軟導(dǎo)管與PVC接頭組裝裝置的設(shè)計與試驗

黃 增 鄧桂丹 黃華椿 蘇 茜*

（1.廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械工程學(xué)院，南寧 530007；2.廣西大學(xué) 機械工程學(xué)院，南寧 530004）

軟導(dǎo)管和醫(yī)用聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride，PVC）接頭是一次性輸液器等醫(yī)用耗材中不可或缺的一部分[1-2]。軟導(dǎo)管在整套耗材中起到輸送通道的作用，接頭則起到分流或者合流的作用[3]。調(diào)研顯示，目前軟導(dǎo)管與接頭的組裝工作普遍依賴于人工手動組裝。這種生產(chǎn)方式主要存在兩個缺陷。一方面，效率低。導(dǎo)管為軟質(zhì)塑料，管壁薄且體積較小，醫(yī)療接頭形狀不規(guī)則，體積小不易于夾持。加上軟導(dǎo)管外徑尺寸與接頭內(nèi)孔尺寸之間的差值是微米級的，導(dǎo)致組裝效率低。另一方面，易造成污染。由于依靠大量人工生產(chǎn)，容易導(dǎo)致產(chǎn)品的二次污染，如毛發(fā)、異物等。

為了解決這一難題，學(xué)者們對此開展了大量研究。例如：章小彬等設(shè)計了一種輸液器導(dǎo)管與三通管的組裝裝置，解決了現(xiàn)有輸液器導(dǎo)管與三通管組裝精度不佳的問題[4]。劉鐘元等設(shè)計了一種可增加產(chǎn)能的醫(yī)用輸液器組裝流水線[5-6]。馬敏等設(shè)計了一種滴斗二通組裝裝置，利用二通高速旋轉(zhuǎn)過程中與滴斗內(nèi)壁摩擦產(chǎn)生熱量使二通及滴斗內(nèi)壁表面熔化，從而實現(xiàn)二通和滴斗熱熔固定[7]。李艷偉等設(shè)計了一種輸液器短管與三通管的組裝生產(chǎn)線，在正位、旋轉(zhuǎn)、移運等操作過程中平穩(wěn)性好，操作準確度高[8]。但是，上述學(xué)者設(shè)計的裝置對導(dǎo)管外徑與接頭內(nèi)徑的對中性要求非常高，依然未能擺脫軟導(dǎo)管與接頭的高難度定位問題。此外，郭春裕等針對軟管接頭的檢測速度慢和檢測精度低等問題，提出一種基于機器視覺可視化檢測系統(tǒng)的設(shè)計方案，實現(xiàn)了軟管接頭的自動檢測功能[9]。豐波等針對一次性輸液器的檢測與包裝因由工人手工完成而存在效率低、成本高、誤檢和漏檢等問題，開展了一次性輸液器自動總裝配裝置自動控制系統(tǒng)的研制工作[10]。這些學(xué)者的研究側(cè)重點在智能檢測，在于對已完成黏接組裝的產(chǎn)品進行下一道自動檢測工序。

軟導(dǎo)管與接頭的黏接組裝作為醫(yī)用耗材組裝生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，其組裝質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到病人的生命安危[11-12]。人工裝配普遍存在生產(chǎn)效率低、成本高、容易產(chǎn)生污染源等缺點，因此自動化裝配取代人工裝配是未來醫(yī)療耗材裝配技術(shù)必然的發(fā)展趨勢[13-14]。研究從產(chǎn)品功能需求出發(fā)，開發(fā)了一種軟導(dǎo)管與醫(yī)用PVC接頭自動黏接組裝裝置。裝置集成了縮管機構(gòu)和螺旋插裝機構(gòu)，可極大降低定位對中難度和插裝難度，采用旋轉(zhuǎn)插裝技術(shù)實現(xiàn)了膠水的均布涂抹，保證了產(chǎn)品的氣密性，并通過可行性樣機試驗評估了裝置的組裝效率和組裝質(zhì)量。

