一種預灌封插針自動化系統(tǒng)的研制

羅 堅，周大威，耿傳熙，張加杰，阮蒙宇

（邁得醫(yī)療工業(yè)設備股份有限公司，浙江 臺州 317600）

預灌封注射器廣泛應用于生物制品、生化類產(chǎn)品、抗血栓藥、美容產(chǎn)品等產(chǎn)品的包裝。因其體積小，便于攜帶，能夠可靠地提供精確的藥物劑量且污染風險低等優(yōu)點，近年來預灌封注射器在醫(yī)藥市場的需求急劇增長[1]。預灌封注射器一般為組合件，主要由管套、活塞、推桿、錐頭和護帽組成，帶注射針的為針頭嵌入式，由針管、針頭護帽、活塞和推桿組成。

目前針頭嵌入式預灌封注射器在裝配過程中存在以下問題：針和針筒是靠膠水黏結(jié)的，一般上針機構(gòu)都是針自由落體通過合模板然后掉入針筒內(nèi)。但是該設計要求針筒內(nèi)是有托針的結(jié)構(gòu)，一般有2 種設計。

一種是針筒物料本身就設計成托針形式，如圖1所示。但是物料的批量制造成型存在尺寸誤差，針筒是玻璃加熱時中間插入鎢絲來開內(nèi)孔的，針筒內(nèi)徑為Φ0.6 mm，下方托針口為Φ0.4 mm，要求鎢絲最小直徑要小于0.4 mm，小直徑的鎢絲很容易損壞，需要經(jīng)常更換，耽誤生產(chǎn)時間，批量制造成本增加，因此預灌封一般都為通孔。第二種為載具上有臺階頂著針筒與針，但是載具結(jié)構(gòu)伸入針筒內(nèi)部會造成污染，存在風險。

1 設備的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 預灌封插針工藝要求

預灌封插針機是靠載具上的夾爪一起抓著針和針筒，后續(xù)進行點膠黏結(jié)。插針要求如下：針進入針筒的深度為7 mm，針與針筒最終垂直度不得超過2°；內(nèi)孔上方有倒角，針筒內(nèi)孔為Φ0.6 mm，實際以Φ0.6 mm限位針的深度只有5 mm，針的直徑為0.5 mm。由此可見針只要插入針筒內(nèi)，即可達到垂直度要求。因針筒入口有較大倒角，所以插針的精度不局限在（0.6－0.5）/2=±0.05 mm。實驗驗證，針有韌性能夠稍稍彎曲，且插針夾爪會換手給保持針的夾爪，針的彎曲會恢復，實驗得出針在偏離針筒中心0.35 mm 后無法進入針筒內(nèi)部。所以要想插針成功，插針時針與針筒中心的位置不得偏離0.35 mm。

1.2 預灌封插針機結(jié)構(gòu)設計

為完成最后的插針動作，要保證針筒的夾爪及插針的夾爪重復精度要高。根據(jù)工藝要求設計了一款超高精度的手指夾，結(jié)構(gòu)如圖2 所示。夾持重復精度達到±0.01 mm，同時用于保持針筒、保持針、插針用。夾持部分的結(jié)構(gòu)設計采用夾爪方式夾緊及保持物料垂直度，夾爪無氣管電線連接，采用彈簧力機械開夾的方式，在實現(xiàn)物料夾緊的同時不影響物料進行環(huán)形移栽。

圖2 物料夾持方式

夾爪分為夾頭、開閉關節(jié)、彈簧及拉桿幾個部分，開閉結(jié)構(gòu)采用凸輪結(jié)構(gòu)[2]，開閉關節(jié)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 開閉關節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖

往右拉動拉桿，夾頭在彈簧1 的作用下打開，松開拉桿，在彈簧2 的作用下拉桿回縮，夾頭夾緊。夾頭分為3 種形式，即針筒夾頭、針管夾頭和插針夾頭。針管夾頭采用平面夾的方式，因插針夾爪已定位好針管位置，該夾爪只需扶持針管，采用平面夾減少了傷針風險，降低了加工難度，與開閉關節(jié)零件做成一體，簡化了零件結(jié)構(gòu)；針管夾頭采用V 口夾，定位針管位置，因兩邊V 口夾為支點開閉形式，所以針筒外徑誤差會影響針筒的定位位置，已知針筒外徑誤差為直徑（10.85±0.10）mm，按物料最大尺寸和最小尺寸分別進行夾持位置狀態(tài)模擬，得出物料位置偏差為±0.016 mm。

1.3 預灌封插針動作分析

將針在放針板上鋪上一層，然后靠頂針片從下方將針頂起，頂針片上的凹槽只能容許有1 根針存在，這樣就把針從一層針內(nèi)單獨分出。頂針片向上運動，將針頂?shù)缴戏降奈槈K上，頂針片下方有彈簧浮動結(jié)構(gòu)，可以確保針接觸到吸針塊，提高吸針合格率，如圖4 所示。

圖4 吸針結(jié)構(gòu)

針被吸在吸針塊上后，頂針片下降脫離開，吸針塊通過旋轉(zhuǎn)機構(gòu)旋轉(zhuǎn)85°將針變?yōu)榇怪庇卺樛玻缓蟛遽槉A爪將針夾住，旋轉(zhuǎn)吸針機構(gòu)旋轉(zhuǎn)回原位，如圖5所示。

圖5 旋轉(zhuǎn)吸針機構(gòu)

插針夾爪下方有個定尾端的平面伸出，插針夾爪下降讓針尾端直接接觸平面直到所有針的尾端都保持在1 個平面上。插針夾爪上升，定尾端的平面縮回。載具上的針管夾頭打開，插針夾頭將針插入針筒，針管夾頭關閉將針保持住，插針夾頭打開上升，整個插針動作完成，如圖6 所示。

圖6 插針動作示意圖

2 插針機控制系統(tǒng)設計

2.1 控制系統(tǒng)整體設計

整套控制系統(tǒng)的任務是采用直線電機運動控制算法對注射筒體進行有序搬運[3]，將產(chǎn)品運輸?shù)礁鱾€組裝檢測工位，進行有序組裝，對產(chǎn)品進行檢查，根據(jù)檢查數(shù)據(jù)將產(chǎn)品進行有序區(qū)分。通過觸摸屏對程序進行監(jiān)控，實施傳輸生產(chǎn)運行狀態(tài)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、產(chǎn)品信息等內(nèi)容，并進行型號切換等人機操作。整機控制流程如圖7 所示。

圖7 整機控制流程圖

2.2 PLC 控制系統(tǒng)

本設備整體以PLC 為控制核心，IPC（Industrial Personal Computer）作為上位機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，完成直線電機運動控制、伺服氣缸搬運、機器人自動抓取等功能，控制系統(tǒng)硬件布局如圖8 所示。核心的功能在于直線電機的多軸伺服運動定位控制[4]，實現(xiàn)任意位置停止，任意中心距調(diào)節(jié)生產(chǎn)，大大提高了載具的運行速度和生產(chǎn)效率。

圖8 控制系統(tǒng)硬件布局圖

2.3 人機界面設計

本設備使用Proface 觸摸屏和NetScada 上位機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過與PLC 和機器人進行組態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)設備的運行監(jiān)控及操作[5]。根據(jù)設計的實時性原則，觸摸屏以自動運行畫面為主畫面，配有配方選擇畫面、模式功能選擇畫面、參數(shù)設定畫面、手動操作畫面和報警畫面等模塊組成。人機界面主畫面如圖9 所示。

圖9 人機界面主畫面

3 結(jié)論

本設備通過插針夾爪和吸針結(jié)構(gòu)設計，結(jié)合預灌封針頭裝配工藝，實現(xiàn)了全自動裝備機構(gòu)方案的設計，同時，通過采用高速磁懸浮直線電機和伺服力矩控制實現(xiàn)了高速高質(zhì)量預灌封針頭的裝配生產(chǎn)，為醫(yī)用針頭裝配工藝提供了很好的實驗和中試的驗證基礎。