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1、文章编号:1004-2539(2013)03-0097-04滚筒药柜传动部分运动不干涉分析与仿真王 磊 张志强 张怀存(北京信息科技大学 机电工程学院,北京 100192)摘要 为了提高滚筒药柜设计的可靠性,降低生产成本,对其工作原理、传动结构进行了简要介绍,并详细分析了相邻两个储药斗运动的各个阶段,并确立了各个阶段运动不干涉的条件。为了保证储药斗在运动过程中时刻保持水平状态,对药柜两侧平衡杆导轨进行了合理布局设计,以保证储药斗保持水平运行。利用 Pro/E 和RecurDyn 建立运动仿真模型,进行储药斗运动仿真,验证运动不干涉分析结果的正确性。目前系统已经开发完成,应用于医院门诊药房,运行
2、效果良好。关键词 滚筒药柜 运动不干涉条件 运动仿真Interference Analysis and Motion Simulation of Erected Circular Medicine-ChestWang Lei Zhang Zhiqiang Zhang Huaicun(School of Mechanical&Electrical Engineering,Beijing Information Science&Technology University,Beijing 100192,China)Abstract In the erected circular medicine-c
3、hest,mechanical structure and working principle are analyzed,noninterference moving condition of reserving medicine basket is discussed with different phase,optimum function ofchain drive based on noninterference moving condition is ascertained and solved by using Matlab,the minimum circu-lar radius
4、 of reserving medicine basket and design parameters of chain drive are finally obtained.For keeping reservingmedicine basket horizontally running,guides of balance bar are rationally located.The motion simulation model is setup with using PRO/E and RecurDyn.Motion simulation is carried out to prove
5、the successof optimum design based onthe noninterference moving condition of reserving medicine basket.The whole system development has been completedand applied in the outpatient-service pharmacy.It runs well now.Key words Erected circular medicine-chest Noninterference moving condition Motion simu
6、lation0 引言目前国内医院药房的药品存储方式主要为固定式货架,药品存储分散,空间利用不充分,药师寻药发药工作量大工作效率低下,并且手工发药容易出现差错,甚至会出现用药事故。随着医疗体制改革和医院改革向着信息化方向发展,迫切需要开发一种适合中国国情的药房自动化设备1-2。笔者所开发的药房自动化设备包括立式滚筒药柜和快速出药系统两部分,快速出药系统适用于具有规则形状的盒装药品,能够实现药品的密集存储、自动上药、自动出药。立式回转药柜对药品包装适应性强,但受传动链速度的限制,药品出库和入库效率稍低,储药量也偏低,是对快速出药系统的补充。但其能适应不规则形状药品的存储发放并且生产成本低,适合我国
7、医院目前的发展水平,因此有很广阔的市场。1 立式滚筒药柜工作原理立式滚筒药柜的机械传动系统由电动机、一级链传动、下传动轴、上传动轴、二级链传动、储药斗及支撑杆、平衡杆及平衡杆导轨、张紧装置等组成。其中平衡杆及平衡杆导轨主要用于保持储药斗的水平运行状态。立式滚筒药柜工作时,由医院 HIS 系统发出存取指令通过本机的处理系统及传动系统,储药斗按最短路径运动最快到达存取药口。方便药师对药品进行存取,提高工作效率降低药师工作强度,提升医院整体服务水平3。2 相邻储药斗运动不干涉条件分析图1 为二级链传动系统及储药斗示意图。经设计选用节距为 p 的A 型滚子链,与储药斗相连接的双支撑杆在链条上的跨距为大
