含有推力保护PLC控制的恒流量辅助注射装置研发.pdf

应用与试验 2 0 1 4 年 第3 期 第2 7 卷， 总 第1 3 1 期 机械研究与应用 含有推力保护 P L C控制的恒流量辅助注射装置研发 汪宝亮， 汪诤 兰州交通 大学 机 电工程 学院，甘肃 兰州7 3 0 0 7 0 摘要 在 医疗过程 中， 配药和注射 均需 医生或护士手工操 作 ， 严 重依 赖操作 者的技 术水平 和积极性 。针 对在 烧伤整 容等精准注射 ， 技术要求极高的情况， 开发 了以西门子 s 7 2 0 0系列 P L C为控制器， MC G S触摸屏作为人机界面， 2 8直 线步进电机作为执行器件 ， 以压力传感器等的一种含有推力保护的、 精度小于0 ． 0 1 m L ／ s 的恒流量精准注射装置。 关键 词 精 准注射 ； P L C； MC G S ； 推 力保护 中图分类号 T H 7 7 2 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 7 4 4 l 4 2 0 1 4 0 3 0 0 8 0 0 4 De s i g n a n d De v e l o p me n t o f P L C C o n s t a n t F l o w As s i s t e d I n j e c t i o n D e v i c e w i t h T h r u s t P r o t e c t i o n WANG Ba o l i a ng．W ANG Zh e n g S c h o o l o f Me c h a t r o n i c E n g i n e e r i n g ， L a r t z h o u J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， L a n z h o u G a n s u 7 3 0 D 7 0 ， C h i n a Ab s t r a c t I n t h e p r o c e s s o f m e d i c a l t r e a t m e n t ，d o c t o r s o r n u r s e s n e e d m a n u al o p e r a t e p h a r m a c e u t i c a l s a n d i n j e c t i o n ， w h i c h h e a v i l y d e p e n d e n t s o n t h e o p e r a t o r S t e c h n i c a l l e v e l a n d p o s i t i v i t y ．F o r p r e c i s i o n i n j e c t i n g s u c h a s b u r n p l a s t i c a n d o t h e r h i【g h t e c h n i c a l r e q u i r e me n t s ， a k i n d o f p r e c i s i o n i n j e c t i n g d e v i c e i s d e s i g n e d w h i c h c o n t a i n s a c o n s t a n t fl o w，f o r c e p r o t e c t i v e a n d p r e c i s i o n l e s s t h a n 0 ． 0 1 m L ／ s ．S u c h e q u i p m e n t i s r e a l i z e d w i t h S i e me n s 7 - 2 0 0 s e ri e s P L C P r o g r a m m a b l e L o g i c C o n t r o l l e r a s t h e c o n t r o l l e r ， t h e MC G S M o n i t o r a n d C o n t r o l G e n e r a t e d S y s t e mt o u c h s c r e e n a s h u m a n c o mp u t e r i n t e r f a c e ， 2 8 l i n e a r s t e p p i n g mo t o r a s e x e c u t i n g d e v i c e ． K e y w o r d s p r e c i s i o n i n j e c t i o n ；P L C； MC G S ； f o r c e p r o t e c t i o n O 引 言 在烧伤美容注射手术的过程中， 依靠医生手动注 射很难精确的控制注射的速度和力量， 从而影响美容 的质量。为解决这一 问题 ， 设计研发 了一种含推力保 护的恒流量美容注射辅助装置 ， 该装置含有一种对机 动助推装置无 菌隔离 和便 于连接注射器 的无 菌罩 。 