双头螺杆分装机步进电机数控系统.pdf

本发明涉及制药工业中的粉针剂分装机控制技术，特别涉及采用步进电机作为分装机送粉螺杆驱动的数控技术。
    粉针剂的分装机械是制药工业自动化流水线中的主要设备之一，目前应用的分装机有齿轮单头螺杆分装机或气流分装机，它们均以传统的机械方式来控制粉针剂的装量精度，以应用较广的齿轮式单头螺杆分装机为例，由于机械齿轮传动中不可避免的间隙和惯性，使装量误差高达±7%以上，药粉容易散落在外造成损耗，每分钟装并数仅达60并左右，加上调节装量大小必须停机用人力进行，更进一步地影响了分装效率。

    本发明的目的在于采用电子数控技术，将步进电机应用在粉针剂分装机的送粉螺杆的驱动和控制上，达到提高粉针剂的装量精度和分装速度，减少损耗，减少操作人员劳动强度的目的。

    利用步进电机的角位移与输入脉冲数成严格的正比例地特性，当输入脉冲停止时，步进电机能立即锁定，这样就消除了积累误差。即如果能预先按需要设定步进电机的输入脉冲个数，就能精确地控制步进电机的角位移，从而保证高的装量精度。此外，由于步进电机效率较低，特别是它带动负载惯量的能力不强，若在较高的频率下使步进电机从静止突然启动，或者步进电机在运行频率下负载阻转矩过大时均可能产生步进电机的失步堵转。为了改善步进电机的启动能力和增大运行中的电磁转矩，在系统的振荡器设计成具有四级数控升频的振荡器，使步进电机每次启动时均从低频开始自动升频到运行频率，保证运行时的电磁转矩。所以，本发明的特点在于装置内同时包括步进电机脉冲个数设定电路和起、停振可控的数字升频振荡器。当然，它也保留了其它如：各种状态触发器、微分电路、微动开关、三相六拍脉冲分配器、三相功率放大器等传统使用的数控器件和电路，以保证整个系统能正常工作。

    本发明的上述原理见原理方框附图1。从图1可见，本发明的脉冲个数设定电路是数码拨盘式脉冲设定电路，它主要由三位十进制减法计数器组成。

    图2是本发明特征部分，即脉冲个数设定电路和起、停振可控的数字升频振荡器的电气线路图。从图2可见，它的脉冲个数设定电路可以由三块CMOS计数电路（JS）级联而成。它的起、停振可控的数字升频振荡器主要由移位寄存器（YJ）、CMOS模拟开关（MK）、施密特触发器（SC）、D型触发器（DC），电阻R1T～R5T、电容CT组成。

