可吸收縫合線紡絲成形過程中的線徑控制系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種可吸收縫合線紡絲成形過程中的線徑控制系統。包括線徑檢測模塊、線經纏繞機構，還包括控制模塊、噴絲裝置，噴絲裝置包括直流伺服電機，反串聯雙液壓缸傳動機構，噴嘴三部分，控制模塊的STM32F103ZET6芯片依次通過噴絲裝置的直流伺服電機、反串聯雙液壓缸傳動機構、噴嘴與線經纏繞機構連接，線徑檢測模塊分別與控制模塊、線經纏繞機構連接。保證了噴絲過程中輸入原液與輸出原液不間斷且輸出原液流速幾乎無波動，調整圓柱活塞A、圓柱活塞B的往復運動的速度，從而控制噴嘴噴出的原液流速，獲得線徑均勻的初生態絲并獲得線徑符合要求的可吸收縫合線。
【專利說明】
可吸收縫合線紡竺成形過程中的線徑控制系統
技術領域
[0001] 本實用新型設及縫合線制造領域，尤其設及一種可吸收縫合線紡絲成形過程中的 線徑控制系統。
【背景技術】
[0002] 我國醫用縫合線每年約有15億元的市場需求，而國產化率卻不到40%。濕法紡絲 是可吸收縫合線的主要成形工藝，在縫合線成形和纏繞過程中，線徑均勻是影響縫合線的 吸收期、抗張強度的關鍵技術指標，壓力是否恒定、線徑是否均勻直接決定縫合線的品質。
[0003] 目前，公知的濕法紡絲工藝是紡絲原液經溶解脫泡后送入紡絲機，通過紡絲累計 量、過濾器過濾后進入噴絲頭，由噴絲孔中壓出的原液細流進入凝固液，再經拉伸、膠聯、水 洗、干燥、卷繞成形。
[0004] 但傳統的紡絲累在紡絲原液的成形過程中，由于噴絲頭噴絲速度不易控制，易造 成經噴絲孔壓出的原液細流粗細不均，從而導致成形后的縫合線線徑不均。

【發明內容】

[0005] 本實用新型的目的在于克服上述技術的不足，提供一種可吸收縫合線紡絲成形過 程中的線徑控制系統，實現對線徑的快速監控，同時通過合適的控制算法對噴絲速度進行 實時反饋控制，實現對可吸收縫合線成形過程中線徑的閉環控制，保證生產的可吸收縫合 線線徑均勻。
[0006] 本實用新型為實現上述目的，采用W下技術方案：一種可吸收縫合線紡絲成形過 程中的線徑控制系統，包括線徑檢測模塊、線經纏繞機構，其特征在于:還包括控制模塊、噴 絲裝置，所述噴絲裝置包括直流伺服電機，反串聯雙液壓缸傳動機構，噴嘴=部分，所述控 制模塊的STM32F103ZET6忍片依次通過噴絲裝置的直流伺服電機、反串聯雙液壓缸傳動機 構、噴嘴與線經纏繞機構連接，所述線徑檢測模塊分別與控制模塊、線經纏繞機構連接；
[0007] 所述反串聯雙液壓缸傳動機構包括聯軸器、絲杠后支承、螺母塊、絲杠、絲杠前支 承、導軌、=通接頭A、單向閥A、單向閥B、=通接頭B、圓柱活塞A、液壓缸筒A、鎖緊螺母A、活 塞連接塊、鎖緊螺母B、圓柱活塞B、液壓缸筒B、=通接頭C、單向閥C、單向閥D、=通接頭D、輸 入液槽、擋板B、支架、支撐板B、支撐板A、擋板A、密封環A、密封環B，所述擋板A、絲杠前支承 固定在導軌內一端，所述擋板B、支架固定在導軌內另一端，所述聯軸器固定在支架內，所述 直流伺服電機固定在擋板B上，直流伺服電機軸通過擋板B孔與聯軸器連接；
[000引所述絲杠后支承固定在支架上，所述支撐板B和支撐板A間隔的固定在導軌內，所 述螺母塊設置在絲杠上，當絲杠旋轉時，螺母塊在絲杠上可水平移動，所述絲杠的一端穿過 支撐板A的孔置于絲杠前支承內，絲杠的另一端依次穿過支撐板B孔、絲杠后支承孔、支架孔 與聯軸器連接，所述活塞連接塊固定在螺母塊上，所述密封環A套裝在圓柱活塞A的一端上 并置于液壓缸筒A內，所述液壓缸筒A通過兩端的連接板固定在擋板A、支撐板A上，所述圓柱 活塞A的另一端通過鎖緊螺母A固定在活塞連接塊的一端上；
