（信號(hào)與信息處理專業(yè)論文）PLC控制超聲噴涂系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn).pdf

摘要 心臟冠狀動(dòng)脈支架植入是治療心臟冠狀動(dòng)脈狹窄的通用手段之一，為了降低再狹 窄率，提高治療效果，國(guó)際上最新的解決辦法是對(duì)冠狀動(dòng)脈支架表面涂敷一層藥物涂 層，即藥物洗脫支架，控制再狹窄形成可能。 本課題的目的就是設(shè)計(jì)和制造一套合適的設(shè)備和方法，對(duì)冠狀動(dòng)脈支架表面進(jìn)行 藥物涂敷。通過對(duì)不同涂敷工藝的了解和比較，最后選用通過超聲波進(jìn)行霧化噴涂， 實(shí)現(xiàn)支架表面藥物涂層的涂敷。 論文詳細(xì)介紹了如何利用k e y e n c e 公司k v - 1 0 0 0 系列p l c 的邏輯控制功能和 精確定位功能，h i t e c h 公司p w s 觸摸屏，a d p 6 0 操作系統(tǒng)，以及y a s k a w a 公司 的i i 系列a c 伺服單元，p a r k 公司的三維坐標(biāo)平臺(tái)，設(shè)計(jì)開發(fā)出噴涂定位操作系統(tǒng)。 同時(shí)，還具體描述了在超聲波霧化技術(shù)基礎(chǔ)上，如何設(shè)計(jì)制造出的超聲波噴頭，以及 該噴頭在p l c 控制的噴涂定位操作系統(tǒng)支持下，如何實(shí)現(xiàn)支架表面的精確涂敷。 本論文率先將超聲波對(duì)液體的霧化功能使用在噴涂工藝中，并通過p l c 和觸摸屏 技術(shù)進(jìn)行精確定位，實(shí)現(xiàn)對(duì)精密器械的超薄精確涂敷。進(jìn)一步豐富了噴涂方法，同時(shí) 解決了天津百暢公司面臨的現(xiàn)實(shí)問題。 關(guān)鍵詞：冠狀動(dòng)脈支架 可編程邏輯控制器 超聲波霧化觸摸屏噴涂 人機(jī)界面 a bs t r a c t i m p l a n tc o r o n a r ys t e n ti st h em a i ns o l u t i o n st oc u r et h ed i s e a s eo fc o r o n a r y f o r d e c r e a s et h er a t eo fr e s t e n o s i sa n di m p r o v et h ec u r a t i v ee f f e c t ，t h e r ei san e ws o l u t i o n st h a t i sc o a t i n gs o m ed r u go nt h es u r f a c eo ft h ec o r o n a r ys t e n t t h a ti sd r u g - e l u t i n gs t e n t t h i sp r o j e c tp u r p o s ei sd e s i g na n d p r o c e s s a ne q u i p m e n t s y s t e mt oc o a t i n gt h ed r u go n t h es u r f a c eo ft h ec o r o n a r ys t e n t b yc o m p a r ew i t hs o m ek i n d sc o a t i n gt e c h n o l o g y , ic h o o s e t h eu l t r a s o n i ca t o m i z ec o a t i n gp r o c e s st op r o d u c et h ed r u gc o a to nt h es t e n ts u r f a c e t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e sh o wd e s i g na n dp r o c e s st h eo p e r a t i o ns y s t e mc o n t r o lt h e f o u r a x i so r i e n t a t i o nb yt h ek e y e n c e sk v - 10 0 0p l c ，h i t e c h sp w $ 3 2 61 t o u c h s c r e e na n dy a s k a w a s 一i is e r i e sa cs e r v eu n i t i td e s c r i b e sh o wd e s i g nt h eu l t r a s o n i c a t o m i z i n gn o z z l es y s t e mb a s eo nt h et h e o r yo ft h eu l t r a s o n i ca t o m i z i n ga n dh o wr e a l i z et h e p r e c i s i o nc o a t i n go nt h es t e n tb yt h ef o u ra x i so r i e n t a t i o ns y s t e mw i t ht h ep l cc o n t r 0 1 t h ed i s s e r t a t i o ni si m p l e m e n tt h eu l t r a s o n i ca t o m i z i n gi nt h ec o a t i n gp r o c e s s ，a n d r e a l i z e st h ep r e c i s i o nc o a t i n gb yt h ep l ca n dt o u c hs c r e e nt e c h n o l o g y i t se x p a n d e dt h e c o a t i n gp r o c e s sa n da c c o m p l i s h e st h er e q u i r e m e n to f t i a n j i nb e s t c h a n c ec o ，l t d k e yw o r d s ： p r o g r a ml o g i cc o n t r o l ( p l c ) t o u c hs c r e e n c o r o n a r ys t e n t u l t r a s o n i ca t o m i z i n g c o a t i n g h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ( h m i ) 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的研究 成果，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過 的研究成果，也不包含為獲得苤盜盤堂或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的 材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并 表示了謝意。 學(xué)位論文作者簽名：彳鈕ly 汐簽字日期：。7 年，月j 一日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解苤鲞盤堂有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。