何德，何毅斌，李晶

三維自動進樣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與運動學分析

何德，何毅斌*，李晶

（武漢工程大學 機電工程學院，湖北 武漢 430074）

數(shù)字PCR設(shè)備三維自動取樣系統(tǒng)是完成數(shù)字PCR檢測儀設(shè)備核心結(jié)構(gòu)。根據(jù)電子設(shè)備高精密度和緊促性要求，以絲桿步進電機與滑動導(dǎo)軌相結(jié)合的驅(qū)動設(shè)計方式能夠有效提高機器工作精度、降低運動噪音。取樣針采用雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計，使設(shè)備能夠有效實現(xiàn)無污染反復(fù)取樣，并能夠?qū)崿F(xiàn)自動清洗。利用多剛體運動學理論，通過ADAMS軟件完成三維運動系統(tǒng)的運動學仿真，結(jié)果證明了系統(tǒng)運行的精密性和可靠性，運動能滿足要求。

數(shù)字PCR檢測儀；自動進樣；取樣針；ADAMS

數(shù)字PCR檢測技術(shù)作為最新一代聚合酶鏈式反應(yīng)（Polymerase Chain Reaction，PCR）技術(shù)，對生物基因檢測不依賴標準曲線而能達到絕對定量、實驗精度高，在基因檢測領(lǐng)域有巨大應(yīng)用前景。三維取樣系統(tǒng)的設(shè)計與研究是重要環(huán)節(jié)，本文設(shè)計以絲桿步進電機與滑動導(dǎo)軌相結(jié)合方式、結(jié)構(gòu)緊促、精密度高的三維取樣進樣系統(tǒng)，采用雙層取樣針實現(xiàn)采樣的反復(fù)進行。對其結(jié)構(gòu)進行運動仿真，得出取樣針各個方向位移、加速度的變化，驗證滿足設(shè)計要求。

1 三維取樣平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 驅(qū)動方式選擇

目前實現(xiàn)三維機構(gòu)傳動目前主要有三種方式[1]：步進電機與皮帶輪（同步輪）設(shè)計；絲桿步進電機（伺服電機）與直線滑動導(dǎo)軌；兩種方式混合使用。絲桿電機通過脈沖信號控制電機運動，能保證運動的穩(wěn)定性和高精度要求。同時由于電機運動路程較短，采用絲桿步進電機作為系統(tǒng)的驅(qū)動力，直線導(dǎo)軌相比于皮帶輪傳動平穩(wěn)性更高，更能滿足系統(tǒng)的高精度要求。因此，選用本設(shè)計選用絲桿步進電機和直線滑動導(dǎo)軌的驅(qū)動方式，來控制三維系統(tǒng)的運動。

1.2 取樣針的設(shè)計

取樣針是取樣系統(tǒng)的核心部件，取樣針通過連接件固定在軸運動方向上，為保證取樣的反復(fù)進行，設(shè)計為內(nèi)層和外層的雙層針（圖1），內(nèi)層用于取樣，外層主要用于取樣完成后通清洗液清洗取樣針內(nèi)層外壁、以防止試劑間的相互干擾。工作時，內(nèi)層連接負壓機構(gòu)進行負壓取樣，取樣完成后，外層連接正壓機構(gòu)通清洗液對取樣針內(nèi)層外壁進行清洗。取樣針內(nèi)外壁保持光潔，焊接處選用A022不鑄鋼焊絲，焊接完成后拋光處理。取樣針外層使用PTFE鍍層加工和金屬渡層加工，PTFE渡層加工可增強防水性、減少交叉污染。取樣針內(nèi)層內(nèi)外徑為0.6 mm和1 mm，外層內(nèi)外徑為1.4 mm與1.8 mm。材料選用316L不銹鋼，具有很好的防腐蝕性能。取樣針零件如圖1所示。

1.3 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

運動平臺采用組裝式原則，、、三個方向相互垂直，根據(jù)運動范圍確定軸機構(gòu)設(shè)計，再確定軸，最后確定軸。通過有序設(shè)計和計算保證設(shè)計過程合理性與可靠性，所以從下至上三個方向上主動件和從動件的運動方式可設(shè)定為笛卡兒坐標系中的、、三軸向。由于三軸的裝配關(guān)系直接影響整體運行的精度，故各部件的接觸表面都要求保持相應(yīng)的精度。通過三維取樣平臺的驅(qū)動系統(tǒng)，、、軸電機與滑動導(dǎo)軌分別控制整個機構(gòu)的、、運動。絲桿連接末端通過彈性管套連接，降低系統(tǒng)運行時的震動強度。連接取樣針軸臂上有壓力傳感器，當針頭壓力過大時可通過壓力傳感器反饋使整個機器停止工作。在每個軸的運動方向上，通過槽式光電開關(guān)確定零點位置，通過限位柱限定系統(tǒng)的最大運行路程，防止系統(tǒng)出現(xiàn)故障而產(chǎn)生更大的破壞，從而實現(xiàn)機構(gòu)通過三維空間的任意位置。整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 取樣針零件圖

