基于伺服控制的平皿自動分裝系統(tǒng)研究

（上海理工大學(xué) 光電信息與計算機工程學(xué)院，上海 200093）

0 引言

平皿是制藥、食品、疾控、醫(yī)療等多個領(lǐng)域微生物檢測必備的器材。在現(xiàn)代實驗室中，各類無菌培養(yǎng)基的分裝是必不可少的，因此平皿自動分裝系統(tǒng)被廣泛地應(yīng)用于菌落樣本的生產(chǎn)制備過程中。平皿自動分裝系統(tǒng)可高效地完成平皿的分裝，與手動分裝方式相比，該系統(tǒng)的使用降低了操作者的勞動強度，并提高了分裝效率和精度[1,2]。

傳統(tǒng)平皿自動分裝系統(tǒng)利用平皿上蓋與下盤直徑差的構(gòu)造，設(shè)計了內(nèi)直徑大于下盤而小于上蓋的開蓋裝置，當(dāng)平皿沿該裝置中心線水平下落時，實現(xiàn)上蓋與下盤分離，該開蓋方式只適合一種規(guī)格的平皿。本系統(tǒng)采用了吸盤式開蓋結(jié)構(gòu)和單孔雙路堆棧機構(gòu)，適用于市面上大部分平皿，適用性更廣泛。同時采用全閉環(huán)PLC伺服控制、電氣結(jié)合的動力輸出方式和傳感器反饋程序設(shè)計，提高了系統(tǒng)工作效率和精度以及自動處理緊急情況的能力，使系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定可靠。

1 整體機構(gòu)及工作流程

平皿自動分裝系統(tǒng)分為吸盤式開蓋機構(gòu)和單孔雙路堆棧機構(gòu)兩部分。吸盤式開蓋機構(gòu)是以真空吸盤的內(nèi)外壓強差特性為理論依據(jù)將平皿上蓋吸附并打開；單孔雙路堆棧機構(gòu)用于大量平皿的有序羅列，其主要核心是控制伺服電機轉(zhuǎn)動精確角度，實現(xiàn)單平皿的分離和重堆棧。如圖1所示為其整體機構(gòu)原理圖。

圖1 整體機構(gòu)原理圖

平皿自動分裝系統(tǒng)的工作流程為：1）復(fù)位，PLC控制器接收來自各傳感器的反饋信息，依據(jù)信息輸出控制信號，使各機構(gòu)復(fù)位；2）單平皿分離，升降平臺上升至平皿支撐盤同平面位置，盛放平皿堆棧的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)逆時針旋轉(zhuǎn)（俯視圖觀看）30°，升降平臺下降一個平皿的厚度，然后旋轉(zhuǎn)機構(gòu)順時針旋轉(zhuǎn)30°，至此單個平皿被分離出來；3）平皿開蓋，升降平臺下降至初始位置，舵機逆時針旋轉(zhuǎn)90°，使真空吸盤處于被分離的平皿正上方，升降平臺上升適當(dāng)高度，使平皿上蓋緊貼真空吸盤，使真空吸盤吸附上蓋，升降平臺下降至初始位置，至此平皿開蓋完成；4）培養(yǎng)基注入，啟動蠕動泵向下盤內(nèi)注入培養(yǎng)基；5）平皿關(guān)蓋，升降平臺上升至適當(dāng)高度，操作電磁閥，使真空吸盤內(nèi)充入氣體使平皿下落；6）平皿重堆棧，舵機順時針旋轉(zhuǎn)90°復(fù)位，升降平臺上升至適當(dāng)高度，旋轉(zhuǎn)升降平臺順時針旋轉(zhuǎn)30°，升降平臺再次上升一個平皿的厚度，旋轉(zhuǎn)升降平臺復(fù)位。重復(fù)進行上述動作，可完成7個平皿堆棧的分裝，整個過程PLC接收各傳感器檢測的位置和角度信息。

2 開蓋電氣回路設(shè)計

2.1 真空吸盤特性分析

如圖2所示為平皿開蓋系統(tǒng)中真空吸盤部分的力學(xué)模型示意圖，真空吸盤吸持通常有水平吸持和垂直吸持兩種方式，本文采用的是水平吸持的方式，并會基于該方式對真空吸盤的受力進行靜態(tài)和動態(tài)分析[3～6]。