1 軟導(dǎo)管與接頭組裝裝置的設(shè)計

裝置可以兼容多種規(guī)格型號的接頭，兼容多種醫(yī)療耗材配件的黏接組裝。下文以軟導(dǎo)管與T形三通接頭的黏接組裝為例進行介紹。

1.1 功能需求

軟導(dǎo)管和T形三通接頭如圖1所示。經(jīng)測量得知，軟導(dǎo)管的外徑尺寸為4.00 mm±0.03 mm，壁厚為0.50 mm±0.02 mm，T形三通接頭的內(nèi)孔尺寸為4.00 mm±0.03 mm。顯然，軟導(dǎo)管與接頭屬于過渡配合類型。由于導(dǎo)管材料偏軟且壁薄，若采用常規(guī)的定位方法，要想實現(xiàn)軟管與接頭的快速精準插裝難度大。因此，裝置的核心功能就是代替人工在軟導(dǎo)管外周涂抹膠水后再插入T形三通接頭，降低接頭的排序與傳送工作，使得常見的輔助機構(gòu)即可完成。

圖1 軟導(dǎo)管和T形三通接頭

1.2 總體結(jié)構(gòu)布局

總體結(jié)構(gòu)布局如圖2所示。軟導(dǎo)管與接頭自動黏接組裝裝置主要包括底板、接頭夾具、涂膠模塊、軟導(dǎo)管輸送與張緊裝置和軟導(dǎo)管插裝裝置。軟導(dǎo)管插裝裝置包括縮管機構(gòu)和插裝機構(gòu)。直線導(dǎo)軌副沿X軸方向布置在第二臺板上，機座固定在直線導(dǎo)軌副的滑塊上。縮管機構(gòu)和插裝機構(gòu)均安裝在機座上。接頭夾具沿X軸方向布置在縮管機構(gòu)的正前方。軟導(dǎo)管輸送與張緊裝置沿X軸方向布置在縮管機構(gòu)的正后方。

圖2 軟導(dǎo)管與醫(yī)用PVC接頭自動黏接組裝裝置

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.3.1 縮管機構(gòu)的設(shè)計

軟導(dǎo)管縮管機構(gòu)主要包括縮管夾、立板和第三直線模組，如圖3所示?？s管夾包括上夾、下夾和縮管夾驅(qū)動模塊。縮管夾的下夾和上夾分別有一個向上開口的U形槽和向下凸出的V形凸塊。U形槽的寬度小于軟導(dǎo)管的直徑，這是為了將軟導(dǎo)管的直徑通過擠壓的方式進行壓縮減小?？s管夾驅(qū)動模塊包括上下兩個沿Y軸方向豎立布置的手指氣缸?？s管夾的上夾和下夾之間裝有上下夾扣合間距的調(diào)節(jié)螺釘。此螺釘?shù)挠猛臼钦{(diào)整V形爪的最終下降高度，即控制軟導(dǎo)管直徑在Z軸方向上的被壓縮深度。

圖3 縮管機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

軟導(dǎo)管在縮管夾上夾爪V形凸塊的擠壓下，先被壓到下夾U形槽的底部，而后逐漸被V形凸塊壓扁，最后達到向下凹陷的效果，如圖4所示。U形槽的寬度約為3.80 mm，在U形槽和V形凸塊的共同擠壓下，最終軟導(dǎo)管的橫向?qū)挾瓤s減至3.80 mm，豎向高度小于3.80 mm。被縮減尺寸后的軟管在與內(nèi)孔直徑為4.00 mm的接頭組裝時，兩者的對中性和定位難度大大減小，使得軟導(dǎo)管可以快速便捷地精準插入接頭內(nèi)孔。此縮管機構(gòu)縮減軟導(dǎo)管外周尺寸的功能是本裝置的核心亮點。

