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正文內(nèi)容

基于tip頭的三維加樣臂的設計畢業(yè)論文(編輯修改稿)

2024-09-30 14:13 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 20min,并能滿足最多達 4種試劑的添加分析。各種類型的日立系列全自動生化分析儀分別適用于不同醫(yī)院。它們均具有功能全、 分析精度高、操作簡便、分析快速、節(jié)省試劑、經(jīng)久耐用、故障率低等特點。 7060全自動生化分析儀 (Hitachi7060automaticanalyzer)是一臺在日立小型生化分析儀中處理能力最大的隨機任選式全自動生化分析儀。它具有可同時測定最多 32個項目 (使用 ISE時 35個項目 )和最高每小時 360個測試 (使用 ISE,時最多 720個測試 )的分析能力。分析方法類型齊全 ,校準模式多樣 ,可任意選用 ,滿足各種檢測要求。試劑全開放能滿足 1一 4種試劑的添加分析。采用全反應過程吸光度監(jiān)測 ,反應時間 3min、 4min、 smin、 2smin任選 ,最長可設置長達 150min,能滿足各種試驗要求和新項目開發(fā)的要求。采用靜電液面感應式檢測探針 ,適合微量樣品采集。樣品針和試劑針均具有橫向、縱向防撞保護功能。吸量注射器由數(shù)字脈沖步進電機驅動 ,工作精度高 ,控制準確 ,故障率低。同時具有樣品預稀釋和標準液分級稀釋以及哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計論文 7 改變樣品量 (增或減 )自動再測試功能 ,并能自動檢測空白反應杯吸光度 ,異常時加強清洗或自動超越或自動停機。與外設中文數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)連接 ,可實現(xiàn)數(shù)據(jù)中中文管理、打印中文檢驗結果報告。 (四)瑞士帝肯公司 圖 12 Freedom EVO 液體處理平臺 瑞士帝肯公司在在醫(yī)療機械上做得比較好,其現(xiàn)有產(chǎn)品 Freedom EVO 液體處理平臺具有特點如下: 1) 高通量:單機最多可同時處理 192 張切片;根據(jù)不同儀器配置單機 分別處理 4 9 14 192 張切片,適應不同規(guī)模實驗室需求 2)高效: 8通道同時加樣 amp。清洗,極大縮短實驗周期 3)高靈活性:真正意義的 “全開放式 ”儀器, GenePaint允許用戶自 定義實驗所需試劑 哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計論文 8 4)強大的軟件管理系統(tǒng):靈活的程序設定系統(tǒng),可針對不同實驗室需求,設定最優(yōu)化檢測程序;獨特的實驗前 3D 模擬功能,極大程度避免儀器運行錯誤的發(fā)生 5) TeFlow 樣本處理模塊 Flowthrough技術 :側面加樣 amp。沖洗,最大 度降低對樣本的損傷;通過重力及毛細作用,使液面薄層均勻覆蓋于樣本表面,形成封閉式孵育環(huán)境,保證檢測結果的準確性與穩(wěn)定性;樣本表面始終保持濕潤,允許儀器隔夜運行,方便用戶操作。 6)獨特的 Chamber 設計 : 8 聯(lián)架結構,每個 Chamber 均形成獨立的封閉 體系;既簡化操作,又極 大程度避免交叉污染,保證實驗結果的穩(wěn)定性 7)高精度溫控系統(tǒng) :不同切片間孵育典型溫差介于 177。 ℃ . 2 全自動生化分析儀國內(nèi)現(xiàn)狀 全自動生化分析儀國內(nèi)產(chǎn)品與國外差距很大。從報道情況和全國醫(yī)療儀器展覽情況看 ,目前國內(nèi)只有兩家單位推出了完全自主研制的全自動生化分析儀產(chǎn)品 ,但都是中小型全自動生化分析儀 ,在功能和速度上和國外產(chǎn)品相差很多。