特授 權(quán)丕鲞盤堂可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，并采用 影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校向國(guó)家有關(guān)部門 或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說明) 學(xué)位論文作者簽名：彳饑很 簽字日期：少卯碑月仃日 導(dǎo)師簽名： 誕根也 簽字日期：沙u 7 年月，夕日 第一章概述 1 1 課題來源 第一章概述 本課題來源于生產(chǎn)實(shí)踐中，是為了解決天津百暢醫(yī)療器械公司現(xiàn)在正面臨的實(shí)際 生產(chǎn)困難。 天津百暢醫(yī)療器械科技有限公司是一家專業(yè)生產(chǎn)冠狀動(dòng)脈心臟支架廠商，為了提 高冠狀動(dòng)脈支架系統(tǒng)治療效果，現(xiàn)需要對(duì)冠狀動(dòng)脈支架表面涂敷一層極薄的藥物涂 層，用來降低冠狀動(dòng)脈再狹窄問題，該涂敷工藝主要面臨問題有： 1 冠狀動(dòng)脈支架是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絲直徑約0 i m m 左右，網(wǎng)間距離也約0 i m m ， 在如此密集的網(wǎng)狀表面進(jìn)行涂敷，要求在i 0 0 倍顯微鏡下觀察，不得有粘連，橋接， 橘皮等現(xiàn)象。 2 藥物涂層材料價(jià)格昂貴，每千克達(dá)1 0 0 萬人民幣，且不可受熱。 3 需要在潔凈環(huán)境下操作，保證產(chǎn)品不受其它灰塵等粒子影響。 4 對(duì)涂層厚度有嚴(yán)格要求，由于無法直接對(duì)厚度進(jìn)行測(cè)量，因此，對(duì)涂層重量 進(jìn)行控制，要求可控制在正負(fù)4 0 微克范圍內(nèi)。 由于冠狀動(dòng)脈支架生產(chǎn)歷史很短，而且產(chǎn)量也很低，特別是對(duì)其表面進(jìn)行藥物涂 敷，國(guó)內(nèi)外還沒有專用現(xiàn)成設(shè)備，因此，只能自己進(jìn)行研制，解決面臨的困難，實(shí)現(xiàn) 生產(chǎn)。 1 。2 課題主要任務(wù) 本課題主要任務(wù)是為了解決天津百暢醫(yī)療器械科技公司面臨的實(shí)際問題，保證涂 敷過程中，涂層重量能精確控制，而且表面不會(huì)產(chǎn)生粘連，橋接等現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)冠狀動(dòng) 脈支架藥物涂敷的工廠化生產(chǎn)。 為此，首先，需要選擇一種合適的涂敷方式，然后，根據(jù)確定的涂敷方式，設(shè)計(jì) p l c 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)涂敷工藝，所以本課題主要工作內(nèi)容有： 確定合適的涂敷方式 設(shè)計(jì)涂敷工藝過程 設(shè)計(jì)并確定涂敷工藝外圍輸入輸出設(shè)備 設(shè)計(jì)涂敷系統(tǒng)的p l c 控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì)涂敷系統(tǒng)的人機(jī)操作晃面 硬件實(shí)現(xiàn) 涂敷系統(tǒng)安裝調(diào)試 經(jīng)過近一年時(shí)間的開發(fā)與試驗(yàn)，本課題最終完成以下內(nèi)容：經(jīng)過對(duì)表面處理工藝 第一章概述 的充分的比較，最終確定并設(shè)計(jì)了超聲波噴頭系統(tǒng)。利用p l c 技術(shù)和觸摸屏人機(jī)界面 技術(shù)，完成k v - 1 0 0 0 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，開發(fā)和程序編寫，以及p w s 3 2 6 1 觸摸屏操作界面 的設(shè)計(jì)與開發(fā)，通過對(duì)外圍設(shè)備的設(shè)計(jì)，成功實(shí)現(xiàn)“p l c 控制的超聲波噴涂系統(tǒng)”， 目前，該系統(tǒng)已應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中，運(yùn)行良好。 1 3 課題的研究成果 p l c 控制的超聲波噴涂系統(tǒng)，將超聲波對(duì)液體的霧化功能使用在噴涂工藝中，進(jìn) 一步豐富噴涂方法，并通過使用k v - 1 0 0 0 系列p l c 作為系統(tǒng)控制，同時(shí)使用p w s 3 2 6 1 觸摸屏作為人機(jī)操作界面，成功地解決了微量涂料進(jìn)行薄層涂敷的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了 超薄精確噴涂。解決了百暢醫(yī)療器械公司面臨的實(shí)際困難，并為類似的產(chǎn)品或工藝提 供了一種科學(xué)的解決辦法。 第二章涂敷方式的選擇與確定 第二章涂敷方式的選擇與確定 2 1 涂敷工藝要求 根據(jù)公司所面臨的實(shí)際問題，即在直徑1 5 毫米，長(zhǎng)度2 0 毫米的網(wǎng)狀冠狀動(dòng)脈支 架表面精確涂上一層貴重的藥物控制層。要求在涂敷過程中，一方面要保證涂層質(zhì)量， 不要出現(xiàn)粘連，橋接，橘皮等現(xiàn)象，同時(shí)，還要求涂敷時(shí)，能精確控制藥物溶液用量， 保證每次涂敷后，各支架之間藥物增重相近。由于藥物很貴重，還需要盡可能降低浪 費(fèi)，控制成本。另外，藥物不適合長(zhǎng)時(shí)間在高溫或有氧環(huán)境中保存，因此，涂敷過程 中，盡可能避免空氣或高溫與藥物長(zhǎng)時(shí)間接觸。 2 2 常見的幾種涂敷工藝介紹 真空氣象沉積法進(jìn)行涂敷：雖然可以精確控制涂層厚度和涂層表面質(zhì)量，但不 論是化學(xué)氣相沉積還是物理氣相沉積都對(duì)涂敷的成膜原料有要求，而且還需要通過高 溫將成膜原料氣化，而我公司噴涂的成膜原料不能受熱，因此這類涂敷方式不適合我 公司的產(chǎn)品涂敷。 浸涂和刷涂：都是一種粗放式涂敷方式，我公司產(chǎn)品冠狀動(dòng)脈支架表面是由直 徑為0 1 毫米的細(xì)絲圍城孔徑為0 1 毫米o(hù) 1 毫米的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而涂敷原料有一定黏 度，在浸涂和刷涂中，很容易導(dǎo)致網(wǎng)孔成膜，表面質(zhì)量不合格。另外，浸涂和刷涂也 很不利于涂層的厚度和重量控制，而且，由于我公司產(chǎn)品是三類醫(yī)療器械，成品將植 入人體心臟的血管中，需要對(duì)涂層中雜質(zhì)及其它種類的污染進(jìn)行嚴(yán)格控制，而這兩種 涂敷方式都不利于這方面控制，因此，這兩種涂敷方式都不適合我公司產(chǎn)品涂敷。 噴涂：般都是通過氣體，將涂料霧化，使其附著在被涂物體表面。