闞 鑫，張 濤，王 威

(安徽大學 電氣工程與自動化學院,安徽 合肥 230601)

近距離放射技術治療惡性腫瘤有顯著效果，為攻克惡性腫瘤提供了支持.因為125I籽源持續(xù)產(chǎn)生的低水平輻射能使腫瘤細胞 DNA 鏈斷裂,進而使腫瘤細胞死亡，所以放射性125I籽源治療腫瘤效果良好[1].為推廣應用，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[2]提出了放射性125I籽源自動裝配裝置的設計方案，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、控制及檢測模塊.由于裝置結(jié)構(gòu)復雜，一旦某零件發(fā)生故障，設備停止運行，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，筆者設計與實現(xiàn)故障處理設備，以提高生產(chǎn)效率.

1 總體架構(gòu)

設備由機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)構(gòu)成.機械結(jié)構(gòu)包括：機體固件和夾放結(jié)構(gòu).控制系統(tǒng)包括：電源、上位機、STM32控制器及步進電機驅(qū)動器等.

在機械結(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)成機體固件；4臺步進電機及其對應的部件組成夾放結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)故障下落通道的更換.在控制系統(tǒng)中，通過程序控制步進電機的啟停；反饋步進電機的位置信號給STM32控制器，實現(xiàn)信號處理.

2 機械結(jié)構(gòu)設計

2.1 總體結(jié)構(gòu)

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

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

1-平板底座；2-Y軸直線模組；3-聯(lián)軸器；4-步進電機；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；11-L形裝訂板；12-X軸直線模組.圖1 設備的機械結(jié)構(gòu)

2.2 模塊功能和實施流程

設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)臺組成，通過步進電機實現(xiàn)旋轉(zhuǎn).直線滑行模塊由X，Y，Z軸直線模組組成.通過程序控制步進電機，使絲桿與夾具協(xié)同運動，完成故障下落通道的更換.通過3種直線模組，可實現(xiàn)設備X，Y，Z軸方向的運動.X軸直線模組安裝在平板底座，其內(nèi)部滑臺與L形裝訂板的底座相連；Y軸直線模組與電控旋轉(zhuǎn)臺連接，旋轉(zhuǎn)臺頂部安裝U形夾具；Z軸直線模組通過法蘭與L形裝訂板豎直連接.

實際運行中，X軸直線模組的運動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軸直線模組的運動方向和距離，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，使U形夾具抬起故障下落通道.X，Y，Z軸直線模組的協(xié)作運行，使U形夾具移動至側(cè)面通道支架.通過電控旋轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)，讓故障下落通道置于側(cè)面通道支架.電控旋轉(zhuǎn)臺繼續(xù)運轉(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)作運行，完成故障下落通道的更換.

3 控制系統(tǒng)設計

3.1 控制系統(tǒng)硬件

控制系統(tǒng)硬件由主控制器模塊、通信模塊和步進電機模塊組成.嵌入式控制技術具有成本低、功能強的優(yōu)點,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；通信模塊負責上位機與STM32控制器的通信，控制驅(qū)動器驅(qū)動步進電機，接收上位機指令，輸出控制信號；步進電機模塊由步進電機和DD2305M，SH20403驅(qū)動器組成.圖2為驅(qū)動方案示意圖，其中M表示電機.

圖2 驅(qū)動方案示意圖

3.2 控制系統(tǒng)軟件

Python是一種功能強大的跨平臺解釋性的腳本語言， Qt是C++跨平臺應用程序框架，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，兼容多個開發(fā)平臺，如Linux，macOS，Windows等操作系統(tǒng)[8-9].PyQt擁有620個類和6 000個函數(shù)，語法簡潔，易于開發(fā)人員理解，多用于實時圖像處理、模式識別和計算機視覺等.

通過PyQt中IDE軟件，生成可執(zhí)行的Python代碼，對圖形操作界面進行設計.結(jié)合設備的運行邏輯，完成控制模塊的設計，實現(xiàn)相關功能.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)臺的步進電機.

圖3 圖形操作界面

3.3 控制流程

設備要求各步進電機帶動的直線模組完成既定路徑，準確到達相應位置，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，上位機發(fā)出指令，STM32控制器接收指令，將距離信號L轉(zhuǎn)化為運行步數(shù)N；計算X，Y，Z軸對應電機的運行時間t和預分頻值M，把M賦給定時器TIM，定時器發(fā)出PWM信號；設定步進電機運動距離及其誤差， 運行t時間后得到步進電機反饋的距離，若誤差大于設定誤差，則計算M和t，以此重復，直至完成既定動作.

圖4 控制流程

4 數(shù)學模型及實驗驗證

4.1 數(shù)學模型

步進電機的靜態(tài)整步轉(zhuǎn)矩的表達式[10]為

(1)

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

對Tc進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為目標位置，Kc為電機結(jié)構(gòu)常數(shù).

步進電機的電壓平衡方程和運動方程[10-12]分別為

u=iR+KEωr，

(3)

(4)

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

當步進電機運行到指定位置時，繞組上電壓為0，由式(3)得iR=KEωr.聯(lián)立式(2)～(4)得電機的傳遞函數(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 原點定位

設備在每次運行之前，X，Y，Z方向的步進電機均需返回原點，因此需要原點定位[13-14].在XYZ坐標系中，設定指向步進電機的方向為正方向.定位過程為：直線模組的滑臺向正方向運動，若STM32控制器檢測到光電開關狀態(tài)變化，則可確定滑臺到達原點.通過步進電機和光電開關構(gòu)成的閉環(huán)控制，可提高原點定位精度和設備運行效率.

4.3 實驗驗證

以X，Y，Z軸直線模組的3臺步進電機為實驗對象.根據(jù)實際操作中模組需要移動的距離，目標距離分別設定為：X方向255 mm，Y方向55 mm，Z方向37 mm.表1為目標距離與實際距離的對比，其中M1，M2，M3分別表述X，Y，Z方向的步進電機.

表1 直線模組的目標距離與實際距離對比

由表1可知：實際距離誤差均不超過0.2 mm，達到故障處理的要求；M1，M2，M3平均實際距離分別為254.96，54.96，36.96 mm.通過分析認為：步進電機和直線模組在運動過程中產(chǎn)生的震動，以及步進電機丟步或過沖等干擾，是實際距離與目標距離間出現(xiàn)誤差的原因.

5 結(jié)束語

筆者運用模塊化思想對機械結(jié)構(gòu)進行了設計.使用PyQt設計了友好的人機交互界面，便于操作.實驗結(jié)果表明步進電機運動的精準度達到了故障處理設備的要求.該設備應用于放射性籽源自動生產(chǎn)領域，能提高產(chǎn)品的合格率.如何進一步降低目標距離與實際距離的誤差，為筆者后續(xù)研究的內(nèi)容.