全自動液體處理工作站設(shè)計

姚 陽,湯淋淋

（1.南通理工學(xué)院，江蘇 南通 226000；2.硅湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 昆山 215300）

0 引 言

全自動液體處理工作站是一個綜合學(xué)科的機械設(shè)備，目前主要應(yīng)用于醫(yī)療檢測領(lǐng)域液體的前處理中，整個工作站的研發(fā)涉及到機械設(shè)計、運動控制、軟件設(shè)計等，具有學(xué)科交叉性強和綜合性高等特點。目前，國內(nèi)在液體處理方面存在自動化程度較低、模塊化功能較少、可靠性不足、穩(wěn)定性較差等缺點。為了打破國外的技術(shù)壟斷，迫切需要進行國內(nèi)的全自動液體處理工作站的設(shè)計開發(fā)。

1 液體處理工作站總體設(shè)計

液體處理工作站是基于多軸協(xié)同配合運行的組合式機構(gòu)，其涵蓋的技術(shù)較多，如精密設(shè)備、電機運動控制、伺服控制系統(tǒng)和傳感器技術(shù)，集成化程度較高。根據(jù)國內(nèi)外文獻資料調(diào)研以及市場已有的設(shè)備，本文設(shè)計的全自動液體處理工作站以模塊化結(jié)構(gòu)為主，且結(jié)構(gòu)形式為由上到下，主要機械結(jié)構(gòu)包括工作站底座、機械臂和移液模塊。

底座是液體處理工作站的基本部件，也是該系統(tǒng)的承載部件，液體處理工作站都是基于底座來工作的。在底座上需要進行工位設(shè)置，如試劑盒存放工位、廢料回收工位和混勻儀擺放工位。

液體處理工作站的核心部分是移液模塊，其作用是在液體移動過程中將液體吸取和放置，而且是定量的。移液模塊的運行方式是機械的，主要執(zhí)行的動作有槍頭安裝和脫落，配合機械臂的使用可以實現(xiàn)液體的準確移動。同時在微量泵中配有液位檢測傳感器和壓力傳感器，能夠進行液位和壓力的實時監(jiān)測，及時調(diào)整堵塞、泄露以及空吸等情況。液體處理工作站通過機械臂代替人力操作，主要是實現(xiàn)夾取功能，用于深孔板的夾取轉(zhuǎn)移，在空間具有3 個自由度，實現(xiàn)X、Y、Z 3 個方向上的移動。

本文設(shè)計的液體處理工作站采用4 列3 行共12 個管位，可以放置2 個托盤，共計192 個試管；吸頭盒可以放置4 個吸頭，吸頭盒后部為廢棄吸頭回收盒。整體結(jié)構(gòu)簡單，用戶操作方便，無需投入過多的學(xué)習(xí)成本即可實現(xiàn)快速熟悉，快速操作。最終的整體造型設(shè)計如圖1 所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)示意圖

2 液體處理工作站結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 液體處理工作站底座以及定位結(jié)構(gòu)設(shè)計

底座是整個工作站的承重和支撐結(jié)構(gòu)，主要由工作臺和支撐腳組成，工作臺材料選用鋁合金6061,表面陽極氧化梳理；底部裝配有4 個M10×60 橡膠底支撐腳。底座上部為定位實驗器材的定位托盤，托盤全部采用模塊化設(shè)計，針對不同器材，設(shè)計不同的定位托盤，采用直徑10 mm 圓柱銷定位托盤，托盤可以隨時更換，具體如圖2 所示。

圖2 底座結(jié)構(gòu)

2.2 機械臂選型設(shè)計

機器人的機械臂通常是由驅(qū)動裝置、導(dǎo)向裝置和運動裝置3 部分組成。目前常用的驅(qū)動方式包括液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電氣驅(qū)動；常用的導(dǎo)向裝置包括滾珠絲杠裝置和滑塊導(dǎo)軌裝置；常見的機械臂坐標系統(tǒng)包括球坐標系統(tǒng)、直角坐標系統(tǒng)、柱坐標系統(tǒng)。液體處理工作站系統(tǒng)中需要實現(xiàn)X、Y、Z 軸3 個方向移動到指定的工作位置，所以選用直角坐標式機械臂；盡管球坐標、柱坐標式機械臂都可以滿足液體處理工作站的功能性要求，但是其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，同時在移液過程中，移液槍頭需要時刻保持豎直狀態(tài)，增加了系統(tǒng)的操作復(fù)雜性，因此該處采用球坐標和柱坐標不合適。采用直角坐標系機械臂不僅可以通過電機控制實現(xiàn)3 個方向的自由移動，而且實現(xiàn)槍頭和微孔板的定位操作也較為簡單準確，具有快速反應(yīng)和高可靠性等優(yōu)點，因此最優(yōu)選擇為直角坐標系機械臂。