圖2 三維運動機構(gòu)整體結(jié)構(gòu)圖

2 基于ADAMS的運動學仿真

2.1 三維運動機構(gòu)仿真模型的建立

做運動學仿真之前需構(gòu)件物理模型，通過對部分零部件進行一定抽象和簡化，將固定螺栓和不重要零件去掉，為構(gòu)建運動學模型提供實體模型。在Creo軟件中輸出.X_T文件導(dǎo)入ADAMS。多剛體系統(tǒng)運動學模型中部件（part）的定義并不一定要與實際工程零部件一一對應(yīng)，通常只將與運動形態(tài)密切相關(guān)的零部件定義為部件，而與運動無關(guān)的零部件通過合并操作進行組合形成一個構(gòu)件，從而減少整個運動系統(tǒng)的構(gòu)件數(shù)，以降低運動學模型的復(fù)雜程度[2]。

主要步驟為：①定義材料屬性，選擇材料為steel；②重命名部件；③將相對位置不變的零部件創(chuàng)建固定副，在電機軸與固定板上創(chuàng)建圓柱副、在滑動導(dǎo)軌上創(chuàng)建移動副；④在移動副上添加驅(qū)動，設(shè)置驅(qū)動函數(shù)；⑤設(shè)置求解器。

三維運動機構(gòu)多剛體運動學模型[3]中所有的零部件都是采用不會變形的剛體，通過運動副的相互約束將處于自由狀態(tài)的零部件連接構(gòu)具有相對運動關(guān)系的機構(gòu)，并設(shè)置滑移副、旋轉(zhuǎn)副等運動副的主從運動關(guān)系，設(shè)置固定副固定元件，最后通過添加驅(qū)動使得整個的機構(gòu)自由度為0。

2.2 多剛體運動機構(gòu)仿真

由實際工作過程可知，三維運動平臺需要、、三個方向上的運動，需要三個運動控制 Motion來實現(xiàn)，通過測量取樣針到達取樣點三個方向的距離，確定、、三個方向的運動距離。、方向同時進行，到達取樣點上方后再移動軸。通過驅(qū)動程序控制電機的運行速度和時間，三維機構(gòu)運動參數(shù)如表1所示。

表1 三維機構(gòu)運動參數(shù)

將運動參數(shù)方程輸入Motion中，模擬一個完整取樣過程，選擇GSTIFF積分器進行求解，通過后處理，選擇最后分析，選擇結(jié)果分析，選擇取樣針，分量選擇速度和加速度，得出取樣針的加速度和位移曲線如圖3所示?？芍?，在18 s的一個取樣流程內(nèi)，取樣針沿軸方向往復(fù)運動60 mm、沿軸方向往復(fù)運動50 mm、沿軸方向往復(fù)運動25 mm，剛好完成一層完整的取樣，加速度分別為15 mm/s2、12.5 mm/s2、6.25 mm/s2。由唯一曲線可知在8～10 s時間段內(nèi)，、、方向位置沒有發(fā)生變化，取樣針在定點取樣，運動仿真過程滿足需求。

圖3 取樣針加速度與位移仿真圖

3 小結(jié)

雙層取樣針的設(shè)計能夠很好地滿足重復(fù)進樣而又不會帶來污染，光電傳感器和限位柱的使用能夠保證運動精度的準確性，通過以絲桿步進電機和直線滑動導(dǎo)軌為驅(qū)動部件的三維取樣平臺滿足了取樣系統(tǒng)的高精度需求。最后通過ADAMS運動學仿真，反應(yīng)出了運動的真實工作情況，與實驗預(yù)期結(jié)果相同，驗證了三維自動取樣系統(tǒng)的可靠性，滿足了設(shè)計要求。

[1]莫易敏，魏麗娜，姜宏霞，等. 微型汽車離合器操縱機構(gòu)傳動比的研究[J]. 機械研究與應(yīng)用，2009，3（2）：26-28.

[2]李堅. 單立柱有軌巷道式堆垛機結(jié)構(gòu)及多體系統(tǒng)動態(tài)仿真分析[D]. 重慶：重慶大學，2006.

[3]呂博. CT-SIM激光燈定位系統(tǒng)的設(shè)計研究[D]. 沈陽：沈陽建筑大學，2011.

Structural Design and Kinematics Analysis of 3D AutoSampling System

HE De，HE Yibin，LI Jing

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan430074 , China )

Digital PCR equipment, three-dimensional automatic sampling system is to complete the core structure of the PCR detector device, according to the high precision of electronic equipment and tightening requirements, to study the screw stepper motor and sliding guide combination of drive design, can effectively improve Machine work accuracy, reduce movement noise. Sampling needle with double-layer structure design, so that equipment can effectively achieve repeated pollution-free sampling, and can achieve automatic cleaning. The kinematic simulation of the three - dimensional motion system is completed by ADAMS software. The results show that the system is accurate and reliable, and the kinetic energy can meet the requirements.

digital PCR detector；autosampling；sampling needle；ADAMS

TP216

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.03.011

1006－0316 (2018) 03－0043－03

2017－06－12

何德（1992－），男，湖北咸寧人，工學碩士，主要研究方向為生物分析儀器。

何毅斌（1966－），男，湖北武漢人，工學博士，教授，主要研究方向為機械設(shè)計仿真及輕量化。