精密流体处理:优化实验室自动化机械

本文是关于精密流体处理和运动控制的两部分系列的第二篇文章。在第一部分中，我们通过观察建立液体处理的基础常用的抽水技术。在第二部分中，我们专注于利用液体泵送的更高级别系统，例如实验室自动化，患者治疗装置和科学设备。

越来越多的运动控制系统致力于液体的精确运动。虽然泵和压缩机已经存在很长时间了，但最近有两种应用成为了这项技术的强大驱动力。第一个是实验室自动化——用于生命科学、化学分析和药理学的机器。第二步是病人的液体处理，包括透析、药物输注、血浆和血小板提取等。

准确度量的泵送液处于这些系统的核心。对于透析机和患者治疗装置，如药物输液器，这是解决问题的开始和结束。如我们将在本系列的这一系列中看到，对于实验室自动化流体泵送仅仅是一个较大的系统中的一个元素，还包括试管，滑动，比色皿和提供和接收液体的各种容器的运动学习。

所以，坐好，放松，给自己倒一杯你最喜欢的液体我们来深入了解精密流体处理。

茶壶里的实验室

自动化的实验室分析设备，如血液分析仪、DNA测序仪和其他广泛的机器，接收、处理、分析和有时返回提交的样品，有各种各样的形状和大小。但在它们的核心中，许多都有一个共同的架构。以下是关键元素:

• 样本条目/退出端口- 这是Lab技术人员在其中加载新样本的机械门户，并且如果合适地删除已加工的样本。
  
• 龙门/运输- 完全这样的机器用作微型实验室，龙门石是将样品从一个处理站处理到另一个处理站的样本的机制。龙门架最常是XYZ（正交）机制，但是线性轨道上的疤痕臂是样品运输的替代方法。另一种值得一提的变体是轨道系统。轨道系统在非常大的机器中流行，或在必须在必须在两个或更多个基于龙门的机器之间运输样品的系统。
  
• 过程站-进程站表示机器上的任何资源，这些资源将转换或扫描被移动到它的样本。加工站包括离心机、搅拌器和大量的设备，这些设备以特定的方式转换样品，以适应机器的最终应用。
  
• 分析/传感器站-分析站是测量样品一种或多种特征的过程站。分析站包括显微镜、摄像机和各种各样的其他化学、光学或x射线传感器。
  
• 存储- 通常，在移动过程站之后，样本将移动到存储区域，使得在进一步处理发生之前可以通过必要的时间量，或者由于处理序列中的下一个站与其他样本忙。

来吧，问我一个问题

在上述许多系统中，系统的重要部分是吸入和分配流体的机构。该液体处理系统的主要元素是泵，连接管，工作流体和吸气/分配头（通常称为尖端）。

除了移动液体的基本操作，我们还需要非常精确地控制抽取或分配的液体量，更重要的是将液体样品与之前处理过的样品隔离，以避免污染。

这是怎么做到的?当泵在这里做繁重的工作时，一种被称为工作流体(通常是空气)的巧妙安排确保了液体样本不会被污染。当空气被吸入泵时，吸力就把井里的流体吸进来。抽取的流体量始终小于点胶头的体积，确保没有样品流体进入泵连接管。当泵排出空气时，正压力将样品流体推出泵尖。

许多液体处理系统支持多个提示，以便液体可以被吸入和分配到多个端口在同一时间。有些型号提供超过1000个这样的端口。

继续前进！

是否有特殊的运动控制技术应用于移动物体携带液体的问题?答案是肯定的......而且没有。来自这种有价值的有效载荷所需的高度可靠性的大“是”源。这类似于由处理的晶片的半导体设备等行业，其中晶片可以具有100,000美元或更高的价值。因此，运动必须非常坚固可靠。

沿着这些线，在液体处理自动化位置编码器是标准，即使是使用步进电机，否则将不需要编码器定位。这是为什么呢?俗话说，'东西发生了。可能有一个玻璃碎片，发现它的机制或长期溢出的液体，这些液体正在缓慢降解线性载玻片。在电机上具有编码器，有时也允许检测这些机械问题。

