CN117214787A - 一种医用回旋加速器全自动磁场测量装置及运动控制方法 - Google Patents

Abstract

一种医用回旋加速器全自动磁场测量装置及运动控制方法，涉及磁场测量装置技术领域，所采用的技术方案包括两个移动件、分别铰接在两个所述移动件上的第一连杆和第二连杆，以及两个直线模组，所述第一连杆与第二连杆铰接，所述第一连杆或第二连杆通过支杆连接有磁场传感器；两个所述直线模组分别驱动两个移动件在同一移动路径上直线移动。本发明针对磁极间隙小的特点重新设计了磁场测量装置的结构，并更新了磁场传感器的运动控制方法，在此基础上能够实现自动化测量。

Description

一种医用回旋加速器全自动磁场测量装置及运动控制方法

技术领域

本发明涉及磁场测量装置技术领域，尤其涉及一种医用回旋加速器全自动磁场测量装置及运动控制方法。

背景技术

医用回旋加速器在核医学领域及生物制药领域具有重要意义。负氢粒子在磁场的作用下做匀速圆周运动，通过谐振腔的加速间隙对负氢粒子进行加速，在一个周期内负氢粒子被加速四次。由于磁极在装配过程中因材料或人为因素带来误差，会使实际磁场与要求磁场差生差异，为了满足医用回旋加速器的运行条件并提高加速器的性能，加速器的主磁场须严格满足设计要求，因此必须对回旋加速器的主磁场进行高精度、高密度的测量，为后期的磁场垫补和粒子动力学计算等工作提供磁场的实测数据，所以磁极在安装完成之后需要进行磁场强度测量，根据测量结果数据进行修正。

但目前市场上几乎没有成套设备的生产和销售，加速器生产研发单位均是根据自身需求进行设计和制造磁场测量仪器。本医用回旋加速器磁极间隙为34mm，现有磁场测量装置不能满足小间隙测量的使用要求，局限性较大。

发明内容

针对现有技术方案中现有磁场测量装置不能满足小间隙测量要求的问题，本发明提供了一种医用回旋加速器全自动磁场测量装置及运动控制方法。

本发明提供如下的技术方案：一种医用回旋加速器全自动磁场测量装置，包括两个移动件、分别铰接在两个所述移动件上的第一连杆和第二连杆，以及两个直线模组，所述第一连杆与第二连杆铰接，所述第一连杆或第二连杆通过支杆连接有磁场传感器；两个所述直线模组分别驱动两个移动件在同一移动路径上直线移动。

优选地，所述直线模组为丝杆直线模组，所述丝杆直线模组包括伺服电机、与所述伺服电机输出轴传动连接的丝杆，两个所述丝杆直线模组的丝杆同轴，所述移动件为与所述丝杆螺纹连接的滑台。

优选地，所述第一连杆和第二连杆的臂长相等。

优选地，所述测量装置还包括运动控制单元，所述运动控制单元包括伺服驱动器、控制器、接近传感器，所述接近传感器、伺服电机均电连接到伺服驱动器，所述伺服驱动器电连接到控制器；所述接近传感器设置在所述直线模组支架侧壁，所述移动件设置有与所述接近传感器对应的感应件。

