开发用于病理扫描仪的定位系统

经过Boaz Eidelberg，Ph.D.，Jim Monnich，Parker Daedal工程解决方案，机电自动化北美

病理扫描仪有独特的要求，适合在一个小空间与定制的限制。标准分期不能满足现代病理扫描仪的需要。但是，一个新的基础设施，为有效的病理扫描仪开发适合定制的需要。

扫描仪产品通常需要独特的定位规格，这是现成产品所不具备的。这些要求通常包括严格的几何约束、高精度、高运动平稳性和长寿命。此外，它们还需要高产品一致性，以便以具有全球竞争力的成本进行大批量生产。

病理扫描仪的一个例子。派克扫描仪的平整度是亚微米水平的顺序。这种平坦性性能是通过使用专门为此类型应用选择的线性轴承技术实现的。

生命科学自动化市场
生命科学自动化工具的最终用户主要包括研究实验室，制药公司和医疗点（POC）网站，如医院和医生办公室。我们将自动化工具定义为生命科学过程工具，该工具旨在作为小实验室和办公室的机器的手动进料，或作为运行24/7的自动装载机的全自动系统。

护理点诊断工具提供保健消费者，以更低的成本为预防，治疗或康复医疗保健提供更快，更全面的诊断服务。这些桌面工具位于医生办公室，诊所和医院。它们自动从患者预先准备的样品，将它们装入工具中并使其与生物芯片相互作用，这些生物芯片含有数十万微孔，具有基因组和其他试剂。然后通过各种光学手段感测反应，并在分钟内完成结论，而不是小时或天。虽然在其初期期间，这个市场估计每年增长15％，预计将成为荒地护理行业的主要基石。

自动化技术支持研发、制药和POC用户，其中包括扫描显微镜、实验室自动化和微芯片分析仪。

显微镜检查：生命科学研究是在显微镜下进行的，通常是分析复杂的生物学结构。这些结构包括，蛋白质，细胞，基因和组织。在治疗和预防药物分子的影响下，这些结构与亚微米病原体（如细菌和病毒）的复杂相互作用进行了分析。

可以使用扫描显微镜进行自动化，该显微镜操作作为较大自动化单元的一部分，其又可以包括其他设备，例如负载 - 卸载机器人和图像处理控制器。

实验室自动化：Lab Automation包括一系列帮助制药业加快药物发现过程的工具。据贸易集团的制药研究和制造美国，每成功发现500％至800米和10至15年的估计成本。根据同一篇文章，从进入人民批准的药物批准的分子中，从进入研发阶段的分子的命中率为1，是1次。因此，自动化，在优化药物发现过程方面具有高价值。

高通量筛选（HTS）是药物发现中常用的自动化过程的一个例子。在这个过程中，自动机器人处理液体和粉末。它们在靶生物分子之间产生并感知反应，例如带有试剂的病态细胞和数百万个候选药物分子。实验室自动化通常在自动化单元中完成，其中包括许多辅助工具，如笛卡尔机器人、铰接机器人、XYZ工作台、龙门工作台、线性和旋转致动器、分度台、输送机、存储柜、条形码阅读器、热板、混合器和振动筛。该过程是在一个有序的顺序，24/7，使用PLC和运动控制器。

病理扫描仪：病理扫描仪是扫描显微镜的一部分。它们提供类似的信息，作为扫描显微镜，以数百纳米的分辨率。病理学扫描仪在研究和监测疾病中广泛使用。扫描过程包括生物样品，例如组织，其放置在称为“载玻片”的玻璃基板上。几个幻灯片装入盒子中。盒子放置在XY级，安装在扫描仪框架上。垂直Z级安装在XY级上方的扫描仪框架上，携带聚焦光学器件。在扫描过程中，XY级以5mm / s的典型速率将相机下的载玻片移动。相机在其视野中取消数字图像，这是1 mm2的顺序。虽然XY级正在移动，以覆盖整个滑块，其通常在50 mm x 25 mm的顺序上，z轴聚焦相机并保持稳定的位置，一秒钟的一小部分，同时拍摄 taken by the camera.

扫描仪定位阶段必须满足某些空间限制。这些限制是市场需求的最小足迹，给定相机形状和尺寸，照明要求和特殊幻灯片持有者限制。这些限制限制了XYZ配置的选择，通常需要低调，内置孔径和带有微型组件的自定义轴。系统配置阶段成功的关键是客户工程师和舞台制造商工程师之间的密切互动。CAD文件通常在初步设计阶段交换，以确保设计满足所有轴的旅行要求，有线管理，操作安全性和可访问性，以实现高效装配和现场维护。

该图表整合了各种显微镜技术，这些技术通常用于生物技术相关研究。

扫描仪XY阶段
在扫描应用中，XY级最重要的规格如下：

平坦度 - 扫描仪平面必须最小，以减少Z轴自动对焦的动态负荷
直线度 - 扫描仪直线度需要最小化扫描过程之间的重叠并提高处理吞吐量
平滑的运动-平滑的运动是必需的，以确保最高的可能的图像分辨率。

