摘要 心臟冠狀動脈支架植入是治療心臟冠狀動脈狹窄的通用手段之一，為了降低再狹 窄率，提高治療效果，國際上最新的解決辦法是對冠狀動脈支架表面涂敷一層藥物涂 層，即藥物洗脫支架，控制再狹窄形成可能。 本課題的目的就是設計和制造一套合適的設備和方法，對冠狀動脈支架表面進行 藥物涂敷。通過對不同涂敷工藝的了解和比較，最后選用通過超聲波進行霧化噴涂， 實現支架表面藥物涂層的涂敷。 論文詳細介紹了如何利用k e y e n c e 公司k v - 1 0 0 0 系列p l c 的邏輯控制功能和 精確定位功能，h i t e c h 公司p w s 觸摸屏，a d p 6 0 操作系統，以及y a s k a w a 公司 的i i 系列a c 伺服單元，p a r k 公司的三維坐標平臺，設計開發出噴涂定位操作系統。 同時，還具體描述了在超聲波霧化技術基礎上，如何設計制造出的超聲波噴頭，以及 該噴頭在p l c 控制的噴涂定位操作系統支持下，如何實現支架表面的精確涂敷。 本論文率先將超聲波對液體的霧化功能使用在噴涂工藝中，并通過p l c 和觸摸屏 技術進行精確定位，實現對精密器械的超薄精確涂敷。進一步豐富了噴涂方法，同時 解決了天津百暢公司面臨的現實問題。 關鍵詞：冠狀動脈支架 可編程邏輯控制器 超聲波霧化觸摸屏噴涂 人機界面 a bs t r a c t i m p l a n tc o r o n a r ys t e n ti st h em a i ns o l u t i o n st oc u r et h ed i s e a s eo fc o r o n a r y f o r d e c r e a s et h er a t eo fr e s t e n o s i sa n di m p r o v et h ec u r a t i v ee f f e c t ，t h e r ei san e ws o l u t i o n st h a t i sc o a t i n gs o m ed r u go nt h es u r f a c eo ft h ec o r o n a r ys t e n t t h a ti sd r u g - e l u t i n gs t e n t t h i sp r o j e c tp u r p o s ei sd e s i g na n d p r o c e s s a ne q u i p m e n t s y s t e mt oc o a t i n gt h ed r u go n t h es u r f a c eo ft h ec o r o n a r ys t e n t b yc o m p a r ew i t hs o m ek i n d sc o a t i n gt e c h n o l o g y , ic h o o s e t h eu l t r a s o n i ca t o m i z ec o a t i n gp r o c e s st op r o d u c et h ed r u gc o a to nt h es t e n ts u r f a c e t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e sh o wd e s i g na n dp r o c e s st h eo p e r a t i o ns y s t e mc o n t r o lt h e f o u r a x i so r i e n t a t i o nb yt h ek e y e n c e sk v - 10 0 0p l c ，h i t e c h sp w $ 3 2 61 t o u c h s c r e e na n dy a s k a w a s 一i is e r i e sa cs e r v eu n i t i td e s c r i b e sh o wd e s i g nt h eu l t r a s o n i c a t o m i z i n gn o z z l es y s t e mb a s eo nt h et h e o r yo ft h eu l t r a s o n i ca t o m i z i n ga n dh o wr e a l i z et h e p r e c i s i o nc o a t i n go nt h es t e n tb yt h ef o u ra x i so r i e n t a t i o ns y s t e mw i t ht h ep l cc o n t r 0 1 t h ed i s s e r t a t i o ni si m p l e m e n tt h eu l t r a s o n i ca t o m i z i n gi nt h ec o a t i n gp r o c e s s ，a n d r e a l i z e st h ep r e c i s i o nc o a t i n gb yt h ep l ca n dt o u