基于tip头的三维加样臂的设计毕业论文(编辑修改稿)

基于tip头的三维加样臂的设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

20min,并能满足最多达 4种试剂的添加分析。 各种类型的日立系列全自动生化分析仪分别适用于不同医院。 它们均具有功能全、 分析精度高、操作简便、分析快速、节省试剂、经久耐用、故障率低等特点。 7060全自动生化分析仪 (Hitachi7060automaticanalyzer)是一台在日立小型生化分析仪中处理能力最大的随机任选式全自动生化分析仪。 它具有可同时测定最多 32个项目 (使用 ISE时 35个项目 )和最高每小时 360个测试 (使用 ISE,时最多 720个测试 )的分析能力。 分析方法类型齐全 ,校准模式多样 ,可任意选用 ,满足各种检测要求。 试剂全开放能满足 1一 4种试剂的添加分析。 采用全反应过程吸光度监测 ,反应时间 3min、 4min、 smin、 2smin任选 ,最长可设置长达 150min,能满足各种试验要求和新项目开发的要求。 采用静电液面感应式检测探针 ,适合微量样品采集。 样品针和试剂针均具有横向、纵向防撞保护功能。 吸量注射器由数字脉冲步进电机驱动 ,工作精度高 ,控制准确 ,故障率低。 同时具有样品预稀释和标准液分级稀释以及哈尔滨工业大学本科毕业设计论文 7 改变样品量 (增或减 )自动再测试功能 ,并能自动检测空白反应杯吸光度 ,异常时加强清洗或自动超越或自动停机。 与外设中文数据处理系统连接 ,可实现数据中中文管理、打印中文检验结果报告。 （四）瑞士帝肯公司 图 12 Freedom EVO 液体处理平台 瑞士帝肯公司在在医疗机械上做得比较好，其现有产品 Freedom EVO 液体处理平台具有特点如下： 1） 高通量：单机最多可同时处理 192 张切片；根据不同仪器配置单机 分别处理 4 9 14 192 张切片，适应不同规模实验室需求 2）高效： 8通道同时加样 amp。 清洗，极大缩短实验周期 3）高灵活性：真正意义的 “全开放式 ”仪器， GenePaint允许用户自 定义实验所需试剂 哈尔滨工业大学本科毕业设计论文 8 4）强大的软件管理系统：灵活的程序设定系统，可针对不同实验室需求，设定最优化检测程序；独特的实验前 3D 模拟功能，极大程度避免仪器运行错误的发生 5） TeFlow 样本处理模块 Flowthrough技术 :侧面加样 amp。 冲洗，最大 度降低对样本的损伤；通过重力及毛细作用，使液面薄层均匀覆盖于样本表面，形成封闭式孵育环境，保证检测结果的准确性与稳定性；样本表面始终保持湿润，允许仪器隔夜运行，方便用户操作。 6）独特的 Chamber 设计 : 8 联架结构，每个 Chamber 均形成独立的封闭 体系；既简化操作，又极 大程度避免交叉污染，保证实验结果的稳定性 7）高精度温控系统 :不同切片间孵育典型温差介于 177。 ℃ . 2 全自动生化分析仪国内现状 全自动生化分析仪国内产品与国外差距很大。 从报道情况和全国医疗仪器展览情况看 ,目前国内只有两家单位推出了完全自主研制的全自动生化分析仪产品 ,但都是中小型全自动生化分析仪 ,在功能和速度上和国外产品相差很多。 这两家分别是长春光机所和深圳迈瑞医疗器械公司。 迈瑞公司是在 2020 年下半年推出了一款全自动生化分析仪产品 ,其最大测试速度为 240次 /小时 ,在线测试项目 24项 ,后期又 逐步推出 300次 /,J“时和 400 次 /小时两款产品 ,在线测试项目 40项。 长春光机所目前推出了一款全自动生化分析仪 ,其最大测试速度为 400 次 /小时 ,在线测试项目与迈瑞公司的产品相同。 近来随着医学的发展 ,我国医疗机构对自动生化分析仪的要求越来越迫切。 随着国内医院要求诊断指标的增多 ,测试工作量不断增大 ,半自动生化分析仪已远远不能满足需求 ,对全自动生化分析仪的要求日益增大 ,而国内生化分析仪生产的型号种类很少 ,又均为一般性的仪器 ,专门化和大而全的通用仪器几乎没有 ,仪器自动化程度和微机化水平低 ,因此全自动生化分析仪的研制和开发将有着重大的经济效益和社会效益。 哈尔滨工业大学本科毕业设计论文 9 1． 