Исследования малогабаритных электромеханических приводов линейных микроперемещений для автономных ортопедических аппаратов автоматизированного остеосинтеза

Во многих отраслях народного хозяйства требуется широкое внедрение программируемых электромеханических приводов, обеспечивающих технологический процесс без участия человека и построенных на базе последних достижений в области науки и техники.

В частности, в медицине начинается внедрение автоматизированных ортопедических аппаратов, в том числе для обеспечения процесса остеосинтеза. Ос-теосинтез основан на ориентации и фиксации костных фрагментов травмированной в результате перелома длинной трубчатой кости устройством, размещенным на данной конечности, сжатии (компрессии) костных фрагментов до образования хрящевидной прослойки на торцах этих фрагментов и последующего циклического растяжения костей на величину порядка 20 — 200 мкм за цикл дистракции при суммарном растяжении 1 мм в сутки [69].

Осуществление этой технологии, разработанной профессором Г. А. Илиза-ровым в Курганском научном центре «Восстановительная травматология и ортопедия», медсестрой вручную с помощью винтовых стяжек и гаечного ключа «5 раз в сутки приводит к неоптимальному циклу дистракции. При этом травмированные кровеносные сосуды, нервные и мышечные ткани медленно заживают, а пациент испытывает весьма неприятные болезненные ощущения.

К тому же при сложных переломах необходимо не только чистое растяжение кости, но и деформация более сложного вида, например, с изгибом.

Оптимальный цикл дистракции (примерно 50 включений аппарата в сутки) требует обеспечения микроперемещений порядка 20 мкм за цикл дистракции и обеспечение заданного врачом вида деформации.

В соответствии с этим во Владимирском государственном университете под руководством профессора Козырева В. В. был разработан автономный ортопедический аппарат автоматизированного остеосинтеза.

Как показали испытания первых экспериментальных образцов аппарата, они отличались несовершенством конструкции, в частности, системы управления, повышенным весом и малой надежностью.

Научно-технические цели данной работы имеют актуальность для медицины и социальной сферы, так как направлены на решение одной из проблем ортопедии, связанной с эффективным лечением переломов и ряда заболеваний конечностей.

Целью данной работы является:

— разработка усовершенствованной структуры электромеханического привода аппарата и согласование параметров электронной, электрической и механи5 ческой частей привода, для повышения надежности, снижения массы и стоимости аппарата.

Для достижения поставленной цели в данной работе решаются следующие задачи:

1. Реализовать структуру электронной части (системы управления) привода путем повышения уровня интегрированности компонентов и согласования параметров высокоинтегрированных модулей управления с параметрами электродвигателя посредством анализа параметрических рядов модулей управления и модификации модулей.

2. Обосновать возможность достижения шаговым двигателем требуемого предельного кратковременного вращающего момента при допустимых значениях нагрева обмоток двигателя.

3. Обосновать возможность исключения обратной связи по положению привода при обеспечении необходимой кинематической точности передачи с длинными резьбовыми роликами.

4. Исследовать возможность исключения промежуточного редуктора из конструкции силовой части привода при эксплуатации двигателя в кратковременном пусковом режиме.

5. Разработать математическую модель, учитывающую основные характеристики модулей управления, микроэлектродвигателя и исполнительного механизма, для расчета и исследования динамических процессов, возникающих при работе электромеханического привода.

6. Разработать методику системы автоматизированного проектирования малогабаритных электромеханических приводов линейных микроперемещений с микропроцессорной системой управления для изделий типа автоматизированного ортопедического аппарата при обеспечении требуемых характеристик проектируемого привода.

Работа состоит из пяти глав, введения и заключения.

В главе 1 рассмотрено состояние исследований в области автоматизации ос-теосинтеза. Проведен обзор работ Курганского научного ортопедического центра, на основе которого с учетом мнений ведущих ортопедов страны сформулированы основные требования, предъявляемые к программируемому электромеханическому приводу автоматизированного ортопедического аппарата.

Рассмотрены первые экспериментальные образцы ортопедических аппаратов ВлГУ. Проведенный анализ показал отсутствие надежных автоматизированных ортопедических аппаратов. В результате поставлены задачи по совершенствованию структуры электромеханического привода аппарата для повышения надежности, снижения массы, габаритных размеров и стоимости аппарата при обеспечении требований, предъявляемых к нему. 6.

В главе 2 проведен анализ различных вариантов исполнения электронных компонентов систем управления двигателем привода автоматизированного ортопедического аппарата с учетом сочетания параметров компонентов с параметрами используемого двигателя и повышения уровня интегрированности компонентов.

