基于PLC的小型CT自动扫描实验装置的设计.pdf

2 0 1 1 年 7月 第 3 9卷 第 1 4期 机床与液压 MACHI NE TOOL＆ HYDRAUU C S J u 1 ． 2 0 1 1 Vo 1 ． 3 9 No ．1 4 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 1 4 ． 0 1 3 基于 P L C的小型 C T自动扫描实验装置的设计 苏咏梅 ，王振 宇 ，张振峰 1 ．郑州职业技术学院，河南郑州4 5 0 1 2 1 ； 2 ．华中科技大学机械学院，湖北武汉 4 3 0 0 7 0 摘要研制一台基于 P L C控制的小型 C T自动扫描装置。该装置的控制核心为可编程控制器 P L C，结合伺服电机构成 四轴数控系统，并以计算机为上位机 ，协调控制成像系统与机械系统的联动，实现了C T扫描成像操作的自动化。依据 x 射线成像原理，结合放射源和探测设备研制透视成像系统。该装置机械部分主要由主轴运动部分、纵向进给滑台部分和载 物台位置调整部分组成。将该系统应用于医学实验的结果表明该系统能实现 C T扫描成像的自动化，提高生物实验的效 率和效果。 关键词小型 C T；数控系统；P L C控制 中图分类号T P 2 3 ；T H 7 9 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 1 40 4 1 3 De s i g n o n PLC- ba s e d Au t o ma t i c M i c r o - CT Sc a n ni ng De v i c e S u Yo n g me i I I ．W ANG Z h e n y u 。 Z HANG Z he n f e n g 1 ． Z h e n g z h o u T e c h n i c a l C o l l e g e ，Z h e n g z h o u H e n a n 4 5 0 1 2 1 ，C h i n a ； 2 ． Sch o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，H u a z h o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c eT e c h n o l o g y ，Wu h a n H u b e i 4 3 o a 7 0 ，C h i n a Ab s t r a c t A P L C b a s e d a u t o ma t i c mi c r o C T s c a n n i n g d e v i c e wa s d e s i g n e d ． P r o g r a mma b l e l o g i c a l c o n t r o l l e r w a s u s e d a s t h e c o r e o f t h e f o u r a x i s C NC s y s t e m，a n d s e r v o mo t o r wa s u s e d a s t h e i mp l e me n t i n g a g e n c y ． A P C w a s u s e d t o c o o r d i n a t e t h e a c t i o n o f p e r - s p e c t i v e i ma g i n g s y s t e m a n d me c h a n i c al s y s t e ms ， a n d t h e a u t o ma t i o n o f ma c ro C T s c a n n i n g w a s a c h i e v e d a t a g 0 o d l e v e 1 ． Ac c o r d i n g t o X r a y i ma g i n g p rin c i p l e ，p e r s p e c t i v e i ma g i n g s y s t e m wa s e s t ab l i s h e d wi t h r a y s o u r c e an d d e t e c t o r ．T h e me c h a n i c al s y s t e m w a s c o rn p ri s e d o f m a i n m o v e m e n t d e v i c e ，l o n g i t u d i n a l f e e d s l i d e a n d l o a d i n g p l a t f o r m p o s i t i o n a d j u s t i n g m e c h a n i s m ．T h e r e s u l t s o f a p p l y i n g t h i s s y s t e m t o b i o l o gic a l e x p e ri m e n t s i n d i c a t e t h a t t h i s s y s t e m c a n r e ali z e t h e i ma g e s c a n n i n g a u t o ma t i o n o f m a c r o - C T ，a n d g r e a t l y i m p r o v e t h e e f f i c i e n c y a n d q u al i t y o f b i o l o gi c a l e x p e ri m e n t s ． Ke y wo r d s Ma c r o C T； N C s y s t e m ； P L C c o n t r o l 伴随着现代医药学的发展，动物替代实验在新药 物和新疗法的开发过程中起到了重要的作用 。