藥品瓶包裝檢測裝置設(shè)計

孫懷遠(yuǎn)周玉棟廖躍華

（1.上海醫(yī)療器械高等?？茖W(xué)校，上海 200093；2.上海理工大學(xué)醫(yī)療器械學(xué)院，上海 200093）

藥品瓶包裝檢測裝置設(shè)計

孫懷遠(yuǎn)1，2周玉棟2廖躍華1

（1.上海醫(yī)療器械高等專科學(xué)校，上海 200093；2.上海理工大學(xué)醫(yī)療器械學(xué)院，上海 200093）

藥品有多種多樣劑型，其中液體制劑采用瓶包裝是非常廣泛的，而包裝質(zhì)量的檢測也是非常嚴(yán)格和關(guān)鍵的。根據(jù)設(shè)計方法學(xué)有關(guān)基本概念，分析藥品瓶包裝檢測裝置的設(shè)計定位，從基于機器視覺技術(shù)的檢測原理與結(jié)構(gòu)分析出發(fā)，敘述了檢測裝置的總體設(shè)計與技術(shù)方案，介紹了主要工作部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，指出藥品瓶包裝檢測裝置的特點與應(yīng)用。

瓶包裝；檢測裝置；結(jié)構(gòu)；設(shè)計

液體藥物制劑生產(chǎn)過程中，瓶包裝非常廣泛，也有許多檢測環(huán)節(jié)，如：藥液裝量、封口、批號、標(biāo)簽等檢測或監(jiān)控。長時期以來，藥品生產(chǎn)企業(yè)基本都采用人工燈檢和目測的方法，工人勞動強度大，生產(chǎn)效率低，而且很容易造成檢測結(jié)果不穩(wěn)定、甚至不準(zhǔn)確。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字圖像處理的理論和方法不斷完善,利用機器視覺實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量無接觸自動檢測的技術(shù)已逐漸變得切實可行, 為此，我們根據(jù)設(shè)計方法學(xué)中有關(guān)設(shè)計定位的基本概念，以機械產(chǎn)品開發(fā)性設(shè)計類型為前提[1]，將設(shè)計創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新相結(jié)合[2]，分析藥品瓶包裝檢測的需求定位、功能定位及性能定位，將機器視覺技術(shù)應(yīng)用于瓶包裝檢測，設(shè)計了藥品玻璃瓶包裝檢測裝置，以實現(xiàn)液體藥品生產(chǎn)的快速、自動檢測與控制，解決目前采用的人工燈檢和目測方法所帶來的諸多技術(shù)問題。

1 檢測原理與結(jié)構(gòu)分析

基于機器視覺技術(shù)的檢測裝置的理論結(jié)構(gòu)邏輯可歸納為“圖像獲取→圖像處理→決策判斷→執(zhí)行操作”，這是所有視覺傳感系統(tǒng)的普遍原理及運行依據(jù)[3]。由此，藥品玻璃瓶包裝檢測裝置的工作原理可用圖1表示，其流程為：傳送帶對玻璃包裝瓶進(jìn)行傳送，當(dāng)包裝瓶通過傳感器時，輸出一個脈沖信號來控制圖像采集單元抓拍圖像。獲取的圖像傳輸給監(jiān)控操作系統(tǒng)進(jìn)行分析和運算,經(jīng)“比對”后做出判斷：正常情況，玻璃包裝瓶隨傳送帶繼續(xù)前進(jìn)并進(jìn)入下一工位；如發(fā)現(xiàn)問題，則剔除單元執(zhí)行監(jiān)控操作系統(tǒng)的命令，將“不合格”瓶剔除,從而實現(xiàn)瓶包裝成品和次品的檢測、分揀工作。

從上述流程可見，藥品玻璃瓶包裝檢測裝置總體結(jié)構(gòu)應(yīng)包括：動力與傳動機構(gòu)、傳送帶、相機組件、光源組件、傳感組件、剔除機構(gòu)、監(jiān)控操作系統(tǒng)等單元。根據(jù)檢測使用要求及多種方案的比較，充分考慮結(jié)構(gòu)形式、空間尺寸、部件相對位置、可靠操作等人機工程設(shè)計理念[4-5]，從產(chǎn)品的整體性質(zhì)和功能出發(fā),綜合、權(quán)衡整體和各組成要素及各組成要素之間的相互作用和相互關(guān)系[6],本設(shè)計采用框架與模塊組合形式，使裝置結(jié)構(gòu)簡單、裝拆與維護(hù)方便、速度調(diào)節(jié)及控制容易。

