数控三维正脊仪计算机控制系统的开发
|
摘要
作者的在攻读硕士学位期间的主要研究工作是数控三维正脊仪的计算机控制系统设计和开发，本文是作者两年来科研工作的总结。
数控三维正脊仪实质上是三轴联动的计算机数控设备，本文的研究工作涉及以下几个方面：
由于计算机数控系统具有可靠性高、控制功能强和易于使用等特点，所以CNC系统除在数控机床领域被广泛使用外在其它需要进行运动控制的领域应用也越来越广泛。传统的三维正脊仪存在着治疗参数不能精确量化的缺陷，而采用数控系统正好可以精确的控制治疗时拉伸距离、扭转和倾斜角度。本文介绍了实现基于中医传统物理治疗腰椎病的数控三维正脊仪的硬件平台的构建和控制软件的开发及其原理。根据该治疗仪的使用环境是医院和操作医生的专业背景特点，本文采用以“工业计算机+数控系统”为硬件平台的控制方案，以计算机作为上位监控机，以数控系统作为下位机直接控制治疗运动的实现，在工业计算机和数控系统之间通过I／O板卡进行通讯，以“VC+PLC+CNC”编程为软件平台构成系统的控制软件。为了方便医生使用，采用Visual C++编写了控制界面软件，采用模块化设计结构，人机界面友好，操作简单，具有治疗动作动画示意功能，只要对医生进行操作培训就可以使用。还用Visual C++编程实现了上位机和下位机通讯以及电子病历数据库管理，用PLC和CNC编程，实现预期的运动控制。
三维正脊仪作为用于医院临床医疗设备，必须保证病人的绝对安全，因此在控制系统中设置了多重运动行程限位。第一重限位是控制软件限位，确保医生输入的治疗参数不超过系统允许的范围。第二重限位是数控系统参数表中设置轴参数的范围，当编码器反馈回来的位置超过轴参数的设置时，数控系统就会出现超程报警并自动停止运动。第三重是电气限位开关，当床身六个运动方向中的任一方向压到限位开关时，控制电路就会通知电气系统报警停止运动。第四限位是机械限位，通过机械结构，确定治疗床的行程在合适的范围内。
北方工业大学学位论文
心电图 ElectrocardiograPhoCG）作为诊断心律失常的一种技术手段，是身体健康
状况的一个重要指标。比较病人在三维正脊治疗过程中和治疗前的心电图可以判断病人
在治疗过程中的身体状况，可以给医生的诊断和治疗提供有力的依据。因此，在三维数
控正脊仪中增加了心电监护的功能，该功能模块独立于控制软件的其它模块，具有观察、
记录、查询、打印功能，可以单独作为心电图采集使用。
通过实践检验，数控三维正脊仪计算机控制系统性能稳定、工作表现良好，达到了
预期的设计目的。在本文的结论部分，总结了本课题的研究成果，并给出了对系统继续
进行改进的一些建议。
During studying for master degree, the author concentrated the research work on developing control system for Numerical Control Three-Dimension Lumbar Disease Curer (NCTDLDC). Now present all of the author's research work in this thesis.
In fact, NCTDLDC is a three-axis CNC system. Several aspects of the research are presented here.
Due to its reliability, versatility and ease-to-use, CNC systems are not only used in numerical control machine tools but also widely used more and more in other fields.
There were the shortcomings that the treating parameters are not accurate on traditional Three-Dimension Lumbar Disease Curer (TDLDC). The CNC system can fulfill the control of the required accurate distance and angles during treating control. The control system and its software of NCTDLDC were presented in this paper which based on the motion requirements of traditional Chinese physical treatment about lumber diseases. On the basis of the characteristics of this curer used in hospital and it is operated by doctors who has no knowledge on CNC, so "IPC+CNC" was selected as hardware platform and "VC++ language +PLC code + CNC code" as the software platform. The software adopts modular design method with friendly human-computer interface. Operators need merely handle the computer which is the upper computer in operation, and the CNC system takes charge of the motion control during treatment. With I/O cards, the communication between IPC and CNC was realized. The control software programmed in Visual C++ has the
function of showing the treating motion, which can be easily used by the doctors who have received training. Through the VC programming the control system achieved to manage the case history and to communicate between the upper computer and CNC. And through the PLC and G-code programming, CNC system finished the anticipant control motion.
