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自动分析仪柔性定位与精确加样过程机械动力学研究

时间:2018-04-28 16:59来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇机械工程论文,机械工程是一门涉及利用物理定律为机械系统作分析、设计、制造及维修的工程学科。机械工程是以有关的自然科学和技术科学为理论基础,结合生产实践中
本文是一篇机械工程论文,机械工程是一门涉及利用物理定律为机械系统作分析、设计、制造及维修的工程学科。机械工程是以有关的自然科学和技术科学为理论基础,结合生产实践中的技术经验,研究和解决在开发、设计、制造、安装、运用和维修各种机械中的全部理论和实际问题的应用学科。机械工程是工学研究生教育一级学科,工程研究生教育一个领域。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇机械工程论文,供大家参考。
 
第 1 章绪论
 
1.1 课题背景及意义
自动分析仪是科研机构进行临床诊断、生化检测的必要仪器,主要应用于分子生物学、免疫学、药理学等方面的研究。自动分析仪在医疗上的应用也极为广泛,通过检测人体血液、尿液、汗液等体液中的特等的化合物的含量并结合病人的病理特征,可以帮助医生快速确定疾病位置及其发病机理,确定病人的最佳治疗方案[1-3]。自动分析仪应用光电比色原理测定样品中特定化合物含量,其综合应用了光学、热学、自动化科学、电机学、计算机等相关学科,把检测样试剂的加入、抽取、稀释过程;恒温控制;反应结果的检测、传输、打印和显示储存过程结合为一个整体。此自动分析仪有工作效率及自动化程度高、检测精度及重复性好、检测过程稳定的优点,应用领域比较广泛[4,5]。由于自动分析仪的设计研发工作涉及学科较多,技术要求也比较高。国内的科技医疗机构使用的自动分析仪器基本依靠进口,大大增大了化验成本。小型科研及医疗机构由于资金的限制,无法购买自动分析仪器,必须使用人工或者检测精度较低的分析仪器代替,影响检测精度[6,7]。现阶段,自动分析仪器技术基本被国外公司垄断,特别是精确定位控制和精确加样控制方面的相关技术更是对国内封闭。因此有必要对自动分析仪器的进给定位及其精确加样过程进行深入的研究,开发出拥有自主知识产权的检测精度高、检测速度快的自动分析仪器。这不仅能够打破国外公司对自动分析仪器的市场垄断,更能加快我过医疗行业的整体发展、提高医院及其科研机构的检测水平和改善普通百姓的就医状况。
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1.2 国内外研究现状
 
1.2.1 自动分析仪国内外研究现状
全球首次用于生化检测方面的自动分析仪是十九世纪中期美国的TECHNICON 公司生产的 Auto Analyzer(自动分析仪)。这是一台一次只能检测一个项目的单通道自动分析仪,检测结果和待检测试剂的光强度有关,通过光线的强弱可以确定检测试剂的某些物质的含量,在临床上有较为广泛的应用价值。随后自动分析仪的研究更加深入,双通道和多通道的自动分析仪器相继被研发出来。此类仪器由于其独特的优越性迅速占领市场,成为 1950-1980 年间使用数目最多检测仪器。十九世纪末,对于自动分析仪器的研究重点转移到功能优化与性能的提升上。特别是微电子技术的发展,增加了自动分析仪器的检测效率和检测精度,使得自动分析仪器能够应用在不同的研究领域[8,9]。世界上众多涉及医疗器械生产销售的企业都推出了检测种类多样、自动化程度高、运行寿命长并且功能覆盖面广的自动分析仪。目前常用的自动分析仪绝大部分采用基于模块化操作的分离式结构,例如美国的 BECKMAN(贝克曼)、ROCHE(罗氏);日本的 HITACHI(日立)、TOSHIBA(东芝)、OLYMPUS(奥林巴斯);西班牙的 BIOSYSTEM;德国的 ABBOOT(雅培)等著名公司的主流产品都是应用分离式结构,并且都对自己公司已经投产的自动分析仪器进行优化升级。分立式结构有其独特的优势,比如可以降低生化分析仪的整体尺寸、设计安装方便、检测精度和效率高等,医疗机构和大型科研院所均采用此类自动分析仪器。贝克曼公司的 CX、LX 系列和日立、奥林巴斯的系列仪器占有的市场份额较高[10,11]。
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第 2 章自动分析仪功能实现及传动电机定位控制方式选择
 
