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直线丝杆步进电机在生化分析仪上应用

一、应用背景    

    生化分析仪是医疗机构进行临床诊断和生命科学、生化研究等研究机构进行科研所必需仪器之一,主要用于测定人体液中各种常规生化指标。 随着现代科技的不断进步,医疗器械的发展也越来越高科技化。生化分析仪也由手工操作进入全自动化阶段。
     全自动生化分析仪具有精确加样和自动装载的功能,具有精度高、重复性好、功能齐全、测试项目多等特点,其快速、简便、微量等特点尤为突出。在药剂加注上,有别于传统步进电机驱动方式,直线步进电机在全自动生化仪上应用得越来越广泛。

    在全自动生化仪中,取样功能是通过其加样系统来实现的,加样系统的精度在很大程度上决定了整个仪器的精度。加样系统一般由“悬臂机构+驱动机构”组成,传动机构与悬臂机构相连,从而实现自动加样取样功能。传统的驱动机构一般采用“旋转步进电机+传动机构”组成。
    传统的传动机构一般包括同步带、齿轮齿条,滚珠丝杆。同步带、齿轮齿条精度不高,噪音比较大,最关键的是寿命无法保证;滚珠丝杆精度较高、寿命较长,但其体积大,成本高,对机构调校水平要求高。

图1  直线丝杠电机与传统步进的机械传动结构比较


    直线丝杠步进在电机内部实现旋转运动到直线运动的转换,使悬臂机构与电机直接连接,使得机构尽量精巧。同时,无须中间传动环节使其能够做到更高精度,更高效率以及更高寿命。

图2  装载直线丝杠电机的生化分析仪加样臂



二、生化分析仪加样系统主要结构及工艺 

    全自动生化分析仪的加样系统的主要由以下的三大部分组成的,如下所示:

第一部分、样品转盘

    可放置小型样品杯或试管。

第二部分、试剂室(仓)

    不同的全自动生化分析仪试剂室可容纳的试剂盒数量不同,一般可容纳20多种试剂。有的试剂室带有冷藏装置,带有条形码识别装置的试剂室试剂可以任意放置试剂盒位置。

第三部分、取样装置

    有的全自动生化分析仪取样本和取试剂公用同一采样针,由内部的分流阀控制取样本和取试剂;有的全自动生化分析仪有两套取样装置,分别取样本和取试剂。采样针前端有液面传感器防止空吸或采样针外壁液体挂淋,采样臂中有预温装置。


图3  全自动生化仪加样系统


三、斯玛特尔直线丝杠步进系统 

    斯玛特尔的混合式直线丝杠步进电机采用高效率传动螺纹设计和独有的轴承技术,电机在传动效率、可靠性、承载力和寿命上优于市场上的同类产品,比常用的金属螺母结构设计更是优势明显,寿命上至少提高10倍以上。适合空间有限,对电机性能和可靠性要求较高,定位精密,运动快速和长寿命的场合。
    斯玛特尔目前上市的产品有:20mm系列、28mm系列、35mm系列、42mm系列、57mm系列、86mm系列两相混合式直线步进电机。产品涵盖28种不同的步长,从0.00006英寸(0.001524mm)到0.005英寸(0.127mm)微步,可提供均匀精细的分辨率。每种机座号有三种结构可选:贯通轴式、外部驱动式、固定轴式。



●高精度,定位精度可达0.1μm

    直线丝杆步进电机因传动机构简单减少了插补滞后的问题,定位精度、重复精度、绝对精度,通都会较“旋转伺服电机 & 滚珠丝杠”高,且容易实现。直线丝杆步进电机定位精度可达0.1μm,“旋转伺服电机 滚珠丝杠”最高达到2~5μm。

●高速度,最高可达300m/min

    从速度上和加速度的对比上,直线丝杆步进电机具有相当大的优势,直线丝杆步进电机速度可达300m/min,加速度10g;滚珠丝杠速度为120m/min,加速度为1.5g。而且直线丝杆步进电机在成功解决发热问题后速度还会进一步提高,而“旋转伺服电机 & 滚珠丝杠”在速度上却受到限制很难再提高较多。

●高寿命,维护简单

    直线丝杆步进电机因运动部件和固定部件间有安装间隙,无接触,不会因动子的高速往复运动而磨损,长间使用对运动定位精度无变化,适合高精度的场合。滚珠丝杠则无法在高速往复运动中保证精度,因高速摩擦,会造成丝杠螺母的磨损,影响运动的精度要求,对高精度的需求场合无法满足。


四、现场调试结果


    某型号生化分析仪的基本参数如下:
·恒速400 T/H(单/双试剂),最大640 T/H(选配ISE)
·可同时检测77个比色项目,3个电解质项目(选配ISE)
·90个日常可用样本位和80个冷藏试剂位,自动条码扫描
·全息凹面平像场光栅后分光,集束式光路,反应全过程监测
·反应杯采用“固体直热”温控技术,自动8阶温水清洗
·自动等量、增量、减量及前稀释样本重测和酶线性拓展功能


斯玛特尔公司的配置方案如下:

轴类

斯玛特尔方案

加样臂X轴

ASD422R + 11E3408

加样臂Y轴

ASD422R + 11E3408


直线丝杠电机基本参数如下:

型号

保持力矩
(mN.m)
相电流
(A)
相电阻
(Ohms)
电机长度
(mm)
适配驱动器

11E3408

59
0.75
6.5
34
ASD422R

现场测试证明,取样速度和精度比传统步进高出30%以上。


五、结语 

    斯玛特尔直线丝杠步进电机在生化分析仪的取样系统上的应用,使其结构简单、有效,提升了国产生化分析仪整体质量和档次,与国内外同类产品的竞争中处于有利地位。