[0009]所述密封環B套裝在圓柱活塞B的一端上并置于液壓缸筒B內，所述液壓缸筒B通過 兩端的連接板固定在擋板B、支撐板B上，所述圓柱活塞B的另一端通過鎖緊螺母B固定在活 塞連接塊的另一端上；
[0010]所述液壓缸筒A的進出液口 4與；通接頭B的1 口連接，S通接頭B2 口與單向閥A的 一端連接，=通接頭B的3 口與單向閥B的一端連接，
[00川液壓缸筒B的進出液刖與；通接頭C的1 口連接，S通接頭C2 口與單向閥C的一端 連接，S通接頭C的3 口與單向閥D的一端連接，單向閥B的另一端通過S通接頭D的3 口和2 口 與單向閥C的另一端連接，=通接頭D的1 口與輸入液槽的出口連接，單向閥A的另一端通過 =通接頭A的3 口和2 口與單向閥D的另一端連接，=通接頭A的1 口與噴嘴連接。
[0012] 本實用新型的有益效果是：W反串聯雙液壓缸傳動機構的結構形式設計一種新型 噴絲裝置，保證了噴絲過程中輸入原液與輸出原液不間斷且輸出原液流速幾乎無波動，通 過直流伺服電機的正反轉驅動反串聯雙液壓缸中的圓柱活塞A、圓柱活塞B作往復直線運 動，通過控制直流伺服電機的正反轉的轉速，調整圓柱活塞A、圓柱活塞B的往復運動的速 度，從而控制噴嘴噴出的原液流速，獲得線徑均勻的初生態絲，初生態絲經凝固液、再經拉 伸、膠聯、水洗、干燥工序通過線經纏繞機構卷繞成形獲得線徑符合要求的可吸收縫合線。
[0013] 采用一種改進的廣義預測控制算法對檢測的可吸收縫合線線徑進行控制，相比傳 統的廣義預測控制算法在控制過程中需要進行丟番圖方程的求解、矩陣的求逆計算和最小 二乘法的遞推求解，改進的廣義預測控制算法通過引入系統的初始化模型，并在此基礎上 進行系統辨識，然后直接用過程模型參數求解輸出，避免了在線求解丟番圖方程的繁瑣步 驟，大大簡化了算法的計算過程，縮短了在線計算時間，實現系統辨識結果的快速收斂，提 高了控制系統的平穩性，獲得了更好的控制效果。通過采用一種改進的廣義預測控制算法 對檢測的可吸收縫合線線徑與設定值的差值產生的電機的控制信號，驅動噴絲裝置調節噴 絲速度，使噴絲裝置的噴絲速度達到最優，保證生產的可吸收縫合線線徑均勻，同時實現對 可吸收縫合線成形過程中線徑的閉環控制。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本實用新型的系統連接框圖；
[0015] 圖2為本實用新型噴絲裝置的原理圖；
[0016] 圖3為本實用新型噴絲裝置中直流伺服電機和反串聯液壓缸傳動機構的結構示意 圖；
[0017] 圖4為本實用新型噴絲裝置中直流伺服電機和反串聯液壓缸傳動機構的結構分解 示意圖；
[0018] 圖5為本實用新型鎖緊螺母A、活塞連接塊、鎖緊螺母B的結構分解示意圖；
[0019] 圖6為本實用新型控制模塊中改進的廣義預測控制算法的流程圖；
[0020] 圖7為現有技術的線徑檢測模塊的連接框圖。
【具體實施方式】
[0021 ] W下結合附圖對本實用新型作進一步說明：
[0022]如圖1至圖5所示，一種可吸收縫合線紡絲成形過程中的線徑控制系統，包括線徑 檢測模塊、線經纏繞機構，還包括控制模塊、噴絲裝置。
[0023] 噴絲裝置包括直流伺服電機，反串聯雙液壓缸傳動機構，噴嘴=部分，控制模塊的 STM32F103ZET6忍片依次通過噴絲裝置的直流伺服電機1、反串聯雙液壓缸傳動機構、噴嘴8 與線經纏繞機構連接，線徑檢測模塊分別與控制模塊、線經纏繞機構連接。