作為表面 處理技術(shù)一種，噴涂種類繁多，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的各行各業(yè)，包括航空、航 天、鋼鐵、石化、鋼結(jié)構(gòu)防腐、機(jī)械、輕工、紡織、造紙、能源、船舶等領(lǐng)域。由于 原料通過霧化后隨氣體到達(dá)基體表面后進(jìn)行涂敷，一般不會(huì)對(duì)原料性能有太多改變， 而且，涂敷的表面質(zhì)量也可以控制。 2 3 噴涂技術(shù)及工作原理介紹 根據(jù)噴涂過程中的噴涂工藝方法不同，噴涂又可細(xì)分為多種，主要是熱噴涂，靜 電噴涂，高壓無氣嗩涂，高流量低壓噴涂及超聲波噴涂等。各種噴涂的工作原理如下： 第二章涂敷方式的選擇與確定 2 3 1 熱噴涂 熱噴涂技術(shù)是材料科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)表面工程學(xué)的重要組成部分，它是一種表面強(qiáng)化和 表面改性的技術(shù)，通過在金屬基體表面噴涂一層涂層使金屬具有耐磨、耐蝕、耐高溫 氧化、電絕緣、隔熱、防輻射、減磨和密封等性能。主要應(yīng)用于高溫、耐磨、耐腐蝕 等部件的預(yù)保護(hù)、功能涂層的制備及對(duì)失效部件的修復(fù)等。 自1 9 0 8 年瑞士工程師發(fā)明熱噴涂以來，該工藝得到不斷完善和發(fā)展。目前，根 據(jù)噴涂過程中利用的熱源不同，熱噴涂種類主要有等離子噴涂、電弧噴涂及火焰噴涂 等。同時(shí)，熱噴涂作為一項(xiàng)高科技工藝已廣泛應(yīng)用于航天、汽車、能源、鋼鐵、冶金、 造紙、機(jī)械維修、市政建設(shè)等諸多領(lǐng)域。 這種噴涂，雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，主要是針對(duì)特殊的涂層原料進(jìn)行特殊的原料處理， 但我們的涂敷原料可通過有機(jī)溶劑進(jìn)行溶解后噴涂，因此，沒有必要使用熱熔進(jìn)行噴 涂。 2 3 2 靜電粉末噴涂 靜電粉末噴涂從1 9 6 5 年開始到現(xiàn)在已有3 6 年歷史。具有成本低、生產(chǎn)效率高、 有利于改善生態(tài)環(huán)境和節(jié)約能耗等特點(diǎn)。 該種噴涂主要是依靠粉末涂料分子結(jié)構(gòu)中含有極性基團(tuán)，外電場(chǎng)作用下，依靠輸 送氣壓力的推動(dòng)，霧化后的涂料微粒沿著電力線方向飛向工件，并按工件表面電力線 的分布密度排列，從而使涂料牢牢地吸附在工件表面。一般只需幾秒種就得到5 0 - - 1 0 0 l am 的涂層厚度。涂敷后的工件可送到烘箱內(nèi)烘烤，粉末經(jīng)過受熱熔融、流平、交聯(lián)， 固化成膜。由于涂料顆粒在工件上快速沉積時(shí)儲(chǔ)存的大量負(fù)電荷將導(dǎo)致自持厚度效 應(yīng)，保持涂敷時(shí)涂層控制在一定厚度范圍。 這類噴涂適合于一些大部件的噴涂，如汽車等，不是很適合對(duì)小部件表面進(jìn)行涂 敷。 2 3 3 高壓無氣噴涂 高壓無氣噴涂的原理是通過一增壓泵( 一般為柱塞泵) ，使涂料增壓( 高達(dá) 2 1 0 k g c m 2 甚至更高) ，并從特殊的噴嘴釋放壓力并達(dá)到分散霧化，高速地涂在被涂 物上。由于涂料霧化不需壓縮空氣，所以稱之為無空氣噴涂。這種噴涂技術(shù)主要應(yīng)用 于建筑行業(yè)，如乳膠漆、油性漆、水性漆、樹脂漆等的噴涂。并在國(guó)外得到普及。具 有極佳的表面質(zhì)量。涂裝效率高。即使是拐角和間隙也能很好的上漆。 第二章涂敷方式的選擇與確定 2 3 4 高流量低壓噴涂 高流量低壓力空氣噴涂，簡(jiǎn)稱h v l p ，h i g hv o l u m el o wp r e s s u r e 的縮寫，是美 國(guó)環(huán)保署( e p a ) 所制定的一項(xiàng)環(huán)保噴涂標(biāo)準(zhǔn)，全球很多國(guó)家均采用此項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。即噴 涂設(shè)備或噴槍的傳遞效率( 即利用率) 必須高于6 5 ，噴嘴處空氣出口壓力等于或小 于1 0 p s i ( 0 6 8 巴) ，才能稱之為h v l p 噴涂設(shè)備。 h v l p ( 高流量低壓力空氣噴涂) 利用渦輪機(jī)產(chǎn)生的高流量空氣，通過與噴槍之間 的空氣管，當(dāng)高流量的空氣在到達(dá)特別設(shè)計(jì)的噴槍空氣帽上時(shí)，就可以得到很低的霧 化壓力進(jìn)行噴涂。還可通過專用噴槍，將普通的壓縮空氣轉(zhuǎn)化為低壓力霧化空氣，從 而實(shí)現(xiàn)低壓噴涂。 h v l p 噴涂技術(shù)是一種先進(jìn)的表面處理技術(shù)，為噴涂領(lǐng)域帶來了新的思路。其低 壓噴涂的原則比較接近我公司的噴涂要求。但涂層表面質(zhì)量及厚度的精確控制方面還 有很多欠缺需要解決。而且，對(duì)原料的節(jié)約和我們實(shí)際要求還有很大差距。因此，還 是無法直接采用。 2 3 5 噴涂方式的設(shè)計(jì)與確定 通過對(duì)上述幾種涂敷方式的研究與比較，相對(duì)而言，噴涂更有可能實(shí)現(xiàn)我公司產(chǎn) 品的表面涂敷。如果使用噴涂方式涂敷冠狀動(dòng)脈支架的表面涂敷，則要求噴涂霧化過 程中，噴涂原料的霧化顆粒要足夠小，噴射直徑也要求在1 - - - 2 m m 左右，同時(shí)噴涂流 量低，精確可控，浪費(fèi)少，噴涂傳遞效率高。但當(dāng)前常用的幾種噴涂方式都是通過壓 力和流量的變化將噴涂原料霧化的，不能實(shí)現(xiàn)小流量，高傳遞效率的霧化。必須要解 決霧化問題。 我們知道超聲波具有霧化功能，超聲波霧化主要是通過換能器將中超聲能量轉(zhuǎn)換 為機(jī)械振動(dòng)，振動(dòng)將液體切成細(xì)小的霧滴，從而使液體霧化。因此，這種霧化不再受 溶液流量和空氣壓力限制，可以對(duì)極少量的液體或極小的流量進(jìn)行霧化，并可以保證 霧化效果。如果將噴涂中霧化改為超聲波霧化，不再通過空氣或壓力將涂敷原料霧化， 這樣，就可以避免空氣霧化的不穩(wěn)定性。使得霧化更可控。再通過低壓，低流量的氣 流，將霧化后的涂敷原料送達(dá)基體表面，實(shí)現(xiàn)工件表面涂敷。由于使用超聲波對(duì)液體 的霧化，該噴涂將具有以下特點(diǎn)： 1 噴涂的霧化顆粒直徑分布均勻 2 涂敷原料的流量范圍大，理論上可無限大，一般也可達(dá)到最大流量：最小流 量為5 ：1 3 霧化效果穩(wěn)定，涂敷原料流量變化對(duì)霧化效果影響卻很小 4 可在低速下進(jìn)行霧化，噴涂。一般噴射速度可控制到3 0 0 m r n s ，而普通的壓 第二章涂敷方式的選擇與確定 縮空氣噴涂，其噴射速度一般只能控制在l o m s 到2 0 r n s 之間。 5 不會(huì)發(fā)生飛霧及反彈。傳統(tǒng)噴涂中噴槍的傳遞效率大約在3 0 左右，而另外 7 0 左右的涂料隨著飛霧散布到周圍環(huán)境當(dāng)中，即增加成本，也污染環(huán)境。而超聲波 噴涂中，原料的利用率很高，浪費(fèi)很少，因此，特別適合噴涂一些貴重原料，不會(huì)產(chǎn) 生太多浪費(fèi)。 另外，超聲噴涂在整個(gè)霧化過程中對(duì)環(huán)境擾動(dòng)小，其低流量，低噴射速度涂敷特 點(diǎn)，使得其在噴涂過程中，傳遞效率在9 0 以上，這些都是超薄精確噴涂的基本條件， 因此，我們將要利用超聲波霧化進(jìn)行噴涂實(shí)現(xiàn)冠狀動(dòng)脈支架表面藥物涂層涂敷。 