优选地，所述测量装置还包括数据采集单元，所述数据采集单元包括上位机、与所述上位机电连接的数据存储设备，所述上位机与所述控制器、磁场传感器电连接。

优选地，所述磁场传感器为霍尔传感器，所述霍尔传感器电连接到高斯计，所述高斯计电连接到所述上位机。

优选地，一个所述移动件铰接有两个所述第一连杆，另一个所述移动件铰接有两个所述第二连杆，两个所述第一连杆或第二连杆均通过支杆连接有磁场传感器。

一种运动控制方法，所述运动控制方法应用于一种医用回旋加速器全自动磁场测量装置，两个移动件分别为第一移动件和第二移动件，所述运动控制方法包括以下步骤：

S1，以两个移动件的移动路径在测量平面上的投影为横轴，在测量平面上建立直角坐标系；

S2，确定磁场传感器的当前坐标(x₁,y₁)，计算出两个移动件的当前坐标(L₁,0)、(L₂,0)；

S3，输入新测量点坐标(x₂,y₂)，上位机计算出两个移动件的目标坐标(L₁',0)、(L₂',0)，得到两个移动件需要移动的距离和方向。

优选地，在步骤S2中，所述当前坐标为上一次输入的测量点坐标。

优选地，在步骤S2、S3中，所述L₁、L₂的计算公式为：

所述L₁'、L₂'的计算公式为：

两个移动件需要移动的距离分别为：

ΔL₁＝L₁-L₁′

ΔL₂＝L₂-L₂′

式中，H₁为第二连杆的长度，且第一连杆、第二连杆的长度相等，H₂为磁场传感器与第二移动件的连线长度，α为磁场传感器与第二移动件的连线和第二连杆之间的夹角角度。

本发明的有益效果是：针对磁极间隙小的特点重新设计了磁场测量装置的结构，并更新了磁场传感器的运动控制方法，在此基础上能够实现自动化测量。

附图说明

图1为本发明一个实施例的示意图。

图2为本发明一个实施例的运动控制示意图。

附图标记：10-移动件，20-第一连杆，30-第二连杆，40-直线模组，41-伺服电机，42-丝杆，50-磁场传感器，60-接近传感器，70-下磁极。

具体实施方式

以下结合附图及附图标记对本发明的实施方式做更详细的说明，使熟悉本领域的技术人在研读本说明书后能据以实施。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本发明提供了如图1所示的一种医用回旋加速器全自动磁场测量装置，其安装环境如图1所示，下磁极70和上磁极(图中未示出)之间的间隙为34mm，本发明以下磁极70上方平行于下磁极70上表面的一个平面为测量平面，磁场传感器50在测量平面上移动，对测量平面上各点的磁场强度进行测量。

测量装置包括两个移动件10、分别铰接在两个所述移动件10上的第一连杆20和第二连杆30，以及两个直线模组40，所述第一连杆20与第二连杆30铰接，所述第一连杆20或第二连杆30通过支杆连接有磁场传感器50。第一连杆20、第二连杆30以及两个移动件10铰接成一个三角形测量结构，两移动件10的连线为三角形测量结构的底边，第一连杆20、第二连杆30分别为三角形测量结构的两侧边。磁场传感器50通过支杆固定在两侧边中的一边，在本实施例中，磁场传感器50通过支杆固定在第二连杆30上。第一连杆20、第二连杆30、支杆均为薄板状，从而伸入上、下磁极之间的微小间隙中并在直线模组40的驱动下带动磁场传感器50在测量平面上移动，移动件10、直线模组40均设置在下磁极外侧。

直线模组40用于改变两移动件10的位置，且两个所述直线模组40分别驱动两个移动件10在同一移动路径L上直线移动，此移动路径L为两个移动件10之间的连线，其作用是简化运动控制方式和结构，只需在一维方向上改变两移动件10的位置就能够控制磁场传感器50在测量平面上移动，以适应磁极之间狭小的安装空间。

具体地，所述直线模组40为丝杆直线模组，所述丝杆直线模组40包括伺服电机41、与所述伺服电机41输出轴传动连接的丝杆42，两个所述丝杆直线模组的丝杆42同轴，所述移动件10为与所述丝杆42螺纹连接的滑台。

所述第一连杆20和第二连杆30的臂长相等，所述臂长为在第一、第二连杆在测量平面上的投影两端铰接处中点的连线，如图2所示。在磁场传感器50的运动控制过程中，两连杆臂长相等用于简化计算公式。