8、跨距跨 m 个链节,双支撑杆97第 37 卷 第 03期 滚筒药柜传动部分运动不干涉分析与仿真 与相邻双支撑杆之间跨距为小跨距间距 n 个链节。储药斗总数量为 k 个,均匀分布在链条上4-5。主动链轮、从动链轮节圆半径均为 r,支撑杆外伸量为 c,w、h 分别为储药斗外形轮廓的宽和高,垂直运动的两相邻储药斗支轴中心相距 H,连接梁的安装尺寸界限为A,s 为储药斗与连接梁之间安全距离。以从动链轮中心 O 为原点,建立参考坐标系,如图 2 所示,O1、O2、O3、O4依次是连接储药斗 1、储药斗 2的支撑杆1、2、3、4 与传动链条连接处,坐标分别为(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)、
9、(x4,y4)。A1为储药斗 1 与支撑杆 1、2的支轴中心,A2为储药斗 2 与支撑杆 3、4 的支轴中心。A1、A2的坐标分别为(X1,Y1)、(X2,Y2),链轮逆时针旋转。图1 立式回转药柜二级链传动结构示意图为分析方便,假设 B 点为位于从动链轮节圆上一点,在运动开始时 B 点与链轮中心O 保持水平并与O1重合,O1、O2、O3、O4在同一竖直线上。储药斗运动初期,O1沿半径为 r 的圆弧逆时针旋转,O2、O3、O4保持竖直向上运动,直至 O2到达 O 点高度后,O1、O2沿半径为 r 的同一圆弧运动。H0为 O1、O2两点同时沿圆弧旋转时连线 OO1和 OO2之间的夹角,H1为 B
10、 点的旋转角度,H2为 O2、O3两点同时沿圆弧旋转时连线OO2和 OO3之间的夹角。设储药斗 1、储药斗 2 运动中,支轴中心 A1和 A2在水平方向和竖直方向的距离为$X 和$Y,则相邻两储药斗运动不干涉条件为若0$X w,则需|$Y|h(1)在$X w 时,相邻储药斗运动一定无干涉6。如图 2所示,储药斗支轴中心 A1、A2在以从动链轮中心 O 做圆弧旋转时,该圆弧并非是一个完整的半圆曲线。下面以从动链轮节圆上 B 点的旋转角度 H1为变量,进一步分析式(1)在相邻储药斗 8个不同运动阶段的情况。图 2 两相邻储药斗运动初始位置2.1 运动第 1 阶段当 0 H1H0时,O1沿半径为 r
11、 的半圆做圆周运动,储药斗 1 支轴中心 A1做变直径的圆弧旋转,O2、O3、O4与储药斗 2 支轴中心 A2做竖直向上运动直至O1与 O 在同一水平线上。借助 Matlab,可求解出第一阶段 X1、Y1的解析式$X1=X2-X1$Y1=Y2-Y1=Y1-rsin H1+1.5mp+np由式(1)得出0$X1 wY1-rsin H1+1.5mp+np h(2)2.2 运动第 2 阶段当 H0 h(3)2.3 运动第 3 阶段当 H0+H2 h(4)2.4 运动第 4 阶段当 P h(5)2.5 运动第 5 阶段当 P h(6)2.6 运动第 6 阶段当2H0+H2 H1 P+H0时,O1做竖直
12、向下运动,O2沿半径为的圆弧运动直至 O2与 O 在同一水平线上,储药斗 1 支轴中心 A1做变直径的圆弧旋转。O3、O4沿半径为 r 的圆弧运动,储药斗 2 支轴中心 A2沿半径为 R 的圆弧旋转。该过程可看作链轮顺时针旋转时,储药斗反向运动,其不干涉条件同运动第三阶段式(4)。2.7 运动第 7 阶段当 P+H0 H1 P+H0+H2时,O1、O2做竖直向下运动,O3、O4沿半径为的圆弧运动直至与在同一水平线上,储药斗 1 支轴中心做竖直向下运动。储药斗2 支轴中心沿半径为的圆弧旋转。该过程可看作链轮顺时针旋转时,储药斗反向运动,其不干涉条件同运动第二阶段式(5)。2.8 运动第 8 阶段
13、当 P+H0+H2 H1 P+2H0+H2时,O1、O2、O3做竖直向下运动,O4沿半径为 r 的圆弧运动直至O4与 O 在同一水平线上,储药斗 1 支轴中心 A1做竖直向下运动。储药斗 2 支轴中心 A2做变直径的圆弧旋转。该过程可看作链轮顺时针旋转时,储药斗反向运动,其不干涉条件同运动第一阶段式(6)。3 平衡杆导轨布局设计通过对储药斗运动不干涉条件的分析,储药斗吊点的运行是在固定于传动链上的支撑杆规定的轨迹中运行,所以储药斗吊点在回转曲线部分的运行轨迹可以由 A1或 A2的坐标解析解确定 7。由于单侧的平衡杆与储药斗的垂直中心线的角度为 30b,所以平衡杆导轨的滚轮中心的坐标解析解可由下
14、式求出X=X1+lsin(P/6)Y=Y1-lcos(P/6)(7)式中,l)平衡杆长度X1)储药斗吊点 x 轴坐标Y1)储药斗吊点 y 轴坐标X)平衡杆滚轮中心 x 轴坐标Y)平衡杆滚轮中心 y 轴坐标下面我们研究单个储药斗在保持水平状态的运动过程中平衡杆的运动规律,如图 3 所示,当储药斗吊点由位置 1逆时针运行到位置 2 时,支撑杆 1、支撑杆2 之间的角平分线与垂直中心线的夹角为 30 b,且与平衡杆重合,我们把此时平衡杆导轨的滚轮中心所处位置称为翻转点。图3 平衡杆滚轮中心翻转点位置示意图图 4 储药斗翻转示意图当储药斗吊点继续逆时针旋转一微小角度由位置2 运行到位置 3 时,如图