因此 ， 满足医疗卫生所需 的无菌要求 ， 能够精确调节 和控制不 同部位所需的注射流量 ， 并做到推力保护。 1 自动注射器的组成和原理 该注射器为一个手持注射器 ， 可以安装各种型号 1 m L、 2 ． 5 m L、 5 m L 、 1 0 mL 、 2 0 m L 的医疗注射器 ， 结构图如图 1 所示。该装置分为不可拆卸部分 和可 拆卸部分。 1 不可拆卸部分由步进电机 、 丝杠 、 密封活塞 、 压力传感器 、 微动开关 限位开关 这几个元件构成。 机动助推装置采用步进电机 ， 电机正反转带动丝杠转 动， 通过连接在丝杠上的尼龙棒前后运行 ， 从而推动 注射针管进行注射； 压力传感器通过螺钉固定在电机 的背部 ， 用来测试实时推力大小 ； 机座的前身螺纹处 固定微动开关 ， 起限位的作用。这些元件将固定在一 个机座内， 可以独立消毒 。 2 可拆卸部分包括推缸和夹具 ， 推缸是一个空 心的两端带有螺纹不锈钢管 ， 用来连接机座和夹具 ； 夹具总共有五个 ， 可以分别装入不同类型的医用注射 器 ， 在注射时根据实际需要选取。由于该部分与针管 直接接触 ， 必须要严格满足临床上的无菌要求 。于是 可拆卸这一设计就显得非常重要 ， 推缸和夹具可以在 使用前进行消毒。 电机 丝杠 尾纶棒 密封活塞 注射器 图 1 手持注射器结构图 注射器 以步进电机为动力源 ， 经 P L C控制推进 操作系统作直线运动。工作时 ， 系统发出控制脉冲使 步进电机旋转 ， 步进电机带动丝杆将旋转运动转换为 直线运动 ， 推动注射器的针栓进行注射 ， 把注射器 中 的组织输入人体 内， 液体的推进速度可以通过触摸屏 自行设定 、 调节 ， 从而调整所 给的药物剂量。同时还 可通过触摸屏显示的实时数据来保 障在速率调节范 围内的输入 、 注射精度及可靠性。 2 硬件方案及器件选择 2 ． 1 硬件方案 系统选用西门子 S 7 2 2 4 X P ， 步进驱动器和直线 收稿 日期 2 0 1 4 - 0 5 0 6 作者简介 汪宝亮 1 9 8 8 一 ， 男 ， 甘肃定西人 ， 在读 硕士 ， 研究方 向 机电一体化。 8 0 机械 研究与应 用 2 0 1 4 年 第3 期 第2 7 卷， 总 第1 3 1 期 应用与试验 步进电机等， 系统方案图如图 2所示。 图 2 系统方案图 2 ． 2 步进电机选择及动力参数计算 自体脂肪移植的存活率在 国内只能达到 4 0 ％ ～ 5 0 ％， 而国外可以达到7 0 ％⋯， 脂肪的存活率除了受 脂肪颗粒等生物特性影响外 ， 还受到注射速度 ， 注射 压力等力学参数的影响， 为了研究力学性能对脂肪存 活率的影响 ， 经过理论分析 以及仿人工实验 该实验 由兰州军区陆军总医院完成 ， 得出注射推力最大为 2 0 N的参数。 直线步进 电机的推力为 F _2 r T i 1 柳 式 中 为转矩 ； t 为丝杠导程 ； 为传动 比； 卵为系统 效率 。 为了能够实现微位移和大推力 ， 以及体积和重量 因素， 选择了混合式 2相2 8直线步进电机， 丝杠导程 选择为 1 ． 2 7 m m， 最大推力可以达到 8 0 N， 最高速度 为 2 ． 2 8 5 7 m L ／ s ， 其参数如图 3所示 。 s i z e l 卜2 0 3 4 - 0 5 0 电机推力曲线 一 _ ■ 1 一一■ ～ 一 一 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 14 1 5 1 6 直线速度 m m ／ s 图3 步进电机机械性能参数 2 ． 3 驱动器及驱动参数计算 驱动选择带有分频 的步进电机驱动器 ， 选择 8分 频_ 2 j ， 由于步进 电机 的步距 角为 0 ． 9 ／ 1 ． 8 ， 因此其最 小直线位移为 s 81 0 - 4 ra m8 3 6 0 8 X 3 6 0 m “ 一 2 式中 O L 表示一个脉冲步进 电机可以转动 1 ． 8 。 ， t 表示 丝杠的导程。 根据上述数据显示 ， 电机的转动速度完全可满足 要求 ， 为了防止在低频时出现步进蠕动现象 ， 选择最 低频率为 1 0 0 H z ， 因此可计算 出最低运行速度为 ‰ _0 ． 0 8 m m／ s 3 最高选择 1 0 k H z ， 可计算出其最高运行速度为 8 m m ／ s 。可以根据标准针筒计算出不 同针筒的注射速 度范围， 如表 1所列 。 表 1 针筒参数 表 ． 2 ． 4 P L C和步进驱动器的电平转换 P L C输出的高电平为 2 4 V， 而驱动器的高电平 最高为 5 V， 驱动器 内部使用光耦对信号进行隔离 ， 因此需要加入 电平转换电路 ， 也就是选择降压电阻的 阻值 J 。因为 ， 端子的输入 电流大小是本质的 ， 压差 是用来产生这个电流的。且光耦 的工作 电压为 5 V， 工作电流为 5～1 0 m A， 而输入电压为直流 2 4 V， 所以 需要分压限流电阻 1 ． 9～ 3 ． 8 k Q。 尺 3 ． 8 1 ． 