圖1 藥品瓶包裝檢測裝置原理

2 總體設(shè)計與技術(shù)方案

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)分析，藥品玻璃瓶包裝檢測裝置結(jié)構(gòu)布局如圖2所示。實現(xiàn)上述流程所采取的技術(shù)方案如下：

圖2 藥品瓶包裝檢測裝置總體布局

機架組件1中安置傳動機構(gòu)12和傳送帶3，傳送帶3由調(diào)速電機8驅(qū)動傳動機構(gòu)12帶動，其運行速度通過調(diào)速器7進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了能對傳送帶3的松緊進(jìn)行調(diào)節(jié)，在機架組件1后端設(shè)計傳送帶張緊調(diào)節(jié)部件2。CMOS數(shù)字相機13通過調(diào)節(jié)桿14安裝于機架組件1右側(cè)中部，與之配合的背光紅光光源5則安裝于機架組件1左側(cè)。為了提高抓拍圖像的質(zhì)量，可通過光源調(diào)節(jié)器4調(diào)節(jié)光亮、或通過調(diào)節(jié)桿14對相機13的位置進(jìn)行調(diào)節(jié)。為能進(jìn)行實時檢測和監(jiān)控，本設(shè)計選用OMORN反射型傳感器（由光電觸發(fā)器15與反射板6組成），分別安裝于機架組件1左右兩側(cè)（如圖2所示），如此，當(dāng)傳送帶3上的玻璃包裝瓶在光源5和相機13之間通過時，同時觸發(fā)傳感器，使相機13抓拍圖像并傳輸給監(jiān)控操作系統(tǒng)11進(jìn)行分析、運算，并做出判斷。為了實現(xiàn)瓶包裝成品和次品的檢測、分揀工作，在機架組件1前部設(shè)計安裝了剔除機構(gòu)10和集瓶盤9。而整個玻璃瓶包裝檢測裝置的監(jiān)控操作系統(tǒng)11則設(shè)于機架組件1前端的右側(cè)，并可相對于機架組件1移動。

3 主要部件設(shè)計

3.1 機架組件

機架組件是玻璃瓶包裝檢測裝置的主體部件，完成輸瓶工作的傳送帶就裝在其上。根據(jù)其位置與功能，機架組件由機架主體及支承部分組成，如圖3所示。機架1左右側(cè)板由墊板5連接成整體結(jié)構(gòu)，并通過前后連接板7、2安裝于前后支腳28和23上。為了便于張緊調(diào)節(jié)部件（圖2中2）對傳送帶進(jìn)行松緊調(diào)節(jié)，在機架1后端開有調(diào)節(jié)槽4，以使傳送帶張緊調(diào)節(jié)輥前后移動。支承板6用螺釘固定在機架前部右側(cè)，用于安裝剔除機構(gòu)（圖2中10）。為了實現(xiàn)對相機位置的調(diào)節(jié)，在機架1中部右側(cè)設(shè)有調(diào)節(jié)座9，用于安裝調(diào)節(jié)桿（圖2中14），從而可帶動相機上下、左右移動尋找抓拍圖像的最佳位置。

圖3 機架組件原理圖

3.2 動力與傳動機構(gòu)

動力與傳動機構(gòu)是藥品玻璃瓶包裝檢測裝置完成正常工作的保障。根據(jù)工作原理及裝置結(jié)構(gòu)分析，確定傳動機構(gòu)設(shè)計思路：電機通過減速器驅(qū)動主動軸旋轉(zhuǎn)，然后通過結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)及無噪聲的同步帶傳動使傳送帶輥筒轉(zhuǎn)動[7]。圖4所示為傳動裝置原理圖，動力經(jīng)由減速器2，通過主動軸7、同步帶輪9、同步帶6、以及輥筒4（其上也裝有同步帶輪），使傳送帶（圖4中未示出）實現(xiàn)預(yù)期運動。而傳送帶輥筒4則通過芯軸5裝在機架（圖3中1）兩側(cè)板前端的安裝孔中。

3.2.1 電機選擇

本設(shè)計用于液體藥品玻璃瓶包裝檢測，屬于低速輕載運行裝置，根據(jù)技術(shù)方案和電機產(chǎn)品選型思路，選用功率較小的YN90-90型調(diào)速電機（90 W，50 Hz，1300 r/min）為動力源，通過電子調(diào)速器實現(xiàn)傳送帶速度調(diào)節(jié)、緩慢加減速、電子制動等功能。