[0024] 控制模塊采用基于ARM Codex-M3核屯、的32位微控制器STM32F103ZET6忍片作為 數據處理核屯、，采用一種改進的廣義預測控制算法進行數據處理。
[0025] 反串聯雙液壓缸傳動機構包括聯軸器2、絲杠后支承3、螺母塊4、絲杠5、絲杠前支 承6、導軌7、S通接頭A9、單向閥A10、單向閥BlUS通接頭B12、圓柱活塞A13、液壓缸筒A14、 鎖緊螺母Al 5、活塞連接塊16、鎖緊螺母B17、圓柱活塞Bl 8、液壓缸筒Bl 9、=通接頭C20、單向 閥C21、單向閥D22、S通接頭D23、輸入液槽24、擋板B25、支架26、支撐板B27、支撐板A28、擋 板A29、密封環A30、密封環B31。
[0026] 擋板A29、絲杠前支承6螺裝在導軌7內一端，擋板B25、支架26螺裝在導軌7內另一 端，聯軸器2螺裝在支架26內，直流伺服電機1螺裝在擋板B25上，直流伺服電機1軸通過擋板 B25孔與聯軸器2連接。
[0027] 絲杠后支承3螺裝在支架26上，支撐板B27和支撐板A28間隔的螺裝在導軌7內，螺 母塊4通過螺母塊4的內螺紋螺接在絲杠5上，當絲杠5旋轉時，螺母塊4在絲杠5上可水平移 動，絲杠5的一端穿過支撐板A28的孔置于絲杠前支承6內，絲杠5的另一端依次穿過支撐板 B27孔、絲杠后支承3孔、支架26孔與聯軸器2連接在一起。
[00%]鎖緊螺母A15和鎖緊螺母B17分別通過螺釘固定在活塞連接塊16兩端面上的凹槽 16-1中，活塞連接塊16螺裝在螺母塊4上。
[0029] 密封環A30套裝在圓柱活塞A13的一端上并置于液壓缸筒A14內，液壓缸筒A14通過 兩端的連接板固定在擋板A29和支撐板A28上，圓柱活塞A13另一端上的凸起與鎖緊螺母A15 一端凸起端上的內螺紋螺接在一起。
[0030] 密封環B31套裝在圓柱活塞B18的一端上并置于液壓缸筒B19內，液壓缸筒B19通過 兩端的連接板固定在擋板B25、支撐板B27上，圓柱活塞B18另一端上的凸起與緊螺母A15另 一端凸起端上的內螺紋螺接在一起。
[0031] 液壓缸筒A14的進出液口 A14-1通過連接管與S通接頭B12的1 口連接，S通接頭 B122 口通過連接管與單向閥Al 0的一端連接，=通接頭B123 口通過連接管與單向閥B11的一 端連接。
[0032] 液壓缸筒B19的進出液口 B19-1通過連接管與S通接頭C20的1 口連接，S通接頭 C202 口通過連接管與單向閥C21的一端連接，=通接頭C20的3 口通過連接管與單向閥D22的 一端連接，單向閥B11的另一端經連接管通過S通接頭D23的3 口和2 口與單向閥C21的另一 端連接，=通接頭D23的1 口通過連接管與輸入液槽24的出口 24-1連接，單向閥AlO的另一端 經連接管通過S通接頭A9的3 口和2 口與單向閥D22的另一端連接，S通接頭A9的1 口通過連 接管與噴嘴8連接。
[0033] -種可吸收縫合線紡絲成形過程中的線徑控制方法，采用一種改進的廣義預測控 制算法進行數據處理方法如下：
[0034] 采用一種改進的廣義預測控制算法對檢測的可吸收縫合線線徑與設定值的差值 進行算法處理，保證線徑測量值與線徑設定值一致，采用改進的廣義預測控制算法，引入了 系統的初始化模型，在此基礎上進行系統辨識，然后直接用過程模型參數求解輸出，步驟如 下:如圖6所示，
[00巧]步驟一、建立初始化模型，
[0036] 改進的廣義預測控制算法采用CARIMA模型描述受到隨機干擾的被控對象；
[0037] A(q-i)y(k) =B(Q-I)U 化-l)+C(q-i)C(k)/A [00；3引 其中
