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4 中藥自動(dòng)配藥系統(tǒng)中取藥小車的優(yōu)化方法

    4.1 中藥自動(dòng)配藥系統(tǒng)簡介

    中藥自動(dòng)配藥系統(tǒng)中采用的是西門子公司出品的S7-200系列PLC控制步進(jìn)電機(jī)工作，該系統(tǒng)取藥裝置主要由負(fù)責(zé)在X方向行走的取藥小車和負(fù)責(zé)在Y方向行走的機(jī)械手組成，機(jī)械手安裝在小車上，小車由X方向的步進(jìn)電機(jī)（驅(qū)動(dòng)小車左右行走）控制，機(jī)械手由Y方向的步進(jìn)電機(jī)（驅(qū)動(dòng)機(jī)械手上下行走）控制。小車在儲(chǔ)杯器處取到藥杯，由小車攜帶托著藥杯的機(jī)械手行走至儲(chǔ)藥架指定位置取第一味藥，第二味藥，第三味藥，…，直到所需的藥全部取完，取藥小車便回到封裝器處對(duì)藥杯封口完成一次取藥流程。

    4.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及頻率曲線的優(yōu)化

    這里主要針對(duì)X方向上驅(qū)動(dòng)取藥小車行走的步進(jìn)電機(jī)的頻率曲線進(jìn)行分析。由于儲(chǔ)藥架上藥瓶遠(yuǎn)近不同取藥小車在取藥過程中既要短距離行走，又要長距離行走。為避免損壞機(jī)器及提高取藥定位的精確度，要求小車在短距離行走時(shí)緩慢、平穩(wěn)、定位精確；為提高取藥效率，則要求小車長距離行走時(shí)快速、平穩(wěn)、防抖動(dòng)、噪音小、定位精確。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，僅僅使用圖1中的三段曲線是不能滿足以上要求的。在S7-200系列PLC的梯形圖編程方式中，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)小車運(yùn)動(dòng)是通過調(diào)用子程序的方式實(shí)現(xiàn)的，子程序中需要的參數(shù)包括曲線的段數(shù)、初始周期、脈沖數(shù)、周期增量等，這些信息都存放在PLC的包絡(luò)表中，當(dāng)PLC的主函數(shù)調(diào)用該子函數(shù)時(shí)，包絡(luò)表將提供所有的參數(shù)信息。在對(duì)取藥小車長距離行走進(jìn)行分析時(shí)，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作頻率與步長之間的關(guān)系，將圖1中的第一段曲線和第三段曲線再次劃分如圖2所示。

圖2 步進(jìn)電機(jī)周期曲線（7段）

    圖2中前三段曲線段的作用效果等價(jià)于圖1中第一段曲線段，若將包絡(luò)表中的數(shù)據(jù)改為7段式曲線，并修改每段曲線的初始周期和脈沖數(shù)，即得到圖2所示的周期曲線（由于包絡(luò)表中頻率是以周期的方式表示，因此，圖2中將周期值換算成頻率值，每段曲線的起始位置用“周期值（μs）/ 脈沖值（個(gè)）”的方式來標(biāo)注該段曲線的初始周期和脈沖數(shù)，中部的數(shù)據(jù)代表該段曲線的周期增量，可以看作該段曲線的斜率，所有水平曲線的斜率為0，xpulse 是由主函數(shù)傳遞過來的電機(jī)驅(qū)動(dòng)取藥小車勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)的脈沖數(shù)），從圖中不難知道，每段曲線的周期及脈沖數(shù)和周期增量存在如下關(guān)系：（每段曲線的初始周期用t_b表示，結(jié)束周期用t_e表示，脈沖數(shù)用p表示，周期增量用a表示）。

    a＝（t_e－t）/p     （1）

    由圖2可以得出定理：步進(jìn)電機(jī)周期曲線中每段曲線的結(jié)束周期值等于下一段曲線的初始周期值，因此計(jì)算下一段曲線的初始周期可由公式1變換為：

    t_e＝a×p＋t_b     （2）

    在圖2中，第一段曲線的初始周期為600，脈沖數(shù)為200，周期增量為－1，根據(jù)公式2計(jì)算出第二段曲線的初始周期為：

    （－1）×200＋600＝400

    后面曲線的初始周期值可按同樣方式計(jì)算出來。如果步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)加速時(shí)速度太慢，由于驅(qū)動(dòng)力不夠?qū)е滦≤囘\(yùn)動(dòng)不起來；相反，若啟動(dòng)速度過大，又會(huì)造成機(jī)器的磨損程度增加同時(shí)噪音也很大，因此恰到好處的設(shè)置啟動(dòng)曲線段的初始周期及脈沖數(shù)尤為重要。測試結(jié)果表明，采用圖2中的曲線段數(shù)和參數(shù)，小車行走比原來三段曲線時(shí)更平滑，噪音也稍有降低，在電機(jī)啟動(dòng)的瞬間以及停止的瞬間尤為明顯，整個(gè)小車的穩(wěn)定性得到了提高。在實(shí)驗(yàn)中不斷修改曲線參數(shù)及段數(shù)，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)得到11段周期曲線，每段曲線的周期值和脈沖值如表1。

表1 曲線的周期值和脈沖值（11段） 

    由表1可知通常在PLC的子程序中要根據(jù)周期增量來計(jì)算下一段曲線的初始周期，為簡化這一過程，在實(shí)驗(yàn)中采取了“跳躍式周期曲線”，即只留下整個(gè)曲線的水平部分，這樣所有曲線的周期增量均為0，不僅免去計(jì)算的繁瑣，同時(shí)在確定每段曲線的初始周期數(shù)和脈沖數(shù)時(shí)也比較自由，因此，周期曲線可簡化為如圖3所示。

圖3 跳躍式周期曲線（9段）

　　測試結(jié)果表明，“跳躍式周期曲線”是可行的，也達(dá)到了預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于取藥小車短距離行走，由于小車行走的距離很短，一般30cm左右，只要保證小車在行走時(shí)緩慢、平穩(wěn)、噪音小、定位精確就可以了。實(shí)驗(yàn)證明，將啟動(dòng)和勻速運(yùn)動(dòng)的速度設(shè)置的較慢就能達(dá)到目的，因此在短距離行走中將頻率曲線劃分成多段顯得冗余，采用簡單的三段曲線（圖1中的曲線）并合理設(shè)置初始周期值就足夠了。