As a clinical medical treatment facility using in hospital, there are enough distance limits to ensure the patient's absolute security in TDLDC. The first distance limits are provided by the control software to ensure that the inputs are not beyond the limits. The second distance
limits are set in the CNC axis parameter table. When the encoders' feedbacks exceed the settings, the CNC system will give overrun warning and stop motion at once. The third are the electric limits. When any direction of the six motions reaches the limit switch, the system will give overrun warning and stop moving. The last distance limits are the mechanical limit and also the securest ones, which ensure the distance within the right limit by the bed's structure.
Electrocardiograph is an important index of the patient's health status, so it is usually a basic method in diagnosing the heart rate abnormity. Comparing the patient's ECG which is collected both before and in the course of the treatment, doctors can get some useful information about the patient's health. So the ECG functional module was integrated in this TDLDC, which was independent from the other functions. This module can be used as the ECG machine to observe, record, query and print the ECG.
Through the control test, the computer control system fulfilled the motion requirement and worked successfully. In the conclusion part of this paper the author summed up the research work and gave some advice on the future betterment work.
数控三维正脊仪实质上是三轴联动的计算机数控设备，本文的研究工作涉及以下几个方面：
由于计算机数控系统具有可靠性高、控制功能强和易于使用等特点，所以CNC系统除在数控机床领域被广泛使用外在其它需要进行运动控制的领域应用也越来越广泛。传统的三维正脊仪存在着治疗参数不能精确量化的缺陷，而采用数控系统正好可以精确的控制治疗时拉伸距离、扭转和倾斜角度。本文介绍了实现基于中医传统物理治疗腰椎病的数控三维正脊仪的硬件平台的构建和控制软件的开发及其原理。根据该治疗仪的使用环境是医院和操作医生的专业背景特点，本文采用以“工业计算机+数控系统”为硬件平台的控制方案，以计算机作为上位监控机，以数控系统作为下位机直接控制治疗运动的实现，在工业计算机和数控系统之间通过I／O板卡进行通讯，以“VC+PLC+CNC”编程为软件平台构成系统的控制软件。为了方便医生使用，采用Visual C++编写了控制界面软件，采用模块化设计结构，人机界面友好，操作简单，具有治疗动作动画示意功能，只要对医生进行操作培训就可以使用。还用Visual C++编程实现了上位机和下位机通讯以及电子病历数据库管理，用PLC和CNC编程，实现预期的运动控制。
三维正脊仪作为用于医院临床医疗设备，必须保证病人的绝对安全，因此在控制系统中设置了多重运动行程限位。第一重限位是控制软件限位，确保医生输入的治疗参数不超过系统允许的范围。第二重限位是数控系统参数表中设置轴参数的范围，当编码器反馈回来的位置超过轴参数的设置时，数控系统就会出现超程报警并自动停止运动。第三重是电气限位开关，当床身六个运动方向中的任一方向压到限位开关时，控制电路就会通知电气系统报警停止运动。第四限位是机械限位，通过机械结构，确定治疗床的行程在合适的范围内。
北方工业大学学位论文
心电图 ElectrocardiograPhoCG）作为诊断心律失常的一种技术手段，是身体健康
状况的一个重要指标。比较病人在三维正脊治疗过程中和治疗前的心电图可以判断病人
在治疗过程中的身体状况，可以给医生的诊断和治疗提供有力的依据。因此，在三维数
控正脊仪中增加了心电监护的功能，该功能模块独立于控制软件的其它模块，具有观察、
记录、查询、打印功能，可以单独作为心电图采集使用。
通过实践检验，数控三维正脊仪计算机控制系统性能稳定、工作表现良好，达到了
预期的设计目的。在本文的结论部分，总结了本课题的研究成果，并给出了对系统继续
进行改进的一些建议。
During studying for master degree, the author concentrated the research work on developing control system for Numerical Control Three-Dimension Lumbar Disease Curer (NCTDLDC). Now present all of the author's research work in this thesis.
In fact, NCTDLDC is a three-axis CNC system. Several aspects of the research are presented here.
Due to its reliability, versatility and ease-to-use, CNC systems are not only used in numerical control machine tools but also widely used more and more in other fields.