Рассмотрены параметрические ряды высокоинтегрированных контроллеров управления двухфазными шаговыми двигателями — два типоразмера контроллеров фирмы Motorola и пять типоразмеров контроллеров фирмы Ericsson. В результате анализа параметрических рядов выбран контроллер (модуль управления) PBL3774, наиболее полно отвечающий требуемым параметрам шагового двигателя по току и напряжению. Для управления этим контроллером фирмой Ericsson выпускается ЦАП РВМ3960, имеющий интерфейс с микроконтроллером.

Проведен анализ микроконтроллеров различных стандартов, выпускаемых в настоящее время. Установлено, что требованиям, предъявляемым к системе управления аппарата, удовлетворяет микроконтроллер АТ89С2051 стандарта MCS51 фирмы Atmel по наличию расширенной системы команд, позволяющей простыми программными средствами реализовать функции управления используемым шаговым двигателем.

Анализ связки «АТ89С2051 — РВМ3960 — PBL3774» показал, что в случае исключения из структуры системы управления ЦАП РВМ3960 и передачи функций ЦАП микроконтроллеру АТ89С2051 имеющихся у последнего неза-действованных физических (наличие свободных ножек) и программных ресурсов будет достаточно для обеспечения управления контроллером PBL3774 и, как следствие, шаговым двигателем каждого из трех приводов ортопедического аппарата.

Все вышеперечисленные научно обоснованные технические решения по совершенствованию структуры электронной части привода аппарата приведут к повышению надежности, снижению массы, габаритных размеров и стоимости аппарата.

В главе 3 изложена методика и результаты экспериментальных исследований передаточных функций модуля управления PBL3774 и системы управления в целом, пусковых характеристик шаговых двигателей, КПД и кинематической погрешности исполнительного механизма электромеханического привода аппарата. Произведена статистическая обработка полученных результатов и сравнение экспериментальных и теоретических зависимостей.

Устанавливается, что модуль управления PBL3774 имеет передаточную функцию дифференцирующего звена с замедлением с постоянной времени 37,7 мкс и передаточным коэффициентом 3. 7.

На основе результатов исследований шагового двигателя и исполнительного механизма обосновывается возможность исключения промежуточного редуктора из конструкции привода, т. е. перераспределения функций по обеспечению требуемого выходного усилия между шаговым двигателем ДШ25−0.001 и исполнительным механизмом на базе передачи с длинными резьбовыми роликами РВПД 12,6×0,1 с учетом кратковременного режима работы шагового двигателя с большой перегрузочной способностью.

На основе результатов исследования кинематической погрешности исполнительного механизма обосновывается возможность исключения обратной связи по положению за счет высокой кинематической точности РВПД.

В главе 4 разработана динамическая модель привода, учитывающая структуру и параметры механической части, шагового двигателя и электронных модулей системы управления. Проведено исследование переходных процессов электромеханического привода аппарата и изложены основные полученные результаты моделирования (развиваемое выходное усилие, величина перерегулирования, время переходного процесса).

Здесь же проводится анализ эквивалентного момента работы шагового двигателя, показывающая, что даже при 15-кратных перегрузках по номинальному моменту (по паспорту — 0,001 Нм), нагрев обмоток двигателя оставался допустимым. Таким образом, обосновывается возможность исключения схемы ограничения двигателя по току для обеспечения эксплуатации двигателя с указанными перегрузками.

В главе 5 с использованием ранее полученных результатов приводится схема синтеза малогабаритного электромеханического привода линейных микроперемещений автоматизированного ортопедического аппарата, выполненная с использованием параметрических рядов роликовинтовых передач, микроэлектродвигателей и контроллеров управления и методики выбора параметров привода с учетом ограничений по нагрузке, скорости и величине перемещения с целью минимизации массы привода.

Работа выполнялась на кафедре «Теоретическая и прикладная механика» Владимирского государственного университета.

На защиту автором выносятся следующие основные положения работы:

— обоснование выбора структуры и параметров системы управления с использованием новых унифицированных высокоинтегрированных модулей управления шаговыми двигателями, обеспечивающих повышение надежности, снижение массы, габаритных размеров и стоимости аппарата;

— экспериментально полученные результаты исследований в виде передаточных коэффициентов и постоянных времени выбранных высокоинтегрированных модулей управления и системы управления в целом, механических ха8 рактеристик шагового двигателя в пусковом кратковременном режиме при различных скоростях его работы, КПД и кинематической погрешности исполнительного механизма, использованных при совершенствовании структуры и параметров привода;

— обоснование возможности повышения надежности и снижения веса, габаритных размеров и стоимости аппарата путем совершенствования силовой части привода за счет исключения из конструкции привода промежуточного редуктора и перераспределения функций создания требуемого выходного усилия между шаговым двигателем и роликовинтовой передачей с учетом возможности получения предельного момента при кратковременном режиме работы двигателя на малых скоростях при исключении схемы ограничения его по току и с учетом повышения КПД исполнительного механизма без промежуточного редуктора, а также за счет исключения обратной связи по положению с учетом высокой кинематической точности РВПД;