15、4 所示,以储药斗吊点为圆心,平衡杆长度为半径做圆,此圆与平衡杆导轨中心线交于两点,分别位于支撑杆 1、支撑杆 2 之间的角平分线两侧。这表明当储药斗吊点由翻转点位置继续逆时针旋转时,平衡杆运动存在两种可能性:如果平衡杆向角平分线左方运动,则储药斗保持水平状态,如图 4 中虚线所示;如果平衡杆向角平分线右方运动,则储药斗发生翻转,无法保持水平状态,如图 4 中实线所示。由于平衡杆导轨与平衡杆滚轮存在摩擦力,致使平衡杆向角99第 37 卷 第 03期 滚筒药柜传动部分运动不干涉分析与仿真 平分线右方运动,储药斗发生翻转。为了使储药斗顺利地通过翻转点并保持水平状态,必须采取适当的措施,这里采用将右
16、侧平衡杆与垂直中心线保持 30b、左侧平衡杆与垂直中心线保持-30b,从而使平衡杆导轨中心线偏两链轮中心连线的方向相反。如图 5 所示。图5 右侧平衡杆通过翻转点示意图图 6 储药斗运动分析仿真当右侧平衡杆经过翻转点位置时,右侧平衡杆在左侧平衡杆带动下克服右侧平衡杆导轨与右侧平衡杆滚轮之间摩擦力,保持与左侧平衡杆同步,从而使储药斗顺利地通过翻转点并保持水平状态,反之亦然。由图 6 可以看出,当左、右两侧平衡杆分别与垂直中心线保持-30b、30 b时,左、右两侧平衡杆滚轮中心共有4 个翻转点位置,由于平衡杆导轨偏中心对称布置,故当一侧平衡杆滚轮中心经过翻转点时,同一储药斗上另一侧平衡杆滚轮中心已
17、错开翻转点,从而使两侧平衡杆保持同步并顺利通过翻转点。4 基于 Pro/E 和 RecurDyn 的运动仿真分析 根据相邻箱斗运动不干涉条件分析结果,设定:p=12.7 mm、w=420 mm、A=30 mm、s=87 mm 箱斗总数为 12个。利用 Pro/E 完成储药斗及支撑杆等储药斗运动分析实体模型。模型建立好之后导入到 Recur-Dyn 中。该软件采用相对坐标系运动方程理论和完全递归算法,非常适合求解大规模以及复杂接触的多体动力学问题。而且其所开发的成型模型库,如齿轮、履带以及与 CAD 软件的接口,为仿真研究提供了全方位支持。从另外一个方面来看,传统的动力学分析软件对于机构中普遍存
18、在的接触碰撞问题解决得不够完善,这其中包括过多的简化、求解效率低和求解稳定性差等问题,难以满足工程的实际需要。在这一点上,RecurDyn 求解速度快、稳定性好,不但可以解决传统的运动学和动力学问题,还能很好地解决机构接触碰撞问题,拓展了多体动力学软件的应用范围。链传动系统本身是由链轮和多段链节组成,满足 RecurDyn 的应用范围,且在 RecurDyn 中具有链传动的模型库,可以满足参数化设计的要求。模型由两侧链轮、两侧链条在RecurDyn 可以自动生成,并且链条自动装配8。因为本节重点研究储药斗的不干涉情况,所以只要求链轮链条有啮合运动即可,而不必让系统作周期运动,这并不影响对储药斗
19、不干涉情况的研究。图 7 滚筒药柜链轮与大地之间的旋转副施加运动,设置仿真运行参数,仿真时间设为 10 s,帧数为 1 000,运行仿真,仿真运行从第 1帧到第1 000 帧,两储药斗在运动仿真过程 8个阶段全部按预定轨迹从右边运动到左边,直至仿真过程结束,无干涉现象发生。5 结论分析了立式回转药柜链传动工作原理,建立了储药斗运动不干涉条件,给出了平衡杆导轨的合理布局方式,最后根据相邻箱斗运动不干涉条件分析结果对储药斗进行运动仿真。目前立式回转药柜已投入运行,系统各部分运行正常,运行状态良好,达到了预期目的。证明上述的结构设计正确可行。参考文献 1 于嘉.自动化药房:让药师走近患者 J.中国执
20、业药师,2008(5):3-5.2 韩晋,刘丽萍,谢进,等.自动化设备对医院药房的影响 J.中国药房,2006,17(19):1469.3 郝华增,李展翅,吴平龙,等.智能化药房的研究 J.包装与食品机械,2005,21(5):1-4.4 郑志峰.链传动设计与应用手册M.北京:机械工业出版社,1992:25-32.5 刘文亮.基于 SolidWorks 的数控回转立体库的自动设计 D.济南:山东大学,2005:12-18.6 王吉忠.垂直循环停车设备托架运动不干涉条件 J.机械,2005,32(3):22-23.7 郭鹏.基于 CAE 的垂直循环立体车库结构设计研究 D.济南:山东大学,2007:33-37.8 焦晓娟,张渭,彭斌彬.RecurDyn 多体系统优化仿真技术 M.北京:清华大学出版社,2010:320-372.收稿日期:20120822 收修改稿日期:20120904作者简介:王磊(1986-),男,河南确山县人,硕士研究生100 机械传动 2013 年