2.1 自动分析仪传动方式选择及功能实现
2.1.1 自动分析仪传动方式选择
自动分析仪移动部件的传动方式主要有基于步进电机的滚珠丝杆传动方式和基于步进电机的同步带传输方式两种。基于步进电机的滚珠丝杠传动方式,如图2.1 所示,步进电机的主轴连接在滚珠丝杠上,步进电机旋转带动滚珠丝杠旋转,由于步进电机以及导轨是固定的,因此移动平台会在滚珠丝杠螺母副的带动下移动,通过精确控制步进电机的旋转角度就能实现移动平台的精确定位。基于步进电机的同步带传动系统,如图 2.2 所示,步进电机主轴上固定有同步带轮,当步进电机旋转时带动同步带轮旋转,同步带轮与同步带啮合,因此同步带与同步带轮之间紧密配合没有相对运动,能够保证运动的精确性。相对于滚珠丝杠传动方式,基于步进电机的同步带传动方式,价格低廉,能够实现移动平台的精确定位。样品检测时,需要将试剂盘中的待检测试剂杯移动到检测装置的检测点处,检测点的光电探头恰好和试剂杯的圆面对齐,一个待检测试剂杯检测结束后,移动试剂盘使下一个待检测试剂杯对准检测机构的光电探头,重复这个步骤,知道所有的待检测试剂杯检测完成,进行下一步操作。自动分析仪工作时,往往需要检测不同的样本和不同试剂的反应结果,因此在工作时需要x轴和y轴两个方向的电机紧密配合运行,保证定位精度,特别是要保证重复运动时的定位精度。
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2.2 自动分析仪传动电机特性及定位精度影响因素
本文所研究的自动分析仪采用基于步进电机的同步带传动输送待检测反应杯到加样位置和检测位置进行加样和检测工作,影响整个系统重复定位误差的因素主要是电机的运行定位精度。柔性定位的含义包含两个方面:运动柔性及定位精度控制。对于运动柔性而言首先应考虑减小运动过程中的冲击,增加运动过程中的平滑性即运动柔性,其次要考虑的因素是对于不同的检测样品需要有不同的检测时间,这是需要步进电机更改速度以适应检测的需要。电机的运行定位精度包括单次运行定位误差和重复定位误差两个方面。因此,柔性定位主要是通过控制步进电机的响应,增加运动平滑性减小冲击,增加定位精度。步进电机是将输入的电子脉冲序列转变为角位移或者直线位移的电子机械传动装置,其输入是离散的脉冲序列,可以直接利用数字信号进行控制[43,44]。在自动分析仪器和机电类产品的应用中步进电机有其独特的优势,如价格低、机构简单、控制算法简便、没有累计误差,特别适用于机器人、数控系统中。步进电机的组成如图 2.4 所示,包括定子铁芯和转子铁芯,定子铁芯上设有电极且电极相对成 180°成对放置,电极上有用铜丝绕制的磁感线圈绕组。电机转子上均布有凹凸的齿,并缠绕有铜丝,转子加工采用永磁体材料。定子的绕组上通过电流时,会产生相应的磁场,根据电磁的性质可知,磁感线都是闭合的并且闭合方向的阻力最小,因此绕组通电后,为了使得整个线路的磁通量最小,转子的齿需要和定子的齿对齐,转子会转动一个角度。当电流在不同的相电极间连续变化时,就会产生旋转的磁场,带动转子转动[45,46]。
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第 3 章自动分析仪柔性定位建模及实验结果分析.... 17
3.1 进给定位控制曲线 ......... 17
3.2 柔性进给定位控制曲线及其数学模型建立 ........... 19
3.3 柔性进给定位脉冲曲线设计及其离散化 ............. 21
3.4 单片机控制电路及程序设计............ 24
3.5 自动分析仪柔性定位实验平台设计及器材选择....... 25
3.6 自动分析仪进给平台实验分析.......... 28
3.6.1 梯形定位曲线与柔性定位曲线定位精度对比实验分析...... 28
3.6.2 柔性定位曲线控制下移动平台重复定位精度实验分析...... 30
3.7 本章小结...... 31
第 4 章自动分析仪加样过程动力学及加样精度仿真分析......... 33
4.1 加样过程及加样系统选择.............. 33
4.2 加样精度影响因素分析..... 34
4.3 加样系统动力学分析....... 35
4.4 加样精度仿真............. 46
4.5 本章小结...... 49
第 5 章总结与展望 ....... 51
 