圖4 軟導(dǎo)管直徑縮減過程圖

1.3.2 旋轉(zhuǎn)插裝機構(gòu)的設(shè)計

設(shè)計中，旋轉(zhuǎn)插裝機構(gòu)主要包括旋轉(zhuǎn)模塊和移動模塊。這兩個模塊均由電機驅(qū)動，如圖5和圖6所示。旋轉(zhuǎn)模塊包括中通式三爪氣缸、主動圓柱齒輪和被動圓柱齒輪。中通式三爪氣缸沿X軸方向布置在被動圓柱齒輪的后方，固定在被動圓柱齒輪上且與其同軸。被動圓柱齒輪的輪轂由機座上的軸承座支承。移動模塊的錐齒輪軸沿Y軸方向布置，錐齒輪軸的中部由機座上的軸承座支承，錐齒輪軸前端的被動錐齒輪與主動錐齒輪嚙合，后端的齒輪軸與齒條嚙合。齒條沿X軸方向固定在支座的頂部，支座的下端固定在臺板上。

圖5 旋轉(zhuǎn)插裝機構(gòu)結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)插裝機構(gòu)的工作分兩步進行。第一步，在縮管機構(gòu)對軟導(dǎo)管進行縮管后，電機上的主動錐齒輪通過被動錐齒輪帶動錐齒輪軸轉(zhuǎn)動。錐齒輪軸后端的齒輪軸在齒條上滾動，帶動機座沿X軸負方向運動，將已縮減了外周尺寸軟導(dǎo)管前端輕易地插入T形三通接頭的內(nèi)孔，插入深度約為1 mm。第二步，待點膠槍的出膠口搭接到軟導(dǎo)管的外表面后，電機繼續(xù)轉(zhuǎn)動。主動錐齒輪通過被動錐齒輪帶動錐齒輪軸轉(zhuǎn)動的同時，主動圓柱齒輪帶動被動圓柱齒輪和中通式三爪氣缸勻速轉(zhuǎn)動，使三爪氣缸在轉(zhuǎn)動的同時沿X軸方向移動，即以螺旋進給的方式逐漸將軟導(dǎo)管的前端插到T形三通接頭的孔底。一方面可以將膠水涂抹均勻，另一方面是涂抹均勻膠水充當(dāng)潤滑劑的作用，減少軟管插裝的阻力。因為軟管材料很軟且黏性大，若沒有涂抹均勻膠水充當(dāng)潤滑劑，則組裝過程中容易出現(xiàn)因阻力（摩擦力)過大而導(dǎo)致組裝失敗的情況。

圖6 旋轉(zhuǎn)插裝機構(gòu)實物圖

1.3.3 軟管張緊與輸送機構(gòu)及其他輔助機構(gòu)的設(shè)計

軟導(dǎo)管張緊與輸送機構(gòu)主要由裁剪模塊和張緊模塊組成，分別如圖7和圖8所示。其中：張緊模塊包括3個氣動夾、導(dǎo)向支架和推力滾輪；氣動夾2包括V形夾口和平夾口；裁剪模塊包括豎直固定在支架上的三桿氣缸和氣動剪。氣動剪固定在三桿氣缸活塞桿的頂端，剪刀口朝下。

圖7 軟管張緊與輸送機構(gòu)

圖8 其他輔助機構(gòu)

氣動夾1先夾緊軟導(dǎo)管，氣動夾2的上夾和下夾合攏，夾緊軟導(dǎo)管，在上夾下降的過程中帶動推力滾輪下降。因為壓簧1的彈力大于壓簧2的彈力，所以推力滾輪下端的滾輪推動立板的斜面凸臺，使得立板帶動氣動夾沿X軸的負方向移動，利用壓簧1的彈力將軟導(dǎo)管拉緊、拉直。軟導(dǎo)管拉緊、拉直后，單桿氣缸將氣動夾沿Y軸方向推出，氣動夾夾緊軟導(dǎo)管。氣動剪由三桿氣缸帶動下行，最后氣動剪將軟導(dǎo)管剪斷，至此軟管輸送裝置完成一個周期的工作任務(wù)。

此外，本裝置還設(shè)有點膠裝置。點膠裝置包括點膠槍和三桿氣缸。點膠槍固定在連接板的上端，并由三桿氣缸活塞桿帶動，其中三桿氣缸固定在機架臺板上。點膠槍與水平面的夾角為30°，槍頭靠近接頭夾具。待縮管機構(gòu)將軟導(dǎo)管的直徑縮減和旋轉(zhuǎn)插裝機構(gòu)完成導(dǎo)管的預(yù)插裝工作后，三桿氣缸收縮，驅(qū)動點膠槍下降，點膠槍的出膠口剛好搭在軟導(dǎo)管鄰近接頭部位的外表面進行注膠。