c hs c r e e nt e c h n o l o g y i t se x p a n d e dt h e c o a t i n gp r o c e s sa n da c c o m p l i s h e st h er e q u i r e m e n to f t i a n j i nb e s t c h a n c ec o ，l t d k e yw o r d s ： p r o g r a ml o g i cc o n t r o l ( p l c ) t o u c hs c r e e n c o r o n a r ys t e n t u l t r a s o n i ca t o m i z i n g c o a t i n g h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ( h m i ) 獨創性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作和取得的研究 成果，除了文中特別加以標注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經發表或撰寫過 的研究成果，也不包含為獲得苤盜盤堂或其他教育機構的學位或證書而使用過的 材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并 表示了謝意。 學位論文作者簽名：彳鈕ly 汐簽字日期：。7 年，月j 一日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解苤鲞盤堂有關保留、使用學位論文的規定。特授 權丕鲞盤堂可以將學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，并采用 影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學校向國家有關部門 或機構送交論文的復印件和磁盤。 ( 保密的學位論文在解密后適用本授權說明) 學位論文作者簽名：彳饑很 簽字日期：少卯碑月仃日 導師簽名： 誕根也 簽字日期：沙u 7 年月，夕日 第一章概述 1 1 課題來源 第一章概述 本課題來源于生產實踐中，是為了解決天津百暢醫療器械公司現在正面臨的實際 生產困難。 天津百暢醫療器械科技有限公司是一家專業生產冠狀動脈心臟支架廠商，為了提 高冠狀動脈支架系統治療效果，現需要對冠狀動脈支架表面涂敷一層極薄的藥物涂 層，用來降低冠狀動脈再狹窄問題，該涂敷工藝主要面臨問題有： 1 冠狀動脈支架是網狀結構，網絲直徑約0 i m m 左右，網間距離也約0 i m m ， 在如此密集的網狀表面進行涂敷，要求在i 0 0 倍顯微鏡下觀察，不得有粘連，橋接， 橘皮等現象。 2 藥物涂層材料價格昂貴，每千克達1 0 0 萬人民幣，且不可受熱。 3 需要在潔凈環境下操作，保證產品不受其它灰塵等粒子影響。 4 對涂層厚度有嚴格要求，由于無法直接對厚度進行測量，因此，對涂層重量 進行控制，要求可控制在正負4 0 微克范圍內。 由于冠狀動脈支架生產歷史很短，而且產量也很低，特別是對其表面進行藥物涂 敷，國內外還沒有專用現成設備，因此，只能自己進行研制，解決面臨的困難，實現 生產。 1 。2 課題主要任務 本課題主要任務是為了解決天津百暢醫療器械科技公司面臨的實際問題，保證涂 敷過程中，涂層重量能精確控制，而且表面不會產生粘連，橋接等現象，實現冠狀動 脈支架藥物涂敷的工廠化生產。 為此，首先，需要選擇一種合適的涂敷方式，然后，根據確定的涂敷方式，設計 p l c 控制系統實現整個涂敷工藝，所以本課題主要工作內容有： 確定合適的涂敷方式 設計涂敷工藝過程 設計并確定涂敷工藝外圍輸入輸出設備 設計涂敷系統的p l c 控制系統 設計涂敷系統的人機操作晃面 硬件實現 涂敷系統安裝調試 經過近一年時間的開發與試驗，本課題最終完成以下內容：經過對表面處理工藝 第一章概述 的充分的比較，最終確定并設計了超聲波噴頭系統。利用p l c 技術和觸摸屏人機界面 技術，完成k v - 1 0 0 0 系統結構設計，開發和程序編寫，以及p w s 3 2 6 1 觸摸屏操作界面 的設計與開發，通過對外圍設備的設計，成功實現“p l c 控制的超聲波噴涂系統”， 目前，該系統已應用于生產實踐中，運行良好。 1 3 課題的研究成果 p l c 控制的超聲波噴涂系統，將超聲波對液體的霧化功能使用在噴涂工藝中，進 一步豐富噴涂方法，并通過使用k v - 1 0 0 0 系列p l c 作為系統控制，同時使用p w s 3 2 6 1 觸摸屏作為人機操作界面，成功地解決了微量涂料進行薄層涂敷的技術難題，實現了 超薄精確噴涂。解決了百暢醫療器械公司面臨的實際困難，并為類似的產品或工藝提 供了一種科學的解決辦法。 第二章涂敷方式的選擇與確定 第二章涂敷方式的選擇與確定 2 1 涂敷工藝要求 根據公司所面臨的實際問題，即在直徑1 5 毫米，長度2 0 毫米的網狀冠狀動脈支 架表面精確涂上一層貴重的藥物控制層。