所述测量装置还包括运动控制单元，所述运动控制单元包括伺服驱动器、控制器、接近传感器60，所述接近传感器60、伺服电机41均电连接到伺服驱动器，所述伺服驱动器电连接到控制器。伺服电机41在伺服驱动器控制下完成闭环控制，精确控制移动件10的位置。控制器采用可编程逻辑控制器(PLC)。所述接近传感器60设置在所述直线模组40支架侧壁，所述移动件10设置有与所述接近传感器对应的感应件。接近传感器60可采用光电传感器。两个直线模组40均设置有接近传感器60和感应件，当接近传感器60检测到感应件时，两个移动件均处于预设位置，以完成复位。

进一步地，所述测量装置还包括数据采集单元，所述数据采集单元包括上位机、与所述上位机电连接的数据存储设备，所述上位机与所述控制器、磁场传感器电连接。上位机可采用带有输入和输出设备的工控机，输入新的磁场传感器测量点位置坐标后，上位机计算出两个移动件分别需要移动的方向和距离，经控制器发送给伺服驱动器，并记录伺服驱动器反馈的位置、速度信息以及磁场传感器50反馈的磁场强度信息，并加上时间戳记录在数据存储设备中。所述磁场传感器50可采用霍尔传感器，所述霍尔传感器电连接到高斯计，所述高斯计电连接到所述上位机。

进一步地，一个所述移动件10铰接有两个所述第一连杆20，另一个所述移动件10铰接有两个所述第二连杆30，两个所述第一连杆20或第二连杆30均通过支杆连接有磁场传感器50。两个第一连杆20、两个第二连杆30和两个移动件10构成了两个三角形测量结构，两个磁场传感器50分别与两个第二连杆30连接，分别用于测量移动路径L两侧的磁场强度，以加快效率。

实施例2

一种运动控制方法，所述运动控制方法应用于如实施例1所述的一种医用回旋加速器全自动磁场测量装置，两个移动件分别为第一移动件10a和第二移动件10b，包括以下步骤：

S1，以磁场传感器50的移动轨迹所处的平面为测量平面，所述测量平面位于下磁极70上方且平行于下磁极70上表面。将两个移动件10及其移动路径、第一连杆20、第二连杆30、支杆均投影在测量平面上，以两个移动件10的移动路径L在测量平面上的投影为横轴，以测量平面上垂直于移动路径投影的直线为纵轴建立直角坐标系，如图2所示。图2中，杆件均简化为线段，移动件和磁场传感器均简化为圆点，下文所述的坐标均为圆点中心坐标。

S2，确定磁场传感器50的当前坐标(x₁,y₁)，计算出第一移动件10a的当前坐标(L₁,0)和第二移动件10b的当前坐标(L₂,0)。磁场传感器50的当前坐标为上一次通过上位机输入的测量点坐标，为已知量。第一移动件10a和第二移动件10b的坐标计算公式为：

式中，H₁为第一连杆的长度，第一连杆、第二连杆的长度相等，H₂为磁场传感器与第二移动件10b的连线长度，α为磁场传感器与第二移动件10b的连线与第二连杆之间的夹角角度，x₁、y₁为磁场传感器的当前坐标值，均为已知量。在本实施例中，H₁为688mm，H₂为658mm，α为10°，代入上述公式可得：

S3，通过上位机输入新测量点坐标(x₂,y₂)，上位机计算出第一移动件10a和第二移动件10b的目标坐标(L₁',0)、(L₂',0)。将已知量代入计算公式得到：

则磁场传感器50从当前坐标移动到新测量点要求第一移动件10a需要移动的距离为：

ΔL₁＝L₁-L₁′

第二移动件10b需要移动的距离为：

ΔL₂＝L₂-L₂′

若ΔL₁、ΔL₂为正值，则移动件向坐标系横轴的正方向移动，若ΔL₁、ΔL₂为负值，则移动件向坐标系横轴的负方向移动，坐标系横轴为移动路径L在测量平面上的投影。上位机将需要移动的距离和方向，根据丝杆导程可计算出伺服电机需要转动的位移量，经PLC传递给伺服驱动器，控制伺服电机转动，带动磁场传感器50移动到测量点完成测量。