3 本论文的主要内容 本论文的研究旨在设计一套高精度的自动加样装置，完成自动加样系统的机械结构设计、机械运动部分的控制设计，并对加样系统关键机构进行相关的力学分析和仿真研究，验证其设计方案的性能。 论文具体任务如下：①调研国内外血型分析系统的发展现状，并对其进行性能分析，在明确现有加样系统的结构特点和设计缺陷的基础上，提出本论文研究的自动加样系统的总体设计方案。 ②完成包括加样机械臂、 Tip的安装于卸载机构，应用 Pro/ 建立了加 样系统的三维实体模型。 ③为了提高加样机械臂性能，使用 ADAMS对其进行了运动仿真，仿真结果达到了理想的效果。 ④根据自动加样系统机械运动部分相似定位控制需求，详细设计了运动控制方案，完成 了基于单片机 AT89c51和驱动芯片 L298 的直流电机伺服控制系统的软、硬件设计。 ⑤为了验证所设计的控制电路是正确的，用Proteus软件对控制电路进行了仿真。 哈尔滨工业大学本科毕业设计论文 10 2．三维加样臂机械结构设计 2. 1 总体方案设计 机械臂是自动控制领域中 出现的一项融合多学科的重要技术，也是目前在机器人技术领域中得到最广泛应用的自动化机械装置，并已成为工业制造、医学治疗、娱乐服务以及军事等现代自动化系统中的一个极其重要的组成部分。 随着临床检验仪器的自动化发展，自动加样机械臂已经成为了自动化的医疗分析仪器不可或缺的组成部分。 尽管自动机械臂的结 构形态各有不同，但是它们都能够根据控制指令，精确地定位到作业平台空间上的预定点进行作业，机械臂按其结构形式，可分为以下四类： ① 笛卡尔坐标式机械臂：机械臂可以沿笛卡尔坐标系 X、 Y、 Z 三轴的方向往复移动，亦即臂部可以左 右移动 (定为沿 X 方向的平动 )、前后伸缩 (定为沿 Y 方向的平动 )和上下升降 (定为沿 Z 方向的平动 )； ② 圆柱坐标式机械臂：机械臂可以沿 X 坐标轴和 Z 坐标轴方向平动，又可绕 Z 坐标轴转动，亦即机械臂可以左右伸缩、上下升降和左右转动； ③ 球坐标式机械臂：机械臂可以沿 X 坐标轴方向平动，又可以绕 Y 坐标轴和 Z 坐标轴转动，亦即机械臂可以左右伸缩 (沿 X 方向平动 )、上下摆动 (定为绕 Y轴转动 )和左右转动 (定为绕 Z 轴转动 )； ④ 多关节式机械臂：这种机械臂通常由小臂和大臂组成，其小臂和大臂之间以及大臂和机座之间均以铰链连接，亦即小臂可绕大臂上下摆动，大臂又可绕机座摆动，机械臂还可以绕机座转动。 加样机械臂应具有三个自由度，能够实现对血型实验平台内任意反应区的定位。 上述四种形式的机械臂在功能上，都能够满足定位需求。 但是，球坐标式机械臂和多关节式机械臂结构都较为复杂，加工和防碰撞等技术条件要求比较高，通常多用于高温、高压、高辐射或工作空间狭小等不适合人工直接操作的危险场合代替人工安全地完成作业，而且哈尔滨工业大学本科毕业设计论文 11 其控制难度也较大，可靠性和稳定性不如前 两种形式的机械臂。 此外，由于血型实验过程中盛装样本和试剂的试管都是竖直放置在试管架上的装载孔内，故在加样机械臂在作业过程中应使加样针保持竖直的姿势，才更方便取样，而球坐标式机械臂和多关节式机械臂还需要对加样状态进行调整，因此并不适合用于本课题研究的全自动血型分析系统检测平台的自动加样系统。 由加样机械臂的功能要求可知，本文所研究的加样机械臂需要能够定位检测平台上的所有工作区，前两种坐标形式的机械臂都具有三个自由度，且结构组成比较简单、控制难度也较小，且都能够实现检测平台内所有反应区的定位。 但是我们经调研发现 ，在自动化医疗仪器中圆柱坐标式加样机械臂多用于旋转式抽放样的自动加样系统中，且通常只使用沿 Z 轴的移动和转动两个自由度，而全自动血型分析系统使用矩形的 96 孔微孔板做为反应区，若采用笛卡尔坐标式加样机械臂，则可以方便地将位置信息转换为驱动电机的控制信息，更有利于加样机械臂对样本、试剂和微孔板的定位。 因此在本论文中我们拟采用笛卡尔坐标式加样机械臂。 加样机械臂应满足以下特点： ① 基本运动要求 加样机械臂不仅需要能够灵活地在检测平台上沿 X、 Y、 Z 三个坐标轴作精确平移运动，而且加样控制系统能够分别准确测得 沿三个坐标轴平移运动的距离，从而得知加样针在检测平台上的准确位置。 ② 速度响应要求 全自动血型分析系统的研究目的就是为了代替人工，对大批量的样本快速、准确地进行自动化血型实验从而得到准确、可靠的实验结果，因此自动加样系统必须满足响应速度快，惯性小，运动速度高等要求。 ③ 精度要求 加样机械臂必须保证有足够的机械精度和较小的回程误差，才能保障自动加样系统的精确定位要求。 因此加样机械臂导向装置摩擦应尽量小，并且应该有足够的刚度，而机械臂的运动精度则靠驱动电机的控制精度来保证。 以往在自动化仪器中，机械臂多采用普 通滑动导向装置，哈尔滨工业大学本科毕业设计论文 12 但是它的运动精度和导向精度不高，承载能力低；在低速运动时，也容易出现爬行现象，故经常出现定位不精确的情况，且磨损较大，磨损后摩擦增大，寿命短，需要经常维护。 滚动导向装置虽然结构复杂，成本较高，但是它具有承载能力较大，刚性强、寿命长、传动的平稳性和可靠性较高的优点，且具有结构自调整能力，装配简单。 因此本论文中加样机械臂拟采用导向装置。 图 21三维加样机械臂总体结构模型 根据以上的分析，加样机械臂是由 X、 Y、 Z 三轴的直线平移机构组成的一个悬臂结构机械臂，其依靠 X、 Y、 Z 三轴平移机构完成血型实验过程中对加样针位置的调整。 为简化机械臂的结构，使其结构紧凑，同时满足高速、高精度设计要求，我们对 X 和 Y 方向平移机构采用上下布置的两个精密滚珠导向轴副，保证进给运动的直线度和平稳度； Z 方向进给机构采用精密直线导轨副。 为保证加样机械臂的定位精度和重复精度，设计时传动装置应具有较小回程误差。 同步带传动是通过带轮与带齿的啮合实现运动和动力传递的一种带传动方式，由于它在普通带传动的基础上综合了链传动和齿轮传动的诸多优点，具有无滑差严格同步传动、传动效率高、传动性能优良和能够吸振，耐 冲击等特点因此在工业机器人、数控机床、医疗设哈尔滨工业大学本科毕业设计论文 13 备等精密机械领域被广泛地用于精密传动和高精度定位。 我们拟对加样机械臂三轴进给机构均采用同步齿形带传动方式，驱动电机通过同步齿形带带动直线轴承在直线导轨或导向轴上做精度的往复直线移动，从而实现加样针的高精度定位。 2. 2 X、 Y、 Z 轴的具体设计 图 22 X轴方向结构模型 加样机械臂是一个悬臂结构，其运动的精度及稳定性与三个运动方向的传动机构有着很大的影响，因此根据加样机械臂轻载、响应速度快、精度和稳定性高的设计要求，合理设计传动机构对加样机械臂工作的可靠 性和稳定性具有重要的意义。 图 23 Y轴方向结构模型 图 24 Z轴方向结构模型 2. 2. 1 导向轴的选择计算 导向装置结构精密，设计非常复杂，为缩短设计制造周期，提高产品质量，我们拟根 据自动加样机械臂的具体设计要求选用工厂自动化用零件生产商提供的标准化导向产品。 比较相关企业的产品性能后，选定 MiSUMi 公司的产品。 MiSUMi 不仅可以提供种类丰富的精密 FA 工厂自哈尔滨工业大学本科毕业设计论文 14 动化用零件，还可以根据客户的需要对选购的零件进行追加加工，可显著提高我们设计开发的效率。 该公司的直线导轨产品，其 MX 润滑组件将大量的润滑脂浸透由均匀连续气孔构成的特殊聚氨酯中；利用毛细管现象，向直线导轨的轨道面上供应适量的润滑脂，使滑轨之间始终形成油膜，从而可实现导向装置的长时间免维护。 根据自动加样机械臂具体情况， X、 Y 轴均选用两端内螺纹型滚动导向轴组件，因为两端为内螺纹的类型相比于外螺纹，一外 一内螺纹类型便于安装，直接用螺钉固定即可。 图 25 导向轴结构图 X轴直线导轨的选择计算长度的选择：因为 X轴要求的工作行程是100cm,再考虑 X轴滑块的宽度 50mm,再考虑电机尺寸 80mm,再加上 Z 轴管道的尺寸，导轨的长度 L=1000+50+80=1130mm,最终选择 L=1200mm。 X 轴导轨直径的选择：根据网上相关悬臂结构的直径尺寸类比选择D=30mm。 最终选择型号为 SSFJW301200M16N16。 Y轴的直线导轨的选择计算 ： 长度的选择：因为 Y 轴要求的工作行程是 30cm,再考虑 Y 轴滑块的宽度 35mm 同步带轮支撑架的尺寸35mm,Y 轴一端需要深入滑块支撑架里 20mm,另一端深入末端 10mm,导轨的长度 L=300+35+35+20+10=400mm,最终选择 L=430mm。 Y 轴导轨直 径的选择 :根据网上相关悬臂结构的直径尺寸类比选择D= VSFJW15430M8N8。 Z 轴导轨的选择长度的选择： Z 轴的工作行程为 200mm,滑块的长度为 10mm,同步带轮尺寸 20mm,所以 Z 轴长度 L=200+10+20=230mm,取L=23。