医用牵引床扭转机构的PLC控制系统设计

　　0　前言

　　三维空间医用牵引床是国内医学上采用物理疗法治疗腰椎间盘突出症的高新技术。患者腰椎间盘在向前快速拉伸和臀步向左或向右快速扭转下,采用中医推拿手法,将突出部分复位以达到治疗目的。其中拉伸机构采用液压传动,因运动方向、动作单一,控制较为方便;而扭转机构因偏转方向、偏转角度、偏转速度均需很可靠地控制,是一个较复杂的控制对象。因此设计采用可编程序控制器进行控制。本文介绍应用逐步探索法和逻辑分析法对臀步扭转控制进行分析设计。实际应用中选用了日本OM-RON公司的CPM1A小型PLC。

　　1　转向信号的编程设计

　　医师根据腰椎拍片和诊断,先判断患者腰椎间盘突出的部位及方向,以确定臀部扭转方向。医师可人为选择左偏转或右偏转及偏转的角度和扭转速度。最好的执行设备是步进电机。设计选用90BF001型磁阻式步进电机,其相数为4,步距角为0.9度,最大静转矩为92 N·m。步进电机及驱动器如图1。

　　1.1　转向信号的控制要求

　　扭转板在初始状态下,患者腰部平面的法线与臀部平面的法线在同一平面上。医师根据患者的状况,通过按钮开关选择左偏转或右偏转。臂部扭转与腰椎同时快牵,由总启动开关控制。扭转板左转(或右转)时,偏转角度由控制步进电机运行的脉冲计数器设定值决定,偏转速度则由脉冲频率决定,左转(或右转)到预定位置后,自动换向回到初始位置。自动换向的转向信号流程图如图2所示。

　　1.2　输入/输出信号分配

　　在控制系统中,以偏转方向选择按纽和总启动按钮为输入控制信号;以步进电机的四相为输出控制。因四相工作电压相同,因此采用汇点输出方式。其I/O分配表如表1所示。

　　1.3　扭转板转向控制的梯形图设计

　　根据转向信号流程图,考虑到步进电机各相绕组的状态初始化及自动换向要求,编程中采用0300和0400两个内部辅助继电器作左、右转启动信号的中间继电器。左右偏转启动信号由按钮开关信号、总启动开关信号、换向信号和互锁触点控制。CNT01和CNT02分别为左偏转和右偏转脉冲计数器,CNT03为摆动次数预置计数器。利用逐步探索法画出编程梯形图,如图3所示。

　　2　驱动信号的逻辑法编程设计

　　2.1　驱动信号真值表

　　转向信号控制了步进电机的相序,而偏转的角度由步进电机的驱动信号决定。设计步进电机采用四相四拍工作方式,右偏转时,四相线圈的通电相序为AB→BC→CD→DA→AB→……,左偏转时通电相序为AD→DC→CB→BA→AD→……。

　　2.2　驱动信号的逻辑表达式