闞 鑫，張 濤，王 威

(安徽大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,安徽 合肥 230601)

近距離放射技術(shù)治療惡性腫瘤有顯著效果，為攻克惡性腫瘤提供了支持.因?yàn)?25I籽源持續(xù)產(chǎn)生的低水平輻射能使腫瘤細(xì)胞 DNA 鏈斷裂,進(jìn)而使腫瘤細(xì)胞死亡，所以放射性125I籽源治療腫瘤效果良好[1].為推廣應(yīng)用，125I籽源生產(chǎn)就尤為重要.125I籽源生產(chǎn)已由手工操作轉(zhuǎn)為自動(dòng)化生產(chǎn)，基本解決了操作人員易受輻射、產(chǎn)品質(zhì)量難以保證和生產(chǎn)效率低下等問題.文獻(xiàn)[2]提出了放射性125I籽源自動(dòng)裝配裝置的設(shè)計(jì)方案，其整套裝置由以下模塊構(gòu)成：鈦管落料、倒頭換向、焊封、收集、銀絲落料、控制及檢測(cè)模塊.由于裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一旦某零件發(fā)生故障，設(shè)備停止運(yùn)行，影響生產(chǎn).研究發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)故障發(fā)生在裝置的下落通道中，為解決此問題，筆者設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)故障處理設(shè)備，以提高生產(chǎn)效率.

1 總體架構(gòu)

設(shè)備由機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)構(gòu)成.機(jī)械結(jié)構(gòu)包括：機(jī)體固件和夾放結(jié)構(gòu).控制系統(tǒng)包括：電源、上位機(jī)、STM32控制器及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等.

在機(jī)械結(jié)構(gòu)中，把所有模組和電控裝置組裝在一起，安裝在矩形底座中，構(gòu)成機(jī)體固件；4臺(tái)步進(jìn)電機(jī)及其對(duì)應(yīng)的部件組成夾放結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)故障下落通道的更換.在控制系統(tǒng)中，通過程序控制步進(jìn)電機(jī)的啟停；反饋步進(jìn)電機(jī)的位置信號(hào)給STM32控制器，實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理.

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

在放射性125I籽源自動(dòng)裝配過程中，設(shè)備因模塊老化、原材料瑕疵、操作不規(guī)范等問題會(huì)出現(xiàn)故障.

設(shè)備采用模塊化的設(shè)計(jì)思想[3]，根據(jù)功能分成若干子模塊[4]，子模塊既獨(dú)立又相互聯(lián)系，子模塊獨(dú)立設(shè)計(jì)，然后拼接成整套設(shè)備.圖1為設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu).

1-平板底座；2-Y軸直線模組；3-聯(lián)軸器；4-步進(jìn)電機(jī)；5-籽源裝置支架；6-側(cè)面通道支架；7-錐形通道；8-Z軸直線模組；9-U形夾具；10-電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)；11-L形裝訂板；12-X軸直線模組.圖1 設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.2 模塊功能和實(shí)施流程

設(shè)備由下落通道替換模塊、夾具旋轉(zhuǎn)模塊、直線滑行模塊組成.平板底座、側(cè)面通道支架和籽源裝置支架組成下落通道替換模塊，側(cè)面通道支架設(shè)置了用于存放全新下落通道和故障下落通道的安置孔.夾具旋轉(zhuǎn)模塊由U形夾具和電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)組成，通過步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn).直線滑行模塊由X，Y，Z軸直線模組組成.通過程序控制步進(jìn)電機(jī)，使絲桿與夾具協(xié)同運(yùn)動(dòng)，完成故障下落通道的更換.通過3種直線模組，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備X，Y，Z軸方向的運(yùn)動(dòng).X軸直線模組安裝在平板底座，其內(nèi)部滑臺(tái)與L形裝訂板的底座相連；Y軸直線模組與電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)連接，旋轉(zhuǎn)臺(tái)頂部安裝U形夾具；Z軸直線模組通過法蘭與L形裝訂板豎直連接.

