CN110514857A - 一种自动进样器的样品瓶定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动进样器的样品瓶定位方法，定位步骤为：确定需定位的样品瓶的坐标；根据样品瓶定位常量确定两个步进电机的各自转动步数；步进电机根据计算的转动步数驱动所述托盘转动，将需定位的所述样品瓶的坐标位置转动至所述进样针移动轴在托盘上的投影位置；另一步进电机同时根据转动步数驱动所述进样针沿进样针移动轴做直线移动，使所述进样针到拖盘的垂线恰好与需定位的所述样品瓶的轴线重合，完成自动进样器的样品瓶定位。本发明的定位方法能够根据样品瓶的定位常量，计算出实际的样品盘旋转中心位置与进样针移动轴位置，以及样品盘和进样针的零点位置，而且操作简单，无需测量，方便快捷。

Description

一种自动进样器的样品瓶定位方法

技术领域

本发明涉及一种自动进样器，特别涉及一种自动进样器的样品瓶定位方法。

背景技术

自动进样器因其能够完成自动进样过程，被广泛的用于各行各业中。在进样过程中，用户输入要取样的样品瓶编号，进样器自动得出目标样品瓶位置，然后控制进样针移动到样品瓶位置取样。

为了实现进样器自动寻找样品瓶，需要将每个样品瓶的位置记录在进样器中。进样针和样品盘通常由步进电机驱动，因此记录在进样器中样品瓶的位置是相应的电机步数。通常一个进样器可容纳100个样品瓶左右，如果把每个样品瓶的位置直接输入进样器，工作量会很大，而且一旦将来重新校准，又需要将所有样品瓶的位置再输入一遍，不具有实用价值。

发明内容

为了解决上述现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种自动进样器的样品瓶定位方法，该自动进样器在对样品瓶定位时能够利用进样针与样品瓶间的位置关系，通过少数样品瓶的位置计算出其他样品瓶的位置，方便快捷。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种自动进样器的样品瓶定位方法，所述自动进样器包括可转动的样品盘以及设于样品盘上方的进样针移动轴，所述样品盘通过托盘驱动转动，所述进样针移动轴在拖盘上的投影偏离所述托盘的圆心位置，所述托盘上设置有两个对称分布的样品盘，且每个样品盘中的样品瓶呈矩形状分布，所述进样针移动轴上设有进样针，所述进样针沿进样针移动轴直线移动，所述托盘以及进样针分别通过步进电机驱动；

所述自动进样器在对样品瓶的定位步骤为：

确定需定位的样品瓶的坐标；

根据样品瓶定位常量确定两个步进电机的各自转动步数；

步进电机根据计算的转动步数驱动所述托盘转动，将需定位的所述样品瓶的坐标位置转动至所述进样针移动轴在托盘上的投影位置；

另一步进电机同时根据转动步数驱动所述进样针沿进样针移动轴做直线移动，使所述进样针到拖盘的垂线恰好与需定位的所述样品瓶的轴线重合，完成自动进样器的样品瓶定位。

可选的，所述自动进样器设有自动校准模块，在对样品瓶定位之前，对自动进样器的样品瓶定位常量进行校准，所述样品瓶的定位常量分别是样品盘的旋转中心到第一排样品瓶的所在位置的中点的距离、样品盘的旋转中心到进样针移动轴在样品盘上的投影的垂线长度、样品盘的零点位置到第一排样品瓶的所在位置的中点的距离、样品盘中相邻的两个样品瓶之间的间隔距离、驱动托盘转动的步进电机每转一步样品盘旋转的角度、驱动进样针的步进电机没转一步进样针的移动距离、样品盘旋转中心到进样针移动轴在样品盘上投影的垂足点到进样针移动轴的零点位置之间的距离、第一排样品瓶所在位置的中点与样品盘旋转中心和样品盘旋转中心到进样针移动轴在样品盘上投影的垂足点连接的角度。

