基于PLC的上药机械手的研究.pdf

基于P L C 的上药机械手的研究 The r es ear ch on m e di cal m ani pul a t or bas ed on PL C 黄晓冉，董小雷 HUANG Xi a o - r a n ．DONG Xi a o - l e i 河北联合大学 机械工程学院，唐山 0 6 3 0 0 9 摘要为解决自动化药房上药存在的问题，设计了一种新型自动上药机械手， 主要介绍上药机械手的 机构组成及工作原理，对旋转式多槽发药机构进行重点说明。并对其以P L C 为核心的机电控 制系统的硬件和软件部分做详细叙述。实验证明上药机械手能够根据指令有效的完成上药动 作，并且运行稳定。 关键词上药机械手 ； 多槽发药机构；P L C ；机电控制系统 中图分类号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 8 上 - 0 1 4 6 - 0 3 D o i 1 0 ． 3 9 6 l／ J ． 1 s s n ． 1 0 0 9 -0 1 3 4 ． 2 0 1 5 ． o 8 上 ． 4 3 0 引言 随着社会的进步和人民生活水平的不断提高，人们 对医疗服务水平的要求也是越来越高⋯ 。医药技术的不 断创新，催生了形形色色的药品种类 ，如何对药品进行 科学化管理，为人们提供更加高效的医药服务，成为当 前大中型医院药房面临的一个棘手的问题。 自动化药房的诞生，实现了药品信息化 、集 中化 管理 。上药系统是 自动化药房系统中一个重要的组成部 分。一个运行稳定、快速、定位精确的上药系统，能够 大大降低医务工作人员的劳动强度和提高药房设备的 自 动化水平。市场上现有的上药机械手存在单次上药数量 少、定位不精准的问题，为了解决这一问题，设计了一种 自动上药机械手，采用两端四发药槽机构和齿轮啮合旋转 机构配合，保证 自动化储药设备快速、高效的的补药。 1 机械结构原理 上药机械手由水平双直线导轨、竖直双直线轨道、 回转驱动装置、从动齿轮 、齿轮轴和移动架等组成。上 药机械手的结构如图l 所示。 移动架在伺服电机的驱动下沿着竖直方向的导轨做 上下直线运动，竖直导轨整体沿着水平方向的导轨做左 右直线运动，从而实现机械手的定位 。为保证其运行 的 稳定性，在竖直和水平方向均采用双直线导轨。 竖直双直线导轨的底部和顶部均安装有回转驱动装 置，如图1 所示 ，在电机的驱动下能够使得竖直双直线 导轨完成1 8 0 度 的旋转 ，设计的两端四个发药槽都可 以 向储药柜上药 ，这样很好的解决了机械手单次上药量少 的 问题 。 发药槽 的上表面与水平面成一定的倾角 ，如图2 所 1 ．上端驱动 回转装置2 移动槊3 ．前端双发药槽4 ． 三角挡板 5 ．竖直导轨 6电机架；7 ．水平下直线导轨 ；8 ． 下端驱动 回转装置 ； 9 ．光电开关l 0 ．电磁铁1 l _ 后端双发药槽1 2 ．水平上直线导轨 图1 上药机械手整体结构示意图 1 ． 三角挡板 ；2 ． 电磁铁；3 ．光电开关 图2 双发药槽主视图示意图 示，药品平放在发药槽 中时，会依靠重力作用紧贴着发 药槽侧壁 。同时每个发药槽前端开矩形孔 ，三角挡板与 电磁铁相连，穿过矩形孔挡住发药槽中的药品，对药品 起到定位 的作用。当电磁铁得电，三角挡板向下收缩， 药品则沿着发药槽滑落 。在每个发药槽出口处的两侧和 中间挡板处分别开通孔 ，并安装光电开关，一个光点开 收稿日期2 0 1 5 - 0 3 - 2 0 作者简介黄晓冉 1 9 8 9_-，男，河北张家口人，硕士研究生，研究方向为机电一体化。 [ 1 4 6 ] 第3 7 卷第8 期2 0 1 5 0 8 上 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 关实现对一端两个发药槽中药品发送情况进行检测 。 两端的双 发药槽尾部分别安装从动齿轮，如 图3 所 示，并与转动轴固定在一起 ，成为一个整体，转动轴通 过轴承与移动架连接 。主动齿轮轴带动从动齿轮轴转 动，同时两个齿轮轴分别与固定在发药槽上的从动齿轮 啮合，在齿轮轴 的驱动下，两端的发药槽 以转动轴为中 心旋转 ，可根据 自动化储药柜 中储药道的倾斜角度来设 置发药槽的旋转角度。齿轮啮合旋转机构，提 高了发药 手旋转角度的准确性，保证机械手上药定位的精度 。 2 控制系统及原理 2 ． 1 上药机械手控制系统硬件设计 上药机械手 的控制 系统采用 由上位机和 下位机组 成的二级控制 系统犯 l ，硬件控制结构如 图3 所示 。上位 1 ．移动槊 2 ． 主动齿轮轴；3 ．前端从动齿轮；4 ．双 发药槽；5 ．光电开关 ；6 ． 中间挡板通 孔 ；7 ． 矩形孔；8 ．三 角挡板 ；9 ． 电磁铁；1 0 ．转动轴 ；1 1 ． 后端从动齿轮；1 2 ．从动齿轮轴 图3 两端 四发药槽机构仰视示意图 机采用液晶触摸屏工控机，主要对上药机械手起检测作 用，并通过上位机对机械手的一些动作参数进行设置 。 下位机控制系统的硬件部分主要包括四个伺服电机、四 个 电磁铁和两个光 电开关，根据设计需求，选用性价 比 较高的欧姆龙C P 1 H型P L C，能够发送 四路脉冲，并配 合C P 1 w4 O E D R I ＼ o 扩展模块和四个S G D V 一5 R 5 A O 1 A 伺服驱动器，实现对下位机硬件的控制。 结合图4 ，上药机械手的工作过程如下 上位机液 晶触摸屏提示需要上药的种类和数量，工作人员将药品 别平放在发药槽中，并设置机械手工作时的一些参数 ， 随后启动机械手工作按钮，P L C 发出指令 ，机械手在伺 服 电机M1 和M2 的驱动下精确到达指定的位置，在此过 程 中伺服 电机M3 也得到指令 ，驱动主动齿轮轴带动前 后端 四个发药槽旋转至设定好的角度，此时由发药槽 l 首先进行上药，电磁铁得 电三角挡板向下收缩，药品沿 着发药槽滑落至储药柜，同时光电开关检测药品的发送 情况，当发药结束时，P L C 控制发药槽2 继续上药。当 前端两个发药槽全部上药完毕时，如果需要继续上药， 伺服 电机M4 控制驱动回转装置，使得机械手完成1 8 0 。 旋 转，接着 后端 两个发药槽以相同的方式继 续进行上 药，整个过程结束后，机械手复位 。 上药机械手上位机与下位机之间的信息交流和数据 交换采用R S 4 8 5 总线作为介质 。R S 4 8 5 总线与其他总线 相比具有结构简单、数据传输速率高、抗干扰性 等 的优点，从而保证通信的速度和稳定性 。 为保证机械手动作 的准确性，对伺服 电机M1 、M2 伺 服 电机 驱动器 1 水平导轨 电机 M1 伺服 电机 驱动器 2 竖直导轨 电机 M2 伺 服 电机 驱动器 3 齿轮轴电 机 M3 伺 服 电机 驱动 器 4 C P I W- 4 O E D R 扩展模块 回转装置 I I电磁 I电磁 I电磁 I电磁 电机M4 l l铁D 1 l铁D 2 l铁D 3 I铁D 4 图4 上药机械手控制 系统组成框图 第3 7 卷第8 期2 0 1 5 -- 0 8 上 1 1 4 7 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 和M3 均采用 闭环控制。