這兩家分別是長春光機所和深圳邁瑞醫(yī)療器械公司。邁瑞公司是在 2020 年下半年推出了一款全自動生化分析儀產(chǎn)品 ,其最大測試速度為 240次 /小時 ,在線測試項目 24項 ,后期又 逐步推出 300次 /,J“時和 400 次 /小時兩款產(chǎn)品 ,在線測試項目 40項。長春光機所目前推出了一款全自動生化分析儀 ,其最大測試速度為 400 次 /小時 ,在線測試項目與邁瑞公司的產(chǎn)品相同。 近來隨著醫(yī)學的發(fā)展 ,我國醫(yī)療機構對自動生化分析儀的要求越來越迫切。隨著國內(nèi)醫(yī)院要求診斷指標的增多 ,測試工作量不斷增大 ,半自動生化分析儀已遠遠不能滿足需求 ,對全自動生化分析儀的要求日益增大 ,而國內(nèi)生化分析儀生產(chǎn)的型號種類很少 ,又均為一般性的儀器 ,專門化和大而全的通用儀器幾乎沒有 ,儀器自動化程度和微機化水平低 ,因此全自動生化分析儀的研制和開發(fā)將有著重大的經(jīng)濟效益和社會效益。 哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計論文 9 1. 3 本論文的主要內(nèi)容 本論文的研究旨在設計一套高精度的自動加樣裝置,完成自動加樣系統(tǒng)的機械結構設計、機械運動部分的控制設計,并對加樣系統(tǒng)關鍵機構進行相關的力學分析和仿真研究,驗證其設計方案的性能。論文具體任務如下:①調(diào)研國內(nèi)外血型分析系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀,并對其進行性能分析,在明確現(xiàn)有加樣系統(tǒng)的結構特點和設計缺陷的基礎上,提出本論文研究的自動加樣系統(tǒng)的總體設計方案。②完成包括加樣機械臂、 Tip的安裝于卸載機構,應用 Pro/ 建立了加 樣系統(tǒng)的三維實體模型。③為了提高加樣機械臂性能,使用 ADAMS對其進行了運動仿真,仿真結果達到了理想的效果。④根據(jù)自動加樣系統(tǒng)機械運動部分相似定位控制需求,詳細設計了運動控制方案,完成 了基于單片機 AT89c51和驅動芯片 L298 的直流電機伺服控制系統(tǒng)的軟、硬件設計。⑤為了驗證所設計的控制電路是正確的,用Proteus軟件對控制電路進行了仿真。 哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計論文 10 2.三維加樣臂機械結構設計 2. 1 總體方案設計 機械臂是自動控制領域中 出現(xiàn)的一項融合多學科的重要技術,也是目前在機器人技術領域中得到最廣泛應用的自動化機械裝置,并已成為工業(yè)制造、醫(yī)學治療、娛樂服務以及軍事等現(xiàn)代自動化系統(tǒng)中的一個極其重要的組成部分。隨著臨床檢驗儀器的自動化發(fā)展,自動加樣機械臂已經(jīng)成為了自動化的醫(yī)療分析儀器不可或缺的組成部分。盡管自動機械臂的結 構形態(tài)各有不同,但是它們都能夠根據(jù)控制指令,精確地定位到作業(yè)平臺空間上的預定點進行作業(yè),機械臂按其結構形式,可分為以下四類: ① 笛卡爾坐標式機械臂:機械臂可以沿笛卡爾坐標系 X、 Y、 Z 三軸的方向往復移動,亦即臂部可以左 右移動 (定為沿 X 方向的平動 )、前后伸縮 (定為沿 Y 方向的平動 )和上下升降 (定為沿 Z 方向的平動 ); ② 圓柱坐標式機械臂:機械臂可以沿 X 坐標軸和 Z 坐標軸方向平動,又可繞 Z 坐標軸轉動,亦即機械臂可以左右伸縮、上下升降和左右轉動; ③ 球坐標式機械臂:機械臂可以沿 X 坐標軸方向平動,又可以繞 Y 坐標軸和 Z 坐標軸轉動,亦即機械臂可以左右伸縮 (沿 X 方向平動 )、上下擺動 (定為繞 Y軸轉動 )和左右轉動 (定為繞 Z 軸轉動 ); ④ 多關節(jié)式機械臂:這種機械臂通常由小臂和大臂組成,其小臂和大臂之間以及大臂和機座之間均以鉸鏈連接,亦即小臂可繞大臂上下擺動,大臂又可繞機座擺動,機械臂還可以繞機座轉動。 