實(shí)際運(yùn)行中，X軸直線模組的運(yùn)動(dòng)路線與籽源裝備支架平行，其橫梁中間有固定故障下落通道的安置孔.控制Y軸和Z軸直線模組的運(yùn)動(dòng)方向和距離，使U形夾具及側(cè)面通道支架的位置均保持水平.X軸直線模組移動(dòng)至籽源裝備支架處，使U形夾具夾住需要更換的故障下落通道的圓柱體部分.Z軸直線模組向上移動(dòng)，使U形夾具抬起故障下落通道.X，Y，Z軸直線模組的協(xié)作運(yùn)行，使U形夾具移動(dòng)至側(cè)面通道支架.通過電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)，讓故障下落通道置于側(cè)面通道支架.電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，U形夾具夾住放置于側(cè)面通道支架上的全新下落通道，再次使X，Y，Z軸直線模組協(xié)作運(yùn)行，完成故障下落通道的更換.

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)硬件

控制系統(tǒng)硬件由主控制器模塊、通信模塊和步進(jìn)電機(jī)模塊組成.嵌入式控制技術(shù)具有成本低、功能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),能滿足中小型控制系統(tǒng)的要求[5].主控制器模塊采用低功耗的STM32控制器；通信模塊負(fù)責(zé)上位機(jī)與STM32控制器的通信，控制驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，接收上位機(jī)指令，輸出控制信號(hào)；步進(jìn)電機(jī)模塊由步進(jìn)電機(jī)和DD2305M，SH20403驅(qū)動(dòng)器組成.圖2為驅(qū)動(dòng)方案示意圖，其中M表示電機(jī).

圖2 驅(qū)動(dòng)方案示意圖

3.2 控制系統(tǒng)軟件

Python是一種功能強(qiáng)大的跨平臺(tái)解釋性的腳本語言， Qt是C++跨平臺(tái)應(yīng)用程序框架，PyQt是二者結(jié)合的產(chǎn)物[6-7].PyQt是由Phil Thompson開發(fā)的性能優(yōu)良的編程語言，開發(fā)效率高，有高性能的GUI控件集，兼容多個(gè)開發(fā)平臺(tái)，如Linux，macOS，Windows等操作系統(tǒng)[8-9].PyQt擁有620個(gè)類和6 000個(gè)函數(shù)，語法簡潔，易于開發(fā)人員理解，多用于實(shí)時(shí)圖像處理、模式識(shí)別和計(jì)算機(jī)視覺等.

通過PyQt中IDE軟件，生成可執(zhí)行的Python代碼，對(duì)圖形操作界面進(jìn)行設(shè)計(jì).結(jié)合設(shè)備的運(yùn)行邏輯，完成控制模塊的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能.圖3為圖形操作界面，其中M1，M2，M3，M4分別表示X軸、Y軸、Z軸、電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)的步進(jìn)電機(jī).

圖3 圖形操作界面

3.3 控制流程

設(shè)備要求各步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)的直線模組完成既定路徑，準(zhǔn)確到達(dá)相應(yīng)位置，完成故障下落通道的更換.圖4為控制流程圖.通過STM32控制器的初始化，觸發(fā)回零程序后，上位機(jī)發(fā)出指令，STM32控制器接收指令，將距離信號(hào)L轉(zhuǎn)化為運(yùn)行步數(shù)N；計(jì)算X，Y，Z軸對(duì)應(yīng)電機(jī)的運(yùn)行時(shí)間t和預(yù)分頻值M，把M賦給定時(shí)器TIM，定時(shí)器發(fā)出PWM信號(hào)；設(shè)定步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)距離及其誤差， 運(yùn)行t時(shí)間后得到步進(jìn)電機(jī)反饋的距離，若誤差大于設(shè)定誤差，則計(jì)算M和t，以此重復(fù)，直至完成既定動(dòng)作.

圖4 控制流程

4 數(shù)學(xué)模型及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 數(shù)學(xué)模型

步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)整步轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式[10]為

(1)

其中：ρ為磁極對(duì)數(shù)，F(xiàn)σ為氣隙磁通勢(shì)，λ為定子與轉(zhuǎn)子間的磁導(dǎo).

