基于欧姆龙PLC的上药机械手研究.pdf

基于欧姆龙P L C 的上药机械手研究 The s t udy of m edi cal m ani pu l at or b ased on 0M 0RN PL C 黄晓冉，董小雷，梁超 HUANG Xi a o - r a n ，DONG Xi a o l e i 。L I ANG Ch a o 河北联合大学 机械工程学院，唐山 0 6 3 0 0 9 摘要 针对我国自动化药房上药存在的问题，设计了一种基于欧姆龙P L C 的上药机械手，对其机械结 构组成及工作原理做了论述 ，通过齿轮啮合使得双层发药槽旋转，采用光电对射感应技术实 现对上药过程始末的记录。并对其控制系统的硬件和软件部分做详细介绍。 关键词上药机械手 ；P L C；控制系统；双层发药槽 中田分类号T P2 4 文献标识码A 文章编号 1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 5 0 7 下 一 0 1 2 9 一D 3 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． is s n ． 1 3 4 ． ． 下 ．,0 0 9 -0 1 2 0 1 5 o 7 4 0 0 引言 伴随着我国经济的发展和医药技术的不断提高，合 适各样的药 品进入了我们 的生活中n 】 。同时机 电一体化 技术和计算机技术的也是突飞猛进 ，催生的自动化药房 在很大程度上提高了医药服务水平 ，也在一定程度上缓 解了紧张的医患关系。现有的大型 自动化储药设备，对 机械手 自动上药的效率和准确性均提 出了新的要求 ， 也 成为影响药房设备 自动化水平的一个重要因素。 小型的 自 动化储药设备采用人工上药的方式即可， 但对于 已经投入应用的大型 自动化药房而言，采用上述 方法就不是很合理。大型 自动化药房对上百种药品进行 集 中管理 ，药品数量达到几千盒，人工上药的方式就会 降低上药的效率 ，增加医务工作人员的劳动强度 ，也增 加了药品管理 的成本 。在我 国市场上，现有的上药机械 手存在单次上药量少 、上药速度慢和适用范围有限等 问 题，所 以为了解决以上出现的问题，设计 了一种上药机 械手 ，此上药机械手采用一套新 的机械结构和控制系统 方案 ，为解决大型 自动化储药设备的上 药问题提供 了有 效的方法 。 1 上药机械手的机械结构组成及工作原理 上药机械手 的机械 结构主要 由水平 和竖直方 向的 直线导轨 、带有滑条 的上下双层发药槽 、齿轮轴、上从 动半齿轮、下从动半齿轮 、光电对射感应器、电磁铁 、 “ 凹 ”型挡板等部分组成。机械手整体机械 结构如 图1 所示 ，双层发药槽的主视 图如图2 所示 。 1 为提高机械手上 药的速度和灵活性 ，上药机械 手在水平和竖直方向均采用双直线导轨，使得上药机械 手能够按照工控机指令沿着直线导轨实现准确、快速的 定位 ，以提高机械手上药的效率。 1 ．光 电对射感应器 ；2 “ 凹”型挡板；3 ．上表面三角滑条 ；4 ． 电磁铁 5电磁铁支架；6 ．侧面三角滑条 ；7 ． 水平导轨；8 ．竖直导轨 ；9 ． 移动架 1 0 ． 下层发药槽l l 下层从动半齿轮 1 2 ．齿轮轴 ；1 3 ． 上层从动半齿轮；1 4 ．上层 发药槽 图1 上药机 械手整体结构示意图 2 针对现 有上药 机械手存 在单次 上药量少 的 问 题，设计了上下双层发药槽结构进行上药，可以提高了 单次上药的数量。此外，发药槽上表面和侧面均铺设有 三角滑条 ，实现药品与发药槽的线接触 ，减小了药 品与 发药槽之间的摩擦力，保证药品能够沿发药槽快速 、顺 利的滑落至储药柜。 3 上下双层发药槽两侧均 安装有从动半齿轮，通 过中间的一个主动齿轮轴连接，实现三个齿轮的啮合。 每个齿轮和齿轮轴均通过轴承与移动架链接，既对发药 槽起 到了支撑和 固定的作用 ，也使得发药槽 、齿轮、齿 轮轴和移动架成为一个整体，并且能够在竖直方向做直 线运动。主动齿轮轴带动从动半齿轮转动实现发药槽 的 旋转 ，通过人工设置 ，其旋转角度可变，这样可适用于 具有不同倾斜角度 的斜坡式储药柜，使得机械手的应用 收稿日焉 2 0 1 5 0 3 1 6 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7 期2 0 1 5 0 7 下 【 1 2 g 】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 更加广泛 。齿轮传动机构具有传动精度高，工作强度大 的特点口 】 ，从而提高机械手的上药动作的准确度，并延 长其机械寿命 。 