此外，能够移动载玻片、试管或被称为微孔板的特殊载体(每个微孔板可以容纳1,536个单独的液体样本或更多)的机器往往机械复杂，而且体积较大，如微波炉和全尺寸冰箱。

无论它们的尺寸如何，运动范围更宽，负载较重，最小化振动的重要性越大。振动是可靠性和准确性的敌人。

用我的王国交换波德的阴谋

那么我们如何尽量减少振动并减少过冲和稳定时间？这答案是通过与自然工作，或者更准确地进行物理定律。正如牛顿所教导的那样，每个动作都具有相等且相反的反应，因此如果电动机驱动具有给定力的末端执行器，则将注入支撑末端执行器的机械仪中的相等且相反的力。

末端执行器和支撑机构都有各自的谐振点。所以，为了掌握这一切，我们需要对机制进行共振扫描。基本的想法是操作电机在一个正弦来回运动，从一个低频扫到一个高频，并在力学中观察响应。

这种扫描被称为凸编图。有多种类型 - 有些特征在于没有控制器的机制，无控制器有效（开环），有些用控制器有效（闭环）。即使我们没有位于负载的传感器，对于控制器有效，伺服电机（其具有附着在其上的编码器）的响应将倾向于在机制中显示共振点，因为共振将反映出能量回到马达。

所以我认为是I - s曲线

一旦我们有一个系统的动态并且准备好优化控制的感觉，第一步是选择Motion曲线，这在力学中最小化的共振。我们怎么做，什么样的运动能在力学中注入最少的振动能量?

简而言之，这两个问题的答案都是，我们尽量减少混蛋。加速度或挺举的变化是注入力学中的振动能量的主要来源。所以少即是多。在梯形运动中有三个部分;Accel, coast，和decel。在分段变化处的加速度变化，至少在理论上，是无限的，因为加速度过渡的持续时间是零。

通过增加一个s段，即加速度从一个值过渡到另一个值的区间，总振动能量和注入振动的频率范围都减小了。

在一个完美的世界里，你会驱动剖面以避免特定的共振频率。在实践中，尝试和错误将帮助您确定什么工作最好。其诀窍是添加少量的“S”，使总移动时间不会过度延长，同时仍能显著降低诱发的机械振动。

值得注意的是，s曲线的影响并不局限于伺服电机。它们不仅适用于步进电机驱动系统，实际上对步进电机更为重要。这是因为步进电机没有PID位置控制回路，给设计师额外的控制尺寸变化。在很大程度上，步进电机的唯一可调变量是轮廓。

低低的摆动甜蜜的双头

一旦您组织好了配置文件，对于基于伺服的控制系统，还有另一种通用技术可以用于减少大型机构(如龙门架)中的共振。现在大多数运动控制器使用双四滤波器机制提供频域滤波能力。双四极管可以通过编程构造各种类型的滤波器，包括低通、陷波器和带通。根据您的机器的机制，这些过滤器可以用于帮助衰减特定的共振和线性化整个系统响应。

通常，如前所述，这种应用特定滤波构建在基于BODE的系统分析的后面。这样的会话涉及为系统中的一个或多个轴生成打开和闭环Bode图，您应该能够识别相裕度的谐振点或区域边缘的区域，从而导致振荡倾向。

尽管胶合地块可以提供的时间和空间似乎可以提供，但在离散时间采样系统中对抗共振问题时，您将不可避免地进行一些手动修补过滤器以获得最佳结果。BODE PLOTE和其他传统伺服优化技术假设模拟系统，其中输入和输出值连续变化。然而，数字系统将其值调整为数字节拍器（样本期）的节拍，因此不是现实世界的完美表示。