要求在涂敷過程中，一方面要保證涂層質量， 不要出現粘連，橋接，橘皮等現象，同時，還要求涂敷時，能精確控制藥物溶液用量， 保證每次涂敷后，各支架之間藥物增重相近。由于藥物很貴重，還需要盡可能降低浪 費，控制成本。另外，藥物不適合長時間在高溫或有氧環境中保存，因此，涂敷過程 中，盡可能避免空氣或高溫與藥物長時間接觸。 2 2 常見的幾種涂敷工藝介紹 真空氣象沉積法進行涂敷：雖然可以精確控制涂層厚度和涂層表面質量，但不 論是化學氣相沉積還是物理氣相沉積都對涂敷的成膜原料有要求，而且還需要通過高 溫將成膜原料氣化，而我公司噴涂的成膜原料不能受熱，因此這類涂敷方式不適合我 公司的產品涂敷。 浸涂和刷涂：都是一種粗放式涂敷方式，我公司產品冠狀動脈支架表面是由直 徑為0 1 毫米的細絲圍城孔徑為0 1 毫米o 1 毫米的網狀結構，而涂敷原料有一定黏 度，在浸涂和刷涂中，很容易導致網孔成膜，表面質量不合格。另外，浸涂和刷涂也 很不利于涂層的厚度和重量控制，而且，由于我公司產品是三類醫療器械，成品將植 入人體心臟的血管中，需要對涂層中雜質及其它種類的污染進行嚴格控制，而這兩種 涂敷方式都不利于這方面控制，因此，這兩種涂敷方式都不適合我公司產品涂敷。 噴涂：般都是通過氣體，將涂料霧化，使其附著在被涂物體表面。作為表面 處理技術一種，噴涂種類繁多，已廣泛應用于工業生產中的各行各業，包括航空、航 天、鋼鐵、石化、鋼結構防腐、機械、輕工、紡織、造紙、能源、船舶等領域。由于 原料通過霧化后隨氣體到達基體表面后進行涂敷，一般不會對原料性能有太多改變， 而且，涂敷的表面質量也可以控制。 2 3 噴涂技術及工作原理介紹 根據噴涂過程中的噴涂工藝方法不同，噴涂又可細分為多種，主要是熱噴涂，靜 電噴涂，高壓無氣嗩涂，高流量低壓噴涂及超聲波噴涂等。各種噴涂的工作原理如下： 第二章涂敷方式的選擇與確定 2 3 1 熱噴涂 熱噴涂技術是材料科學領域內表面工程學的重要組成部分，它是一種表面強化和 表面改性的技術，通過在金屬基體表面噴涂一層涂層使金屬具有耐磨、耐蝕、耐高溫 氧化、電絕緣、隔熱、防輻射、減磨和密封等性能。主要應用于高溫、耐磨、耐腐蝕 等部件的預保護、功能涂層的制備及對失效部件的修復等。 自1 9 0 8 年瑞士工程師發明熱噴涂以來，該工藝得到不斷完善和發展。目前，根 據噴涂過程中利用的熱源不同，熱噴涂種類主要有等離子噴涂、電弧噴涂及火焰噴涂 等。同時，熱噴涂作為一項高科技工藝已廣泛應用于航天、汽車、能源、鋼鐵、冶金、 造紙、機械維修、市政建設等諸多領域。 這種噴涂，雖然有很多優點，主要是針對特殊的涂層原料進行特殊的原料處理， 但我們的涂敷原料可通過有機溶劑進行溶解后噴涂，因此，沒有必要使用熱熔進行噴 涂。 2 3 2 靜電粉末噴涂 靜電粉末噴涂從1 9 6 5 年開始到現在已有3 6 年歷史。具有成本低、生產效率高、 有利于改善生態環境和節約能耗等特點。 該種噴涂主要是依靠粉末涂料分子結構中含有極性基團，外電場作用下，依靠輸 送氣壓力的推動，霧化后的涂料微粒沿著電力線方向飛向工件，并按工件表面電力線 的分布密度排列，從而使涂料牢牢地吸附在工件表面。一般只需幾秒種就得到5 0 - - 1 0 0 l am 的涂層厚度。涂敷后的工件可送到烘箱內烘烤，粉末經過受熱熔融、流平、交聯， 固化成膜。由于涂料顆粒在工件上快速沉積時儲存的大量負電荷將導致自持厚度效 應，保持涂敷時涂層控制在一定厚度范圍。 這類噴涂適合于一些大部件的噴涂，如汽車等，不是很適合對小部件表面進行涂 敷。 2 3 3 高壓無氣噴涂 高壓無氣噴涂的原理是通過一增壓泵( 一般為柱塞泵) ，使涂料增壓( 高達 2 1 0 k g c m 2 甚至更高) ，并從特殊的噴嘴釋放壓力并達到分散霧化，高速地涂在被涂 物上。由于涂料霧化不需壓縮空氣，所以稱之為無空氣噴涂。這種噴涂技術主要應用 于建筑行業，如乳膠漆、油性漆、水性漆、樹脂漆等的噴涂。并在國外得到普及。具 有極佳的表面質量。涂裝效率高。即使是拐角和間隙也能很好的上漆。 第二章涂敷方式的選擇與確定 2 3 4 高流量低壓噴涂 高流量低壓力空氣噴涂，簡稱h v l p ，h i g hv o l u m el o wp r e s s u r e 的縮寫，是美 國環保署( e p a ) 所制定的一項環保噴涂標準，全球很多國家均采用此項標準。即噴 涂設備或噴槍的傳遞效率( 即利用率) 必須高于6 5 ，噴嘴處空氣出口壓力等于或小 于1 0 p s i ( 0 6 8 巴) ，才能稱之為h v l p 噴涂設備。 h v l p ( 高流量低壓力空氣噴涂) 利用渦輪機產生的高流量空氣，通過與噴槍之間 的空氣管，當高流量的空氣在到達特別設計的噴槍空氣帽上時，就可以得到很低的霧 化壓力進行噴涂。還可通過專用噴槍，將普通的壓縮空氣轉化為低壓力霧化空氣，從 而實現低壓噴涂。 h v l p 噴涂技術是一種先進的表面處理技術，為噴涂領域帶來了新的思路。其低 壓噴涂的原則比較接近我公司的噴涂要求。但涂層表面質量及厚度的精確控制方面還 有很多欠缺需要解決。而且，對原料的節約和我們實際要求還有很大差距。因此，還 是無法直接采用。 2 3 5 噴涂方式的設計與確定 通過對上述幾種涂敷方式的研究與比較，相對而言，噴涂更有可能實現我公司產 品的表面涂敷。