可选的，自动校准模块在对样品瓶定位常量进行校准时，校准过程为：

选取若干样品瓶，并对若干样品瓶进行定位，分别记录两个步进电机的实际步数；

分别在自动进样器的自动校准模块中输入两个步进电机的实际步数，自动校准模块根据样品瓶定位常量方程组求解具有变量的样品瓶定位常量；

其中，自动校准模块在求解具有变量的样品瓶定位常量时，根据最速下降法求解，其求解过程为：

1)输入X⁽⁰⁾，误差ε₁，ε₂；

2)取

3)根据计算最优步长；

4)计算新的迭代点X^(k+1)＝X^(k)+α^(k)d^(k)；

5)若且||X^(k+1)-X^(k)||≤ε₂，则置X^*＝X^(k+1)，结束迭代，否则转第6)步；

6)置k＝k+1，转步骤2)；

其中，X⁽⁰⁾为样品瓶定位常量的初始值，误差ε₁，ε₂是根据实际精度需求确定。

采用上述技术方案，本发明的定位方法能够根据样品瓶的定位常量，计算出实际的样品盘旋转中心位置与进样针移动轴位置，以及样品盘和进样针的零点位置，而且操作简单，无需测量，方便快捷。另外，本发明可根据少数样品瓶的相应电机步数便可测出不便于直接测量的定位常量，操作简单，计算快速稳定，精度较高，能够有效避免误差对样品瓶定位的影响。

附图说明

图1是本发明的自动进样器的结构简图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

如图1所示，在本发明公开的自定进样器的样品瓶定位方法中，该自动进样器包括可转动的样品盘1以及设于样品盘1上方的进样针移动轴2，样品盘1通过托盘驱动转动，进样针移动轴2在拖盘上的投影偏离托盘的圆心位置，即进样针移动轴2在托盘上的投影不经过托盘的圆心位置。在托盘上设置有两个对称分布的样品盘1，且每个样品盘1中的样品瓶4呈矩形状分布，进样针3设于进样针移动轴2上，使得在本发明中，该自动进样器具有如下特征：a、进样针3沿直线移动；b、样品盘1绕托盘的圆心旋转；c、样品盘1的旋转中心不在进样针3的直线移动轨迹上；d、样品盘1内的样品瓶4按两个互相垂直方向等间隔排布；e、托盘以及进样针3分别通过步进电机驱动。

在本发明中，如果设定好样品盘1和进样针3的零位置，那么每个样品瓶4的位置就对应一组样品盘1的旋转角和进样针3的移动距离。由此，自动进样器对样品瓶4的定位步骤为：

S1、确定需定位的样品瓶4的坐标，并输入相应定位瓶4的坐标；

S2、根据样品瓶定位常量确定两个步进电机的各自转动步数；

S3、步进电机根据计算的转动步数驱动托盘转动，将需定位的样品瓶4的坐标位置转动至进样针移动轴2在托盘上的投影位置；

S4、另一步进电机同时根据转动步数驱动进样针3沿进样针移动轴2做直线移动，使进样针3到拖盘的垂线恰好与需定位的样品瓶4的轴线重合，完成自动进样器的样品瓶定位。

图1还揭示了样品瓶4的位置与样品盘1的旋转角和进样针3的移动距离的关系。

假设图1中的样品盘1的位置为其零位置，进样针的零位置在C点处。A点是样品盘1的旋转中心，D是样品盘1中第一排样品瓶4的中点位置，AD垂直于样品盘1的边缘，B点是进样针移动轴2上的点，AB垂直于BC，F点是待取样样品瓶4的位置，它在样品盘1中的位置可用坐标给出，设为(x_F，y_F)，坐标系如图所示，坐标原点设为O点。需要说明的时，在图1中标示出的进样针移动轴2为进样针移动轴2在托盘上的投影，即B、E、C点是位于托盘上的三个点，并且该B、E、C三点是位于进样针移动轴2在托盘上的投影上。

AF绕A点旋转，与BC交于E点，E点即为F样品瓶旋转到BC轴上的位置，∠FAE即为样品盘旋转角，CE即为进样针移动距离。根据几何关系，可得到下面的关系式：

考虑到输入到进样器中的样品瓶位置是它在样品盘中的行数和列数，则还有下面的关系式：

x_F＝X_FI_x (3)

y_F＝Y_FI_y (4)

