基于單片機(jī)的生物組織自動切片機(jī)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

魯杰爽

(湖北職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖北孝感 432000)

生物組織切片機(jī)是醫(yī)院病理科必備的醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)儀器,要求對包埋有生物組織的石蠟樣本進(jìn)行連續(xù)地均勻切片,切片厚度可自由設(shè)置(厚度范圍1～600μm),常見厚度為2～5μm,精度要求非常高。傳統(tǒng)的生物組織切片機(jī)為手動切片機(jī),使用不方便,切片厚度不能滿足全部需求,自動切片機(jī)逐漸成為市場主流。

由于切片厚度為微米級,這對自動切片機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)提出了很高的精度要求。首先機(jī)械部分的零件加工精度、軸承、絲桿傳動等零件的精確配合是基礎(chǔ),其次就是如何控制步進(jìn)電動機(jī)精確地進(jìn)刀切削。

步進(jìn)電動機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移的執(zhí)行元件。由于每步進(jìn)一步的能量及速度的脈動沖擊,必然會產(chǎn)生振動和噪音。將一個步距角細(xì)分成若干步的驅(qū)動方法,稱為細(xì)分驅(qū)動方式。步進(jìn)電動機(jī)細(xì)分驅(qū)動時的步距角更小[1],其步進(jìn)精度也更高,同時可以大幅降低脈沖的沖擊能量,有效抑制低速運(yùn)行中固有振動和噪音問題。

對比自動切片機(jī)每次切削的微米級進(jìn)給量和主軸絲桿傳動的毫米級螺距可知,步進(jìn)電動機(jī)的步距角顯然過大,須采用細(xì)分驅(qū)動器來控制步進(jìn)電動機(jī)以更小更精確的步距角旋轉(zhuǎn)步進(jìn),才能實(shí)現(xiàn)2～5μm進(jìn)給量的均勻切削,抑制機(jī)器運(yùn)行的振動和噪音。這種驅(qū)動方式相對而言性價比很高,本文設(shè)計了一種以單片機(jī)為控制核心、步進(jìn)電動機(jī)細(xì)分驅(qū)動的生物組織自動切片機(jī),采用升降速曲線控制算法對步進(jìn)電動機(jī)進(jìn)行精確控制,有效地提高了切片機(jī)的切削精度。

本文將就自動切片機(jī)研制中的兩個核心問題,即旋轉(zhuǎn)角度的測量和步進(jìn)電機(jī)切削工作時升降速控制的設(shè)計進(jìn)行闡述。

圖1 手柄旋轉(zhuǎn)角度的測量電路設(shè)計和輸出信號波形圖

1 旋轉(zhuǎn)角度的測量設(shè)計

自動切片機(jī)裝有快速進(jìn)退的旋轉(zhuǎn)手柄,需要對手柄的旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行準(zhǔn)確的測量。對比位置速度傳感器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器等[2],本文采用了工控領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的光電編碼器。它精度高、反應(yīng)靈敏可靠。

光電編碼器上裝有在相位上相差90°的兩路光電檢測[3],它檢測轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)的機(jī)械角度并光電轉(zhuǎn)換輸出為脈沖電信號,該電信號的脈沖個數(shù)正比于旋轉(zhuǎn)角度的大小。因此單片機(jī)通過對脈沖信號進(jìn)行計數(shù)就可以計算出轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)的角度大小。

本文設(shè)計的手柄旋轉(zhuǎn)角度的測量電路原理圖如圖1所示。手柄主軸與光電編碼器固定連接,同步旋轉(zhuǎn),光電編碼器輸出A、B、Z三路信號,其中A路與B路脈沖信號相位上相差90°。

手柄順時針旋轉(zhuǎn)時,光電編碼器輸出的A路信號相位超前B路,如圖1所示,B路信號出現(xiàn)上升沿時,A路信號總是高電平,故D觸發(fā)器的輸出端Q將一直保持為高電平,A路脈沖信號將通過被“打開”的U3A與非門,并被作為正轉(zhuǎn)角度信號T0給單片機(jī)進(jìn)行計數(shù);同時D觸發(fā)器的反相端輸出低電平,“關(guān)閉”U3B門。

類似地,當(dāng)手柄逆時針旋轉(zhuǎn)時,B路信號超前A路信號,與非門U3B被“打開”,此時A路脈沖通過后,被作為反轉(zhuǎn)角度信號T0給單片機(jī)進(jìn)行計數(shù)。

單片機(jī)對接收的脈沖個數(shù)進(jìn)行計數(shù),計算出旋轉(zhuǎn)角度的大小,進(jìn)一步可以準(zhǔn)確計算切削時的進(jìn)刀量。經(jīng)實(shí)際測試,本文設(shè)計的旋轉(zhuǎn)角度測量電路不僅反應(yīng)靈敏可靠,而且測量精度高,簡單有效。

2 步進(jìn)電機(jī)切削工作時升降速控制的設(shè)計

如何在各種復(fù)雜工況如突然起動、高速旋轉(zhuǎn)、突然停止等過程中讓步進(jìn)電機(jī)不失步、不過沖,做到定位準(zhǔn)確,是確保自動切片機(jī)能夠精密切削的核心難題。從步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性可以看出,電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時有最大起動轉(zhuǎn)速和最大負(fù)載轉(zhuǎn)速,超過它們就會導(dǎo)致電機(jī)失步,而且電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨著步進(jìn)頻率的增加而下降。因此電機(jī)的起動必須經(jīng)過一個升速階段,同樣地高速運(yùn)轉(zhuǎn)中的電機(jī)也必須經(jīng)過一個降速階段后才能停轉(zhuǎn),避免電機(jī)因慣性而出現(xiàn)過沖。總之,必須經(jīng)過“起動加速階段—勻速旋轉(zhuǎn)階段—減速停止階段” 才能精確控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。如何設(shè)計出合理的步進(jìn)電機(jī)切削升降速曲線,直接決定了電機(jī)步進(jìn)時的定位精度,也很大程度上決定著系統(tǒng)的綜合性能如運(yùn)行平穩(wěn)性、運(yùn)行噪音等。