第三章p l c 控制超聲波噴涂系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 第三章p l _ 0 控制超聲波噴涂系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3 1p l c 控制超聲波噴涂系統(tǒng)基本組成 為了利用超聲波霧化功能，我們一方面要進(jìn)行超聲波噴嘴設(shè)計(jì)，同時(shí)還需要設(shè)計(jì) 加工一套控制系統(tǒng)，用于安裝固定并控制超聲波噴頭及其他輔助部件，共同組成超聲 波噴涂系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)冠狀動(dòng)脈支架的表面噴涂。 超聲波噴涂系統(tǒng)將采用p l c 作為控制系統(tǒng)，觸摸屏作為人機(jī)操作界面，驅(qū)動(dòng)一套 三維坐標(biāo)定位系統(tǒng)，并依靠精確計(jì)量泵實(shí)現(xiàn)支架表面的超薄精確噴涂。因此，整套 p l c 控制的超聲波噴涂系統(tǒng)將包括以下五部分： 1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)：超聲波霧化系統(tǒng)( 包括超聲波發(fā)生器和超聲波噴嘴) ，三維坐標(biāo)定 位平臺(tái)，四組伺服電機(jī)及電機(jī)控制器，真空泵，原料注射泵，讀碼器，電磁閥等 2 傳感器：溫度傳感器，濕度傳感器，行程開關(guān)，編碼器等 3 控制器系統(tǒng)：p l c 控制器 4 操作界面：h m i 觸摸屏 5 外罩及其他輔助設(shè)施 本課題將根據(jù)超聲波噴涂系統(tǒng)的基本組成開發(fā)設(shè)計(jì)整個(gè)噴涂系統(tǒng)。 3 2p l c 超聲波噴涂系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)示意圖 超聲波噴涂系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖3 1 圖3 1 系統(tǒng)控制示意圖 第四章系統(tǒng)輸入輸出設(shè)備設(shè)計(jì)與選型 第四章系統(tǒng)輸入輸出設(shè)備設(shè)計(jì)與選型 4 1 超聲波霧化器設(shè)計(jì)與選型 4 1 1 超聲波基本原理 一、超聲波定義： 當(dāng)聲音的頻率高到超過人耳聽覺的頻率極限( 2 0 0 0 0 赫) 時(shí)，人們就覺察不出聲的 存在，因而稱這種高頻率的聲音為“超”聲，也叫超聲波。 二、超聲波特點(diǎn)： 1 束射特性 由于超聲波的波長(zhǎng)短，超聲波射線可以和光線一樣，能夠反射、折射，也能聚焦， 而且遵守幾何光學(xué)上的定律。 2 吸收特性 聲波在各種物質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，強(qiáng)度會(huì)漸進(jìn)減弱，這是因?yàn)槲?質(zhì)要吸收掉它的能量。對(duì)于同一物質(zhì)，聲波的頻率越高，吸收越強(qiáng)。對(duì)于一個(gè)頻率一 定的聲波，在氣體中傳播時(shí)吸收最強(qiáng)，在液體中傳播時(shí)吸收比較弱，在固體中傳播時(shí) 吸收最小。 3 超聲波的能量傳遞特性 當(dāng)超聲波作用于某一物質(zhì)時(shí)，能使物質(zhì)中的分子也跟著振動(dòng)，振動(dòng)的頻率和超聲 波頻率一樣，超聲波的頻率愈高，物質(zhì)分子獲得能量越多。因此，超聲波可以供給物 質(zhì)足夠多的能量。 4 超聲波的聲壓特性 當(dāng)超聲波通入某物體時(shí)，由于超聲波振動(dòng)使物質(zhì)分子產(chǎn)生壓縮和稀疏的作用，將 使物質(zhì)所受的壓力產(chǎn)生變化。這種由于超聲波振動(dòng)引起附加壓力現(xiàn)象叫聲壓作用。 例如水中通過超聲波時(shí)，當(dāng)超聲波振動(dòng)使液體分子壓縮時(shí)，好像分子受到來直四 面八方的壓力；當(dāng)超聲波振動(dòng)使液體分子稀疏時(shí)，好像受到向外散開的拉力，對(duì)于液 體，它們比較受得住附加壓力的作用，所以在受到壓縮力的時(shí)候；不大會(huì)產(chǎn)生反常情 形。但是在拉力的作用下，液體就會(huì)支持不了，在拉力集中的地方，液體就會(huì)斷裂開 來，產(chǎn)生許多氣泡狀的小空腔，形成空化現(xiàn)象。這也是超聲波霧化原因。 三、典型超聲波發(fā)生器種類 超聲波發(fā)生器( 或稱功率源) 用于產(chǎn)生并向超聲換能器提供超聲能量。 超聲波發(fā)生器的激勵(lì)方式有兩種：一種是他激式另一種是自激式。如果按末級(jí) 功放管所采用的器件類型，可分四種：電子管式超聲發(fā)生器；可控硅逆變式超聲發(fā)生 器；晶體管式超聲發(fā)生器及功率模塊超聲發(fā)生器。電子管式與可控硅逆變式目前基本 第四章系統(tǒng)輸入輸出設(shè)備設(shè)計(jì)與選型 已淘汰，當(dāng)前廣泛使用的是晶體管式發(fā)生器。 他激式超聲發(fā)生器主要包括兩部分，前級(jí)是振蕩器，后級(jí)是放大器。一般通過輸 出變壓器耦合，把超聲能量加到換能器上。而自激式超聲發(fā)生器是把振蕩、功放、輸 出變壓器及換能器集為一體，形成閉環(huán)回路，回路在滿足幅度、相位反饋條件，組成 一個(gè)有功率放大的振蕩器。并諧振于換能器的機(jī)械共振頻率上。 衡量超聲波發(fā)生器性能，除了考慮發(fā)生器的功率，頻率，最重要的考核指標(biāo)即是 諧振，即頻率自動(dòng)跟蹤。 所謂諧振就是要求發(fā)生器的輸出信號(hào)頻率能對(duì)在工作中變化的換能器諧振頻率 進(jìn)行跟蹤，也即稱頻率自動(dòng)跟蹤。目前常用的頻率自動(dòng)跟蹤大致有以下幾種方法： 1 ) 聲跟蹤 以聲耦合方式，從換能器上采集諧振頻率的電訊號(hào)，然后反饋至前級(jí)放大器，使 形成自激振蕩器。其原理框圖如圖4 1 所示。 圖4 - 1 聲跟蹤超聲波發(fā)生器原理框圖 由圖4 1 看出，電路是個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，電路在通電的瞬間產(chǎn)生一個(gè)沖擊脈沖，此脈 沖經(jīng)預(yù)放、功放去激勵(lì)換能器，換能器按自身固有頻率振動(dòng)。從而在反饋的聲波接收 器上得到相同頻率的電訊號(hào)。經(jīng)過電路的移相、選頻、預(yù)放及功放再去激勵(lì)換能器， 如果滿足振蕩器的相位，幅度條件，系統(tǒng)將自激振蕩，且振蕩頻率跟蹤在換能器的共 振頻率上。 2 ) 電跟蹤 所謂“電跟蹤”又稱反饋?zhàn)约な秸袷幤?。大致有以下幾種形式 ( 1 ) 阻抗電橋形式的動(dòng)態(tài)反饋系統(tǒng) 阻抗電橋形式的動(dòng)態(tài)反饋系統(tǒng)組成的頻率自動(dòng)跟蹤電路原理為：利用電橋平衡原 理補(bǔ)償換能器電學(xué)臂的無功與有功分量，借助于差動(dòng)變量器提取與換能器機(jī)械振蕩電 流成正比的反饋電壓，使閉環(huán)系統(tǒng)在換能器機(jī)械共振頻率上自振。