圖2 真空吸盤受力示意圖

圖中各參數(shù)如下：

Fs為氣缸可以產(chǎn)生的吸力；

Fd為作用在吸盤上表面的壓強；

Ad為有效吸附面積；

Fh為水平負載；

Fr為吸盤與被吸持物之間的摩擦力；

Fv為垂直負載。

1）靜態(tài)負載受力分析

當(dāng)吸盤吸持被吸持物體且處于靜止時，x方向（水平方向）的摩擦力和其他力均為0，只需對y方向（豎直方向）進行受力分析，由平衡條件可知，吸力與垂直負載之間的關(guān)系為：

2）動態(tài)負載受力分析

本文設(shè)計的吸持裝置在吸附起平皿上蓋時，連接真空吸盤的連桿會有45°的旋轉(zhuǎn)移動動作，此時靜態(tài)受力分析將不再適用，需要進行動態(tài)分析：

設(shè)旋轉(zhuǎn)角速度為ω，旋轉(zhuǎn)半徑r，吸附時間t，則：

角加速度：a=ω×t。

離心力：FZ=mω2r。

切向力：Ft=mar。

因此，水平負載為：

當(dāng)旋轉(zhuǎn)機構(gòu)勻速運動時，受力處于平衡狀態(tài)：

又因為摩擦力等于正向壓力乘以滑動摩擦系數(shù)μ，在該系統(tǒng)中即為吸盤上表面受到的壓力乘以摩擦系數(shù)，則，代入式(2)得x方向平衡關(guān)系如下：

y方向平衡關(guān)系如下，即吸力與垂直負載之間的關(guān)系為：

為保證吸持的安全，在計算過程中還應(yīng)考慮安全系數(shù)α，在水平吸吊時α≥4，則吸盤直徑應(yīng)為：

式中：D吸盤直徑，m被吸持物質(zhì)量，n吸盤個數(shù)。

通常，吸盤內(nèi)的真空度不能達到氣泵最大真空度的100%，只有63%～95%，且到達真空度不能瞬時到達，有一段延遲時間，如圖3所示。

圖3 真空度與到達時間函數(shù)曲線

為提高吸吊能力，同時降低真空度的到達時間，本文選擇真空度為70%。則為滿足要求吸盤直徑由于吸附時有效吸附面積要小于選用的吸盤面積，因此本文選取的吸盤面積為6mm。則理論上可產(chǎn)生的吸力為實際吸力大約為0.15kg～0.2kg之間，而單個平皿上蓋（玻璃材質(zhì)）的質(zhì)量只有該數(shù)值的20%，因此能夠保證安全的吸附。

2.2 開蓋電氣回路組成

如圖4所示為開蓋電氣回路系統(tǒng)圖，該電氣回路由兩部分組成，一部分是由真空吸盤、氣壓傳感器、電磁閥和隔膜泵組成的氣動開蓋裝置，另一部分是由舵機和連桿組成的旋轉(zhuǎn)部分。工作時，先由真空吸盤將平皿的上蓋與下盤分離，為防止吸附在吸盤上的上蓋脫落，在真空隔膜泵抽氣時，將五通二位電磁閥的電磁鐵接通右位，使氣動軟管封閉，以保證吸盤內(nèi)外存在較大壓差。氣壓傳感器負責(zé)檢測真空吸盤內(nèi)的氣壓值，并把數(shù)據(jù)傳送給PLC控制器，如果氣壓增大至閾值，啟動隔膜泵和控制電磁閥，使真空吸盤內(nèi)部氣壓保持在合理區(qū)間。驅(qū)動器負責(zé)驅(qū)動真空隔膜泵和舵機運行，舵機則負責(zé)驅(qū)動連接吸盤的連桿旋轉(zhuǎn)固定的角度[7]。

圖4 開蓋電氣回路系統(tǒng)圖

3 單孔雙路堆棧機構(gòu)

如圖5所示為堆棧機構(gòu)系統(tǒng)示意圖，其中單孔雙路堆棧機構(gòu)包括兩部分，一部分是由旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、編碼器、支撐盤、伺服電機及其動力傳輸機構(gòu)組成的旋轉(zhuǎn)部分；另一部分是由推桿電機、升降平臺和電磁接近傳感器組成的升降部分。工作時，編碼器檢測旋轉(zhuǎn)機構(gòu)轉(zhuǎn)動的角度并反饋給PLC控制器，伺服電機經(jīng)動力傳輸部分驅(qū)動旋轉(zhuǎn)機構(gòu)轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)機構(gòu)帶動其內(nèi)部的平皿在支撐盤上滑動；電磁接近傳感器檢測升降平臺的位置，推桿電機驅(qū)動升降平臺及其上方的平皿上下移動。