[0039]
[0040] Iu化）}和y化)分別表示被控對象的輸入和輸出，q-1是后移算子，即cTV化）=y化- l)，q-lu(k)=u(k-l)，A(q-l)、B(q-l)和C(q-l)是后移算子q-l的多項式，A=l-q-嗦示差分算 子，R化)}是均值為零的白噪聲系列；
[0041] 當被控對象參數未知或慢時變時，需先在線估計出A(q-i)、B(q-i)、C(q-i)的系數， 用參數預估值代替真實值進行控制律的推導。即根據系統的仿真結果，確定系統的初始化 參數 A(q-i)、B(q-i)、C(q-i);
[0042] 由于縫合線的紡絲成型的工藝復雜，線徑檢測位置距離噴絲裝置較遠，因而系統 的滯后很大。有了初始化參數，再進行系統辨識，可W實現系統辨識結果的快速收斂，達到 更好的控制效果；
[0043] 步驟二、辨識模型參數，
[0044] 在確立了初始化模型的基礎上對系統進行參數辨識，初始化模型的確立，使系統 辨識速度加快，控制系統平穩性也更好，
[0045] 在辨識過程中，增加了延時d的仿真與辨識，并d進行模型輸出預測；
[0046] 步驟S、計算預測輸出Ym,
[0047] 設預測長度為j，由于在k時刻未來的噪聲C化+1)4^{1，2，-，^都是未知的，故此 項可忽略，改進的廣義預測控制算法在k+j時刻的預測輸出為
后，A為N行na列的系統參數矩陣，B為N行nb+1列的系統參數矩陣，C為N行nc列的系統參數矩 陣;A，B，C定義如下：
[n04Rl
[i
[(K)加]
[0化1 ]
[0化2]
[0化3]
[0化4]
[005引其中，ym化+d)是k時刻W后d步的優化預測，yr化+d+j)是k時刻W后d+j步的參考輸 出，d為系統的滯后時間，a為柔化因子，S為設定值；
[0化6] 步驟五、構造矩陣G，
[0057]在廣義預測控制算法中，k時刻的優化性能指標具有W下形式：
[0化引

[0059]其中E{ ?}表示取數學期望，r為控制加權系數，性能指標的最優解即J的最小二乘 解為 [0060
[0061
[0062
[0063
[0064] 步驟六、計算gT，
[0065] gT為矩陣(GTG+rI)-iGT的第一行元素組成的向量；
[0066] 步驟屯、計算最優控制量U，
[0067] 改進的廣義預測控制算法的最優控制量為，
[0068] U化)=U化-1 HgT(Yr-Ym)
[0069] 其中矩陣Yr,矩陣Ym分別為
[0070] ；
[0071 ]可吸收縫合線紡絲成形過程中的線徑控制方法步驟如下：
[0072] 直流伺服電機1通過聯軸器巧E動絲杠 5作順時針和逆時針方向旋轉運動，絲杠巧區 動螺母塊4,將絲杠5的旋轉運動轉化為螺母塊4的直線運動，螺母塊4通過活塞連接塊16帶 動圓柱活塞A13和圓柱活塞B18做同步直線運動；
[0073] 當直流伺服電機1正轉時，從直流伺服電機1尾部向絲杠5看，直流伺服電機驅動絲 杠5作順時針方向旋轉，絲杠5的旋向為右旋，絲杠巧區動螺母塊4向右運動，活塞連接塊16帶 動圓柱活塞A13和圓柱活塞B18向右運動，液壓缸筒A14左端油腔體積增大，壓力減小，單向 閥AlO關閉，單向閥Bl 1打開，輸入液槽24中的原液依次經輸入液槽24的出口 24-1、=通接頭 D23的1 口和3 口、單向閥B11、S通接頭B12的3 口和1 口、液壓缸筒Al4的進出液接口 14-1流入 液壓缸筒A14的左端油腔，同時，液壓缸筒B19右端油腔體積減小，壓力增大，單向閥C21關 閉，單向閥D22打開，液壓缸筒B19內原液依次經液壓缸筒Bl 9的進出液接口 19-1、S通接頭 C20的1 口和3 口、單向閥D22、S通接頭A9的2 口和1 口流入噴嘴8，由噴嘴8獲得初生態絲；