因?yàn)閾Q能器電參數(shù) 的補(bǔ)償能做到與頻率無關(guān)，因而在較寬頻段內(nèi)跟蹤良好。 ( 2 ) 負(fù)載分壓方式的反饋系統(tǒng)。 、 本系統(tǒng)如圖4 2 所示，圖中的整個(gè)電路形成閉環(huán)回路電路在通電的瞬間產(chǎn)生一 個(gè)電脈沖，經(jīng)功放加至換能器兩端，于是換能器受激振動(dòng)。其振動(dòng)頻率為換能器本身 第四章系統(tǒng)輸入輸出設(shè)備設(shè)計(jì)與選型 的固有頻率，在換能器兩端的振蕩信號(hào)，經(jīng)分壓后送至可調(diào)移相器上，再送至功放。 當(dāng)可調(diào)移相器調(diào)至相位滿足自激條件時(shí)，系統(tǒng)自激于換能器的固有頻率上。換能器諧 振頻率的微小變化，電路系統(tǒng)均能及時(shí)跟蹤使工作始終處于最佳狀態(tài)。 換 能 器 圖4 2 分壓反饋振蕩器 ( 3 ) 鎖相式頻率自動(dòng)跟蹤 鎖相式頻率自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)與前兩種自激系統(tǒng)相比，電路要復(fù)雜得多，但能獲得較 好的頻率自動(dòng)跟蹤性能。 鎖相式頻率自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)電路框圖如圖4 3 。圖中由相位比較器、電壓比較器、 低通濾波器、壓控振蕩器、激勵(lì)放大器，功率放大器、電流取樣及電壓取樣等組成。 形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。將末級(jí)換能器上的電壓和電流之間的相位差，經(jīng)相位比較后，獲 得相位誤差信號(hào)，再經(jīng)低通濾波之后，去控制壓控振蕩器的輸出信號(hào)的頻率。使之保 持與振動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械諧振頻率一致。 圖4 3 鎖相式頻率自動(dòng)跟蹤電路框圖 盡管頻率與相位之間有依存變換關(guān)系，但兩者構(gòu)成的反饋系統(tǒng)，從控制結(jié)果看， 是不相同的。頻率反饋結(jié)果，會(huì)導(dǎo)致使輸入與輸出信號(hào)之間的頻率差盡可能小，而相 位反饋結(jié)果使兩信號(hào)之間相位差盡可能小。根據(jù)頻率與相位所構(gòu)成的微分積分關(guān) 系，相位反饋系統(tǒng)最終導(dǎo)致兩信號(hào)頻率差為零。 鎖相式頻率自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)； ( 1 ) 由于鎖相環(huán)是一個(gè)極好的帶通濾波器，因此，不會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)誤跟到非諧振的 其它頻率之上； 第四章系統(tǒng)輸入輸出設(shè)備設(shè)計(jì)與選型 ( 2 ) 頻率自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的控制信號(hào)與取樣的電壓、電波波形之好壞，關(guān)系并不大； ( 3 ) 輸出功率相對(duì)較穩(wěn)定。不會(huì)因?yàn)樨?fù)載的變化而發(fā)生顯著變化 ( 4 ) 由于控制系統(tǒng)工作在小信號(hào)狀態(tài)下，所以能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)地工作。 因此，采用鎖相式頻率自動(dòng)跟蹤方式實(shí)現(xiàn)諧振，非常適合對(duì)頻率要求高，性能穩(wěn) 定的工作場(chǎng)合。 4 1 2 超聲波霧化器基本組成 超聲波霧化器主要由超聲波發(fā)生器和換能器兩部分組成。 市場(chǎng)上有很多超聲波霧化器，利用電子高頻震蕩，通過陶瓷霧化片的高頻諧振，將液 態(tài)分子結(jié)構(gòu)打散而霧化，一般為加濕器、熏香器、美容機(jī)、消毒機(jī)、浴缸造霧機(jī)、盆 景、工藝品等提供配套。另外，市場(chǎng)上還銷售一些霧化片，種類有：覆不銹鋼、玻璃 釉，鍍鈦或鍍鎳。一般都是圓形的，也是同上面描述的霧化器配套。而我們需要通過 霧化器將藥物溶液霧化，同時(shí)，為了保證霧化后的液體顆粒因此，市場(chǎng)上銷售的霧化 器無法滿足我們要求。需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，再委托加工。 4 1 3 超聲波霧化器設(shè)計(jì)要求 超聲波霧化器，主要功能是通過超聲波換能器將超聲波發(fā)生器中超聲能量轉(zhuǎn)換為 機(jī)械振動(dòng)，振動(dòng)頻率和超聲波頻率相同，如果這種振動(dòng)作用在液體上，將使得液體產(chǎn) 生一層液膜，液膜繼續(xù)被振動(dòng)成極細(xì)的霧滴，從而將液體霧化。因此，液體霧化顆粒 最小直徑將取決于超聲波頻率，而每次能霧化溶液量將受控于超聲波功率。在設(shè)計(jì)選 擇超聲波霧化器時(shí)，將重點(diǎn)解決以下三個(gè)問題： 1 確定超聲波頻率范圍及頻率的穩(wěn)定性，以保證被霧化的液滴顆粒直徑穩(wěn)定在 4 0 微米以下 2 確定超聲波功率范圍，使得其適應(yīng)流量調(diào)整，保證工作時(shí)即可霧化，又不會(huì) 對(duì)涂敷原料產(chǎn)生損害 3 設(shè)計(jì)超聲發(fā)生器通訊方式，使得超聲波發(fā)生器在控制系統(tǒng)下統(tǒng)一工作。 4 1 4 超聲波發(fā)生器的選擇 隨著超聲波的應(yīng)用越來越廣泛，超聲波發(fā)生器，已作為一種成熟的獨(dú)立產(chǎn)品，國(guó) 內(nèi)外市場(chǎng)上有很多專業(yè)廠商生產(chǎn)。各廠商根據(jù)不同的使用場(chǎng)合，推出不同種類和規(guī)格 的超聲波發(fā)生器。為了保證我們?cè)O(shè)備在噴涂過程中，對(duì)涂敷原料的霧化顆粒保證一致， 受外界及其它因素影響較小，需要選擇功率、頻率可調(diào)，性能穩(wěn)定的超聲波發(fā)生器。 另外，由于需要同其它組件配合，因此，還需要能進(jìn)行遠(yuǎn)程啟動(dòng)停止等控制功能。 通過對(duì)多家廠商的產(chǎn)品選擇，最終選擇美國(guó)s o n o t e k 公司生產(chǎn)的f r e e s t a n d i n g 第四章系統(tǒng)輸入柏出設(shè)備設(shè)計(jì)與選型 ( p n 0 6 0 5 1 0 8 ) 超聲發(fā)生器作為超聲噴涂系統(tǒng)中超聲波發(fā)生源。其功能及產(chǎn)品質(zhì)量 完全滿足現(xiàn)場(chǎng)噴涂的需求。 