其中，X_F和Y_F是样品瓶4的列数和行数，I_x和I_y是样品盘1在x方向和y方向的瓶间隔。

另外，自动进样器向步进电机发送的是电机的步数，考虑到传动特性，有：

其中，S_n是进样针3移动的步进电机步数，L_n是进样针3移动时步进电机每转一步进样针3移动的距离，S_p是样品盘1旋转的步进电机步数，θ_p是样品盘1旋转时步进电机每转一步样品盘1旋转的角度。

在(1)～(6)式中，BC，AD，OD，AB，∠DAB，I_x，I_y，L_n，θ_p是样品瓶定位常量，这些样品瓶定位常量记载于自动进样器的原始设计图纸中。因此，通过(1)～(6)式即可计算出进样针移动电机步数S_n和样品盘旋转电机步数S_p。

在本实施例中，如果自动进样器加工和装配过程误差很小，使用过程中上述样品瓶定位常量不发生变化，则只需要根据设计图纸找出上述常量的值，再给出样品瓶4的坐标，即可算出进样针3移动时的步进电机步数和样品盘1旋转时的步进电机步数，完成样品瓶4的定位。

然而，当自动进样器加工和装配过程误差较大，或在使用过程中存在碰撞导致上述样品瓶定位常量较大的偏离了设计值，则通过(1)～(6)式计算的结果会使得进样针3偏离样品瓶4的中心较远，一旦进样针3扎到样品瓶4的盖边缘，则会扎弯进样针3，造成损失。

为了避免误差对样品瓶定位的影响，需要对上述样品瓶定位常量进行校准，得到它们的精确值。由此，在本实施例中，可于自动进样器中设置自动校准模块，通过该自动校准模块对上述的样品瓶定位常量进行校准，从而保证进样针3的定位精确度。

如图1所示，直接测量可以得到部分样品瓶定位常量的精确值，例如AD，OD，I_x，I_y的精确值。但是由于样品盘1和进样针移动轴2不在同一平面，而且进样针移动轴2在托盘上精确位置也难以直接确定，因此部分常量如AB，BC，∠DAB直接测量精度不高，至于L_n和θ_p则无法通过直接测量获得。

本发明采用间接测量的方式得出上述样品瓶定位常量的精确值。具体方法是控制样品盘1的步进电机和进样针3的步进电机，将进样针3从零位置分别移动到3～5个样品瓶的中心，并记录下相应的电机步数，得到形如(1)～(6)式组成的方程组，解方程组求得上述样品瓶定位常量的值。由于电机旋转精度较高，通过此法得到的方程组解精度也较高，就能获得精确的样品瓶定位常量的值。

在(1)～(6)式中，(3)(4)(5)(6)可代入(1)(2)式形成两个方程，即每一个样品瓶生成两个方程。考虑到部分样品瓶定位常量如AD，OD，I_x，I_y可以通过直接测量得到精确值，需要求解的常量只有AB，BC，∠DAB，L_n和θ_p共5个，因此需要确定3个样品瓶4的步进电机的步数，生成6个方程进行求解。由于方程数量多于未知数数量，可从6个方程中选5个进行求解。

由于方程组是非线性的，因此无法直接求出解析解，需要利用迭代方法得到数值解。数值解的精度可人为设定，达到精度要求即可，通常精度误差在0.01～0.1之间。

下面给出一种迭代方法示例，以解释解得方程数值解的原理。

设未知数向量为X＝{x₁，x₂，…，x_n}，方程组则可写为

设由于||F(X)||≥0且一定能达到极小值0(方程组解一定存在)，则解方程组(7)等价于求X，使得||F(X)||达到极小值。||F(X)||越接近极小值0，X就越接近方程组(7)的解。