    以下结合附图1和图2对本发明作进一步的描述。由三块CMOS计数电路（JS）级联而成三位十进位制减法计数器，每块计数电路的D1～D4所接的电阻R5～R16是用来在数码拨盘开关无输入信号时D端保持“O”电平。R5～R16的数值在2K～15K之间。计数电路的“PE”是预置数控制端，当PE＝“1”时，四个输入端D1-D4的予置数被送到对应的输出端Q1～Q4上。“CF”是级联反馈输入端，当CF＝“O”时，电路执行减法计数器的逻辑功能。“OC”是全O输出端，平时输出“O”电平，当电路的Q1～Q4为全O状态，并且当“CF”反馈输入端也为“1”电平状态，“OC”才变成“1”电平输出。而加在每块电路D1～D4上的予置数编码可由对应的数码拨盘在050～999范围内任意设定，开机复位后，予置数被送到Q端。起、停振可控的数字升频振荡器应用了施密特触发器具有高、低二个输入触发阀值的原理。当开机复位后，移位寄存器（YJ）的输出端Q1～Q4全部为“O”电平，因此CMOS模拟开关（MK）1-4全部处于关断状态（电阻近似无穷大）。振荡器的控制端VC为“O”电平输入时，振荡器停振，施密特电路的输出VF＝“1”，通过电阻R1T对电容CT充电，结果使电容上的电容上的电容VCT也为“1”。当控制端VC加上有效电平“1”以后，振荡器起振，施密特电路（SC）输出端的电平通过电阻R1T对电容CT不停地充放电，电容上的电位始终在高低二个阀值电平之间摆动，在其输出端VF′上产生振荡脉冲，其频率与R1T×CT数值的倒数成反比。VF′脉冲又经D触发器构成的分频器转换成占空比为50%的方波脉冲，这是步进电机所要求的脉冲信号。D触发器输出端Q的方波冲分二路送出，一路送三相六拍脉冲分配器的时钟输入端CL，将振荡器的单相脉冲变换成适合三相步进电机需要的三相六拍脉冲;另一路则送到减法计数器的时钟输入端CL（见附图1），计数器开始执行减法计数，当个位的CMOS计数电路减到全0时，其Q4上产生跳变，触发十位的计数电路，使十位的计数电路做减1计数。与此同时，Q4上跳变还送到移位寄存器（YJ）的时钟输入端CL，将D端的“1”移到（YJ）的Q1处，Q1的“1”电平使（MK）1导通（导通电阻为100欧左右），此时振荡器的频率由（R1T并联R2T）×CT的倒数决定，振荡器的频率就上升了一级。等到个位的计数器（JS）第二次减到全0时，Q4的第二个跳变又触发十位的（JS），使十位（JS）再做减1计数。与此同时第二个跳变使（YJ）的Q1Q2均移入“1”电平，此时（MK）1、《（MK）2均导通，振荡器的频率就上升了二级……如此一直到个位的（JS）输出法Q4的第四次跳变使（YJ）的Q1～Q4全部移入“1”电平，（MK）1～（MK）4全部导通，振荡器的频率自动上升了四级，频率上升多少完全由附加电阻R2-R5T的数值决定。上升了四级以后的振荡频率即为步进电机克服负载惯量低频启动后的工作频率，以后不再上升。以工作频率使计数器执行减法计数，当逐渐把予置的数值全部减完时，“OC”变为“1”电平，通过外电路连接“OC”的“1”电平加到计数器的时钟禁止端“INH”（见图1），使计数器禁止计数，也加到三相六拍脉冲充配器的时钟禁止端“INH”，使三相六拍脉冲停止。与此同时，“OC”由“0”变为“1”的电平信号送到与非门（YF1）的输入端，其输出端则由“1”变为“0”。通过电阻R3电容C3构成的微分电路在与非门YF2的输入端产生一个窄的负脉冲信号，经与非门（YF2）整形后在其输出端产一个窄的正脉冲信号，这个正脉冲信号使分装触发器等复位，从而使控制端VC变为“0”，使振荡器停振。同时，这个正脉冲加在计数器的“PE”端，把D端的予置数送到对应的Q端，也送到（YJ）的清O端R，使（YJ）的Q1-Q4全部为“0”电平，为步进电机的第二次低频启动自动升速作准备。当条件满足时，控制端VC再次为“1”电平以后，计数器和振荡器又重复上述工作过程，使步进电机再一次克服负载惯量由低频启动后升速到工作速度，它将按数码拨盘设定的脉冲个数旋转规定的角位移。升频振荡器中的电阻R1T在27K～39K之间，R2T在82K～150K之间，R3T在39K-62K之间，R47在39K-62K之间R5T在82K-150K之间，CT在0.01μ-0.033之间。本发明采用三相步进电机，它不能直接接受单相时钟脉冲，因此必须把单相时钟脉冲数经三相六拍脉冲分配器变成三相脉冲。此外，步进电机线圈是大电感负载，在工作频率情况下为保证步进电机有足够力矩，必须对步进电机施加较高的工作电压和较大的电流，因此三相六拍脉冲分配器的输出要送到对应的三相功率放大电路进行放大，再送步进电机三相绕组，使步进电机由低速到高速，确保其足够的启动力矩和运转力矩。图2中的（Sb）是数码拨盘，（yF）是是与非门。

    对图2中的各元器件提供其型号或参数，加上传统使用的各种状态触发器，微分电路，微动开关，三相六拍脉冲分配器，三相功率放大器等，就是本发明的实施例。实施例中的三块计数电路（JS）是CD4522，电阻R1T为33K、R2T为100K、R3T为47K、R4T为47K、R5T为100K，CT为0.02μ，R5-R16均为5.1K，（MK）是CD4066，（yJ）是CD4015，（5C）是CD40106，（DC）是CD4043，（Sb）是KBP1，（yF）是CD4093。

    由本数控系统对双头螺杆粉针剂分装机的前进电机进行控制，步进电机直接与装粉螺杆连接，消除了机械齿轮传动中不可避免的间隙和惯性，使装量精度从±7%提高到±3%，分装速度从每分钟60并提高到120并，并减少了损耗，链霉素、安青霉素优品率从原来70%提高到99.7%。而且由于步进电机予置脉冲数的决定只需要通过对控制器的拨盘进行调整就行，调整装置大小就不必停机，改善了操作人员的工作条件。