2.3 移液模塊設(shè)計

機械臂在Z 軸方向上的運動就是移液模塊的運動。由圖3 可知，移液模塊主要由底座、移液器和脫槍頭部件3 個組件構(gòu)成。其中，底座部分主要由基板、線性導(dǎo)軌、傳動結(jié)構(gòu)和控制電路控制板組成。線性導(dǎo)軌采用的是滾珠式線性導(dǎo)軌，型號為MGN12C，并且在地板上進行了位置限制，這樣可以保證導(dǎo)軌移動的精度；在傳動結(jié)構(gòu)部分，選用電機驅(qū)動作為原動力，梯形螺桿作為傳動部件，電機為絲杠傳動步進電機。脫槍頭部件安裝在電機上，并且通過螺母固定，移液器安裝在脫槍頭組件上，直線推力電機的轉(zhuǎn)動帶動脫槍頭工作，進而帶動移液器工作，這樣就形成了電機驅(qū)動移液器和脫槍頭均在線性導(dǎo)軌上移動的工作過程。在移動過程中，為了保證到達位置的精確性以及限制移動最大行程，在線性導(dǎo)軌兩端分別設(shè)置光電式傳感器，當(dāng)光電式傳感器檢測到有物體靠近時，將檢查到的信號發(fā)送到控制電路板，然后控制電機的工作狀態(tài)，保證移液器和脫槍頭在有效行程內(nèi)。

圖3 移液模塊整體結(jié)構(gòu)

由圖4 可知，脫槍頭組件由5 部分構(gòu)成，分別是軸承、脫槍頭板、電機、軸和支撐板。其中電機安裝在滑塊連接板上，電機的輸出軸與固定塊支架安裝有連接軸的軸承，在滑塊連接板的下方安裝4 根支撐軸用于整體結(jié)構(gòu)的支撐，在支撐軸的下端安裝支撐塊進行結(jié)構(gòu)加固。在背面的2 根支撐軸上，安裝直線軸承和脫槍頭板，在下端安裝有傳感器、軸套和推桿。移液器安裝在連接軸上，通過磁鐵吸附連接，通過傳感器、軸套和推桿的配合工作，可以克服磁鐵的吸力進行移液器具和槍頭脫離的操作。

圖4 脫槍頭組件結(jié)構(gòu)

3 移液模塊關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計

移液模塊最重要的部分就是移液器，它的功能是進行液體吸取和排放。在本次設(shè)計過程中，采用的移液器是活塞式的，有8 個液體通道，每個通道的存儲量為200 mL，具體結(jié)構(gòu)如圖5 所示。8 個通道的排列方式為并列排布，每個通道內(nèi)有活塞，活塞安裝在活塞架上，并且通過軸承連接與套筒相連。中間活塞桿的上端和電機軸連接并且通過磁鐵吸附連接，另一端和活塞架連接，通過直線推力電機的運動使得連接軸帶動活塞桿移動，從而帶動活塞在套筒中進行上下移動，實現(xiàn)液體吸取和液體排放的操作。在液體吸取和液體排放的工程中，由于運動過程中存在震動，為了保證活塞和套筒位置的直線性，在活塞架的上方安裝固定件進行位置的豎直固定。為了讓活塞運動過程更加平穩(wěn)，在活塞桿上安裝滑動軸承，可以減小活塞桿和導(dǎo)向桿在運動過程中產(chǎn)生的摩擦力。當(dāng)活塞桿受力時，外殼以下部分脫離導(dǎo)向銷實現(xiàn)脫槍頭動作，當(dāng)活塞桿不受力時，由于外殼和導(dǎo)向銷之間安裝有彈簧，通過彈簧的拉力使得外殼以下部分回到原位。

圖5 移液器結(jié)構(gòu)

圖6 活塞剖面

由于該工作站處理的樣品均為液體，需要保證液體吸取和液體排放的精度，防止液體的泄露，因此對密封性能有較高的要求。通常采用密封圈進行密封處理。本文在移液槍頭和套筒中都設(shè)置有O 型密封圈。當(dāng)槍頭進入套筒時，安裝在槍頭上的密封圈在摩擦力的作用下會發(fā)生變形，更緊貼套筒內(nèi)壁，提高了密封性能，保證了槍頭在運動過程中的穩(wěn)定性。圖6 為活塞與套筒密封結(jié)構(gòu)圖，塑料套安裝在套筒架上，在套筒架上方安裝活塞架，活塞架的內(nèi)部安裝活塞，活塞的外壁和塑料套的內(nèi)壁進行面面接觸，由于兩者在運動過程多次摩擦，長時間工作后，磨損加劇，面面接觸失效，導(dǎo)致密封失敗，因此在塑料套的外側(cè)安裝彈性圈，當(dāng)磨損加劇之后，在彈性圈自身彈力的作用下，將塑料套向內(nèi)推，進一步補償磨損量，讓活塞和套筒一直保持面面接觸，保證密封效果。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種具有8 通道的自動化液體處理工作站，通過機械臂以及移液模塊保證移液的精度和效率，該工作站該可進行液體樣品的轉(zhuǎn)移、稀釋、定容、添加等，減少手工轉(zhuǎn)樣的人力投入及出錯風(fēng)險。