[0074] 當直流伺服電機1反轉時，從直流伺服電機1尾部向絲杠5看，直流伺服電機驅動絲 杠5作逆時針方向旋轉，絲杠5的旋向為右旋，絲杠巧區動螺母塊4向左運動，活塞連接塊16帶 動圓柱活塞A13和圓柱活塞B18向左運動，液壓缸筒B19右端油腔體積增大，壓力減小，單向 閥C21打開，單向閥D22關閉，輸入液槽24中的原液依次經輸入液槽24的出口 24-1、S通接頭 D23的1 口和2 口、單向閥C21、S通接頭C20的2 口和1 口、液壓缸筒B19的進出液接口 19-1流入 液壓缸筒B19的右端油腔；同時，液壓缸筒A14左端油腔體積減小，壓力增大，單向閥Bll關 閉，單向閥Al 0打開，液壓缸筒A14內原液依次經液壓缸筒Al 4的進出液接口 14-1、=通接頭 Bl2的1 口和2 口、單向閥Al0、S通接頭A9的3 口和1 口流入噴嘴8，由噴嘴8獲得初生態絲；
[0075] 采用反串聯雙液壓缸的結構形式構成一種新型的噴絲裝置，保證輸出液流速幾乎 無波動，直流伺服電機1的正反轉每切換一次，圓柱活塞A13、圓柱活塞B18往復運動一次;直 流伺服電機1正反轉的轉速越高，圓柱活塞A13、圓柱活塞B18往復運動的速度越快，噴嘴8噴 出的原液流速越大，獲得的初生態絲線徑越小，此時纏繞速度也同步加大，所W調節直流伺 服電機1的正反轉轉速，就可控制噴嘴8噴出的原液流速，而原液流速決定了噴出的線徑，故 可控制噴嘴8按設定的流速值噴出相應線徑的初生態絲，初生態絲經凝固液、再經拉伸、膠 聯、水洗、干燥工序通過線經纏繞機構卷繞成形獲得可吸收縫合線。
[0076] 原液為殼聚糖與膠原蛋白的原料混合液。
[0077] W線陣CCD為核屯、的線徑檢測模塊對可吸收縫合線線徑進行測量，將線徑測量值 與線徑設定值送入控制模塊，通過改進的廣義預測控制算法對檢測的可吸收縫合線線徑與 設定值的差值產生的電機的控制信號，驅動噴絲裝置調節噴嘴8噴絲速度，獲得與線徑設定 值一致的初生態絲，實現對可吸收縫合線成形過程中線徑的閉環控制。
[0078] 參照圖7,線徑檢測模塊采用線陣CCD作為線徑檢測核屯、，包括光學成像模塊，基于 CPLD的線陣CCD驅動模塊，高速A/D數據采集和DSP數據信號處理模塊。其中光學成像模塊與 基于CPLD的線陣CCD驅動模塊連接，高速A/D數據采集和DSP數據信號處理模塊同時與光學 成像模塊和基于CPLD的線陣CO)驅動模塊連接。
[0079] 線徑檢測模塊的工作流程如下：
[0080] 光源照射路線被可吸收縫合線遮擋，光信號發生變化，光信號通過遠屯、鏡頭、光路 輸入到線陣CCD，CPLD驅動電路在驅動時序的控制下為線陣CCD輸出驅動指令，來自線陣CCD 的電荷信號進入信號調理電路進行濾波，信號經濾波后，信號調理電路向A/D采樣電路輸出 模擬電壓信號，A/D采樣電路將模擬電壓信號轉換為數字信號，輸入至化SP控制器，由DSP控 制器完成二值化處理、數據存儲、計算線徑、數據傳輸處理，由DSP控制器為本實用新型的控 制模塊提供檢測數據。
[0081] W上所述僅是本實用新型的優選實施方案，應當指出，對于本技術領域的普通技 術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可W做出若干改進和潤飾，運些改進和 潤飾也應視為本實用新型的保護范圍。
【主權項】