P L C 通过脉冲输出通道 1 、2 和 3 ，向三个伺服 电机驱动器发送不同数量和频率脉冲 ， 驱动器将脉冲转化成电信号去控制伺服 电机 的转速和转 向，编码器会将伺服电机发出的脉冲反馈信号经 由高速 脉冲计数器1 、2 和3 传递至P L C 的C P U，经过处理与计 算，最后输 出补偿脉冲，从而实现对伺服电机的闭环控 制 l 。伺服电机M4 则由P L C脉冲输 出通道4 进行开环控 制，以实现机械手1 8 0 。 旋转。P L C 主单元模块输出地址 分配如表1 所示。 袭1 P L C 主单元输出功能分配表 控制说明 功能说明 QO ． 0 伺服驱动器 1 输 出脉冲 Q O ． 1伺服驱动器l 方向信号 QO ． 2 伺 服驱动器2 输 出脉冲 Q 0 ． 3 伺服驱动器2 方向信号 Q0 ． 4 伺服 驱动器3 输 出脉冲 QO ． 5 伺服驱动器3 方 向信号 QO ． 6 伺服驱动器4 输 出脉冲 QO ． 7 伺服驱动 器4 方向信 号 控制机 械手水平运动的速率和行程 控制机 械手水平运动的方向 控制机械 手竖 直运动的速率和行程 控制机械手竖直运动的方向 控制发药槽旋转的角度 控制发药槽旋转的方向 控制竖直导轨旋转 的角度和速率 控制竖直导轨旋转的方 向 P L C通过C P1 W--4 0 E DR I O扩展模块，控制继电器 KM1 、K M2 、KM3 和KM4 的通断，来控制 电磁铁 的得 电和失电，实现三角挡板的伸缩运动，从而分别控制四 个发药槽中的药品的定位和发送。扩展模块输出功能分 配如表2 所示。 表2 C P 1 W-- 4 O E D R I＼ O 扩展单元输出功能分配表 2 ． 2 控制系统软件设计 机械手 自动上药的过程是严格按照顺序控制的方式 执行，其软件控制系统由初始化模块、数据采集模块、 数据处理模块和数据输出模块四个部分组成。 初始化模块主要对P L C 系统进行初始化，并对机械 手工作时所需的一些参数进行设置。数据采集模块主要 收集 由编码器反馈 回来的信号，对伺服电机进行闭环控 制。数据处理模块主要是将人工设置的数据和反馈回来 的信号由C P U 进行处理。数据输出模块则主要是根据指 令进行脉冲输出和继 电器输 出，控制机械手上药的动 作。软件设计流程如图5 所示 。 【 1 4 8 】 第3 7 卷第8 期2 0 1 5 0 8 上 图5 软件设计流程 图 3 结束语 本文设计的上药机械手 ，通过前后两端四个发药槽 机构与回转驱动装置相互配合，很大程度提高了机械手 自动上药的数量，直线导轨和齿轮啮合传动机构配合实 现机械手的准确定位 。由P L C 控制伺服 电机和 电磁铁 ， 保证机械手高效运行。整个机械手系统运行稳定可靠 ， 在 自动化药房领域里有积极的意义。 参考文献 【 1 】李成群， 王伟， 炱超， 朱贤。 曹建波， 张银花． 自 动化药房的现状和新 进展【 J 】 ．机器人技术与应用， 2 0 0 7 ,0 5 2 7 - 3 2 ． 【 2 】刘贯华． 基于P L C 的污水处理控制系统的设计【 J 】 ． 机电工程技 术， 2 0 0 8 , 0 1 8 6 - 8 8 1 t O ． 【 3 】 耿 立中， 王鹏 ， 马骋， 贾 惠波． RS 4 8 5 高速 数据传 输协议的设计与 实现 [ J 】 ． 清华 大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 8 , 0 8 1 3 1 1 - 1 3 1 4 ． 【 4 】 王 有庆， 田涌 涛， 王 占杭， 李从心． 用P L C实现 电机速度闭环控 制 【 J 】 ． 机床与液压，2 0 0 2 ， 0 3 2 8 - 2 9 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m