如果使用噴涂方式涂敷冠狀動脈支架的表面涂敷，則要求噴涂霧化過 程中，噴涂原料的霧化顆粒要足夠小，噴射直徑也要求在1 - - - 2 m m 左右，同時噴涂流 量低，精確可控，浪費少，噴涂傳遞效率高。但當前常用的幾種噴涂方式都是通過壓 力和流量的變化將噴涂原料霧化的，不能實現小流量，高傳遞效率的霧化。必須要解 決霧化問題。 我們知道超聲波具有霧化功能，超聲波霧化主要是通過換能器將中超聲能量轉換 為機械振動，振動將液體切成細小的霧滴，從而使液體霧化。因此，這種霧化不再受 溶液流量和空氣壓力限制，可以對極少量的液體或極小的流量進行霧化，并可以保證 霧化效果。如果將噴涂中霧化改為超聲波霧化，不再通過空氣或壓力將涂敷原料霧化， 這樣，就可以避免空氣霧化的不穩定性。使得霧化更可控。再通過低壓，低流量的氣 流，將霧化后的涂敷原料送達基體表面，實現工件表面涂敷。由于使用超聲波對液體 的霧化，該噴涂將具有以下特點： 1 噴涂的霧化顆粒直徑分布均勻 2 涂敷原料的流量范圍大，理論上可無限大，一般也可達到最大流量：最小流 量為5 ：1 3 霧化效果穩定，涂敷原料流量變化對霧化效果影響卻很小 4 可在低速下進行霧化，噴涂。一般噴射速度可控制到3 0 0 m r n s ，而普通的壓 第二章涂敷方式的選擇與確定 縮空氣噴涂，其噴射速度一般只能控制在l o m s 到2 0 r n s 之間。 5 不會發生飛霧及反彈。傳統噴涂中噴槍的傳遞效率大約在3 0 左右，而另外 7 0 左右的涂料隨著飛霧散布到周圍環境當中，即增加成本，也污染環境。而超聲波 噴涂中，原料的利用率很高，浪費很少，因此，特別適合噴涂一些貴重原料，不會產 生太多浪費。 另外，超聲噴涂在整個霧化過程中對環境擾動小，其低流量，低噴射速度涂敷特 點，使得其在噴涂過程中，傳遞效率在9 0 以上，這些都是超薄精確噴涂的基本條件， 因此，我們將要利用超聲波霧化進行噴涂實現冠狀動脈支架表面藥物涂層涂敷。 第三章p l c 控制超聲波噴涂系統基本結構設計 第三章p l _ 0 控制超聲波噴涂系統基本結構設計 3 1p l c 控制超聲波噴涂系統基本組成 為了利用超聲波霧化功能，我們一方面要進行超聲波噴嘴設計，同時還需要設計 加工一套控制系統，用于安裝固定并控制超聲波噴頭及其他輔助部件，共同組成超聲 波噴涂系統，實現冠狀動脈支架的表面噴涂。 超聲波噴涂系統將采用p l c 作為控制系統，觸摸屏作為人機操作界面，驅動一套 三維坐標定位系統，并依靠精確計量泵實現支架表面的超薄精確噴涂。因此，整套 p l c 控制的超聲波噴涂系統將包括以下五部分： 1 執行機構：超聲波霧化系統( 包括超聲波發生器和超聲波噴嘴) ，三維坐標定 位平臺，四組伺服電機及電機控制器，真空泵，原料注射泵，讀碼器，電磁閥等 2 傳感器：溫度傳感器，濕度傳感器，行程開關，編碼器等 3 控制器系統：p l c 控制器 4 操作界面：h m i 觸摸屏 5 外罩及其他輔助設施 本課題將根據超聲波噴涂系統的基本組成開發設計整個噴涂系統。 3 2p l c 超聲波噴涂系統控制結構示意圖 超聲波噴涂系統控制結構如圖3 1 圖3 1 系統控制示意圖 第四章系統輸入輸出設備設計與選型 第四章系統輸入輸出設備設計與選型 4 1 超聲波霧化器設計與選型 4 1 1 超聲波基本原理 一、超聲波定義： 當聲音的頻率高到超過人耳聽覺的頻率極限( 2 0 0 0 0 赫) 時，人們就覺察不出聲的 存在，因而稱這種高頻率的聲音為“超”聲，也叫超聲波。 二、超聲波特點： 1 束射特性 由于超聲波的波長短，超聲波射線可以和光線一樣，能夠反射、折射，也能聚焦， 而且遵守幾何光學上的定律。 2 吸收特性 聲波在各種物質中傳播時，隨著傳播距離的增加，強度會漸進減弱，這是因為物 質要吸收掉它的能量。對于同一物質，聲波的頻率越高，吸收越強。對于一個頻率一 定的聲波，在氣體中傳播時吸收最強，在液體中傳播時吸收比較弱，在固體中傳播時 吸收最小。 3 超聲波的能量傳遞特性 當超聲波作用于某一物質時，能使物質中的分子也跟著振動，振動的頻率和超聲 波頻率一樣，超聲波的頻率愈高，物質分子獲得能量越多。因此，超聲波可以供給物 質足夠多的能量。 4 超聲波的聲壓特性 當超聲波通入某物體時，由于超聲波振動使物質分子產生壓縮和稀疏的作用，將 使物質所受的壓力產生變化。這種由于超聲波振動引起附加壓力現象叫聲壓作用。 例如水中通過超聲波時，當超聲波振動使液體分子壓縮時，好像分子受到來直四 面八方的壓力；當超聲波振動使液體分子稀疏時，好像受到向外散開的拉力，對于液 體，它們比較受得住附加壓力的作用，所以在受到壓縮力的時候；不大會產生反常情 形。但是在拉力的作用下，液體就會支持不了，在拉力集中的地方，液體就會斷裂開 來，產生許多氣泡狀的小空腔，形成空化現象。這也是超聲波霧化原因。 三、典型超聲波發生器種類 超聲波發生器( 或稱功率源) 用于產生并向超聲換能器提供超聲能量。 超聲波發生器的激勵方式有兩種：一種是他激式另一種是自激式。如果按末級 功放管所采用的器件類型，可分四種：電子管式超聲發生器；可控硅逆變式超聲發生 器；晶體管式超聲發生器及功率模塊超聲發生器。電子管式與可控硅逆變式目前基本 第四章系統輸入輸出設備設計與選型 已淘汰，當前廣泛使用的是晶體管式發生器。 他激式超聲發生器主要包括兩部分，前級是振蕩器，后級是放大器。