向前喂我！

我们的配置文件优化为最小注入振动，我们已准备好添加另一个对基于伺服机器的控制元件。该控制元件是前馈。

假设笛卡尔XYZ型运动系统，应用馈线非常简单。顺便说一句，如果你想探索非笛卡尔力学（这绝对有点挑战），请检查PMD的深度潜水运动运动学。

在任何情况下，我们都希望在位置环中直接注入一个加速度比例信号，以抵消负载和末端执行器将经历的惯性力。这些是什么力?我们的朋友牛顿再一次告诉我们，静止的物体倾向于保持静止，运动的物体倾向于保持运动。因此，这意味着在加速时，负载将滞后，而滑行时的贡献为零，在减速时，负载将超前。

虽然可以计算前馈增益量，但最简单的方法是使用试错法。你是这样做的:设置一个简单的PID循环，没有积分器，只有适量的P和d。现在设置你的性能跟踪(运动示波器)软件来捕获整个动作的伺服误差。开始时加速度前馈值很小，然后增加，直到你注意到伺服误差最小。不要忘记查看前进和后退的动作。

前馈术语是“开环”，因此它们无法主动调整系统中的变化，例如由于老化或不同的负载而增加的机械磨损和撕裂。这意味着您应该选择馈电增益的平均值，并且您不应该期望在现实世界的条件下进行完美。

速度馈送怎么样？大多数运动控制器提供此功能，因此如果您的系统中存在速度比例，一定是应用速度馈电以补偿。

最后,如果你有一个垂直轴伺服控制,或者无论什么原因都有一个恒定的定向力轴,考虑使用你的运动控制器的PID偏见设置(有时称为电机偏见或电机命令抵消)前馈一个恒定值,抵消恒力。

无论我们能做些什么来简化伺服循环的作业将使伺服循环更易于调谐和提高性能。因此，通过馈线补偿动态或静态力是一个好主意。

我挑战你的双重循环

工具包中还有一个运动控制技巧，特别适用于驱动电机和负载之间具有复杂和柔韧性连接的系统。在这种情况下，尽管人们尽了最大的努力，但连接齿轮头、连杆、皮带或其他联轴器的共振和机械不准确可能会击败最适用的共振降低技术。

在这种情况下，最直接的解决方案是降低机械顺应性，例如通过从带有齿轮的电动机到直接驱动马达。但是直接驱动电机很昂贵，而其他方法是收紧机械的其他方法。有没有一种技术可以让我保留现有的机械装置，但让我更准确地定位负载?

答案是肯定的，尽管小字上说…个别结果可能会有所不同。有一种技术，至少在纸上，可以让设计师在这种情况下鱼与熊掌兼得，这种技术被称为双环。虽然有几种不同的方法来实现双环，但下图所示的方法具有代表性。

它的工作原理是这样的:在双回路安排中，编码器直接测量负载位置，而不是依赖电机编码器来确定负载的最终位置。电机上的编码器不再与指令的负载位置有直接关系，而只是用来稳定伺服回路。

双循环是一种需要更多资源的技术，特别是每个受控轴的额外编码器。但它已在许多应用中有效使用，尽管额外的成本和复杂性可能值得注意。

总结

移动液体和持有液体的移动容器代表了在实验室自动化的快节奏领域中的两个批判性重要任务。这种机器使我们的现代化，化学品和制药世界成为可能，并且是运动控制技术的越来越重要的用户。

设计液体处理系统的关键是理解哪种类型的流体泵在运动控制应用中最适用，并选择动作控制，为您提供所需的流体泵送性能。

将这些液体泵控制器集成到一个完整的实验室分析机器的关键是表征机器的机械行为，并应用运动控制技术，如s曲线轮廓，双四滤波器，前馈和双环控制，以最大化吞吐量和最小化负荷振铃和沉淀时间。

PMD产品用于实验室自动化和科学仪器

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离子数字驱动我们将单轴MC58113集成电路和高功率数字放大器组合成一个紧凑坚固的封装。无论是用于s曲线点对点移动，高速离心机控制，或先进的工艺站控制应用程序，离子是很容易使用即插即用的设备，将得到您的应用程序启动和运行在一个snap。

(c) 2019 Performance Motion Devices, Inc.首席执行官和创始人Chuck Lewin撰写。