运动的平整度由几个因素确定，包括滑动阶段的平面和线性轨道的平坦度的平坦度。病理扫描仪的典型平坦要求是每毫米亚微米的顺序。例如，考虑在5毫米/秒扫描的X级，平坦度为±1μm/ mm。这种平坦度和扫描速率表示对自动对焦的位置干扰，幅度为1μm，频率为5Hz。这反过来意味着Z级所需的带宽应至少比干扰频率高的3倍。它还意味着自然频率比带宽高三倍。

帕克单线电机级和X-Y-Z级示例

直线度主要由轨道和组件确定。例如，使用高精度轨道和特殊装配夹具的帕克直线度小于±0.25μm/ mm。

微型直线电机以线性编码器作为反馈驱动XY级。微型直线电机具有体积小、体积小、完全非接触等优点。因此，它们在有限空间的应用中具有优势，如病理扫描仪。直线电机实际上是无抖动和摩擦的执行机构，运动平稳性高，寿命长。

扫描仪自动对焦Z舞台
Z轴级支撑光学头部，包括Z轴自动聚焦的透镜和安装支架。移动重量约为0.5千克。自动对焦Z级的操作是扫描仪性能的关键和扫描对象的图像清晰度。它必须具有极高的分辨率，在纳米范围，快速响应，稳定时间短，稳定保持位置和可重复运行中。它还必须具有精密控制器和从一个阶段到另一个阶段的非常一致的性能。

帕克自定义Z级扫描仪的示例。

以下是Z级配置的替代选项：

堆叠的压电阶段 - 这些阶段具有非常快速的响应和优异的位置保持稳定性。它们的局限性在定位滞后，使伺服控制非线性和更难以调谐。它们还具有极短的旅行，大约一百微米的顺序限制了Z级所需的其他任务，例如将整个XY范围绘制为Z高度，或采用几个卡盘尺寸或具有不同高度的光学器件。
混合压电阶段 - 这些阶段由滚珠丝杠级和堆叠的压电阶段的组合组成。滚珠丝杠级以低精度提供长途行程。安装在滚珠螺杆级顶部的精密堆叠的压电阶段提供了保持稳定性和精确定位。这种混合配置的优点是随着所使用的两种定位技术的益处而增加。其缺点是其较大的尺寸，额外的伺服轴来控制和困难调整两个阶段。
“步行”压电阶段-这些阶段有微型尺寸的优势，保持稳定和长行程。它们的缺点是性能随时间的变化。大多数原始设备制造商用户要求，系统将与所有类似阶段的参数一致的设置进行调整。他们期望相同类型的所有阶段在其系统的生命周期中以相同的方式运行。
语音线圈或线性电机级 - 这些级具有提供长途旅行，微型尺寸，无摩擦操作，低维护和一致性的性能优势。它们的缺点是需要在垂直应用中进行平衡。存在解决该限制的解决方案，包括在整个行程中具有均匀力恒定的非接触磁平衡。
编码器-为了确保长期的性能均匀性，Z级编码器是由热膨胀系数几乎为零的因瓦制成。这一特点，加上专有的安装程序，确保长期的热稳定性，尽管在长期扫描期间温度可能发生变化。热变化可能导致结构变形，从而拉长编码器刻度并引入不可重复的定位误差。
轴承 - 自动对焦阶段需要的重复微米距离移动的独特性，对某些轴承类型产生特异性并发症。
平衡 - 为了使移动重量从Z电机的连续力要求偏离，必须使用平衡。帕克正在使用具有均匀力常数的非接触磁平衡，在阶段的阶段的整个行驶范围内，可重复性为0.1μm。

额外的设计考虑因素
应当注意，对于运动和短暂的稳定时间的高平滑度，建议使用额外的设计考虑因素，如下：

电缆管理应旨在最大限度地减少嘎嘎作用。
电线被屏蔽并接地为共同的地面，以降低EMI和RFI噪声。
设备框架与地面干扰隔离。
优化结构阻尼以衰减高频噪声放大。
设计了工作台结构和机架固有频率，以满足所需的动、静频率响应。
控制器能力必须与所需的频率响应匹配。
适当的伺服滤波用于衰减高频噪声。

此外，请注意，为了满足严格的预算和时间表的限制性的挑战设计和性能目标，以下基础设施构建块是必不可少的：

一个工程问题求解器团队，可以快速评估替代配置和预测候选解决方案的成本和性能权衡。
需要制造工具和资源来快速进行所选配置的可行性测试。进行这些测试是为了确保概念解决方案和全面制造之间没有知识差距。这些测试还旨在降低开发风险。
与客户工程团队密切互动。

可制造性
开发成本效益的实体系统只是成功的业务发展计划中的第一步。下一个重要的考虑是弥合工作原型与全面生产环境之间的差距。建议的程序基于多年的开发和制造数千个定位系统的经验。它们如下：

高度有组织的生产文件，包括BOM，图纸，材料源，装配和测试说明以及用于JIT制造的专用团队。
对于大型OEM生产，开发了一个专用的制造单元，在整个制造过程中采用最先进的精益生产原则和质量计划。在许多情况下，使用最终客户结构的最终测试台用于测试对操作性能至关重要的参数和变量。
验收测试程序（ATP） - 在开发阶段同意客户商定的测试程序。ATP旨在确保所有离开工厂的系统满足关键性能要求。它还旨在确保，系统参数与其他类似产品的参数一致，用于长期产品稠度。

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Parker Daedal工程解决方案
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