以上为本发明的一种或多种实施方式，其描述较为具体和详细，但不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种医用回旋加速器全自动磁场测量装置，其特征在于，包括两个移动件(10)、分别铰接在两个所述移动件(10)上的第一连杆(20)和第二连杆(30)，以及两个直线模组(40)，所述第一连杆(20)与第二连杆(30)铰接，所述第一连杆(20)或第二连杆(30)通过支杆连接有磁场传感器(50)；两个所述直线模组(40)分别驱动两个移动件(10)在同一移动路径上直线移动。

2.根据权利要求1所述的一种医用回旋加速器全自动磁场测量装置，其特征在于：所述直线模组(40)为丝杆直线模组，所述丝杆直线模组(40)包括伺服电机(41)、与所述伺服电机(41)输出轴传动连接的丝杆(42)，两个所述丝杆直线模组的丝杆同轴，所述移动件(10)为与所述丝杆(42)螺纹连接的滑台。

3.根据权利要求2所述的一种医用回旋加速器全自动磁场测量装置，其特征在于：所述第一连杆(20)和第二连杆(30)的臂长相等。

4.根据权利要求2所述的一种医用回旋加速器全自动磁场测量装置，其特征在于：所述测量装置还包括运动控制单元，所述运动控制单元包括伺服驱动器、控制器、接近传感器(60)，所述接近传感器(60)、伺服电机(41)均电连接到伺服驱动器，所述伺服驱动器电连接到控制器；所述接近传感器(60)设置在所述直线模组(40)支架侧壁，所述移动件(10)设置有与所述接近传感器对应的感应件。

5.根据权利要求4所述的一种医用回旋加速器全自动磁场测量装置，其特征在于：所述测量装置还包括数据采集单元，所述数据采集单元包括上位机、与所述上位机电连接的数据存储设备，所述上位机与所述控制器、磁场传感器电连接。

6.根据权利要求5所述的一种医用回旋加速器全自动磁场测量装置，其特征在于：所述磁场传感器(50)为霍尔传感器，所述霍尔传感器电连接到高斯计，所述高斯计电连接到所述上位机。

7.根据权利要求1所述的一种医用回旋加速器全自动磁场测量装置，其特征在于：一个所述移动件(10)铰接有两个所述第一连杆(20)，另一个所述移动件(10)铰接有两个所述第二连杆(30)，两个所述第一连杆(20)或第二连杆(30)均通过支杆连接有磁场传感器(50)。

8.一种运动控制方法，其特征在于，所述运动控制方法应用于如权利要求1-7任意一项所述的一种医用回旋加速器全自动磁场测量装置，两个移动件分别为第一移动件和第二移动件，所述运动控制方法包括以下步骤：

S1，以两个移动件的移动路径在测量平面上的投影为横轴，在测量平面上建立直角坐标系；

S2，确定磁场传感器的当前坐标(x₁,y₁)，计算出两个移动件的当前坐标(L₁,0)、(L₂,0)；

S3，输入新测量点坐标(x₂,y₂)，上位机计算出两个移动件的目标坐标(L₁',0)、(L₂',0)，得到两个移动件需要移动的距离和方向。

9.根据权利要求8所述的一种运动控制方法，其特征在于：在步骤S2中，所述当前坐标为上一次输入的测量点坐标。

10.根据权利要求8所述的一种运动控制方法，其特征在于：在步骤S2中，所述L₁、L₂的计算公式为：

在步骤S3中，所述L₁'、L₂'的计算公式为：

两个移动件需要移动的距离分别为：

ΔL₁＝L₁-L₁′

ΔL₂＝L₂-L₂′

式中，H₁为第二连杆的长度，且第一连杆、第二连杆的长度相等，H₂为磁场传感器与第二移动件的连线长度，α为磁场传感器与第二移动件的连线和第二连杆之间的夹角角度。