9 k Q 4 根据上述计算得知 ， 在方案 图中， P L C的输 出端 和驱动器之间串联 了一个 2 ． 4 k 1 2的电阻。 2 ． 5 压力传感器及参数 压力传感器装在步进电机的尾部 ， 利用反推力来 实现推力的在线测量 ， 这种方式测定推力有一定的误 差， 但是对于保护推力， 影响很小， 经过测定， 该参数 误差为 5 N 。传感器采用全桥式应变片， 经过信号调 理 电路后， 送入 P L C的模拟量输入端子 。 3 控 制及软件 3 ． 1 P T O方式下 P L C 脉冲输出采用 P T O脉冲输出方式， 脉冲串输出 P u l s e T r a i n O u t p u t 内置于西 门子 s 7 2 0 0可编程控 制器或 s 7 1 2 0 0可编程控制器中， 用于速度和位置控 制 。使用 P T O输 出时 ， P T O提供一个指定脉冲数 目 的方波输出 5 0 ％ 占空 比 每一脉冲的频率或周期随 着加速和减速时的频率线形变化 ， 而在移动的常频率 段部分保持不变。 为满足实际要求 ， 位置向导设置过程中设定电机 加速时间为 l O 0 0 m s ， 电机减速时间为 2 0 m s 。由于实 际操作中需要手动输入具体速度值， 所以调用 P T O x MA N子函数 ， 将 P T O输出置于手动模式 _ 4 J 。 在接线 中采用 Q O ． 0接 步进 驱动 器 的脉 冲输 入信 号 ， Q O ． 1接步进驱动器的方 向控制信号 ， Q 0 ， 81 应用与试验 2 0 1 4 年 第3 期 第2 7 卷， 总 第1 3 1 期 机械研究与应 用 2脱机信号 。当按下前进开关后 ， P T O输 出变 为高 电平 ， 按 照 当前 设 定 好 的 速度 Q O ． 0开始 发 送 脉 冲 ， 步进 电机正转 ； 按下后 退开关计 时超 过 2 S 时 ， 电机 自动 复位 。需 停 止 系统 的时 候 ， 松 开前 进 或 后退按钮 ， P T O输 出变为低 电平 ， 且直 到装载 一个 新的指定 值 时才 产生 脉 冲。系统 停止 工 作 时 ， 电 机驱动接收 到脱 机信 号低 电平开 始工 作 ， 以免 在 未断电时 电机发热过高 。 3 ． 2 模式 l 2下的高速计数器实现单相计数 计数器共有 四种基本类型 带有 内部方向控制的 单相计数器 ， 带有外部方 向控制的单相计数器 ， 带 有 两个 时钟 输入 的双 相计 数 器 和 A ／ B相 正 交计 数 器 。在实际操 作过程 中， 我们选 用 了带有 内部方 向控制的单 相计数器 ， 使用 高速计数器模式 1 2 。使 用向导 配置 s 7 2 0 0内部 P T O ／ P WM 操作 时 ， 勾选 “ 使用高速计数器 H S C x 模式 1 2 自动计数线性 V I O 生成的脉冲” 即可。 使用 高速计数 器模 式 l 2时不需要任何外部 连 线 ， Q o ． 0 Q o ． 1 与 1 0 ． 0 1 0 ． 1 通过集成电路 内部关 联 ， 越过了外部信号处理电路， 因此 H S C O HS C 1 可 以计 I O O K H z 或者更高频率的脉冲。在复位时使用 外部复位 ， 当复位 时将 当前值复 位到 0而不是初 始 值 。单相计数部分程序图如图4所示 。 前进计数输 出 后退计数输出 I t1 卜 _ VD 前进计数过程 及针 筒容量显示 后退计数过程及针 筒容量显示 3 ；3 oj ou f，。 。 奇 o zo 4t ,N OU TV D IO O V D I。O。O21 I。N I O U T t v o ，z 图4 单相计数梯形图控制程序 4 人机界 面 人机界面采用人性化设计 ， 在触摸屏上设置了保 护推力、 针筒选择、 剩余容量和推动速度等参数， 并具 有历史参数和打印功能 ， 界面如图 5所示 。 8 2 5 测试 在该设备中， 误差源有两个 ①注射输出量的稳 定性以及准确性； ②显示屏显示的数据与实际运行的 数据之间的误差。 图 5 运行界面 注射输 出量的稳定性取决 于丝杠转动推动尼龙 棒前进的运动精度 ， 而影响运动精度的因素主要有两 个方面 一方面是动力源。在机械传动中， 电机转轴 的角速度不是常量 ， 随负载变化而变化 ， 与之相连 的 各种传动件 的运动精度也会随之改变； 另一方面是丝 杠的行为误差对注射器注射精度 的影响 J 。 显示屏实时显示数据和理论数据存在一定的误 差， 同时压力传感器的安装精度也影响控制的精度， 安装精度决定了实测值的精度。实测值是在几种不 同脉冲数值下运行情况下 ， 测得 的实际值经过处理得 出的平均值 ， 如表 2所列。理论的容量显示与实际运 行过程中所对应的容量误差分析， 如表 3所列。 表 2实测 数据 针筒容量 理论显示容量 实际显示容量 根据表中数据 ， 利用公式 5 计算 出注射流量的 显示误差 △Q 1 0 0 ％ 5 式 中 △Q为辅助注射装置显示的容量值在第 i 个检 测点的相对误差 ； g 为设备第 i 个检测点 的理论显示 容量 ； 单位为 mL ； Q 为第 i 个检测点处五次的流量读