圖2 用階段曲線去逼近擬合最優(yōu)升降速曲線

生物組織自動切片機(jī)研制的核心問題之一在于按照最優(yōu)升降速曲線精確控制步進(jìn)電動機(jī),確保切片切削時步進(jìn)電動機(jī)不失步、不過沖,才能實(shí)現(xiàn)連續(xù)均勻地切削2～5μm級的生物組織薄片。多年的研制實(shí)踐表明,相對拋物線、梯形和指數(shù)曲線等[4-5]幾種步進(jìn)電機(jī)升降速曲線而言,指數(shù)曲線[6-7]更能有效發(fā)揮電機(jī)轉(zhuǎn)矩,縮短加速/減速時間。

本文中的步進(jìn)電機(jī)升速曲線采用了指數(shù)曲線f(t)=fm(1-e-t/τ)。

通過多次切片機(jī)額定載荷下的電機(jī)運(yùn)行測試數(shù)據(jù)對比,結(jié)合步進(jìn)電機(jī)工作力矩、額定負(fù)載工作頻率、加速時間長短等要求,計算編制出步進(jìn)電機(jī)的最優(yōu)升速曲線。

如圖2所示,本文用若干段的階梯曲線去逼近擬合最優(yōu)升速曲線,并計算出各階段頻率點(diǎn)及該階段運(yùn)轉(zhuǎn)步數(shù)。步進(jìn)電機(jī)以突跳頻率(它小于最大起動頻率)起動,在每個階段頻率點(diǎn)上運(yùn)轉(zhuǎn)一定步數(shù)(避免電機(jī)失步)后,再按照指數(shù)規(guī)律階躍加速,直至最高階段頻率點(diǎn)后保持勻速運(yùn)轉(zhuǎn)。

步進(jìn)電機(jī)加速/減速控制可以通過改變單片機(jī)定時器中斷的定時時延,從而發(fā)送不同頻率的步進(jìn)脈沖信號來控制電機(jī)的步進(jìn)速度。根據(jù)升速階梯曲線的各階段步進(jìn)速度,就可以計算出對應(yīng)各階段頻率點(diǎn)的定時器初值。將測試出的最優(yōu)升速曲線各階段頻率點(diǎn)對應(yīng)的定時器初值和運(yùn)轉(zhuǎn)步數(shù)計算好,按照各階段頻率點(diǎn)的速度增加順序定義了一個升速控制數(shù)組,將數(shù)組中的最高階段頻率點(diǎn)的運(yùn)轉(zhuǎn)步數(shù)設(shè)定為0x00,作為加速結(jié)束標(biāo)志。

步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)控制程序中,正向順序查詢升速控制數(shù)組中的階段頻率點(diǎn)數(shù)據(jù)即可控制電機(jī)按照設(shè)計好的最優(yōu)指數(shù)規(guī)律進(jìn)行加速。為了簡化控制方案,減速過程則直接采用了加速的逆過程,即反向查詢該數(shù)組的數(shù)據(jù)控制電機(jī)按照指數(shù)規(guī)律減速。

為了提高電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)精度,本文考慮了定時器誤差,對升速控制數(shù)組中的各個定時器初值進(jìn)行了調(diào)整。該誤差主要包括單片機(jī)中斷響應(yīng)時間和中斷函數(shù)內(nèi)定時器賦初值指令及其前面指令的執(zhí)行時間之和。

本文設(shè)計了步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)控制函數(shù)void Moto Moving(bit flag,uint MoveSteps)。基本思想是flag=1表示電機(jī)正轉(zhuǎn),正向查詢升速控制數(shù)組加速,否則反向查詢該數(shù)組減速,MoveSteps則表示控制運(yùn)轉(zhuǎn)的總步數(shù),啟動定時器,在定時中斷函數(shù)中控制電機(jī)精確加速、勻速高速、減速運(yùn)轉(zhuǎn)形式參數(shù)MoveSteps所指定的總步數(shù),最后關(guān)閉定時器。程序流程如圖3所示。

圖3 步進(jìn)電動機(jī)控制流程

實(shí)踐中,這種步進(jìn)電機(jī)升降速控制的軟件設(shè)計方案取得了理想的切削效果,滿足了自動切片機(jī)的切削精度要求。

3 結(jié)語

本文研制的自動切片機(jī)原型機(jī)經(jīng)實(shí)際測試,結(jié)果表明該機(jī)切削的切片厚薄比較均勻,厚度精度能夠滿足要求。誤差的來源主要包括:

一方面,切片機(jī)機(jī)械零部件之間存在加工誤差和配合誤差。生物組織自動切片機(jī)的一些機(jī)械零部件存在配合關(guān)系,它們之間的配合誤差,尤其是主軸和軸承之間的配合間隙誤差,機(jī)械絲桿傳動的軸向間隙誤差等,相對于微米級的切片厚度而言,仍然比較大,必須采用高精度的軸承和絲桿傳動,才能從根本上保證切片機(jī)的切削精度。

另一方面,步進(jìn)電動機(jī)細(xì)分驅(qū)動器存在步進(jìn)誤差。由于電機(jī)參數(shù)、制造工藝上的差異及驅(qū)動器的性能差異,其實(shí)際性能與理論值有一定差距,這也是造成切片誤差的重要原因之一。