4 1 5s o n o - t e k 超聲波發(fā)生器介紹 一、s o n o t e k 超聲波發(fā)生器特點(diǎn)： 1 操作控制方式：即可通過簡(jiǎn)單的面板操作也可通過遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程 輸入功率調(diào)整，輸出故障報(bào)警及啟動(dòng)停止 2 采用先進(jìn)的鎖相式頻率控制技術(shù)，自動(dòng)控制超聲發(fā)生囂的工作頻率 3 自調(diào)整技術(shù)保證輸出功率穩(wěn)定可靠 4 系統(tǒng)故障時(shí)提供報(bào)警 5 l c d 功率表可顯示和控制輸出功率 二、主要性能參數(shù)： 頻率：1 2 0 k j - i z 輸出功率：間歇工作 = 2 0 w ，連續(xù)工作 - 1 5 w 工作溫度：3 2 1 0 5 0 f ( 0 4 0 0 c ) 三、面板結(jié)構(gòu) 超聲波發(fā)生器面板布局如圖4 _ 4 圖4 - 4 超聲波發(fā)生器面板布局圖 四、超聲波頻率設(shè)定 我們知道，噴涂原料液體顆粒霧化直徑主要受超聲波頻率，即噴頭振動(dòng)頻率，表 面張力及噴涂原料液體的密度影響。其中頻率是主要影響因素。中間的顆粒霧化直徑 第四章系統(tǒng)輸入輸出設(shè)備設(shè)計(jì)與選型 和頻率成反比，較高的頻率會(huì)得到較小的中間顆粒霧化直徑。噴嘴噴出的霧化顆粒的 直徑分布和頻率呈對(duì)數(shù)曲線分布，或者說，在對(duì)數(shù)坐標(biāo)上成正態(tài)分布。1 2 0 k h z 的超 聲波霧化純水時(shí)，直徑4 0 微米以下的顆粒占約9 0 以上。 五、超聲波輸出功率設(shè)定 超聲波功率可調(diào)，具體設(shè)定值將通過實(shí)驗(yàn)確定，主要是根據(jù)流量，調(diào)整超聲功率， 保證霧化和噴涂效果。 六、超聲波發(fā)生器的遠(yuǎn)程控制設(shè)置 通過專用連接線，接到p l c 控制端口，再通過p l c 控制程序，控制超聲波發(fā)生 器的啟動(dòng)和停止，其他功能如功率調(diào)整，在超聲波發(fā)生器上直接設(shè)定完成。 4 1 6 超聲噴頭設(shè)計(jì) 一、設(shè)計(jì)要求 超聲噴頭，即換能器，和超聲波發(fā)生器共同組成超聲波霧化器。它是整個(gè)超聲噴 涂系統(tǒng)中關(guān)鍵環(huán)節(jié)，噴涂原料將通過原料輸送系統(tǒng)，送達(dá)超聲噴頭中，同時(shí)將超聲波 發(fā)生器送達(dá)的電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)，使得噴涂原料霧化，再通過低流量，低壓的潔凈 氣體，將霧化后的原料送達(dá)被涂物體表面。由于市場(chǎng)上的超聲波霧化器的換能器無法 直接用于我們的超聲噴頭，因此，我們需要在超聲噴頭設(shè)計(jì)中解決以下問題： 1 避免超聲波對(duì)噴涂溶液的過分加熱、 2 噴涂原料液體霧化顆粒直徑小于4 0 微米 3 液體流量可控 4 噴頭噴出的霧柱直徑小于1 5 m m 5 噴頭應(yīng)遠(yuǎn)離超聲霧化器 二、設(shè)計(jì)方案 根據(jù)以上要求，進(jìn)行如下設(shè)計(jì)： 1 為了避免超聲波對(duì)溶液的過分加熱，我們將溶液通過獨(dú)立的外部管路送達(dá)噴 頭噴嘴處，使其在霧化前，不受超聲波影響 2 液體流量控制可通過原料輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行控制，噴頭上溶液的獨(dú)立管路 應(yīng)足夠細(xì)，噴頭孔徑應(yīng)足夠小，以保證在較低的流速和流量下，液體流量穩(wěn)定。 三、超聲噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1 整個(gè)超聲波噴頭分為兩個(gè)部分，一部分實(shí)現(xiàn)噴涂液體微量輸送，另一部分為 換能器，將超聲波發(fā)生器中的高頻電能轉(zhuǎn)換為同樣頻率的機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)將這機(jī)械振 動(dòng)引到噴嘴表面，然后，將噴涂溶液送達(dá)這表面進(jìn)行霧化。 2 機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換部分，主要使用一組圓柱狀陶瓷壓電式換能器，將其激勵(lì)電極 通過同軸電纜和超聲波發(fā)生器連接起來，再用兩塊圓柱狀鈦金屬環(huán)將換能器夾在中 第四章系統(tǒng)輸入輸出設(shè)備設(shè)計(jì)與選型 間。當(dāng)超聲波發(fā)生器的高頻電能通過同軸電纜到達(dá)陶瓷壓電換能器時(shí)，換能器將該電 能轉(zhuǎn)化為同頻率的機(jī)械振動(dòng)。由于鈦具有良好的聲學(xué)特性，而且耐腐蝕性能和機(jī)械強(qiáng) 度都特別好，該機(jī)械振動(dòng)通過圓柱狀鈦環(huán)集中和放大，傳遞到噴嘴頭，在噴嘴前端形 成霧化面。整個(gè)換能器被安裝在一個(gè)圓柱狀腔室中，腔室由前蓋和后蓋共同組成。噴 嘴位于換能器中間，噴嘴中央也設(shè)計(jì)一組重要通道，用來通過氮?dú)?，將霧化的溶液送 達(dá)支架表面。 3 為了降低高頻機(jī)械振動(dòng)對(duì)藥物原料的影響，設(shè)計(jì)一套獨(dú)立的管路輸送噴涂溶 液原料。因?yàn)榱髁亢苄?，所以，管道直徑較小，但為了防止堵塞，而且保證足夠的藥 物原料溶液送達(dá)噴嘴前端霧化表面，孔徑要求在l m m 左右。 4 超聲波噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 超聲波噴頭結(jié)構(gòu)如圖4 5 所示： 圖4 5 超聲波噴頭結(jié)構(gòu)原理圖 5 超聲波噴頭外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 為了便于安裝和實(shí)際使用，根據(jù)上述設(shè)計(jì)思想，超聲波噴頭整體外形結(jié)構(gòu)如圖4 6 所示。 第四章系統(tǒng)輸入輸出設(shè)備設(shè)計(jì)與選型 圖4 6 超聲波噴頭外觀結(jié)構(gòu)圖 4 2 原料輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 2 1 原料輸送功能要求 1 將噴涂原料從容器中按固定的流量和流速，送達(dá)超聲波噴頭霧化器表面，進(jìn)行 霧化 流量范圍：0 0 0 1 m l m i n 到l m l m i n 內(nèi) 流量調(diào)整精度：0 0 0 1 m l 第四章系統(tǒng)輸入，輸出設(shè)備設(shè)計(jì)與選型 流量波動(dòng)范圍：小于1 整個(gè)輸送部件，特別是和原料直接接觸部件，包括原料存儲(chǔ)容器及輸送管路應(yīng)易 于清潔 2 將高純氮?dú)馑瓦_(dá)超聲波噴頭，用于帶動(dòng)霧化后的涂料到達(dá)工件表面 壓力調(diào)整范圍：2 p s i _ 2 0 p s i ( 壓力單位) 4 2 2 噴涂原料輸送泵選擇 根據(jù)原料用量及輸送精度要求，確定采用微量計(jì)量泵作為原料輸送動(dòng)力源。目前 市場(chǎng)上，各種微量計(jì)量泵很多，如齒輪泵，隔膜泵，柱塞泵，蠕動(dòng)泵，注射泵等，但 其中齒輪泵，隔膜泵和柱塞泵都是液體經(jīng)過泵體內(nèi)部，從泵頭流過，不易于清潔，因 此不適合采用。蠕動(dòng)泵，雖然通過獨(dú)立管道輸送，但對(duì)于微量低流速，低壓力輸送， 存在脈沖問題，因此，也不適合使用。 