中药饮片的等分机构及其控制系统设计

王 冲 张志强 娄唯佳

中药饮片的等分机构及其控制系统设计

王 冲 张志强 娄唯佳

（北京信息科技大学机电工程学院，北京100192）

针对中药房在中药饮片称量中使用的等分机构，对其机械结构和控制系统进行了设计分析，弥补了原来中药调配“手抓戥称”工作模式效率低、误差大的缺陷，为中药房的称量工作实现自动化提供了解决方案。

中药饮片；等分机构；机械结构；工作流程；控制系统；设计

0 引言

长期以来，传统中药房一直依靠人工估算的“手抓戥称”的中药调配工作模式，不仅工作量大、效率低，而且误差大、患者等待时间较长。

现根据中药饮片的种类、形状、特性，以经过预处理、黏性较小的常用中药饮片为基础，设计了一款针对中药饮片的等分机构。

1 中药等分机构的机械结构

中药等分系统是机电一体化系统，其主要由机械结构和控制系统组成。

1.1 中药等分机构的机械结构组成

中药等分机构的机械结构如图1所示。等分板位于输送带之上，可进行直线往返运动，其运动轨迹遍布输送带全程。传送带安装在两侧板中间，下方安装有张紧装置和调节螺钉。传送带的主要作用是将振动均匀的物料输送到等分槽中。前挡板通过步进电机驱动，经杠杆作用控制前挡板的抬起和落下。经调研发现，通常情况下医生的处方剂数都在10剂以内，因此，此处等分槽沿输送带的宽度方向将其进行10等分，并通过两侧长度不等的连接板将其固定，限制其6个自由度。将等分槽末端的出料挡板与十字滑台直线导轨模组连接。其中，导轨模组固定在等分槽的下方。

图1 中药等分机构的机械结构

根据共振原理，当电磁振动器的激励频率接近装置的固有频率时，装置于低临界共振状态下工作，此状态下机构工作平稳、功耗较低。其中，衔铁通过一个平板机构与传送带侧板固定相连，铁芯及其固定装置安装在基架上。当给铁芯接通经过半波整流后的单相交流电时，在电压的正半周，铁芯与衔铁就会产生脉冲电磁力，衔铁被铁芯吸附而产生相对运动；在电压的负半周电磁力消失时，衔铁被释放，装置向相反方向运动。中药等分机构在50 Hz的交流电下工作，使得传送带上的物料看起来像在均匀连续地移动，物料振动均匀。板弹簧组在振动装置中起到了提供回复力的作用。

1.2 中药等分机构的具体工作流程

中药等分机构的具体工作流程如图2所示。系统接收到数据时，两组十字滑台直线导轨模组的电机相继运动到指定位置，当经过混合均匀的中药饮片被倒入装置中时，电磁振动器便会通电开始振动，经过一段时间后，振动停止，前挡板电机开始运转，驱动前挡板抬起至一定高度后停止，此时传送带运转将物料送到等分槽中，然后前挡板回落，等分板归零。当后续的包装系统启动到位后，出料板在十字滑台导轨模块的驱动下，每次运动一个等分格的距离，以便饮片逐格出料并对其进行包装。

2 等分效果仿真

本文通过三维CAD软件建模后导入EDEM软件对等分机构进行分析。为了方便导入，将与分析无关的部件先行删除后再行导入，减少了软件处理各部件的时间。等分效果仿真如图3所示。

图2 中药等分机构的具体工作流程图

图3 等分效果仿真图

从图中数据可以看出：槽中最大质量22 g、最小质量19.8 g，两者相差2.2 g。该机构较人工等分误差要小很多，在很大程度上能够满足等分称量要求。

3 中药等分机构的控制系统设计

3.1 控制系统的硬件组成

中药等分机构的控制系统主要由工控机、PCI运动控制卡、步进电机驱动器、步进电机组成。其中，工控机选择的是研华610L型号，该工控机具有标准的RS232接口和RS485接口用于设备通信。PCI运动控制卡选择的是PCI1020控制卡，该卡是PCI总线四轴伺服/步进电机运动控制卡，能精确地控制所发出的脉冲频率（电机速度）、脉冲个数（电机转角）及脉冲频率变化率（电机加速度）。步进电机驱动器选择的是SH20340，其具有噪音低、效率高、温升低、设置灵活的优点，细分数最大可达256。步进电机选用的是42BYGH混合式步进电机，其步进角为1.8°，扭矩为0.5～2.8 kgf·cm。

3.2 控制系统的软件组成

上位机程序使用C#编程语言，程序编写前对步进电机的运转速率进行标定，每个脉冲电机的线位移为0.015 mm，将接收到的数据转换为脉冲数的代码为：

int i=Convert.ToInt32（text1.Text）;

int s=42*（10—i）;

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

由于篇幅所限，下面是等分板电机和出料板电机相继运动的代码：

//设置倍率、初始速度、驱动速度、脉冲方式、驱动方式等参数

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,// 运动卡卡号ref DL[i],// 公共参数结构体指针ref DL[i]）;﹜//设置出料板电机为等分板电机的同步轴

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;// 当等分板电机激励后，启动出料板电机定长驱动

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

4 结语

综上所述，本文的设计分析包括了中药等分机构的机械结构、控制系统以及上位机的控制编程。等分机构大幅度降低了传统人工中药等分的误差；控制系统结合上位机的逻辑编程实现了等分机构的顺序动作，完美地完成了中药饮片的等分工作。该系统的设计是对中药饮片等分工作的创新性探索，以期为我国传统中医药行业贡献绵薄之力。

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[2] 李成群，王伟，贠超，等.自动化药房的现状和新进展[J].机器人技术与应用，2007（5）.

[3] 夏作新，李海鸥，刘绍周.微机自动控制发药机：中国，86105746[P].1988-02-10.

2015-07-21

王冲（1988—），男，河北保定人，在读硕士研究生，研究方向：机器人技术及应用。

张志强（1964—），男，陕西人，博士，副教授，研究方向：机器人技术及应用。

娄唯佳（1987—），男，河北秦皇岛人，硕士研究生，研究方向：机电设备状态检测与诊断技术。