一般通過輸 出變壓器耦合，把超聲能量加到換能器上。而自激式超聲發生器是把振蕩、功放、輸 出變壓器及換能器集為一體，形成閉環回路，回路在滿足幅度、相位反饋條件，組成 一個有功率放大的振蕩器。并諧振于換能器的機械共振頻率上。 衡量超聲波發生器性能，除了考慮發生器的功率，頻率，最重要的考核指標即是 諧振，即頻率自動跟蹤。 所謂諧振就是要求發生器的輸出信號頻率能對在工作中變化的換能器諧振頻率 進行跟蹤，也即稱頻率自動跟蹤。目前常用的頻率自動跟蹤大致有以下幾種方法： 1 ) 聲跟蹤 以聲耦合方式，從換能器上采集諧振頻率的電訊號，然后反饋至前級放大器，使 形成自激振蕩器。其原理框圖如圖4 1 所示。 圖4 - 1 聲跟蹤超聲波發生器原理框圖 由圖4 1 看出，電路是個閉環系統，電路在通電的瞬間產生一個沖擊脈沖，此脈 沖經預放、功放去激勵換能器，換能器按自身固有頻率振動。從而在反饋的聲波接收 器上得到相同頻率的電訊號。經過電路的移相、選頻、預放及功放再去激勵換能器， 如果滿足振蕩器的相位，幅度條件，系統將自激振蕩，且振蕩頻率跟蹤在換能器的共 振頻率上。 2 ) 電跟蹤 所謂“電跟蹤”又稱反饋自激式振蕩器。大致有以下幾種形式 ( 1 ) 阻抗電橋形式的動態反饋系統 阻抗電橋形式的動態反饋系統組成的頻率自動跟蹤電路原理為：利用電橋平衡原 理補償換能器電學臂的無功與有功分量，借助于差動變量器提取與換能器機械振蕩電 流成正比的反饋電壓，使閉環系統在換能器機械共振頻率上自振。因為換能器電參數 的補償能做到與頻率無關，因而在較寬頻段內跟蹤良好。 ( 2 ) 負載分壓方式的反饋系統。 、 本系統如圖4 2 所示，圖中的整個電路形成閉環回路電路在通電的瞬間產生一 個電脈沖，經功放加至換能器兩端，于是換能器受激振動。其振動頻率為換能器本身 第四章系統輸入輸出設備設計與選型 的固有頻率，在換能器兩端的振蕩信號，經分壓后送至可調移相器上，再送至功放。 當可調移相器調至相位滿足自激條件時，系統自激于換能器的固有頻率上。換能器諧 振頻率的微小變化，電路系統均能及時跟蹤使工作始終處于最佳狀態。 換 能 器 圖4 2 分壓反饋振蕩器 ( 3 ) 鎖相式頻率自動跟蹤 鎖相式頻率自動跟蹤系統與前兩種自激系統相比，電路要復雜得多，但能獲得較 好的頻率自動跟蹤性能。 鎖相式頻率自動跟蹤系統電路框圖如圖4 3 。圖中由相位比較器、電壓比較器、 低通濾波器、壓控振蕩器、激勵放大器，功率放大器、電流取樣及電壓取樣等組成。 形成一個閉環系統。將末級換能器上的電壓和電流之間的相位差，經相位比較后，獲 得相位誤差信號，再經低通濾波之后，去控制壓控振蕩器的輸出信號的頻率。使之保 持與振動系統機械諧振頻率一致。 圖4 3 鎖相式頻率自動跟蹤電路框圖 盡管頻率與相位之間有依存變換關系，但兩者構成的反饋系統，從控制結果看， 是不相同的。頻率反饋結果，會導致使輸入與輸出信號之間的頻率差盡可能小，而相 位反饋結果使兩信號之間相位差盡可能小。根據頻率與相位所構成的微分積分關 系，相位反饋系統最終導致兩信號頻率差為零。 鎖相式頻率自動跟蹤系統具有如下特點； ( 1 ) 由于鎖相環是一個極好的帶通濾波器，因此，不會產生系統誤跟到非諧振的 其它頻率之上； 第四章系統輸入輸出設備設計與選型 ( 2 ) 頻率自動跟蹤系統的控制信號與取樣的電壓、電波波形之好壞，關系并不大； ( 3 ) 輸出功率相對較穩定。不會因為負載的變化而發生顯著變化 ( 4 ) 由于控制系統工作在小信號狀態下，所以能長時間連續地工作。 因此，采用鎖相式頻率自動跟蹤方式實現諧振，非常適合對頻率要求高，性能穩 定的工作場合。 4 1 2 超聲波霧化器基本組成 超聲波霧化器主要由超聲波發生器和換能器兩部分組成。 市場上有很多超聲波霧化器，利用電子高頻震蕩，通過陶瓷霧化片的高頻諧振，將液 態分子結構打散而霧化，一般為加濕器、熏香器、美容機、消毒機、浴缸造霧機、盆 景、工藝品等提供配套。另外，市場上還銷售一些霧化片，種類有：覆不銹鋼、玻璃 釉，鍍鈦或鍍鎳。一般都是圓形的，也是同上面描述的霧化器配套。而我們需要通過 霧化器將藥物溶液霧化，同時，為了保證霧化后的液體顆粒因此，市場上銷售的霧化 器無法滿足我們要求。需要進行設計，再委托加工。 4 1 3 超聲波霧化器設計要求 超聲波霧化器，主要功能是通過超聲波換能器將超聲波發生器中超聲能量轉換為 機械振動，振動頻率和超聲波頻率相同，如果這種振動作用在液體上，將使得液體產 生一層液膜，液膜繼續被振動成極細的霧滴，從而將液體霧化。因此，液體霧化顆粒 最小直徑將取決于超聲波頻率，而每次能霧化溶液量將受控于超聲波功率。在設計選 擇超聲波霧化器時，將重點解決以下三個問題： 1 確定超聲波頻率范圍及頻率的穩定性，以保證被霧化的液滴顆粒直徑穩定在 4 0 微米以下 2 確定超聲波功率范圍，使得其適應流量調整，保證工作時即可霧化，又不會 對涂敷原料產生損害 3 設計超聲發生器通訊方式，使得超聲波發生器在控制系統下統一工作。 4 1 4 超聲波發生器的選擇 隨著超聲波的應用越來越廣泛，超聲波發生器，已作為一種成熟的獨立產品，國 內外市場上有很多專業廠商生產。各廠商根據不同的使用場合，推出不同種類和規格 的超聲波發生器。為了保證我們設備在噴涂過程中，對涂敷原料的霧化顆粒保證一致， 受外界及其它因素影響較小，需要選擇功率、頻率可調，性能穩定的超聲波發生器。 