There were the shortcomings that the treating parameters are not accurate on traditional Three-Dimension Lumbar Disease Curer (TDLDC). The CNC system can fulfill the control of the required accurate distance and angles during treating control. The control system and its software of NCTDLDC were presented in this paper which based on the motion requirements of traditional Chinese physical treatment about lumber diseases. On the basis of the characteristics of this curer used in hospital and it is operated by doctors who has no knowledge on CNC, so "IPC+CNC" was selected as hardware platform and "VC++ language +PLC code + CNC code" as the software platform. The software adopts modular design method with friendly human-computer interface. Operators need merely handle the computer which is the upper computer in operation, and the CNC system takes charge of the motion control during treatment. With I/O cards, the communication between IPC and CNC was realized. The control software programmed in Visual C++ has the
function of showing the treating motion, which can be easily used by the doctors who have received training. Through the VC programming the control system achieved to manage the case history and to communicate between the upper computer and CNC. And through the PLC and G-code programming, CNC system finished the anticipant control motion.
As a clinical medical treatment facility using in hospital, there are enough distance limits to ensure the patient's absolute security in TDLDC. The first distance limits are provided by the control software to ensure that the inputs are not beyond the limits. The second distance
limits are set in the CNC axis parameter table. When the encoders' feedbacks exceed the settings, the CNC system will give overrun warning and stop motion at once. The third are the electric limits. When any direction of the six motions reaches the limit switch, the system will give overrun warning and stop moving. The last distance limits are the mechanical limit and also the securest ones, which ensure the distance within the right limit by the bed's structure.
Electrocardiograph is an important index of the patient's health status, so it is usually a basic method in diagnosing the heart rate abnormity. Comparing the patient's ECG which is collected both before and in the course of the treatment, doctors can get some useful information about the patient's health. So the ECG functional module was integrated in this TDLDC, which was independent from the other functions. This module can be used as the ECG machine to observe, record, query and print the ECG.
