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      基于伺服控制的平皿自動分裝系統(tǒng)研究

      2018-01-18 09:02:55
      制造業(yè)自動化 2017年9期
      關(guān)鍵詞:雙路平皿堆棧

      (上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)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(gè)領(lǐng)域微生物檢測必備的器材。在現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(jì)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(shí),實(shí)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(jī)構(gòu),適用于市面上大部分平皿,適用性更廣泛。同時(shí)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(jì),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(yùn)行更加穩(wěn)定可靠。

      1 整體機(jī)構(gòu)及工作流程

      平皿自動分裝系統(tǒng)分為吸盤式開蓋機(jī)構(gòu)和單孔雙路堆棧機(jī)構(gòu)兩部分。吸盤式開蓋機(jī)構(gòu)是以真空吸盤的內(nèi)外壓強(qiáng)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(jī)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(jī)轉(zhuǎn)動精確角度,實(shí)現(xiàn)單平皿的分離和重堆棧。如圖1所示為其整體機(jī)構(gòu)原理圖。

      圖1 整體機(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)(俯視圖觀看)30°,升降平臺下降一個(gè)平皿的厚度,然后旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)30°,至此單個(gè)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(jī)逆時(shí)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(jī)順時(shí)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(shí)針旋轉(zhuǎn)30°,升降平臺再次上升一個(gè)平皿的厚度,旋轉(zhuǎn)升降平臺復(fù)位。重復(fù)進(jìn)行上述動作,可完成7個(gè)平皿堆棧的分裝,整個(gè)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(jì)

      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(jìn)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(qiáng);

      Ad為有效吸附面積;

      Fh為水平負(fù)載;

      Fr為吸盤與被吸持物之間的摩擦力;

      Fv為垂直負(fù)載。

      1)靜態(tài)負(fù)載受力分析

      當(dāng)吸盤吸持被吸持物體且處于靜止時(shí),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(jìn)行受力分析,由平衡條件可知,吸力與垂直負(fù)載之間的關(guān)系為:

      2)動態(tài)負(fù)載受力分析

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

      當(dāng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)勻速運(yùn)動時(shí),受力處于平衡狀態(tài):

      又因?yàn)槟Σ亮Φ扔谡驂毫Τ艘曰瑒幽Σ料禂?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(fù)載之間的關(guān)系為:

      為保證吸持的安全,在計(jì)算過程中還應(yīng)考慮安全系數(shù)α,在水平吸吊時(shí)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(gè)數(shù)。

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

      圖3 真空度與到達(dá)時(shí)間函數(shù)曲線

      為提高吸吊能力,同時(shí)降低真空度的到達(dá)時(shí)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(shí)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(shí)際吸力大約為0.15kg~0.2kg之間,而單個(gè)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(jī)和連桿組成的旋轉(zhuǎn)部分。工作時(shí),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(shí),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(fù)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(fù)責(zé)驅(qū)動真空隔膜泵和舵機(jī)運(yùn)行,舵機(jī)則負(fù)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(jī)構(gòu)

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

      圖5 堆棧機(jī)構(gòu)系統(tǒng)示意圖

      4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

      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(jìn)行控制操作和實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的一些狀態(tài)信息(如運(yùn)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(shí)時(shí)監(jiān)控,方便工作人員操作和管理。上位機(jī)軟件與下位機(jī)通過RS232串口進(jìn)行通信,并采用

      圖6 平皿分裝控制系統(tǒng)框圖

      【】【】CRC進(jìn)行通信校驗(yàn),防止數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤。上位機(jī)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(jì);同時(shí)PLC可接收上位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù),并根據(jù)數(shù)據(jù)信息進(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)行計(jì)數(shù)對比,防止伺服電機(jī)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(jì)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(jì)算出器件選型參數(shù),實(shí)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(jī)聯(lián)合控制實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)快速精確的角度轉(zhuǎn)動,采用軟硬件結(jié)合實(shí)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(yùn)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(jì)與應(yīng)用[J].液壓與氣動,2004(3):48-49.

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

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