另外，由于需要同其它組件配合，因此，還需要能進行遠程啟動停止等控制功能。 通過對多家廠商的產品選擇，最終選擇美國s o n o t e k 公司生產的f r e e s t a n d i n g 第四章系統輸入柏出設備設計與選型 ( p n 0 6 0 5 1 0 8 ) 超聲發生器作為超聲噴涂系統中超聲波發生源。其功能及產品質量 完全滿足現場噴涂的需求。 4 1 5s o n o - t e k 超聲波發生器介紹 一、s o n o t e k 超聲波發生器特點： 1 操作控制方式：即可通過簡單的面板操作也可通過遠程控制，實現遠程 輸入功率調整，輸出故障報警及啟動停止 2 采用先進的鎖相式頻率控制技術，自動控制超聲發生囂的工作頻率 3 自調整技術保證輸出功率穩定可靠 4 系統故障時提供報警 5 l c d 功率表可顯示和控制輸出功率 二、主要性能參數： 頻率：1 2 0 k j - i z 輸出功率：間歇工作 = 2 0 w ，連續工作 - 1 5 w 工作溫度：3 2 1 0 5 0 f ( 0 4 0 0 c ) 三、面板結構 超聲波發生器面板布局如圖4 _ 4 圖4 - 4 超聲波發生器面板布局圖 四、超聲波頻率設定 我們知道，噴涂原料液體顆粒霧化直徑主要受超聲波頻率，即噴頭振動頻率，表 面張力及噴涂原料液體的密度影響。其中頻率是主要影響因素。中間的顆粒霧化直徑 第四章系統輸入輸出設備設計與選型 和頻率成反比，較高的頻率會得到較小的中間顆粒霧化直徑。噴嘴噴出的霧化顆粒的 直徑分布和頻率呈對數曲線分布，或者說，在對數坐標上成正態分布。1 2 0 k h z 的超 聲波霧化純水時，直徑4 0 微米以下的顆粒占約9 0 以上。 五、超聲波輸出功率設定 超聲波功率可調，具體設定值將通過實驗確定，主要是根據流量，調整超聲功率， 保證霧化和噴涂效果。 六、超聲波發生器的遠程控制設置 通過專用連接線，接到p l c 控制端口，再通過p l c 控制程序，控制超聲波發生 器的啟動和停止，其他功能如功率調整，在超聲波發生器上直接設定完成。 4 1 6 超聲噴頭設計 一、設計要求 超聲噴頭，即換能器，和超聲波發生器共同組成超聲波霧化器。它是整個超聲噴 涂系統中關鍵環節，噴涂原料將通過原料輸送系統，送達超聲噴頭中，同時將超聲波 發生器送達的電能轉換為機械振動，使得噴涂原料霧化，再通過低流量，低壓的潔凈 氣體，將霧化后的原料送達被涂物體表面。由于市場上的超聲波霧化器的換能器無法 直接用于我們的超聲噴頭，因此，我們需要在超聲噴頭設計中解決以下問題： 1 避免超聲波對噴涂溶液的過分加熱、 2 噴涂原料液體霧化顆粒直徑小于4 0 微米 3 液體流量可控 4 噴頭噴出的霧柱直徑小于1 5 m m 5 噴頭應遠離超聲霧化器 二、設計方案 根據以上要求，進行如下設計： 1 為了避免超聲波對溶液的過分加熱，我們將溶液通過獨立的外部管路送達噴 頭噴嘴處，使其在霧化前，不受超聲波影響 2 液體流量控制可通過原料輸送系統的設計進行控制，噴頭上溶液的獨立管路 應足夠細，噴頭孔徑應足夠小，以保證在較低的流速和流量下，液體流量穩定。 三、超聲噴頭結構設計 1 整個超聲波噴頭分為兩個部分，一部分實現噴涂液體微量輸送，另一部分為 換能器，將超聲波發生器中的高頻電能轉換為同樣頻率的機械振動，同時將這機械振 動引到噴嘴表面，然后，將噴涂溶液送達這表面進行霧化。 2 機械振動轉換部分，主要使用一組圓柱狀陶瓷壓電式換能器，將其激勵電極 通過同軸電纜和超聲波發生器連接起來，再用兩塊圓柱狀鈦金屬環將換能器夾在中 第四章系統輸入輸出設備設計與選型 間。當超聲波發生器的高頻電能通過同軸電纜到達陶瓷壓電換能器時，換能器將該電 能轉化為同頻率的機械振動。由于鈦具有良好的聲學特性，而且耐腐蝕性能和機械強 度都特別好，該機械振動通過圓柱狀鈦環集中和放大，傳遞到噴嘴頭，在噴嘴前端形 成霧化面。整個換能器被安裝在一個圓柱狀腔室中，腔室由前蓋和后蓋共同組成。噴 嘴位于換能器中間，噴嘴中央也設計一組重要通道，用來通過氮氣，將霧化的溶液送 達支架表面。 3 為了降低高頻機械振動對藥物原料的影響，設計一套獨立的管路輸送噴涂溶 液原料。因為流量很小，所以，管道直徑較小，但為了防止堵塞，而且保證足夠的藥 物原料溶液送達噴嘴前端霧化表面，孔徑要求在l m m 左右。 4 超聲波噴頭結構設計 超聲波噴頭結構如圖4 5 所示： 圖4 5 超聲波噴頭結構原理圖 5 超聲波噴頭外形結構設計 為了便于安裝和實際使用，根據上述設計思想，超聲波噴頭整體外形結構如圖4 6 所示。 第四章系統輸入輸出設備設計與選型 圖4 6 超聲波噴頭外觀結構圖 4 2 原料輸送系統設計 4 2 1 原料輸送功能要求 1 將噴涂原料從容器中按固定的流量和流速，送達超聲波噴頭霧化器表面，進行 霧化 流量范圍：0 0 0 1 m l m i n 到l m l m i n 內 流量調整精度：0 0 0 1 m l 第四章系統輸入，輸出設備設計與選型 流量波動范圍：小于1 整個輸送部件，特別是和原料直接接觸部件，包括原料存儲容器及輸送管路應易 于清潔 2 將高純氮氣送達超聲波噴頭，用于帶動霧化后的涂料到達工件表面 壓力調整范圍：2 p s i _ 2 0 p s i ( 壓力單位) 4 2 2 噴涂原料輸送泵選擇 根據原料用量及輸送精度要求，確定采用微量計量泵作為原料輸送動力源。