号控 制伺服 电机的正反转。主单元输出点功能分配表如表l 所示。 表1 P L C 主单元输出功能分配表 地址分配 控制说明 功能说明 Q0 ． o 伺服驱动器1 输出脉冲 控制伺服电机M1 速率和行程 Q0 ． 1 伺服驱动器1 方向信号 控制伺服电机M1 转动方向 Q0 ． 2 伺服驱动器2 输出脉冲 控制伺服电机M2 速率和行程 Q0 ． 3 伺服驱动器2 方向信号 控制伺服电机M2 转动方向 QO ． 4 伺服驱动器3 输出脉冲 控制伺服电机M3 速率和行程 Q0 ． 5 伺服驱动器3 方向信号 控制伺 服电机M3 转动方向 P L C 扩展单元控制继 电器K M1 的通断，来实现电磁 推杆的得电和失电，从而控制发药道的前仰和后仰，扩 展单元输 出功能分配表如表2 所示 。 表2 P L C扩展单元输 出功能分配表 地址分配 控制说 明 功能说明 I QQ 。1．．0 继 电 器 K M 1得 电 电 磁 推 杆 上 推 继 电 器 K M 2 失 电 电 磁 推 杆 收 缩 2 ． 2 软件控制系统 上药机械手的软件控制系统采用模块化设计，由主 程序模块和功能子程序模块组成” ，执行流程图如图4 所示。 主程序模块实现对上药机械手控制系统的初始化和 对机械手各硬件组态部分的开机测试 ，并对机械手整个 作业过程进行实时监控。功能子程序模块采用顺序控制 模式控制上药机械手机电系统 。软件的模块化设计具有 维护方便、运行稳 定可靠和结构简单[ 4 等优 点，从而实 现机械手高效的运行。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图4 软件流程图 3 结束语 设计的基于P L C 的上药机械手 ，是机 电一体化技术 在 自 动化药房领域的实际应用。简单可靠的机械结构与 稳定可行的控制系统相结合，使得上药机械手一定程度 上解决了自动化储药设备的补药问题。上药机械手能够 提高 自动化药房设备的 自动化水平，具有一定的实际应 用价值 。 参考文献 【 1 】 龚从扬，臧铁钢， 袁金虎． 药房快速自动发药机单元的研发【 J 】 ． 中 国制造业信息化， 2 0 1 2 ， 0 5 6 4 ． 6 6 7 0 ． 【 2 】 张沈生． 直线导轨的原理及其应用【 J 】 ． 洪都科技， 2 0 0 4 ，0 2 4 4 ． 4 9 ． 【 3 】 王洪艳． 基于S 7 --2 0 0 P L C 的伺服电机高脉冲位置控制的一种应 用[ J ] ． 装备制造技术， 2 0 1 4 ，0 3 8 8 ． 9 0 ． [ 4 】 夏明忠， 夏以轩， 李兵元． 软件模块化设计和模块化管理【 J 】 ． 中国 信息界， 2 0 1 2 。 1 1 5 6 5 9 ． ■ ●鼻● ‘ ●蠢● ●‘ ● ‘ ● ●■● ●● ●■‘ ●童● ●● ●矗‘ ●矗● 矗● 矗 ● 矗●●蠡● 叠● ●矗I ●蠡● 4 0, a - 【 上接第8 5 页】 a 】 IO- B P 适 盔度曲线 b 改进P S B P 适应度曲线 图3 适 应度曲线 裹1 不同算法的训练结果 综合 图表 中的数据 ，改进P S O． B P 算法在 迭代 次 数 、平均误差、诊断准确率等方面表现更优异，在变压 器故障诊断中有重要应用价值 。 5 结束语 P S O ． B P 神经网络通过对惯性权重 、学习因子、学 习速率等参数的优化 ，避免 了传统的P S O 和B P 算法的不 足之处，结合两种算法 的优点，更快更准确的找到最优 值 ，实现可靠的分类功能 ，用于变压器的故障诊断，相 比单一 的B P 神经网络算法在性能和准确率上都有了很 大提高，但是运用智能算法进行实际的故障划分对一些 处于临界值具有模糊性情况下的数据并不能起到很好的 划分作用 ，但是能起到故障预警 的作用 ，故此方法在实 际工程中仍有很大的研究意义和应用价值。 参考文献 【 1 】操敦奎． 变压器 油中气体分析诊断与故障检查[ M】 ． 北京 中国电 力 出版社。 2 0 0 5 ． 【 2 】 回敬 ， 律 方成． 将 具有可 信度 的BP 神 经网络 应用于 变压器 故障 诊断【 J 】 ． 电力科学与工程， 2 0 1 0 ， 2 6 2 9 - 1 3 ． 【 3 1梁昔明， 董淑华， 等． 动态惯性权重和维变异的粒子群优化算法 【 J 】 _ 计算机工程与应用， 2 0 1 1 , 4 7 5 2 9 3 1 ． 【 4 】 史峰， 王小川， 郁磊， 等． MA T L A B 神经网络3 O 个案例分析【 M】 ． 北 京 北京航空航天大学 出版社2 0 1 0 ． 【 5 】 项文强， 张华， 等． 基 于L． M算法 的BP 网络在变压 器故障 诊断 中 的应用【 J 1 ． 电力 系统保 护与控 制，2 0 1 1 ， 3 9 8 1 0 0 1 0 3 【 6 】 Du w e n x i a ， J u x i y u a n ， L u f e n g ． T r a n s f o r me r f a u l t d i a g n o s i s b a s e d O i l f u z z y c l u s t eri n g a l g o r i t h r a i J ] ．T r a n s f o r me r ， 2 0 0 9 ， 4 6 ， 8 6 5 - 6 9 ． i n Ch i n e s e ． 【 7 】 张丽平， 俞欢军 ， 陈德钊， 胡上序 ． 粒子群优 化算法 的分析与 改进 [ J 】 ．信 息与控制， 2 0 0 4 ， 0 5 5 1 3 ． 5 1 7 ． 第3 7 卷第5 期2 0 1 5 0 5 下 [ 1 0 9 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m