對(duì)Tc進(jìn)行線性化及近似處理后，可得

Tc=-Kc(θo-θi)=Kc(θi-θo)，

(2)

其中：θo為輸出轉(zhuǎn)角，θi為目標(biāo)位置，Kc為電機(jī)結(jié)構(gòu)常數(shù).

步進(jìn)電機(jī)的電壓平衡方程和運(yùn)動(dòng)方程[10-12]分別為

u=iR+KEωr，

(3)

(4)

其中：u，i，R分別為勵(lì)磁繞組的電壓、電流、電阻;TL=iKM，KM為轉(zhuǎn)矩系數(shù)；KE為勵(lì)磁繞組的反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)；ωr為角速度；J為電機(jī)轉(zhuǎn)子的 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；B為機(jī)械阻尼系數(shù).

當(dāng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行到指定位置時(shí)，繞組上電壓為0，由式(3)得iR=KEωr.聯(lián)立式(2)～(4)得電機(jī)的傳遞函數(shù)為

(5)

其中：s為傳遞函數(shù)在頻域的變量.

系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

(6)

其中：K1=100,K2=1,Kc=603,B=6.5×10-4N·m2·s·rad-1,KM=0.35 N·m·A-1,KE=0.01 V·s·rad-1,R=0.8 Ω.

系統(tǒng)為典型2階系統(tǒng)，其閉環(huán)特征方程式為

(7)

因(7)式各項(xiàng)系數(shù)均大于0，由赫爾維茨判據(jù)可知系統(tǒng)穩(wěn)定.

4.2 原點(diǎn)定位

設(shè)備在每次運(yùn)行之前，X，Y，Z方向的步進(jìn)電機(jī)均需返回原點(diǎn)，因此需要原點(diǎn)定位[13-14].在XYZ坐標(biāo)系中，設(shè)定指向步進(jìn)電機(jī)的方向?yàn)檎较?定位過程為：直線模組的滑臺(tái)向正方向運(yùn)動(dòng)，若STM32控制器檢測(cè)到光電開關(guān)狀態(tài)變化，則可確定滑臺(tái)到達(dá)原點(diǎn).通過步進(jìn)電機(jī)和光電開關(guān)構(gòu)成的閉環(huán)控制，可提高原點(diǎn)定位精度和設(shè)備運(yùn)行效率.

4.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

以X，Y，Z軸直線模組的3臺(tái)步進(jìn)電機(jī)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象.根據(jù)實(shí)際操作中模組需要移動(dòng)的距離，目標(biāo)距離分別設(shè)定為：X方向255 mm，Y方向55 mm，Z方向37 mm.表1為目標(biāo)距離與實(shí)際距離的對(duì)比，其中M1，M2，M3分別表述X，Y，Z方向的步進(jìn)電機(jī).

表1 直線模組的目標(biāo)距離與實(shí)際距離對(duì)比

由表1可知：實(shí)際距離誤差均不超過0.2 mm，達(dá)到故障處理的要求；M1，M2，M3平均實(shí)際距離分別為254.96，54.96，36.96 mm.通過分析認(rèn)為：步進(jìn)電機(jī)和直線模組在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的震動(dòng)，以及步進(jìn)電機(jī)丟步或過沖等干擾，是實(shí)際距離與目標(biāo)距離間出現(xiàn)誤差的原因.

5 結(jié)束語

筆者運(yùn)用模塊化思想對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì).使用PyQt設(shè)計(jì)了友好的人機(jī)交互界面，便于操作.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的精準(zhǔn)度達(dá)到了故障處理設(shè)備的要求.該設(shè)備應(yīng)用于放射性籽源自動(dòng)生產(chǎn)領(lǐng)域，能提高產(chǎn)品的合格率.如何進(jìn)一步降低目標(biāo)距離與實(shí)際距離的誤差，為筆者后續(xù)研究的內(nèi)容.