圖4 傳動機構(gòu)原理圖

3.2.2 傳送帶運動分析計算

根據(jù)生產(chǎn)能力要求，液體藥品玻璃瓶包裝檢測裝置每分鐘檢測120瓶，設(shè)瓶間距為200 mm，傳送帶輥筒直徑為80 mm，則：

傳送帶最大速度：v =120×0.2=24 (m/min)；

傳送帶輥筒轉(zhuǎn)速為：n = 24×1000 / (π×80) = 95.5(r/min)。

設(shè)同步帶傳動比為1，則主動軸（減速器輸出軸）轉(zhuǎn)速亦要求為95.5 r/min，由此選擇減速比為13的標(biāo)準(zhǔn)減速器對YN90-90型調(diào)速電機進(jìn)行減速，使減速器輸出軸的轉(zhuǎn)速為1300/13=100 (r/min)，從而實現(xiàn)檢測裝置120瓶/min的生產(chǎn)能力要求。

圖5 張緊調(diào)節(jié)部件原理圖

3.3 張緊調(diào)節(jié)部件

在工作過程中，由于各種原因，有時傳送帶會發(fā)生松弛現(xiàn)象，所以，必須設(shè)計有松緊調(diào)節(jié)部件。根據(jù)本裝置設(shè)計定位及傳送帶傳動方案，采用簡單的螺旋調(diào)節(jié)法，其原理如圖5所示。傳送帶一端套在張緊輥3上（另一端套在傳送帶輥筒上，見圖4中4），張緊輥通過輥軸4裝在機架（圖3中1）兩側(cè)板的調(diào)節(jié)槽（圖3中4）中。為了實現(xiàn)傳送帶的松緊調(diào)節(jié)，在輥軸4兩頭的孔中設(shè)計裝有兩根調(diào)節(jié)螺桿2，而螺桿另一頭則插在機架（圖3中1）后端折邊的孔中，并通過調(diào)節(jié)螺母1使張緊輥3前后移動，改變傳送帶主從動輥間的中心距，從而使傳送帶的松緊程度得到調(diào)節(jié)。

4 結(jié)束語

藥品瓶包裝檢測裝置采用模塊組合形式，結(jié)構(gòu)簡潔、裝拆與調(diào)整容易、維護(hù)方便，可半自動、亦可組裝在線使用，操作簡單；應(yīng)用機器視覺技術(shù)實現(xiàn)玻璃瓶包裝的藥液量、批號、標(biāo)簽以及封口的無接觸自動檢測與控制。通過實驗樣機試驗表明，設(shè)計方案合理，生產(chǎn)效率高、工人勞動強度低、工作過程平穩(wěn)、檢測結(jié)果準(zhǔn)確穩(wěn)定，能實現(xiàn)藥品生產(chǎn)的快速、自動檢測與監(jiān)控。因此，藥品瓶包裝檢測裝置是藥品自動生產(chǎn)及包裝中試過程選型的理想產(chǎn)品，該裝置體現(xiàn)的應(yīng)用技術(shù)是藥品生產(chǎn)企業(yè)實現(xiàn)計算機集成控制和數(shù)字化管理的基礎(chǔ)技術(shù)。

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Design of Detection Apparatus for Drug Bottle Packaging

Sun Huaiyuan1，2Zhou Yudong2Liao Yuehua1
( 1. Shanghai Medical Instrumentation College Shanghai, 200093 2. Medical Instrumentation College, University of Shanghai for Science and Technology Shanghai, 200093)

There are varieties of medicaments, in which bottle-packaging is applied for liquid medicament very widely. However, the detection of package quality is strict and pivotal. Based on the fundamental concept of design methodology, the design of detection device for pharmaceutical bottle-packaging was analyzed in this paper. With respect to the principle of machine vision technology and structural analysis, the general design and technical scheme of detection device was described, the structural design for main parts was introduced and the characteristics and application of bottle-packaging detection device were presented.

bottle-packaging; detection device; structure; design

TQ460. 6+9

A

1008-455X(2010) 06-0028-03

2010-09-20

孫懷遠(yuǎn)（1962—），男，碩士，副教授，研究方向：制藥機械設(shè)計及檢測技術(shù)。

Tel:021-65485551×3420 E-mail：shy62123@163.com