脊髓打擊系統中移動平臺的位移測量與定位設計

葛霜　崔鑫

摘 要：近年來，脊髓損傷的發病率逐年上升，受病人群越來越年輕化，且難以治愈，需要進行大量的臨床試驗對脊髓損傷的藥物進行研究和測試，所以如何制備大量的，標準化的脊髓損傷模型就顯得尤為重要。本文針對脊髓打擊器中的脊髓打擊平臺，設計了一種移動平臺及其定位方法，利用絕對編碼器每一個位置都對應唯一的格雷碼輸出和斷電記憶等功能，通過PLC編程技術，實現了移動平臺位置的定位和測量并通過觸摸屏實時顯示。

關鍵詞：絕對編碼器；觸摸屏；定位；脊髓打擊裝置

中圖分類號：TP311.52

近年來，脊髓損傷由于受病面廣，難以治愈而受到醫學界的廣泛關注[1]，由于市面上大部分脊髓打擊器只能一維移動，即打擊錘的上下移動，在制備動物脊髓損傷模型時，經常會出現由于打擊錘難以精準的打擊在暴露的脊髓部分，而造成大量脊髓損傷模型廢棄的現象，這給實驗研究和資源利用造成了巨大的損失和浪費。本文介紹了一種打擊平臺可移動，可定位的設計方法，通過觸摸屏對移動平臺位置的設定和實時顯示，使脊髓打擊更加精準化。

1 系統工作原理及硬件設計

該平臺移動系統主要包括一個二維移動平臺，平臺采用鋼制材料，總長29cm，寬33.7cm，高52cm[1]，在兩臺步進電機的帶動下，可左右（X方向）和前后（Y方向）兩個方向移動，分別由兩臺128A高細分步進電機驅動器驅動。系統中采用Proface的AST3501W-T1-D24觸摸屏，在觸摸屏上繪制相應按鈕和輸入框，可輸入平臺將要移動的位移和方向，同時也可以實時顯示平臺當前的位置信息（相對于坐標原點的位移和方向）。傳感器選擇光洋TRD-NA1024NW-2302型10位數字量輸出絕對編碼器，具有位置唯一，斷電記憶，干擾小等功能，X、Y兩個方向都使用編碼器的高8位，通過上拉電阻接入PLC的數字量輸入模塊，圖1所示為X方向絕對編碼器與PLC的硬件接線圖。

系統中兩臺電機和觸摸屏均由西門子S7-300控制。通過對S7-300的編程，利用程序塊SFB3發出脈沖，同時利用絕對編碼器做成閉環系統，達到位移定位和實時顯示的目的。圖2為PLC通過步進電機驅動器對X，Y兩個方向的步進電機控制的原理圖。

2 軟件設計

本系統采用Simatic Manager軟件對西門子PLC S7-300進行編程，整個程序主要包含一個主程序和三個子程序。主程序即PLC對兩臺步進電機，編碼器和觸摸屏的控制；子程序分別為：編碼器格雷碼和二進制碼的轉換；步進電機轉動方向的判別和相應位移下SFB3所需要發出的脈沖數量；編碼器轉動圈數和平臺移動位移的計算。

2.1 主程序設計

按下系統總開關并選擇運動方式（同步或分步）后，在觸摸屏相應的位移框內輸入需要移動的位移和方向，點擊“運動執行”按鈕后，PLC迅速運算行至相應位置所需發射的脈沖數，然后步進電機帶動平臺移動，同時絕對編碼器實時監測位置信息并反饋到觸摸屏上，當編碼器檢測到平臺到達設定的位移后，PLC停止發射脈沖，電機停止運動，平臺定位成功。

2.2 子程序設計

2.2.1 格雷碼到二進制碼的轉換

本系統中所使用的絕對編碼器輸出的信號為格雷碼，難以被控制器讀取和控制，需要將格雷碼轉化為二進制碼。程序中，首先將通過上拉電阻進入PLC S7-300的格雷碼作取反處理，第一位保持不變，之后的每一位格雷碼與上一位得出的二進制碼抑或，即得到轉化后的二進制碼。

2.2.2 在不同的運動方式中，對輸入的方向和位移進行判斷和計算

系統中所使用的兩臺步進電機的步距角都為1.8度，絲杠導程都為2毫米，即步進電機每轉動一圈需要SFB3發出200個脈沖，從而得出X、Y兩軸SFB3發出的脈沖數和平臺移動位移的比為100，將設定的位移乘以100，就可以得到PLC的SFB3程序快需要發出的脈沖的數量。

2.2.3 反饋環節中，編碼器對位置信息的實時監測

系統中所使用的光洋TRD-NA1024NW-2302型10位數字量輸出絕對編碼器為單圈絕對編碼器，并不具備多圈絕對編碼器的功能，無法僅僅依靠機械結構實現較長距離的絕對位置測量，所以此處利用了西門子S7-300中具有記憶存儲功能的寄存器，對編碼器旋轉的圈數n按照正向旋轉加1，反向旋轉減1進行記憶，把累計的位移值作為平臺的當前值并顯示在觸摸屏上。選擇具有存儲記憶功能的寄存器主要是防止系統斷電后，位置信息的丟失和錯亂。

3 結束語

根據醫學研究中脊髓打擊器當前面臨的打擊精度不準確現象，設計的可定位和進行當前位置檢測的移動平臺，采用西門子S7-300作為主控制器，通過單圈絕對值編碼器檢測技術和S7-300具有記憶存儲功能的寄存器的聯合應用，輔以友好的人機界面——Proface觸摸屏，實現打擊平臺的準確定位和位置信息的實時顯示。實驗證明，該系統可以應用于脊髓打擊器中，以提高打擊標本的合格率。

參考文獻：

[1]張倩，脊髓致傷力測量系統的研制[D].北方工業大學，2012.

[2]Allen AR. Surgery of experimental lesions of spinal cord equivalent to crush injury of fracture dislocation. Preliminary Report . JAMA， 1911（57）：878-880.

[3]趙建濱，魏玉屏.一種致動物脊髓損傷模型的簡易裝置[J].山西醫學院學報，1995（01）：72-73.

[4]夏永智，林江凱，馮華.嚙齒類動物脊髓損傷模型的研究現狀[J].創傷外科雜志，2006（02）：189-191.

作者簡介：葛霜（1989.12-），女，北京人，碩士研究生，研究方向：脊髓打擊器設計；崔鑫（1990.02-），男，北京人，工程師，助理工程師，本科，研究方向：工程控制。

作者單位：北方工業大學 電氣與控制工程學院，北京 100144；北京七星華創電子股份有限公司，北京 100016

基金項目：學科建設—國家特殊需求—城市道路交通智能控制人才培養項目（市級）（項目編號：PXM2015_014212_000023）；研究生培養-產學研聯合培養研究生基地（市級），（項目編號：PXM2015_014212_000018）。