Through the control test, the computer control system fulfilled the motion requirement and worked successfully. In the conclusion part of this paper the author summed up the research work and gave some advice on the future betterment work.
引文
[1]腰椎间盘突出非手术治疗—腰椎间盘突出症发于哪些人，2002website:http://www.bufotanine.com/bone/news/display.php?id=132
[2]腰椎间盘突出，website:http://www.37c.net.cn/literature/clinic/diseases/15/1507003.html
[3]医学小常识，website:http://www.plhospital.com/yxcsn.htm
[4]张吉林，三维正脊疗法简介，广西中医药，1999年第0期第22卷website:http://www.37c.net.cn/literature/analecta/data/gxzyy/199900/zk042.html
[5]三维正脊仪的生物力学实验研究，website:http://www.zhongtianpu.com/shiyanyanjiu-b.htm
[6]全国数控培训网络天津分中心编、数控原理，北京：机械工业出版社，2000
[7]杨波，浅谈机床数控改造，2002年10月，website:http://www.mei.net.cn/page/technology/nm/3.htm
[8]张俊，魏红根，数控技术发展趋势——智能化数控系统，2002．10website:http://www.mei.net.cn/page/technology/nt/8.htm
[9]胡泓 姚伯威 主编、机电一体化原理与应用，北京：国防工业出版社，1999
[10]李城人 李启瑞 王森 王宁 编著、现代机电控制系统，西安：西北工业大学出版社，1999
[11][日]高森 年 编著、机电一体化，北京：科学出版社，2001
[12]石玉祥 贺春山，机电一体化的准确含义，机械工程师，1999年第5期，P4
[13]孙德辉 郑士富等编著、微型计算机控制系统，北京：冶金工业出版社，2002
[14]温钢云 黄道平 编著、计算机控制技术，广州：华南理工大学出版社，2002
[15]孟正大 郝立 戴先中，开放式玻璃自动切割机计算机控制系统设计，测控技术，2002年第21卷第12期P26～P28
[16]陈维山 赵杰编著、机电系统计算机控制，哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1999
[17]张从鹏 谢富春 罗学科，计算机数控智能腰椎治疗仪的开发，2002年(第十届)
全国机床专业学术会议
[18]张从鹏 马全明 谢富春 罗学科，智能腰椎治疗仪计算机控制系统的开发，机械制造与自动化，2003第二期P68～P70
[19]李晓西 马全明 张从鹏 罗学科，轴承压装机压装过程自动控制的实现，北方工业大学学报，第15卷第1期，2003年3月，P54～P58
[20]陶永华，自动化技术专题讲座——微型机工业控制技术与应用，基础自动化，1997年第1期，P58～6
[21]应红，计算机数控技术在包装工业中的应用，中国包装工业，2001年第3期，P23～P26
[22]陈三宝 魏彬彬 郭生发，现代港口物流装备的PLC控制及计算机监控系统，物流技术，2001年02期
[23]张金明 李人厚，基于PLC的动力中心计算机监控系统，制造业自动化，1998年03期，P52～P54
[24]解春雷，费振义，周学庆，孙修志，姜守先，机械工业自动化，集散式高压发泡机计算机控制系统，1996年6月，第18卷第2期P43～P45
[25]龚学斌，汽车动力转向器试验台的计算机控制系统，汽车研究与开发，1997年第2期，P31～P33
[26]Fagor8055 USER'S MANUAL, FAGOR AUTOMATION S.COOR.,2000
[27]李大友主编、微型计算机接口技术，北京：清华大学出版社，1998
[28]FAGOR数字化交流伺服系统手册，北京发格自动化设备有限公司，2000
[29]步进电机知识，website:http://www.leisai.com/men.htm
[30]关于步进电机驱动器问题的问答，website:http://www.startsh.com/products/bjdj/3.htm
[31]林砺宗，用数字I／O卡实现对步进电机的控制，机电一体化，2001年第2期，P72～P74
[32]金孚安，计算机控制系统中采样周期的选择，基础自动化，1995年第3期，P39～P42
[33]何利民 尹全英 编著、电气制图与读图，北京：机械工业出版社，1993
[34]徐德 孙同景 编著、可编程序控制器(PLC)应用技术，山东：山东科学技术出版
社，2000
[35]Fagor8055 PROGRAMMING MANUAL, FAGOR AUTOMATION S.COOP.,2000
[36][美]David J Kruglinski著 潘爱民 等译、Visual C++技术内幕(第四版)，．北京：清华大学出版社，1999
[37]姚寿文，速度参数实时数据采集的软件实现，计算机世界，2002website:http://www2.ccw.com.cn/tips/2k07/070703_03.asp
[38]李博轩 编著、Visual C++6.0数据库开发指南，北京：清华大学出版社，2000
[39]用Visual C++开发数据库应用程序，website:http://vcworm.51.net/database/vcdbprogram.htm
[40]心电图临床应用100周年纪念大会会议纪要，2003年3月website:http://www.cmt.com.cn/article/020829/a0208290601.htm
[41]7通道心电板使用说明书，北京康瑞得现代科技有限公司，2002
[42]李现勇 编著、Visual C++串口通信技术与工程实践，北京：人民邮电出版社，2002
[43]王颖，用VC6.0实现串行通信的三种方法，计算机世界，2000年第42期
[44]付杰，用MFC实现串口编程，2000年8月website:http://www.jl.jl.cn/jlweb/school/school_main/program/062.html
