中藥飲片的等分機構及其控制系統設計

王 沖 張志強 婁唯佳

中藥飲片的等分機構及其控制系統設計

王 沖 張志強 婁唯佳

（北京信息科技大學機電工程學院，北京100192）

針對中藥房在中藥飲片稱量中使用的等分機構，對其機械結構和控制系統進行了設計分析，彌補了原來中藥調配“手抓戥稱”工作模式效率低、誤差大的缺陷，為中藥房的稱量工作實現自動化提供了解決方案。

中藥飲片；等分機構；機械結構；工作流程；控制系統；設計

0 引言

長期以來，傳統中藥房一直依靠人工估算的“手抓戥稱”的中藥調配工作模式，不僅工作量大、效率低，而且誤差大、患者等待時間較長。

現根據中藥飲片的種類、形狀、特性，以經過預處理、黏性較小的常用中藥飲片為基礎，設計了一款針對中藥飲片的等分機構。

1 中藥等分機構的機械結構

中藥等分系統是機電一體化系統，其主要由機械結構和控制系統組成。

1.1 中藥等分機構的機械結構組成

中藥等分機構的機械結構如圖1所示。等分板位于輸送帶之上，可進行直線往返運動，其運動軌跡遍布輸送帶全程。傳送帶安裝在兩側板中間，下方安裝有張緊裝置和調節螺釘。傳送帶的主要作用是將振動均勻的物料輸送到等分槽中。前擋板通過步進電機驅動，經杠桿作用控制前擋板的抬起和落下。經調研發現，通常情況下醫生的處方劑數都在10劑以內，因此，此處等分槽沿輸送帶的寬度方向將其進行10等分，并通過兩側長度不等的連接板將其固定，限制其6個自由度。將等分槽末端的出料擋板與十字滑臺直線導軌模組連接。其中，導軌模組固定在等分槽的下方。

圖1 中藥等分機構的機械結構

根據共振原理，當電磁振動器的激勵頻率接近裝置的固有頻率時，裝置于低臨界共振狀態下工作，此狀態下機構工作平穩、功耗較低。其中，銜鐵通過一個平板機構與傳送帶側板固定相連，鐵芯及其固定裝置安裝在基架上。當給鐵芯接通經過半波整流后的單相交流電時，在電壓的正半周，鐵芯與銜鐵就會產生脈沖電磁力，銜鐵被鐵芯吸附而產生相對運動；在電壓的負半周電磁力消失時，銜鐵被釋放，裝置向相反方向運動。中藥等分機構在50 Hz的交流電下工作，使得傳送帶上的物料看起來像在均勻連續地移動，物料振動均勻。板彈簧組在振動裝置中起到了提供回復力的作用。

1.2 中藥等分機構的具體工作流程

中藥等分機構的具體工作流程如圖2所示。系統接收到數據時，兩組十字滑臺直線導軌模組的電機相繼運動到指定位置，當經過混合均勻的中藥飲片被倒入裝置中時，電磁振動器便會通電開始振動，經過一段時間后，振動停止，前擋板電機開始運轉，驅動前擋板抬起至一定高度后停止，此時傳送帶運轉將物料送到等分槽中，然后前擋板回落，等分板歸零。當后續的包裝系統啟動到位后，出料板在十字滑臺導軌模塊的驅動下，每次運動一個等分格的距離，以便飲片逐格出料并對其進行包裝。

2 等分效果仿真

本文通過三維CAD軟件建模后導入EDEM軟件對等分機構進行分析。為了方便導入，將與分析無關的部件先行刪除后再行導入，減少了軟件處理各部件的時間。等分效果仿真如圖3所示。

圖2 中藥等分機構的具體工作流程圖

圖3 等分效果仿真圖

從圖中數據可以看出：槽中最大質量22 g、最小質量19.8 g，兩者相差2.2 g。該機構較人工等分誤差要小很多，在很大程度上能夠滿足等分稱量要求。

3 中藥等分機構的控制系統設計

3.1 控制系統的硬件組成

中藥等分機構的控制系統主要由工控機、PCI運動控制卡、步進電機驅動器、步進電機組成。其中，工控機選擇的是研華610L型號，該工控機具有標準的RS232接口和RS485接口用于設備通信。PCI運動控制卡選擇的是PCI1020控制卡，該卡是PCI總線四軸伺服/步進電機運動控制卡，能精確地控制所發出的脈沖頻率（電機速度）、脈沖個數（電機轉角）及脈沖頻率變化率（電機加速度）。步進電機驅動器選擇的是SH20340，其具有噪音低、效率高、溫升低、設置靈活的優點，細分數最大可達256。步進電機選用的是42BYGH混合式步進電機，其步進角為1.8°，扭矩為0.5～2.8 kgf·cm。

3.2 控制系統的軟件組成

上位機程序使用C#編程語言，程序編寫前對步進電機的運轉速率進行標定，每個脈沖電機的線位移為0.015 mm，將接收到的數據轉換為脈沖數的代碼為：

int i=Convert.ToInt32（text1.Text）;

int s=42*（10—i）;

int pulseNum=Convert.ToInt32（s/0.015）;

由于篇幅所限，下面是等分板電機和出料板電機相繼運動的代碼：

//設置倍率、初始速度、驅動速度、脈沖方式、驅動方式等參數

for（i=0;i＜2;i++）﹛DL[i].Multiple=1;DL[i]. StartSpeed=100;

DL[i]. DriveSpeed=8000; DL[i]. Acceleration= 500;DL[i].Deceleration=5000;

LC[i].PulseMode=PCI1020.PCI1020_CWCCW; LC[i].Line_Curve=PCI1020.PCI1020_Line;LC[i]. LV_DV= PCI1020. PCI1020_DV;LC[i]. Direction= PCI1020.PCI1020_PDIRECTION;PCI1020.PCI1020_ InitLVDV（hDevice,// 運動卡卡號ref DL[i],// 公共參數結構體指針ref DL[i]）;﹜//設置出料板電機為等分板電機的同步軸

Para1[0]. AXIS3=1;// Para1[0]. EDND=1; PCI1020. PCI1020 _ SetSynchronAction（hDevice, PCI1020.PCI1020_XAXIS,ref Para1[0],ref Para2[0]）;

Para2[1].FDRVP=1;// 當等分板電機激勵后，啟動出料板電機定長驅動

PCI1020.PCI1020_SetSynchronAction（hDevice, YAXIS,ref Para1[1],ref Para2[1]）;PCI1020. PCI1020 _ StartLVDV（hDevice,PCI1020. PCI1020_ YAXIS）;

4 結語

綜上所述，本文的設計分析包括了中藥等分機構的機械結構、控制系統以及上位機的控制編程。等分機構大幅度降低了傳統人工中藥等分的誤差；控制系統結合上位機的邏輯編程實現了等分機構的順序動作，完美地完成了中藥飲片的等分工作。該系統的設計是對中藥飲片等分工作的創新性探索，以期為我國傳統中醫藥行業貢獻綿薄之力。

[1] 蘇昆林.自動化中藥房控制系統的設計與實現[D].南京：南京理工大學，2013.

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[3] 夏作新，李海鷗，劉紹周.微機自動控制發藥機：中國，86105746[P].1988-02-10.

2015-07-21

王沖（1988—），男，河北保定人，在讀碩士研究生，研究方向：機器人技術及應用。

張志強（1964—），男，陜西人，博士，副教授，研究方向：機器人技術及應用。

婁唯佳（1987—），男，河北秦皇島人，碩士研究生，研究方向：機電設備狀態檢測與診斷技術。