4 双层发药槽均与水平面成 一定倾斜角度 ，如 图 2 所示 ，倾斜的发药槽能够使得药 品在重力作用下紧贴 在发药槽的侧壁 ，以实现 药品在发药槽中的定位。电磁 铁通过与 “ 凹”型挡板相连 ，实现对药品在沿三角滑条 方 向的定位。当发药槽转到设定好的角度时，电磁铁得 电， “ 凹”型挡板向下收缩 ，药 品摆脱挡板的束缚，在 重力作用下，沿着发药槽滑落。 1 光电对射感应器；2 “ 凹”型挡板 ；3上表面三角滑条 4 ．电磁铁 5 ． 电磁铁支架；1 1下层从动半齿轮 1 2 ．齿轮轴 ；l 3 ． 上层从动半齿轮 图2 双层发药槽 的主视 图 5 分别在双层发 药槽 出药 口的位置打圆孔，并安 装常闭型光电对射感应器 。药品沿着发药槽滑落 ，当药 品遮挡住光 电对射感应器 发出的光时，该装置会激发 高 电平 ，并通过总线将 电信号传给P L C，当药品发送完 毕 ，药盒不再遮挡对射光线，光 电对射感应器恢复低电 平H J 。光电对射感应器能够检测机械手 中的药品是否发 送完毕。 2 ’ 上药机械手的控制系统组成与工作过程 上药机械手的控制系统由硬件部分和软件部分组成。 2 ． 1控制系统硬件的组成与工作过程 上药机械手的控制系统硬件整体结构图，如图3 所示。 由液 晶触摸屏组成 的上位 机主要对上药机械 手作 业状态进行实时监控和对储药柜 中药品信息进行实时管 理，还能够对发药槽所需旋转的角度进行设置 。下位机 选用 欧姆龙系Y fl C P 1 H型的P L C，实现对伺服 电机 、光 电对射感应器、 电磁铁等硬件的控制。R S 4 8 5 总线具有 结构简单 、数据传输速率高、抗干扰性强等优点 ，所 以控制系统 中硬件组态之间通信采用该总线，从而保证 信息交流和数据传递的及时性和准确性。 结合 图3 ，上药机械手的具体作业过程如下液 晶 [ 1 3 0 1 第3 7 卷第7 期2 O 1 5 0 7 下 触摸屏显示自动化药房储药柜 中药品的信息 ，并提示医 务工作人员对 储药柜进行补药 。人工将药品平放在上药 机械手的发药槽中，启动上药机械手的工作启动按钮 ， P L C 按照程序指令驱动伺服 电机M1 和M2 ，使得机械手 沿着水平和竖直方 向的直线导轨运动到指定的位置，此 时P L C 驱动伺服 电机M3 ，使得发 药槽在主动齿轮轴的 带动下旋转至设定好的角度 ，一层发药槽电磁铁得 电挡 板向下收缩，药品沿着滑道滑向 自动化药房 的储 药柜， 此时光电对射感应器检测机械手 中药品发送 的情况 ，一 层发药槽上药结束后 ，如果需要继续上药，P L C 则发出 指令控制另一层发药槽 以相 同的动作完成上药，之后机 械手复位 。 图3 上药机械手控制系统硬件整体结构图 2 ． 2 P L C 对伺服 电机和电磁铁的控制 设计 的上药机 械手下位机控制系统 需输入 点数共 1 2 点 ，输 出点数共 1 0 点 ，选用 欧姆龙系列CPl H型的 P L C ，并且采用主单元和扩展单元相配合，即可满足上 述设计要求 。 上药机械手在上药动作过程 中，P L C 通过发送不 同 频率和数量的脉冲给伺服驱动器，伺服驱动器直接连接 编码器，从而构成速度 、位移的闭环控制，最终实现对 伺服 电机转速和转角的精确控制 】 ，保证上药机械手的 准确 定位。P L C 主模单元可 以发送三路脉冲信号给伺服 驱动器 ，能够实现对三个伺服 电机 的控制。串接的扩展 单元通过控制继 电器 的通 断，来控制电磁铁得 电和失 电，从而控制 “ 凹”型挡板 的伸缩 ，实现药品的发送 。 P L C 的输出地址分配如表 1 和表2 所示 。 表1 P L C 主单元I ／ O 功能分配表 地址 分配 控制功能说明 Qo ．o 伺服驱动器 1 脉冲输 出，控制 电机M1 速 度和行程 Q O ． 1 伺服驱动器 l 方 向信号 ，控制 电机M1 转 向 Q o ．2 伺服驱动器2 脉冲输出，控制电；0 “I ,M2 速度和行程 Q O _ 3 伺服驱动器2 方 向信号 ，控制 电机M2 转向 Q 0 ．4 伺服驱 动器3 脉 冲输 出，控制电机M3 速度和行程 Q o ． 5 伺服 驱动器3 方向信号，控制电机M3 转向 【 下转第1 3 8 页】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 参考文献 【 l 】 宫言坤， 万红平． 基于可编程 逻辑控制器 的电镀 生产线控制系统 设计 【 J 1 ． 电镀与环保， 2 0 1 5 ， 3 5 1 2 2 - 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