于是，解方程问题就转化为最优化问题。

因此，在本发明中，自动校准模块在对样品瓶定位常量进行校准时，校准过程为：

A、选取3个样品瓶4，并对3个样品瓶4进行定位，分别记录两个步进电机的实际步数；

B、分别在自动进样器的自动校准模块中输入两个步进电机的实际步数，自动校准模块根据样品瓶定位常量方程组求解具有变量的样品瓶定位常量；

其中，自动校准模块在求解具有变量的样品瓶定位常量时，根据最速下降法求解，其求解过程为：

1)在自动校准模块中输入X⁽⁰⁾以及误差ε₁，ε₂；

2)取

3)根据计算最优步长；

4)计算新的迭代点X^(k+1)＝X^(k)+α^(k)d^(k)；

5)若且||X^(k+1)-X^(k)||≤ε₂，则置X^*＝X^(k+1)，结束迭代，否则转第6)步；

6)置k＝k+1，转步骤2)；

其中，X⁽⁰⁾为样品瓶定位常量的初始值，该初始值可采用自动进样器的设计图纸中记载的样品瓶定位常量值，由于设计图纸上的值比较接近真实值，因此迭代次数较少，求解过程也不会陷入错误的局部极值中，使得求解速度快且结果正确。误差ε₁，ε₂即为精度要求，误差ε₁，ε₂是根据实际精度需求确定，ε₁，ε₂的值可在0.01～.01之间，精度要求越高，则误差越小，但是迭代次数会增多，速度变慢。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

除说明书所述的技术特征外，其余技术特征为本领域技术人员的已知技术，为突出本发明的创新特点，其余技术特征在此不再赘述。

Claims (3)

1.一种自动进样器的样品瓶定位方法，其特征在于，所述自动进样器包括可转动的样品盘以及设于样品盘上方的进样针移动轴，所述样品盘通过托盘驱动转动，所述进样针移动轴在拖盘上的投影偏离所述托盘的圆心位置，所述托盘上设置有两个对称分布的样品盘，且每个样品盘中的样品瓶呈矩形状分布，所述进样针移动轴上设有进样针，所述进样针沿进样针移动轴直线移动，所述托盘以及进样针分别通过步进电机驱动；

所述自动进样器在对样品瓶的定位步骤为：

确定需定位的样品瓶的坐标；

根据样品瓶定位常量确定两个步进电机的各自转动步数；

步进电机根据计算的转动步数驱动所述托盘转动，将需定位的所述样品瓶的坐标位置转动至所述进样针移动轴在托盘上的投影位置；

另一步进电机同时根据转动步数驱动所述进样针沿进样针移动做轴直线移动，使所述进样针到拖盘的垂线恰好与需定位的所述样品瓶的轴线重合，完成自动进样器的样品瓶定位。

2.根据权利要求1所述的自动进样器的样品瓶定位方法，其特征在于，所述自动进样器设有自动校准模块，在对样品瓶定位之前，对自动进样器的样品瓶定位常量进行校准，所述样品瓶的定位常量分别是样品盘的旋转中心到第一排样品瓶的所在位置的中点的距离、样品盘的旋转中心到进样针移动轴在样品盘上的投影的垂线长度、样品盘的零点位置到第一排样品瓶的所在位置的中点的距离、样品盘中相邻的两个样品瓶之间的间隔距离、驱动托盘转动的步进电机每转一步样品盘旋转的角度、驱动进样针的步进电机没转一步进样针的移动距离、样品盘旋转中心到进样针移动轴在样品盘上投影的垂足点到进样针移动轴的零点位置之间的距离、第一排样品瓶所在位置的中点与样品盘旋转中心和样品盘旋转中心到进样针移动轴在样品盘上投影的垂足点连接的角度。

3.根据权利要求2所述的自动进样器的样品瓶定位方法，其特征在于，自动校准模块在对样品瓶定位常量进行校准时，校准过程为：

选取若干样品瓶，并对若干样品瓶进行定位，分别记录两个步进电机的实际步数；

分别在自动进样器的自动校准模块中输入两个步进电机的实际步数，自动校准模块根据样品瓶定位常量方程组求解具有变量的样品瓶定位常量；

其中，自动校准模块在求解具有变量的样品瓶定位常量时，根据最速下降法求解，其求解过程为：

1)输入X⁽⁰⁾，误差ε₁，ε₂；

2)取

3)根据计算最优步长；

4)计算新的迭代点X^(k+1)＝X^(k)+α^(k)d^(k)；

5)若且||X^(k+1)-X^(k)||≤ε₂，则置X^*＝X^(k+1)，结束迭代，否则转第6)步；

6)置k＝k+1，转步骤2)；

其中，X⁽⁰⁾为样品瓶定位常量的初始值，误差ε₁，ε₂是根据实际精度需求确定。