第 4 章自动分析仪加样过程动力学及加样精度仿真分析
 
4.1 加样过程及加样系统选择
自动分析仪的加样过程是一个复杂的液路系统加入样品的过程,液体管路系统一般包括加样泵体、连接管路、阀门、加样针、试剂反应杯体等,常用加样管路系统有蠕动泵加样系统和注射泵加样系统[55, 56]。蠕动泵加样系统原理如图 4.1 所示,蠕动泵内部穿过软管,滚轮转动时,挤压的软管部分会产生负压,内部形成真空,液体在这个真空负压的作用下被吸入软管内,在蠕动泵滚轮连续旋转的作用下,液体被挤出软管,达到加样或者抽取液体的目的。由于蠕动泵本身的因素,工作过程中会产生枕形流体,软管振动较大,影响加样的精度,蠕动泵的加样精度一般在毫升级,在精确加样时通常不选择蠕动泵加样系统。注射泵加样系统,如图 4.2 所示,系统主要由注射泵、三通阀、加样针等组成。注射泵是一种微量高精度加样泵,主要有步进电机、注射器、主控板、固定装置组成,加样时步进电机带动专用注射器连接杆运动,通过三通阀实现待加入检测试剂的抽取和加入工作。为了增加注射泵的加样精度,注射桶的设计直径随着加样精度的增大逐渐减小,当需要加入的试剂含量较大时,活塞的运行距离也会变长。注射泵加样系统加样精度比蠕动泵加样系统的加样精度高很多。当反应试剂杯移动到加样针的加样位置时,注射泵开始工作,反应液体通过液路系统加注到反应杯体中。根据检测样本的不同,试剂加入量也不同。加入样品的含量与所需的精度有一定的关系,一般情况下加入的样品量越多精度越小,在加样系统中偏差需要控制在 2%以内。
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总结
 
本文主要对自动分析仪的进给进给机构柔性定位和加样系统的动力学进行了研究。自动分析仪定位方面主要对不同进给定位曲线进行了分析,推导出步进电机柔性进给定位曲线,对自动分析仪进给实验平台进行了设计,对柔性定位曲线控制下的实验平台进行了实验分析,确定了柔性定位曲线能够保证自动分析仪的定位精度。分析了加样过程中的精度影响因素,对加样系统的加样过程进行了动力学分析,对模型中的影响因素进行了仿真,研究不同因素对加样精度的影响。课题主要研究成果如下:
1)介绍了基于步进电机的滚珠丝杠传动和同步带传动两种常用的传动结构,并根据所研究的自动分析仪的实际情况选取了步进电机同步带传动方案;分析了影响定位精度的因素,对进给定位用步进电机的主要特性和控制方法进行分析,最后确定了自动分析仪传动步进电机定位控制方式。分析常用的进给定位控制曲线,推导柔性进给定位的控制模型;对柔性定位速度控制曲线进行转换得到步进电机脉冲控制曲线,对脉冲曲线进行离散化处理,确定主控芯片发脉冲方式并对步进电机的控制流程进行了设计;设计自动分析仪进给实验平台,协助生产组装,对自动分析仪实验平台进行实验分析,进行柔性定位曲线和梯形定位曲线控制下移动平台运动精度对比实验和柔性定位曲线控制下移动平台的重复定位实验,确定了柔性定位控制方式下的冲击小、定位精度高能够满足实际运行条件。
2)介绍常用的加样系统,并根据实际条件确定了研究所用的加样系统;逐个分析了加样过程中对加样精度的影响因素;计算并确定了加样管路流体的流动状态,并分析了加样过程中的流固耦合因素建立了液固耦合振动模型;然后分析了加样过程中的液阻、液感、液容等影响因素,对加样过程中的流体动力学进行分析;应用 Simulink 搭建仿真平台,对不同粘度、不同加样管路长度、不同加样管路直径和不同加样量对加样精度的影响进行仿真。
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参考文献(略)
(责任编辑:quanlei_cai)
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