[45]椎间病与三维正脊疗法，2003年1月website:http://www.chinazlda.com/channel/machine.files/content.htm
[2]腰椎间盘突出，website:http://www.37c.net.cn/literature/clinic/diseases/15/1507003.html
[3]医学小常识，website:http://www.plhospital.com/yxcsn.htm
[4]张吉林，三维正脊疗法简介，广西中医药，1999年第0期第22卷website:http://www.37c.net.cn/literature/analecta/data/gxzyy/199900/zk042.html
[5]三维正脊仪的生物力学实验研究，website:http://www.zhongtianpu.com/shiyanyanjiu-b.htm
[6]全国数控培训网络天津分中心编、数控原理，北京：机械工业出版社，2000
[7]杨波，浅谈机床数控改造，2002年10月，website:http://www.mei.net.cn/page/technology/nm/3.htm
[8]张俊，魏红根，数控技术发展趋势——智能化数控系统，2002．10website:http://www.mei.net.cn/page/technology/nt/8.htm
[9]胡泓 姚伯威 主编、机电一体化原理与应用，北京：国防工业出版社，1999
[10]李城人 李启瑞 王森 王宁 编著、现代机电控制系统，西安：西北工业大学出版社，1999
[11][日]高森 年 编著、机电一体化，北京：科学出版社，2001
[12]石玉祥 贺春山，机电一体化的准确含义，机械工程师，1999年第5期，P4
[13]孙德辉 郑士富等编著、微型计算机控制系统，北京：冶金工业出版社，2002
[14]温钢云 黄道平 编著、计算机控制技术，广州：华南理工大学出版社，2002
[15]孟正大 郝立 戴先中，开放式玻璃自动切割机计算机控制系统设计，测控技术，2002年第21卷第12期P26～P28
[16]陈维山 赵杰编著、机电系统计算机控制，哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1999
[17]张从鹏 谢富春 罗学科，计算机数控智能腰椎治疗仪的开发，2002年(第十届)
全国机床专业学术会议
[18]张从鹏 马全明 谢富春 罗学科，智能腰椎治疗仪计算机控制系统的开发，机械制造与自动化，2003第二期P68～P70
[19]李晓西 马全明 张从鹏 罗学科，轴承压装机压装过程自动控制的实现，北方工业大学学报，第15卷第1期，2003年3月，P54～P58
[20]陶永华，自动化技术专题讲座——微型机工业控制技术与应用，基础自动化，1997年第1期，P58～6
[21]应红，计算机数控技术在包装工业中的应用，中国包装工业，2001年第3期，P23～P26
[22]陈三宝 魏彬彬 郭生发，现代港口物流装备的PLC控制及计算机监控系统，物流技术，2001年02期
[23]张金明 李人厚，基于PLC的动力中心计算机监控系统，制造业自动化，1998年03期，P52～P54
[24]解春雷，费振义，周学庆，孙修志，姜守先，机械工业自动化，集散式高压发泡机计算机控制系统，1996年6月，第18卷第2期P43～P45
[25]龚学斌，汽车动力转向器试验台的计算机控制系统，汽车研究与开发，1997年第2期，P31～P33
[26]Fagor8055 USER'S MANUAL, FAGOR AUTOMATION S.COOR.,2000
[27]李大友主编、微型计算机接口技术，北京：清华大学出版社，1998
[28]FAGOR数字化交流伺服系统手册，北京发格自动化设备有限公司，2000
[29]步进电机知识，website:http://www.leisai.com/men.htm
[30]关于步进电机驱动器问题的问答，website:http://www.startsh.com/products/bjdj/3.htm
[31]林砺宗，用数字I／O卡实现对步进电机的控制，机电一体化，2001年第2期，P72～P74
[32]金孚安，计算机控制系统中采样周期的选择，基础自动化，1995年第3期，P39～P42
[33]何利民 尹全英 编著、电气制图与读图，北京：机械工业出版社，1993
[34]徐德 孙同景 编著、可编程序控制器(PLC)应用技术，山东：山东科学技术出版
社，2000
[35]Fagor8055 PROGRAMMING MANUAL, FAGOR AUTOMATION S.COOP.,2000
[36][美]David J Kruglinski著 潘爱民 等译、Visual C++技术内幕(第四版)，．北京：清华大学出版社，1999
[37]姚寿文，速度参数实时数据采集的软件实现，计算机世界，2002website:http://www2.ccw.com.cn/tips/2k07/070703_03.asp
[38]李博轩 编著、Visual C++6.0数据库开发指南，北京：清华大学出版社，2000
[39]用Visual C++开发数据库应用程序，website:http://vcworm.51.net/database/vcdbprogram.htm
[40]心电图临床应用100周年纪念大会会议纪要，2003年3月website:http://www.cmt.com.cn/article/020829/a0208290601.htm
[41]7通道心电板使用说明书，北京康瑞得现代科技有限公司，2002
[42]李现勇 编著、Visual C++串口通信技术与工程实践，北京：人民邮电出版社，2002
[43]王颖，用VC6.0实现串行通信的三种方法，计算机世界，2000年第42期
[44]付杰，用MFC实现串口编程，2000年8月website:http://www.jl.jl.cn/jlweb/school/school_main/program/062.html
[45]椎间病与三维正脊疗法，2003年1月website:http://www.chinazlda.com/channel/machine.files/content.htm