随着 近年来大众环保意识觉醒和动物权利保护运动的发展， 对医学实验领域中小动物的无损在体研究 ，并减少小 动物使用数量提出了越来越高的要求。制造工艺和控 制技术及三维图像重建算法的发展 ，使得小型 C T得到 了不断进步，从而被广泛应用于诸多领域，如骨结构 评价、大鼠肝血管结构分析和肥胖症治疗研究等拉 。x 射线小型 C T 是其中最新的一种成像技术，在小动物 骨和肺部组织检查等方面具有独特的优势 。 现代生物医学实验方法和技术要求 的不断发展， 使得研究一种高性价比的实验设备，具有很好的理论 意义和实用价值 。作者研制了一套基于 P L C控制的 采用 x射线成像原理的小型 C T自动扫描系统实验设 备。该实验设备以可编程控制器 P L C作为控制核心， 通过对伺服电机的运动控制，构成了一套四轴数控系 统 ；透视成像系统由射线源和探测器构成，通过对 射线源和探测器的软件进行二次开发，实现了实验所 需要的 x射线透视成像功能；利用 P c机作为上位 机 ，编制 V C 程序协调机械系统与透视成像系统 的动作 ，实现整个系统透视扫描功能的自动化以及实 验操作控制的可视化。 1 机械系统结构的研制 图 1 小型 C T自动扫描系统 收稿 日期 2 0 1 0 0 72 3 作者简介苏咏梅 1 9 7 1 一 ，女，硕士，讲师，研究方向为电气控制系统。电话1 5 8 2 7 4 0 2 5 8 8 ，E m a i l h i g h s m a n 1 6 3 ． c o m。 4 2 机床与液压 第 3 9卷 小型 C T自动扫描设 备机械 系统如 图 1 所 示 。该 系统采用四轴数控结构，主要由主轴运动部分 、纵向 进给滑台部分和载物台位置调整部分组成。 轴和 Y 轴构成载物台位置调整机构，用 于载物台位置的微 调，z 轴是进给滑台的纵向运动方向，C轴即为主轴 装置的运动方 向。 1 ． 1 载物台位置调整机构 载物台位置调整机构 的作用 就是通过 向与 Y向 的调整，使被观测物始终处于滚筒中心位置，使扫描 探头在环绕观察过程 中能够保证 稳定的观察距 离。每 个轴上均设置了两个限位开关，以限制各轴运动范围。 载物台位置调整机构的原理如图2所示，由 轴 和 Y 轴两部分的运动机构组成。这两个机构均采用丝 杆螺母副作为运动机构，每一套丝杆螺母副分别通过 独立的伺服电机带动丝杆转动，最终驱动螺母作直线 运动 ，从而使 固定在螺母上 的载物 台实现沿 轴的上 下运 动以及 沿 Y 轴 的左右运动 。 作 台 图 2 载物台位置调整机构的原理 1 ． 2纵 向进给 滑 台 进给滑台上安装有主运动装置，用于承载主运动 装置实现纵向运动。被观测物的身长方向设为进给滑 台运动的z 轴方向，通过该滑台的移动 ，使探测器能 够拍摄被观测物不同身长部位，实现对被观测物的分 段拍摄。该滑台主要由伺服 电机、丝杆螺母副、滑 台、直线导轨等组成。通过可编程控制器的脉冲输出 功能，结合伺服电机驱动器 ，实现z 轴运动的精准定 位控制。同样地 ，z 轴方向也设 置了两个限位开关， 限制 轴的运动范围。 1 ． 3主轴 运动 装置 主轴运动装置由伺服电机、蜗轮蜗杆机构 、滚筒 以及其上的透视成像设备 射线源和探测器 等组 成。通过编制 P L C程序，利用可编程控制器控制伺 服电机实现定周期定角度转动 ，并通过涡轮蜗 杆将 电 机的转动转换成滚筒的转动，使探测器探头可以相对 于被观测物到达不同的角度位置。C轴方向上安装有 3个位置 开关 ，分别设置 了左 极限 、原点 和右极限位 置。此处极 限位置 的设置是为 了防止滚筒转动过程中 由于转动角度过大造成线路缠绕，因此滚筒的转动角 度被限定为 3 7 0 。 。 如 图 3所示 ，被观测 物固定 于载物 台上 ，射线源 和探 测器相对地 固定在滚筒上 ，整个主轴运动装置安 装在纵向进给滑台上。通过载物台位置调整机构调整 被观测物相对于探测器的位置，使被观测物基本处于 滚筒运动中一 tk , ，以保证在环绕拍摄扫描过程中被观测 物相对于探测器的距离基本保持不变。通过z 轴的运 动，调整纵向进给滑台的纵向位置，使得探测器获得 相对于被观测物适 当的纵 向位置 ，一方 面通过手动调 整 ，获得适 当的初 始扫描位置 ；另一方 面在 自动状态 下 ，实现 自动纵向进给 ，准备进 行下一个阶段 的扫描 作业 。在 自动 状态 下 ，主运动 装 置 c轴方 向的定 角 度间歇转动，带动滚筒定角度连续间歇转动，使滚筒 上的探测器相对于被观测物处于不同的位置 ，并在各 个角度拍摄一幅图片 ，从 而得 到被观测物全角度 的影 像 。 C 图3 主轴运动装置的原理 2 控制 系统结构的研制 控制系统有点动和自动两个工作状态。点动状态 用于操作人员手动调整设备的初始位置，自动状态为 工作参数设定后的自动扫描过程，并需要点动控制作 为初始化条件 。 自动扫描过程主要包括机械系统的运 动 主要是 C轴 的定 周期定 角度 转动 和 透视成 像 系统的拍摄动作 ，以及两者的协调配合过程。在整个 控制系统中，P C 、P L C和伺服构成两级运动控制子 系统 ，射线源和探测器以及 P c构成透视成像子系 统 ，P C和监视器 构成 系统 内部 监视 子 系统。 