目前 市場上，各種微量計量泵很多，如齒輪泵，隔膜泵，柱塞泵，蠕動泵，注射泵等，但 其中齒輪泵，隔膜泵和柱塞泵都是液體經過泵體內部，從泵頭流過，不易于清潔，因 此不適合采用。蠕動泵，雖然通過獨立管道輸送，但對于微量低流速，低壓力輸送， 存在脈沖問題，因此，也不適合使用。 注射泵，工作原理很簡單，微處理器控制馬達和精密的齒輪，驅動導軌，使得固 定在導軌上的注射器推送桿精確移動，將注射器內部液體送出。調整導軌速度和注射 器直徑，可調整注射泵輸出流量。因為注射器都是經過驗證的標準容器，因此，向注 射泵操作面板中輸入導軌速度和注射器容量，注射泵將自動顯示當前流量。 由于注射泵精度高，流量調整范圍大，一般都用于醫療行業，作為定時定量或連 續給藥設備，精確控制給藥量。當注射泵用于一般生產或檢測行業時，由于不再屬于 醫療器械，價格相對較低，同時，注射器也無需無菌，密封性能及可重復使用方面也 更符合生產現場要求。 美國c o l e p a r m e r 公司生產的非醫療器械的儀器類注射泵( m o d e l l 9 9 7 e ) ，具有醫 療注射泵的可靠性，同時，還配置標準的r s 2 3 2 通訊端口。很適合本設計使用。 4 2 3m o d e1 19 9 7 注射泵基本參數 注射器規格范圍：1 0 微升一6 0 毫升 機械驅動方式：微處理器控制步進電機通過皮帶和滑輪驅動絲杠 推進器每步位移：0 ，1 6 5 微 最大移動速度：8 0 0 步秒 最小流量：0 0 1 微升d , 時 最大流量：7 0 m l m i n ( 6 0 m l 注射器) 精度：l 重復性：0 1 第四章系統輸入輸出設備設計與選型 4 2 4m o d e1 19 9 7 注射泵基本操作 該規格注射泵采用微處理器控制，配置液晶顯示面板及功能鍵，可直接設置運行 參數，包括啟動，停止，輸出速度，流量，容量調整以及故障，安全報警等信息顯示。 操作面板如下圖4 7 所示： 圖4 7m o d e l1 9 9 7 注射泵操作面板 主要參數設定方法： 1 設置注射器直徑設置：通過選擇鍵，選擇到d i a 界面，即可設置。 2 注射器規格選擇，儀器中存儲有國內外主要注射器生產廠商及產品規格，通 過選擇鍵進入本界面，選擇所用的注射器廠商及規格。 4 設置流量：進入該界面，設置所需要流量。 5 體積設定：進入該界面，根據需要，設定需要輸送的體積。 微處理器將根據上三種參數設置，自動計算注射泵運行速度。 6 運動方式選擇：進入該界面，選擇需要三運行方式。 共有五種運行方式： i n f i n f u s i o n ：灌輸，即泵在設定的流量下運行到設定的體積后自動停止 w d r ww i t h d r a w a l ：回收，功能同i n f 一樣，只是方向相反 i w i n f u s i o n w i t h d r a w a l ：先用i n f 方式運行，再用w d r w 方式運行，流量 可分別設定 w 1 w i t h d r a w a l i n f u s i o n ：先用w d r w 方式運行，然后再用i n f 方式運行， 流量分別設定 c o n t c o n t i n u o u s ：以i n f 和w d r w 方式循環運行，但流量或體積一樣 4 2 5r s 3 2 3 接口參數設定 波特率：9 6 0 0 ，數據格式：8d a t ab i t s ，n op a r i t y ，1s t o p 注射泵地址：1 ，( 1 9 9 ) 接線方式：三芯，分別為g r o u n d ，t r a n s m i t ，r e c e i v e 。 第四章系統輸入輸出設備設計與選型 使用9 針連接器，p i n 2 一d a t ai n ，p i n 3 一d a t ao u t ，p i n 5 g r o u n d 命令與響應句法： c o m m a n d s 句法：a d d r e s s c o m m a n d r e s p o n s e s 句法： a d d r e s s 說明 主要遠程控制命令有： 啟動注射泵運行命令：lr u n 該命令要求注射泵啟動運行，如果注射泵已啟動，該命令忽略，設備保持運行狀 態不變 停止注射泵運行命令：1s t o p 同樣，該命令要求注射泵停止運行，如果注射泵已停止，該命令忽略 詢問注射泵工作狀態：1r u n ? 其它功能不再通過通訊口進行遠程設置。直接在操作面板上設置。 4 2 6 噴涂原料輸送部件參數設置與組裝 將1 0 m l 注射器安裝在注射泵的導軌上，并將注射器推桿固定在注射泵的導軌擋 板上，出口端連接1 1 6 英寸特氟龍軟管，而特氟龍軟管的另端連接在超聲波噴頭的 噴頭原料輸人口，設定運行方式為c o n t ，流量為0 0 5 m l m i n 。 4 2 7 高純氮氣輸送設計 高純氮氣源使用美國北方氣體公司生產的瓶裝9 9 9 9 9 液態氮氣，通過兩級調 壓，將氮氣壓力調整到2 0 p s i ，通過1 4 英寸的e p ( 電子拋光) 不銹鋼管道，送達設 備操作區外。