注射泵，工作原理很簡(jiǎn)單，微處理器控制馬達(dá)和精密的齒輪，驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌，使得固 定在導(dǎo)軌上的注射器推送桿精確移動(dòng)，將注射器內(nèi)部液體送出。調(diào)整導(dǎo)軌速度和注射 器直徑，可調(diào)整注射泵輸出流量。因?yàn)樽⑸淦鞫际墙?jīng)過驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)容器，因此，向注 射泵操作面板中輸入導(dǎo)軌速度和注射器容量，注射泵將自動(dòng)顯示當(dāng)前流量。 由于注射泵精度高，流量調(diào)整范圍大，一般都用于醫(yī)療行業(yè)，作為定時(shí)定量或連 續(xù)給藥設(shè)備，精確控制給藥量。當(dāng)注射泵用于一般生產(chǎn)或檢測(cè)行業(yè)時(shí)，由于不再屬于 醫(yī)療器械，價(jià)格相對(duì)較低，同時(shí)，注射器也無需無菌，密封性能及可重復(fù)使用方面也 更符合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)要求。 美國(guó)c o l e p a r m e r 公司生產(chǎn)的非醫(yī)療器械的儀器類注射泵( m o d e l l 9 9 7 e ) ，具有醫(yī) 療注射泵的可靠性，同時(shí)，還配置標(biāo)準(zhǔn)的r s 2 3 2 通訊端口。很適合本設(shè)計(jì)使用。 4 2 3m o d e1 19 9 7 注射泵基本參數(shù) 注射器規(guī)格范圍：1 0 微升一6 0 毫升 機(jī)械驅(qū)動(dòng)方式：微處理器控制步進(jìn)電機(jī)通過皮帶和滑輪驅(qū)動(dòng)絲杠 推進(jìn)器每步位移：0 ，1 6 5 微 最大移動(dòng)速度：8 0 0 步秒 最小流量：0 0 1 微升d , 時(shí) 最大流量：7 0 m l m i n ( 6 0 m l 注射器) 精度：l 重復(fù)性：0 1 第四章系統(tǒng)輸入輸出設(shè)備設(shè)計(jì)與選型 4 2 4m o d e1 19 9 7 注射泵基本操作 該規(guī)格注射泵采用微處理器控制，配置液晶顯示面板及功能鍵，可直接設(shè)置運(yùn)行 參數(shù)，包括啟動(dòng)，停止，輸出速度，流量，容量調(diào)整以及故障，安全報(bào)警等信息顯示。 操作面板如下圖4 7 所示： 圖4 7m o d e l1 9 9 7 注射泵操作面板 主要參數(shù)設(shè)定方法： 1 設(shè)置注射器直徑設(shè)置：通過選擇鍵，選擇到d i a 界面，即可設(shè)置。 2 注射器規(guī)格選擇，儀器中存儲(chǔ)有國(guó)內(nèi)外主要注射器生產(chǎn)廠商及產(chǎn)品規(guī)格，通 過選擇鍵進(jìn)入本界面，選擇所用的注射器廠商及規(guī)格。 4 設(shè)置流量：進(jìn)入該界面，設(shè)置所需要流量。 5 體積設(shè)定：進(jìn)入該界面，根據(jù)需要，設(shè)定需要輸送的體積。 微處理器將根據(jù)上三種參數(shù)設(shè)置，自動(dòng)計(jì)算注射泵運(yùn)行速度。 6 運(yùn)動(dòng)方式選擇：進(jìn)入該界面，選擇需要三運(yùn)行方式。 共有五種運(yùn)行方式： i n f i n f u s i o n ：灌輸，即泵在設(shè)定的流量下運(yùn)行到設(shè)定的體積后自動(dòng)停止 w d r ww i t h d r a w a l ：回收，功能同i n f 一樣，只是方向相反 i w i n f u s i o n w i t h d r a w a l ：先用i n f 方式運(yùn)行，再用w d r w 方式運(yùn)行，流量 可分別設(shè)定 w 1 w i t h d r a w a l i n f u s i o n ：先用w d r w 方式運(yùn)行，然后再用i n f 方式運(yùn)行， 流量分別設(shè)定 c o n t c o n t i n u o u s ：以i n f 和w d r w 方式循環(huán)運(yùn)行，但流量或體積一樣 4 2 5r s 3 2 3 接口參數(shù)設(shè)定 波特率：9 6 0 0 ，數(shù)據(jù)格式：8d a t ab i t s ，n op a r i t y ，1s t o p 注射泵地址：1 ，( 1 9 9 ) 接線方式：三芯，分別為g r o u n d ，t r a n s m i t ，r e c e i v e 。 第四章系統(tǒng)輸入輸出設(shè)備設(shè)計(jì)與選型 使用9 針連接器，p i n 2 一d a t ai n ，p i n 3 一d a t ao u t ，p i n 5 g r o u n d 命令與響應(yīng)句法： c o m m a n d s 句法：a d d r e s s c o m m a n d r e s p o n s e s 句法： a d d r e s s 說明 主要遠(yuǎn)程控制命令有： 啟動(dòng)注射泵運(yùn)行命令：lr u n 該命令要求注射泵啟動(dòng)運(yùn)行，如果注射泵已啟動(dòng)，該命令忽略，設(shè)備保持運(yùn)行狀 態(tài)不變 停止注射泵運(yùn)行命令：1s t o p 同樣，該命令要求注射泵停止運(yùn)行，如果注射泵已停止，該命令忽略 詢問注射泵工作狀態(tài)：1r u n ? 其它功能不再通過通訊口進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)置。直接在操作面板上設(shè)置。 4 2 6 噴涂原料輸送部件參數(shù)設(shè)置與組裝 將1 0 m l 注射器安裝在注射泵的導(dǎo)軌上，并將注射器推桿固定在注射泵的導(dǎo)軌擋 板上，出口端連接1 1 6 英寸特氟龍軟管，而特氟龍軟管的另端連接在超聲波噴頭的 噴頭原料輸人口，設(shè)定運(yùn)行方式為c o n t ，流量為0 0 5 m l m i n 。 4 2 7 高純氮?dú)廨斔驮O(shè)計(jì) 高純氮?dú)庠词褂妹绹?guó)北方氣體公司生產(chǎn)的瓶裝9 9 9 9 9 液態(tài)氮?dú)猓ㄟ^兩級(jí)調(diào) 壓，將氮?dú)鈮毫φ{(diào)整到2 0 p s i ，通過1 4 英寸的e p ( 電子拋光) 不銹鋼管道，送達(dá)設(shè) 備操作區(qū)外。通過分流閥，將氮?dú)夥殖扇罚謩e為保護(hù)氮?dú)?，干燥氮?dú)夂途劢沟獨(dú)猓?各自進(jìn)行第三次壓力調(diào)整，主要是減壓。然后通過電磁閥開關(guān)。 保護(hù)氮?dú)庵饕菍?duì)噴涂工作區(qū)( 設(shè)備主操作室) 充氮?dú)?，并在該區(qū)域形成正壓， 保證藥物噴涂在低氧，潔凈的環(huán)境下進(jìn)行。保護(hù)氮?dú)庵饕窃谠O(shè)備噴涂程序啟動(dòng)后開 始，當(dāng)工作區(qū)域壓力監(jiān)視表顯示為正壓時(shí)，按噴涂運(yùn)行，保護(hù)氮?dú)鈱⑼Ｖ?，充氣結(jié)束。 