1. 一種可吸收縫合線紡絲成形過程中的線徑控制系統，包括線徑檢測模塊、線經纏繞 機構，其特征在于:還包括控制模塊、噴絲裝置，所述噴絲裝置包括直流伺服電機，反串聯雙 液壓缸傳動機構，噴嘴三部分，所述控制模塊的STM32F103ZET6芯片依次通過噴絲裝置的直 流伺服電機(1)、反串聯雙液壓缸傳動機構、噴嘴(8)與線經纏繞機構連接，所述線徑檢測模 塊分別與控制模塊、線經纏繞機構連接； 所述反串聯雙液壓缸傳動機構包括聯軸器(2)、絲杠后支承（3)、螺母塊(4)、絲杠(5)、 絲杠前支承(6)、導軌(7)、三通接頭A(9)、單向閥A(IO)、單向閥B(Il)、三通接頭B( 12)、圓柱 活塞A( 13 )、液壓缸筒A( 14 )、鎖緊螺母A( 15 )、活塞連接塊（16 )、鎖緊螺母B (17 )、圓柱活塞B (18) 、液壓缸筒B(19)、三通接頭C(20)、單向閥C(21)、單向閥D(22)、三通接頭D(23)、輸入液 槽(24)、擋板B(25)、支架（26)、支撐板B(27)、支撐板A(28)、擋板A(29)、密封環A(30)、密封 環B(31)，所述擋板A(29)、絲杜前支承(6)固定在導軌(7)內一端，所述擋板B(25)、支架(26) 固定在導軌(7)內另一端，所述聯軸器(2)固定在支架(26)內，所述直流伺服電機(1)固定在 擋板B(25)上，直流伺服電機(1)軸通過擋板B(25)孔與聯軸器(2)連接； 所述絲杠后支承（3)固定在支架（26)上，所述支撐板B(27)和支撐板A(28)間隔的固定 在導軌(7)內，所述螺母塊(4)設置在絲杠(5)上，當絲杠(5)旋轉時，螺母塊(4)在絲杠(5)上 可水平移動，所述絲杠（5)的一端穿過支撐板A(28)的孔置于絲杠前支承(6)內，絲杠(5)的 另一端依次穿過支撐板B(27)孔、絲杠后支承(3)孔、支架(26)孔與聯軸器(2)連接，所述活 塞連接塊（16)固定在螺母塊(4)上，所述密封環A(30)套裝在圓柱活塞A(13)的一端上并置 于液壓缸筒A(H)內，所述液壓缸筒A(H)通過兩端的連接板固定在擋板A(29)、支撐板A (28)上，所述圓柱活塞A(13)的另一端通過鎖緊螺母A(15)固定在活塞連接塊（16)的一端 上； 所述密封環B(31)套裝在圓柱活塞B(IS)的一端上并置于液壓缸筒B(19)內，所述液壓 缸筒B(19)通過兩端的連接板固定在擋板B(25)、支撐板B(27)上，所述圓柱活塞B(18)的另 一端通過鎖緊螺母B(17)固定在活塞連接塊(16)的另一端上； 所述液壓缸筒A( 14 )的進出液口 A( 14-1)與三通接頭B (12 )的1 口連接，三通接頭B( 12 ) 2 口與單向閥A( 10)的一端連接，三通接頭B(12)3 口與單向閥B(11)的一端連接，液壓缸筒B (19) 的進出液口 B(19-l)與三通接頭C(20)的1 口連接，三通接頭C(20)2 口與單向閥C(21)的 一端連接，三通接頭C( 20 )的3 口與單向閥D (22 )的一端連接，單向閥B (11)的另一端通過三 通接頭D (23 )的3 口和2 口與單向閥C (21)的另一端連接，三通接頭D (2 3 )的1 口與輸入液槽 (24)的出口（ 24-1)連接，單向閥A( 10)的另一端通過三通接頭A(9)的3 口和2 口與單向閥D (22 )的另一端連接，三通接頭A( 9 )的1 口與噴嘴(8 )連接。
【文檔編號】D01D13/00GK205529160SQ201620056465
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年1月21日
【發明人】隋修武, 李瑤, 李琰, 胡秀兵
【申請人】天津工業大學