通過分流閥，將氮氣分成三路，分別為保護氮氣，干燥氮氣和聚焦氮氣， 各自進行第三次壓力調整，主要是減壓。然后通過電磁閥開關。 保護氮氣主要是對噴涂工作區( 設備主操作室) 充氮氣，并在該區域形成正壓， 保證藥物噴涂在低氧，潔凈的環境下進行。保護氮氣主要是在設備噴涂程序啟動后開 始，當工作區域壓力監視表顯示為正壓時，按噴涂運行，保護氮氣將停止，充氣結束。 充氣壓力一般保持2 0 p s i 。 干燥氮氣主要是在噴涂過程中，對冠狀動脈表面涂層進行干燥，保證噴涂效果。 要求流量和壓力都較低，因為壓力過高，流量過大，在噴涂過程中會影響霧化顆粒的 噴射方向和涂敷范圍的。主要是通過實驗，觀察流量和壓力對噴涂的影響，保證既要 提高噴涂干燥速度，又不能影響霧化顆粒路徑。 聚焦氮氣，主要用來將超聲波噴頭霧化的藥物原料顆粒聚集在直徑為l m m 左右 范圍內，并送達冠狀動脈支架表面。其流量和壓力大小將直接影響噴涂效果，一般 控制在5 p s i 左右，具體值將通過實驗，根據噴涂效果調整。 第四章系統輸入輸出設備設計與選型 4 3 三維坐標定位平臺設計 4 3 1 三維坐標定位平臺主要功能及基本參數 三維驅動平臺主要功能是安裝超聲波噴頭，并根據設計好工作流程，進行運動， 使得超聲波噴頭在噴涂時勻速移動，同時，冠狀動脈支架均勻旋轉，以保證支架表面 被均勻涂上藥物涂層，不產生粘連，橋接等問題。因此，需要x ，y ，z 三組坐標軸 驅動超聲波噴頭，同時，還需要q 軸驅動冠狀動脈支架旋轉。各軸要求如下： x 軸，y 軸： 有效行程：3 0 0 m m ， 重復定位精度： o 0 1 m m 運行速度：10 m m s 一3 0 0 m m s 潔凈度：1 0 0 0 級 功能：驅動超聲波噴頭在x ( 水平左右) 和y ( 水平前后) 方向進行往復運動 z 軸： 有效行程：1 0 0 m m ， 重復定位精度： o 0 1 m m 運行速度：10 m m s 3 0 0 m r n s 潔凈度：1 0 0 0 級。 功能：帶動超聲波噴頭在z 方向( 垂直上下) 進行往復運行 q 軸： 旋轉速度：) 3 6 0 度s + 冠狀動脈支架安裝卡具，用于固定冠狀動脈支架，進行噴涂。由于該卡具結構涉 及公司技術秘密，本論文中不再詳述。 4 3 2 三維坐標定位平臺各驅動軸及q 軸型號選擇 根據坐標定位平臺功能要求，各工作軸運行速度及負載都較低，所以，各軸應擅 長在低速運行而不會產生爬行，而且是小型絲杠，保證運行精度同時，不需要大型 絲杠，但。雖然各工作軸方向的行程都不大，但在工作過程中往返很頻繁，這要求各 軸質量可靠，運行穩定。另外，作為醫療器械制造的最大特點，所有設備和部件應符 合凈化區使用要求，不產塵，不積塵，密閉。因此，各軸的內部絲杠應免維護或盡可 能少維護，避免對工作區域的污染。滿足在萬級凈化車間使用要求。 x ，y ，z 軸使用p a r k 公司生產的凈化區域專用小型坐標軸絲杠，型號4 0 4 x r ， 組成三維坐標平臺，通過司服電機驅動，編碼器反饋進行閉環控制。q 軸為旋轉結構， 通過步進電機，靈活控制轉速。 第四章系統輸入偷出設備設計與選型 4 3 3 三維坐標定位平臺驅動電機及控制器的選擇 三維坐標定位平臺各軸負載都比較小，而對運行速度和重復定位要求較高，因此， 選擇a c 伺服電機作為驅動裝置。比較各家公司產品，日本y a s k a w a 公司生產的一 i i 系列a c 伺服電機及驅動器比較適合。該系列產品采用了高分辨率串行編碼器( 1 6 ， 1 7 b i t s ) ，靈活的在線自動調整功能，并可利用參數切換可分別使用轉矩、位置、速度 控制?？蓪崿F高速，高精度驅動。參數設定簡單，性價比高，而且可以和美國p a r k 公司4 0 4 x r 小型絲杠配套安裝。 具體型號選擇如下：x ，y 軸負載偏高，使用一i i 系列中1 0 0 w ，型號為 s g m a h 0 1 a a a 4 1 的a c 伺服電機，配單項a c 2 0 0 v ，型號s g d m 0 1 a d a 電機伺 服單元，而z 軸和q 軸負載較小，使用該系列中5 0 w ，型號為s g m a h - a 5 a a a 4 1 的a c 伺服電機，配單項a c 2 0 0 v ，型號s g d m a 5 a d a 電機伺服單元。 伺服單元基本性能參數： s g d m - a 5 a ：最大適用電機容量 k w ：0 0 5 ；連續輸出電流 a r m s ：0 6 4 ：最大 輸出電流 a r m s ： 2 0 。 s g d m - 0 1 a ：最大適用電機容量 k w ：0 1 ：連續輸出電流 a r m s ：0 9 1 ；最大輸 出電流 a r m s ：2 8 。 伺服單元配置標準的電纜和接線方式，可進行簡單的連接，即可實現同p l c 和電 機之間的速度，位移等控制。 4 4 其他輸入輸出設備設計 整個系統除了上述幾種主要部件外，還應用了一些其他輸入輸出設備，傳感器和開 關，閥門等，包括真空泵，條形碼讀碼器，電磁閥，壓力調節閥，安全限位開關，行 程開關，溫濕度傳感器等，雖然都是一些常用工業控制元件，但也比較了很多廠商的 產品，最后，選擇如下公司的產品，由于篇幅所限，各部件的具體性