图 4是 小型 C T自动扫描设备的运动控制系统功能结构。 P L C作为核心控制单元，接收来 自P C 、物理面 板、接近开关等控制及状态信号，并控制系统运动及 设备状态。P c与 P L C之间通过串口建立通讯 P c 向 P L C传送操作信息以及 自动扫描时的转动脉冲信号； P L C向 P C反馈操作信息 ，以及各个轴的位置及接近开 第 1 4期 苏咏梅 等 基于 P L C的小型 C T自动扫描实验装置的设计 4 3 关的状态信息。物理面板及接近开关直接连接 P L C的 输入端 口，同时物理面板上的状态灯连接 P L C的输出 端口，实时更新操作状态。在 P L C的输出端口中，有 4组高速输出端 口，分别连接伺服驱动器，各 自控制 1 个轴的运动。在点动状态下，P L C对 4个轴进行速度 控制，即半闭环控制，初始化各轴位置；而在自动状 态下对 轴和 c轴进行位置控制，在一定时间内输出 一 定数目的脉冲。如 C轴在 P L C接收到转动脉冲信号 后转动一定的角度， 轴要在 c轴转动完一周后进给移 动一定距离。作为上位机 ，P c除了控制 P L C，还控制 监视器，获取并显示系统内部画面。更重要的是，P c 要设置射线源的工作参数，以及探测器的拍摄过程参 数，并在一幅图像拍摄完成后 ，发送一个转动脉冲给 P L C ，继续下一个位置的拍摄。 PC 控制 状 态及 各 轴位置信息 控制信息 f 操作面板 控制状态灯 操作信号 l 速度 l 控制 童 枷驱动 器 l 速度 l 控制 室 J ’轴驱动器 I 速度和位 l 置控制 主 c 轴驱动器 I 瑚 伺服电机I l J I车 由 伺服电机 I I 渤 伺服电机 l I c 聿 由 伺服电 图 4 运动控制 系统基 本组成 控制系统基本工作过程如下 首先是点动工作模 式下的系统初始化。P L C接收 P C机上 V C 程序控 制数据和物理面板的控制信号 ，驱动伺服电机转动完 成系统的初始化 ，主要是 、Y 、 轴的位置调整和 C 轴的回原位。其 次，在 自动工作模 式下，P C机上 V C 程序控制透视成像系统完成定时拍摄过程 ，在 每拍完一张图片后，发送一个转动脉冲信息给 P L C 。 P L C接收 P C机上 V C 程序发出的转动脉冲信息 ， 驱动 C轴在一定 时间内转动一定角度 ，并计数。当 计数达到要求数目时，一圈扫描任务完成。如果需要 分段扫描，则 轴进给一段距离，继续上述 自动过 程。否则结束 自动过程，任务完成。 3 机械运动和扫描摄像协调配合的关键技术 当实现了机械的运动功能，获得了扫描过程中的 扫描位，以及实现了对于扫描仪器的控制及图像获取 功能以后，必须协调控制二者动作 ，使扫描拍摄与扫 描位的运动切换能够相间完成 ，才能获得需要的扫描 结果，实现微型 C T扫描的 自动化。其关键技术是 1 位置控制的准确性 为了后期三维图像重建，需要对被观测物进行一 定角度间隔的连续拍照。在 自动状态下 ，G轴间歇性 转动 1 ． 8 。 或 0 ． 9 。 ，P L C通过 P L S 2脉冲输 出指令 ，在 c轴对应的高速输出端口定量输出脉冲。相应地设置 伺服电机的调控参数，完成精准的定位控制。 2 动作的协 调性 动作的协调性，主要是指 自动扫描过程的顺利实 现，以及探测器拍摄动作 与 c轴转动 的协调配合。 自动扫描过程的顺利实现依赖于正确 的 P L C程序。 探测器的拍摄过程控制在 P c上通过对其软件的二次 开发完成，通过设置循环函数实现多次拍摄动作。在 其循环体 中，添加 了 S e n d M e s s a g e消息驱动函数 。 该函数发送一条消息给运动控制主程序。主程序在其 消息响应函数中发送电机转动控制信息给 P L C 。P L C 则根据该消息，转动 1 ． 8 。 或 0 ． 9 。 。通过上述消息驱 动机制 ，很好 地实现了动作 的协调 性。 4总结 作者设计 了微 型 C T自动扫描系统。该 系统 以 P L C为运动控制核心，以伺服电机为运动执行元件， 实现了精确的定位控制，能够准确地实现扫描位之间 的运动转换 ，保证了扫描成像所需的精确位置要求 ； 运用了计算机编程技术，编写了上位控制软件，即用 于人机交互的人机界面，实现了操作面板的功能和扫 描过程控制的信息化，使系统的信息化、自动化水平 得 到大大提高 。 参考文献 【 1 】P A U L U S M J ， G L E A S O N S S ， S A R I - S A R R A F H， e t a 1 ． Hi g h - r e s o l u t i o n X-- r a y C T S c r e e n i n g o f Mu t a n t Mo u s e Mo d - e l s [ C ] ／ ／ P r o c S P I E， S a n J o s e ， 2 0 0 0 2 7 0 2 7 9 ． 【 2 】 陈惟昌， 王自强， 邱红霞 ， 等． 显微动态与功能 c T 未来 的2 1 世纪 C T[ J ] ． C T理论 与应 用研究， 2 0 0 0 S 1 1 3 81 41． 【 3 】D I N G M， O D G A A R D A， HV I D I ． A c c u r a c y o f C a n c e l l o u s Ho 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