充氣壓力一般保持2 0 p s i 。 干燥氮?dú)庵饕窃趪娡窟^程中，對(duì)冠狀動(dòng)脈表面涂層進(jìn)行干燥，保證噴涂效果。 要求流量和壓力都較低，因?yàn)閴毫^高，流量過大，在噴涂過程中會(huì)影響霧化顆粒的 噴射方向和涂敷范圍的。主要是通過實(shí)驗(yàn)，觀察流量和壓力對(duì)噴涂的影響，保證既要 提高噴涂干燥速度，又不能影響霧化顆粒路徑。 聚焦氮?dú)猓饕脕韺⒊暡▏婎^霧化的藥物原料顆粒聚集在直徑為l m m 左右 范圍內(nèi)，并送達(dá)冠狀動(dòng)脈支架表面。其流量和壓力大小將直接影響噴涂效果，一般 控制在5 p s i 左右，具體值將通過實(shí)驗(yàn)，根據(jù)噴涂效果調(diào)整。 第四章系統(tǒng)輸入輸出設(shè)備設(shè)計(jì)與選型 4 3 三維坐標(biāo)定位平臺(tái)設(shè)計(jì) 4 3 1 三維坐標(biāo)定位平臺(tái)主要功能及基本參數(shù) 三維驅(qū)動(dòng)平臺(tái)主要功能是安裝超聲波噴頭，并根據(jù)設(shè)計(jì)好工作流程，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)， 使得超聲波噴頭在噴涂時(shí)勻速移動(dòng)，同時(shí)，冠狀動(dòng)脈支架均勻旋轉(zhuǎn)，以保證支架表面 被均勻涂上藥物涂層，不產(chǎn)生粘連，橋接等問題。因此，需要x ，y ，z 三組坐標(biāo)軸 驅(qū)動(dòng)超聲波噴頭，同時(shí)，還需要q 軸驅(qū)動(dòng)冠狀動(dòng)脈支架旋轉(zhuǎn)。各軸要求如下： x 軸，y 軸： 有效行程：3 0 0 m m ， 重復(fù)定位精度： o 0 1 m m 運(yùn)行速度：10 m m s 一3 0 0 m m s 潔凈度：1 0 0 0 級(jí) 功能：驅(qū)動(dòng)超聲波噴頭在x ( 水平左右) 和y ( 水平前后) 方向進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng) z 軸： 有效行程：1 0 0 m m ， 重復(fù)定位精度： o 0 1 m m 運(yùn)行速度：10 m m s 3 0 0 m r n s 潔凈度：1 0 0 0 級(jí)。 功能：帶動(dòng)超聲波噴頭在z 方向( 垂直上下) 進(jìn)行往復(fù)運(yùn)行 q 軸： 旋轉(zhuǎn)速度：) 3 6 0 度s + 冠狀動(dòng)脈支架安裝卡具，用于固定冠狀動(dòng)脈支架，進(jìn)行噴涂。由于該卡具結(jié)構(gòu)涉 及公司技術(shù)秘密，本論文中不再詳述。 4 3 2 三維坐標(biāo)定位平臺(tái)各驅(qū)動(dòng)軸及q 軸型號(hào)選擇 根據(jù)坐標(biāo)定位平臺(tái)功能要求，各工作軸運(yùn)行速度及負(fù)載都較低，所以，各軸應(yīng)擅 長(zhǎng)在低速運(yùn)行而不會(huì)產(chǎn)生爬行，而且是小型絲杠，保證運(yùn)行精度同時(shí)，不需要大型 絲杠，但。雖然各工作軸方向的行程都不大，但在工作過程中往返很頻繁，這要求各 軸質(zhì)量可靠，運(yùn)行穩(wěn)定。另外，作為醫(yī)療器械制造的最大特點(diǎn)，所有設(shè)備和部件應(yīng)符 合凈化區(qū)使用要求，不產(chǎn)塵，不積塵，密閉。因此，各軸的內(nèi)部絲杠應(yīng)免維護(hù)或盡可 能少維護(hù)，避免對(duì)工作區(qū)域的污染。滿足在萬級(jí)凈化車間使用要求。 x ，y ，z 軸使用p a r k 公司生產(chǎn)的凈化區(qū)域?qū)Ｓ眯⌒妥鴺?biāo)軸絲杠，型號(hào)4 0 4 x r ， 組成三維坐標(biāo)平臺(tái)，通過司服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，編碼器反饋進(jìn)行閉環(huán)控制。q 軸為旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)， 通過步進(jìn)電機(jī)，靈活控制轉(zhuǎn)速。 第四章系統(tǒng)輸入偷出設(shè)備設(shè)計(jì)與選型 4 3 3 三維坐標(biāo)定位平臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制器的選擇 三維坐標(biāo)定位平臺(tái)各軸負(fù)載都比較小，而對(duì)運(yùn)行速度和重復(fù)定位要求較高，因此， 選擇a c 伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置。比較各家公司產(chǎn)品，日本y a s k a w a 公司生產(chǎn)的一 i i 系列a c 伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器比較適合。該系列產(chǎn)品采用了高分辨率串行編碼器( 1 6 ， 1 7 b i t s ) ，靈活的在線自動(dòng)調(diào)整功能，并可利用參數(shù)切換可分別使用轉(zhuǎn)矩、位置、速度 控制。可實(shí)現(xiàn)高速，高精度驅(qū)動(dòng)。參數(shù)設(shè)定簡(jiǎn)單，性價(jià)比高，而且可以和美國(guó)p a r k 公司4 0 4 x r 小型絲杠配套安裝。 具體型號(hào)選擇如下：x ，y 軸負(fù)載偏高，使用一i i 系列中1 0 0 w ，型號(hào)為 s g m a h 0 1 a a a 4 1 的a c 伺服電機(jī)，配單項(xiàng)a c 2 0 0 v ，型號(hào)s g d m 0 1 a d a 電機(jī)伺 服單元，而z 軸和q 軸負(fù)載較小，使用該系列中5 0 w ，型號(hào)為s g m a h - a 5 a a a 4 1 的a c 伺服電機(jī)，配單項(xiàng)a c 2 0 0 v ，型號(hào)s g d m a 5 a d a 電機(jī)伺服單元。 伺服單元基本性能參數(shù)： s g d m - a 5 a ：最大適用電機(jī)容量 k w ：0 0 5 ；連續(xù)輸出電流 a r m s ：0 6 4 ：最大 輸出電流 a r m s ： 2 0 。 s g d m - 0 1 a ：最大適用電機(jī)容量 k w ：0 1 ：連續(xù)輸出電流 a r m s ：0 9 1 ；最大輸 出電流 a r m s ：2 8 。 伺服單元配置標(biāo)準(zhǔn)的電纜和接線方式，可進(jìn)行簡(jiǎn)單的連接，即可實(shí)現(xiàn)同p l c 和電 機(jī)之間的速度，位移等控制。 4 4 其他輸入輸出設(shè)備設(shè)計(jì) 整個(gè)系統(tǒng)除了上述幾種主要部件外，還應(yīng)用了一些其他輸入輸出設(shè)備，傳感器和開 關(guān)，閥門等，包括真空泵，條形碼讀碼器，電磁閥，壓力調(diào)節(jié)閥，安全限位開關(guān)，行 程開關(guān)，溫濕度傳感器等，雖然都是一些常用工業(yè)控制元件，但也比較了很多廠商的 產(chǎn)品，最后，選擇如下公司的產(chǎn)品，由于篇幅所限，各部件的具體性