含有推力保护PLC控制的恒流量辅助注射装置研发*

2014-03-27汪宝亮

机械研究与应用 2014年3期

汪宝亮，汪诤

(兰州交通大学机电工程学院，甘肃兰州 730070)

0 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 mL、2.5 mL、5 mL、10 mL、20 mL)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。

图1 手持注射器结构图

注射器以步进电机为动力源，经PLC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S7－224XP，步进驱动器和直线步进电机等，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40%～50%，而国外可以达到70%［1］，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20N的参数。

直线步进电机的推力为:

式中:T为转矩;t为丝杠导程;i为传动比;η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28直线步进电机，丝杠导程选择为1.27 mm，最大推力可以达到80 N，最高速度为2.285 7 mL/s，其参数如图3所示。

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］，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:

式中:α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100 Hz，因此可计算出最低运行速度为:

最高选择10 kHz，可计算出其最高运行速度为8 mm/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 PLC和步进驱动器的电平转换

PLC输出的高电平为24 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［3］。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5～10 mA，而输入电压为直流24 V，所以需要分压限流电阻1.9～3.8 kΩ。

根据上述计算得知，在方案图中，PLC的输出端和驱动器之间串联了一个2.4 kΩ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PLC的模拟量输入端子。

3 控制及软件

3.1 PTO方式下PLC

脉冲输出采用PTO脉冲输出方式，脉冲串输出(Pulse Train Output)内置于西门子s7－200可编程控制器或s7－1200可编程控制器中，用于速度和位置控制。使用PTO输出时，PTO提供一个指定脉冲数目的方波输出(50%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1000ms，电机减速时间为20ms。由于实际操作中需要手动输入具体速度值，所以调用PTOx_ MAN子函数，将PTO输出置于手动模式［4］。

在接线中采用Q0.0接步进驱动器的脉冲输入信号，Q0.1接步进驱动器的方向控制信号，Q0.2脱机信号。当按下前进开关后，PTO输出变为高电平，按照当前设定好的速度Q0.0开始发送脉冲，步进电机正转;按下后退开关计时超过2s时，电机自动复位。需停止系统的时候，松开前进或后退按钮，PTO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12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［5］。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12。使用向导配置S7－200内部PTO/PWM操作时，勾选“使用高速计数器HSCx(模式12)自动计数线性PTO生成的脉冲”即可。

使用高速计数器模式12时不需要任何外部连线，Q0.0(Q0.1)与I0.0(I0.1)通过集成电路内部关联，越过了外部信号处理电路，因此HSC0(HSC1)可以计100KHz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［6］。单相计数部分程序图如图4所示。