2 樣機試驗

為了驗證軟導(dǎo)管與醫(yī)用PVC接頭自動黏接組裝裝置的可行性和合理性，以T形三通接頭的黏接組裝模塊為實驗對象進行樣機制造和試驗。根據(jù)行業(yè)標準可知，組裝后的軟管與接頭之間需要進行拉拔力測試，通過測試后才能進入下一步的消毒滅菌。拉拔力測試標準為黏接穩(wěn)固后可承受25 N以上的拉拔力且維持15 s不脫膠。基于此，對本裝置組裝后的產(chǎn)品進行拉拔力測試，測試結(jié)果如表1所示。由表1可知，黏接組裝完成的樣品中依然有一些樣品無法通過拉拔力測試，原因可能是插裝速度太快，膠水涂抹不均勻。雖然軟導(dǎo)管已經(jīng)插入接頭內(nèi)孔，但是因膠水涂抹不均出現(xiàn)了固化過程的側(cè)負荷，導(dǎo)致出現(xiàn)不均勻收縮，致使拉拔力測試無法滿足要求。

表1 拉拔力測試結(jié)果表

插裝速度太快會導(dǎo)致組裝后的產(chǎn)品無法滿足拉拔力測試要求，而插裝速度太慢則會導(dǎo)致工作效率太低。為了獲取最合理的插裝速度，分別選取5組不同的插裝速度進行試驗，試驗結(jié)果如表2所示。由表2可知：當(dāng)速度低于6 mm·s-1時，軟導(dǎo)管與接頭的組裝合格率均為96.66%；當(dāng)速度升高10 mm·s-1時，組裝合格率降低到86.66%，一是插裝速度太快導(dǎo)致膠水涂抹不均，二是導(dǎo)管材質(zhì)偏軟，插裝速度太快容易造成軟管在插裝的過程中出現(xiàn)軟管與接頭內(nèi)壁的摩擦阻力大于插入力而出現(xiàn)軟管折疊問題，繼而導(dǎo)致軟管無法插到接頭孔底?？梢?，宜選擇6 mm·s-1的插裝速度。

表2 不同插裝速度下的組裝效果

從整體效率分析來看，組裝一個T形三通接頭，若采用本裝置可以實現(xiàn)3個孔位同時組裝，總耗時約為10 s，相比較人工而言，效率提高了40%，組裝的合格率（即拉拔力測試）比人工提高了20%。此外，本裝置涂抹膠水更加均勻，可以減少固化過程的側(cè)負荷和不均勻收縮，用膠量也可以精準控制。最后，通過試驗得知6 mm的插裝速度最合理，組裝的產(chǎn)品合格率達到96.66%。

3 結(jié)論

針對軟導(dǎo)管與醫(yī)用PVC接頭的組裝工作因嚴重依賴于人工手動黏接組裝而普遍存在效率低、易造成污染、品質(zhì)難保證和人工成本高等問題，設(shè)計了一種可降低定位對中難度和插裝難度的軟導(dǎo)管與接頭自動組裝裝置，優(yōu)勢在于4個方面。

（1）縮管機構(gòu)可對軟導(dǎo)管進行縮管處理，縮減軟管外徑尺寸，解決軟導(dǎo)管與接頭端口中心難以定位的難題。這一難題是目前國內(nèi)各大輸液器廠家難以開發(fā)全自動輸液器組裝機器的首要原因。

（2）該裝置采用的旋轉(zhuǎn)插裝方案和螺旋涂膠方法可保證合理的涂膠厚度，充分減少固化過程的側(cè)負荷，減少不均勻收縮和拉力測試中的高標準偏差。

（3）可以實現(xiàn)軟導(dǎo)管與醫(yī)療接頭三孔同時插裝、三孔膠水同步固化的效果，總耗時約為10 s。相比較人工而言，它的效率提高了40%。

（4）人工組裝的產(chǎn)品合格率約為90%，本產(chǎn)品可提高到95%以上。