圖5 堆棧機構(gòu)系統(tǒng)示意圖

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計

如圖6所示為以PLC為控制核心的控制系統(tǒng)框圖，其控制系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103ZET6作為可編程控制器，杭州MOVING公司生產(chǎn)的YZ-ACSD系列的伺服驅(qū)動，廣東ALIENTEK公司的ATK-7'電容觸摸屏，歐姆龍E6B2-CWZ6C1000P/R編碼器，北京星儀傳感器公司的CYYZ11-HK氣壓傳感器，以及亞德客CS1-M-020系列磁性感應(yīng)開關(guān)。觸摸屏可以用來進行控制操作和實時顯示系統(tǒng)的一些狀態(tài)信息（如運行步驟、平皿數(shù)量、故障警告、真空吸盤壓力、旋轉(zhuǎn)角度等），對系統(tǒng)穩(wěn)定性實時監(jiān)控，方便工作人員操作和管理。上位機軟件與下位機通過RS232串口進行通信，并采用

圖6 平皿分裝控制系統(tǒng)框圖

【】【】CRC進行通信校驗，防止數(shù)據(jù)傳輸錯誤。上位機接收PLC傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并保存和生成文件，供工作人員查看和統(tǒng)計；同時PLC可接收上位機傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)信息進行相應(yīng)控制[8～10]。

圖7為PLC可編程控制器、伺服驅(qū)動器和伺服電機電路連接圖，其中PB0為高速脈沖發(fā)生引腳，向伺服驅(qū)動器的PU-端口輸出脈沖信號，通過改變脈沖頻率和數(shù)量控制電機轉(zhuǎn)動速度和總角度；PB1引腳與DIR-相連，通過改變PB1的高低電平控制電機轉(zhuǎn)動方向；PB2引腳與EN-相連，通過改變PB2的高低電平控制電機轉(zhuǎn)動和停止；PC8和PC9引腳分別接收來自PF1和PF2引腳的編碼器脈沖反饋信號，并進行計數(shù)對比，防止伺服電機發(fā)生失步現(xiàn)象。

圖7 PLC與伺服驅(qū)動接線圖

5 結(jié)束語

本文針對不同直徑規(guī)格的平皿在使用過程中開蓋注液和堆棧分裝的問題，設(shè)計了基于伺服控制的平皿自動分裝系統(tǒng)。分析了開蓋電氣回路的工作特性，計算出器件選型參數(shù)，實現(xiàn)了不同直徑規(guī)格的平皿準(zhǔn)確開蓋的問題。利用PLC和伺服電機聯(lián)合控制實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)機構(gòu)快速精確的角度轉(zhuǎn)動，采用軟硬件結(jié)合實現(xiàn)了系統(tǒng)的可靠性和操作的簡單性，結(jié)果表明系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，效果良好。

[1]韋紹龍,周維,黃素梅,等.一種培養(yǎng)基自動分裝器,CN1056678 51A[P].2016.

[2]賈曦,丁照華,方志軍,等.一種平皿自動清潔裝置,CN204134 970U[P].2015.

[3]李雪梅,曾德懷,丁峰.真空吸盤的設(shè)計與應(yīng)用[J].液壓與氣動,2004(3):48-49.

[4]徐平安.真空吸盤在數(shù)控加工中的研究和應(yīng)用[J].昌河科技,2007(1):5-8.

[5]于鴻立.氣動回路流量特性參數(shù)的計算方法[J].液壓與氣動,2010(9):4-7.

[6]應(yīng)利偉,張朋奇,楊亞林,等.隔膜真空泵傳動機構(gòu)平衡計算及性能仿真[J].現(xiàn)代機械,2015(4):17-20.

[7]董曉嵐.PLC控制氣動回路系統(tǒng)斷電回路動作分析[J].液壓氣動與密封,2013,33(3):68-70.

[8]Jiang F Y, Hai-Ming X U. The Application of PLC in Industry Distribute Control System[J].Mechanical & Electrical Engineering Magazine,2000.

[9]于兆凱.基于STM32的永磁同步電機伺服系統(tǒng)的研究[D].浙江大學(xué),2012.

[10]Barbosa R S, Machado J A T, Jesus I S.On the Fractional PID Control of a Laboratory Servo System[J].IFAC Proceedings Volumes,2008,41(2):15273-15278.