加樣機械臂應具有三個自由度,能夠實現(xiàn)對血型實驗平臺內(nèi)任意反應區(qū)的定位。上述四種形式的機械臂在功能上,都能夠滿足定位需求。但是,球坐標式機械臂和多關節(jié)式機械臂結構都較為復雜,加工和防碰撞等技術條件要求比較高,通常多用于高溫、高壓、高輻射或工作空間狹小等不適合人工直接操作的危險場合代替人工安全地完成作業(yè),而且哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計論文 11 其控制難度也較大,可靠性和穩(wěn)定性不如前 兩種形式的機械臂。此外,由于血型實驗過程中盛裝樣本和試劑的試管都是豎直放置在試管架上的裝載孔內(nèi),故在加樣機械臂在作業(yè)過程中應使加樣針保持豎直的姿勢,才更方便取樣,而球坐標式機械臂和多關節(jié)式機械臂還需要對加樣狀態(tài)進行調(diào)整,因此并不適合用于本課題研究的全自動血型分析系統(tǒng)檢測平臺的自動加樣系統(tǒng)。 由加樣機械臂的功能要求可知,本文所研究的加樣機械臂需要能夠定位檢測平臺上的所有工作區(qū),前兩種坐標形式的機械臂都具有三個自由度,且結構組成比較簡單、控制難度也較小,且都能夠實現(xiàn)檢測平臺內(nèi)所有反應區(qū)的定位。但是我們經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn) ,在自動化醫(yī)療儀器中圓柱坐標式加樣機械臂多用于旋轉式抽放樣的自動加樣系統(tǒng)中,且通常只使用沿 Z 軸的移動和轉動兩個自由度,而全自動血型分析系統(tǒng)使用矩形的 96 孔微孔板做為反應區(qū),若采用笛卡爾坐標式加樣機械臂,則可以方便地將位置信息轉換為驅動電機的控制信息,更有利于加樣機械臂對樣本、試劑和微孔板的定位。因此在本論文中我們擬采用笛卡爾坐標式加樣機械臂。加樣機械臂應滿足以下特點: ① 基本運動要求 加樣機械臂不僅需要能夠靈活地在檢測平臺上沿 X、 Y、 Z 三個坐標軸作精確平移運動,而且加樣控制系統(tǒng)能夠分別準確測得 沿三個坐標軸平移運動的距離,從而得知加樣針在檢測平臺上的準確位置。 ② 速度響應要求 全自動血型分析系統(tǒng)的研究目的就是為了代替人工,對大批量的樣本快速、準確地進行自動化血型實驗從而得到準確、可靠的實驗結果,因此自動加樣系統(tǒng)必須滿足響應速度快,慣性小,運動速度高等要求。 ③ 精度要求 加樣機械臂必須保證有足夠的機械精度和較小的回程誤差,才能保障自動加樣系統(tǒng)的精確定位要求。因此加樣機械臂導向裝置摩擦應盡量小,并且應該有足夠的剛度,而機械臂的運動精度則靠驅動電機的控制精度來保證。以往在自動化儀器中,機械臂多采用普 通滑動導向裝置,哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計論文 12 但是它的運動精度和導向精度不高,承載能力低;在低速運動時,也容易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象,故經(jīng)常出現(xiàn)定位不精確的情況,且磨損較大,磨損后摩擦增大,壽命短,需要經(jīng)常維護。滾動導向裝置雖然結構復雜,成本較高,但是它具有承載能力較大,剛性強、壽命長、傳動的平穩(wěn)性和可靠性較高的優(yōu)點,且具有結構自調(diào)整能力,裝配簡單。因此本論文中加樣機械臂擬采用導向裝置。 圖 21三維加樣機械臂總體結構模型 根據(jù)以上的分析,加樣機械臂是由 X、 Y、 Z 三軸的直線平移機構組成的一個懸臂結構機械臂,其依靠 X、 Y、 Z 三軸平移機構完成血型實驗過程中對加樣針位置的調(diào)整。