— математическая модель динамики электромеханического привода автоматизированного ортопедического аппарата, учитывающую характеристики контроллеров, шагового двигателя и механической части с определением на ней быстродействия, точности, величины перерегулирования, устойчивости привода;

— методика проектирования малогабаритного электромеханического привода линейных микроперемещений на базе параметрических рядов высокоинтегриро-ванных электронных компонентов, микроэлектродвигателей и роликовинтовых передач с возможностью формирования (синтеза) структуры и согласования параметров механической, электрической и электронной частей привода при обеспечении требуемых характеристик проектируемого привода, позволяющую повышать технический уровень привода по мере совершенствования компонентов привода и обновления параметрических рядов, используемых в базах данных.

По теме диссертации опубликовано 4 печатные работы, сделано 3 доклада на международных конференциях. 9.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

В результате реализации и анализа усовершенствованной структуры электромеханического привода автоматизированного ортопедического аппарата и его экспериментального исследования выполнены научно-обоснованные технические разработки в виде: микропроцессорной системы управления, в которой микроконтроллер АТ89 стандарта MCS51 фирмы Atmel совмещает функции управления движением с функциями ЦАП, управляемого работой контроллера шагового двигателя PBL3774 фирмы Ericssonпредложенного исполнительного механизма, в котором исключается промежуточный редуктор, а шаговый двигатель, работающий в кратковременном пусковом режиме, обеспечивает создание требуемого выходного усилия без промежуточного редуктора, что (по сравнению с первыми экспериментальными образцами) повысило надежность в 20 раз, снизило массу на 15% и снизило стоимость на 20% привода аппарата.

Изложены научно-обоснованные динамическая модель электромеханического привода, отражающая основные характеристики контроллера, шагового двигателя и исполнительного механизма, и методика проектирования малогабаритного электромеханического привода линейных микроперемещений на базе используемых параметрических рядов передач винт-гайка качения, микроэлектродвигателей и высокоинтегрированных электронных компонентов.

К основным результатам работы следует отнести следующие:

1. Результаты сравнительного анализа различных вариантов исполнения систем управления (во-первых, на базе PIC-процессоров для управления двигателями постоянного тока, во-вторых, на базе PIC-процессоров для управления шаговыми двигателями, в-третьих, на базе контроллеров стандарта MCS51 и контроллеров PBL3774 для управления шаговыми двигателями), подтвердившие, что микропроцессорная система управления шаговым двигателем на базе высокоинтегрированных микросхем MCS51 и PBL3774 наиболее полно отвечает параметрам используемого шагового двигателя ДШ25−0,001−45УХЛ4 и удовлетворяет требованиям повышения надежности и снижения стоимости.

2. Получены экспериментальные значения постоянной времени модуля управления шаговым двигателем (37,7 мкс), зависимость момента двигателя от скорости вращения ротора (предельный вращающий момент 0,015 Н-м), кинематической погрешности исполнительного механизма с полем рассеяния ±-3а = ±3,735 мкм, КПД механизма с редуктором, равный 0,3 — 0,36, КПД механизма без редуктора, равный 0,36 — 0,4, использованные при моделировании и анализе привода.

3. На основе экспериментальных исследований механических характеристик шаговых двигателей, КПД исполнительного механизма и моделирования динамики с учетом предельной перегрузочной способности двигателя при кратковременном режиме его работы на малых скоростях и с учетом повышения КПД исполнительного механизма без промежуточного редуктора обоснована возможность непосредственного соединения шагового двигателя с роликовинтовой передачей без промежуточного редуктора, т. е. перераспределения функций по обеспечению требуемого выходного усилия между шаговым двигателем и роликовинтовой передачей.

4. Разработана и исследована динамическая модель электромеханического привода ортопедического аппарата, позволяющая определить основные характеристики привода (его быстродействие, точность) в зависимости от основных параметров исполнительного механизма, шагового двигателя и микропроцессорной системы управления. Результаты моделирования подтвердили возможность выполнения привода без промежуточного редуктора.

5. Разработана методика проектирования малогабаритного электромеханического привода линейных микроперемещений на базе параметрических рядов роликовинтовых передач, микроэлектродвигателей и высокоинтегрированных электронных компонентов для формирования структуры привода и согласования параметров механической, электрической и электронной частей привода при обеспечении требуемых характеристик проектируемого привода, позволяющая повышать технический уровень привода по мере совершенствования компонентов привода и обновления параметрических рядов, используемых в базах данных.