為簡化機械臂的結構,使其結構緊湊,同時滿足高速、高精度設計要求,我們對 X 和 Y 方向平移機構采用上下布置的兩個精密滾珠導向軸副,保證進給運動的直線度和平穩(wěn)度; Z 方向進給機構采用精密直線導軌副。 為保證加樣機械臂的定位精度和重復精度,設計時傳動裝置應具有較小回程誤差。同步帶傳動是通過帶輪與帶齒的嚙合實現(xiàn)運動和動力傳遞的一種帶傳動方式,由于它在普通帶傳動的基礎上綜合了鏈傳動和齒輪傳動的諸多優(yōu)點,具有無滑差嚴格同步傳動、傳動效率高、傳動性能優(yōu)良和能夠吸振,耐 沖擊等特點因此在工業(yè)機器人、數(shù)控機床、醫(yī)療設哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計論文 13 備等精密機械領域被廣泛地用于精密傳動和高精度定位。我們擬對加樣機械臂三軸進給機構均采用同步齒形帶傳動方式,驅動電機通過同步齒形帶帶動直線軸承在直線導軌或導向軸上做精度的往復直線移動,從而實現(xiàn)加樣針的高精度定位。 2. 2 X、 Y、 Z 軸的具體設計 圖 22 X軸方向結構模型 加樣機械臂是一個懸臂結構,其運動的精度及穩(wěn)定性與三個運動方向的傳動機構有著很大的影響,因此根據(jù)加樣機械臂輕載、響應速度快、精度和穩(wěn)定性高的設計要求,合理設計傳動機構對加樣機械臂工作的可靠 性和穩(wěn)定性具有重要的意義。 圖 23 Y軸方向結構模型 圖 24 Z軸方向結構模型 2. 2. 1 導向軸的選擇計算 導向裝置結構精密,設計非常復雜,為縮短設計制造周期,提高產(chǎn)品質(zhì)量,我們擬根 據(jù)自動加樣機械臂的具體設計要求選用工廠自動化用零件生產(chǎn)商提供的標準化導向產(chǎn)品。比較相關企業(yè)的產(chǎn)品性能后,選定 MiSUMi 公司的產(chǎn)品。 MiSUMi 不僅可以提供種類豐富的精密 FA 工廠自哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計論文 14 動化用零件,還可以根據(jù)客戶的需要對選購的零件進行追加加工,可顯著提高我們設計開發(fā)的效率。該公司的直線導軌產(chǎn)品,其 MX 潤滑組件將大量的潤滑脂浸透由均勻連續(xù)氣孔構成的特殊聚氨酯中;利用毛細管現(xiàn)象,向直線導軌的軌道面上供應適量的潤滑脂,使滑軌之間始終形成油膜,從而可實現(xiàn)導向裝置的長時間免維護。 根據(jù)自動加樣機械臂具體情況, X、 Y 軸均選用兩端內(nèi)螺紋型滾動導向軸組件,因為兩端為內(nèi)螺紋的類型相比于外螺紋,一外 一內(nèi)螺紋類型便于安裝,直接用螺釘固定即可。 圖 25 導向軸結構圖 X軸直線導軌的選擇計算長度的選擇:因為 X軸要求的工作行程是100cm,再考慮 X軸滑塊的寬度 50mm,再考慮電機尺寸 80mm,再加上 Z 軸管道的尺寸,導軌的長度 L=1000+50+80=1130mm,最終選擇 L=1200mm。X 軸導軌直徑的選擇:根據(jù)網(wǎng)上相關懸臂結構的直徑尺寸類比選擇D=30mm。最終選擇型號為 SSFJW301200M16N16。 Y軸的直線導軌的選擇計算 : 長度的選擇:因為 Y 軸要求的工作行程是 30cm,再考慮 Y 軸滑塊的寬度 35mm 同步帶輪支撐架的尺寸35mm,Y 軸一端需要深入滑塊支撐架里 20mm,另一端深入末端 10mm,導軌的長度 L=300+35+35+20+10=400mm,最終選擇 L=430mm。 Y 軸導軌直 徑的選擇 :根據(jù)網(wǎng)上相關懸臂結構的直徑尺寸類比選擇D= VSFJW15430M8N8。 Z 軸導軌的選擇長度的選擇: Z 軸的工作行程為 200mm,滑塊的長度為 10mm,同步帶輪尺寸 20mm,所以 Z 軸長度 L=200+10+20=230mm,取L=23
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