注射液杂质智能灯检机关键模块设计及仿真

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图 2 夹具组件结构示意图 1.夹具 2.弹簧 3.支柱固定夹 4.细长杆 5.凸轮轴承跟随器
3.2 回转机构的设计及分析
（a ） 灯检机实验样机结构示意图
进 瓶 不合 格品 合格品 出瓶
根据注射液图像采集的要求，需设计一个回转机构带动玻 璃瓶一起转动， 且机构带动玻璃瓶转动时， 保证能拍摄到全瓶。 回 外部套筒和承载玻璃瓶 转组件主要包括与同步带接触的摩擦轮、 的回转阶梯轴， 结构如图 3 所示。
1 引言
注射液产品包装、灌装流水线上的质量检测是医药生产中 最重要的环节之一， 而注射液微小杂质颗粒的检测是整个医药包 灌装流水线质量检测中最困难的课题之一。注射液中的微粒 装、 一般有： 纤维、 玻璃屑、 颗粒、 橡皮屑及毛发等[1]。 《中国药典》 规定， 在生产过程中， 要对输液逐瓶进行可见异物检查[2]。 由于关系到患 者的健康和生命安全， 医用注射液一般质量要求很高， 如果存在 目前许多医药生产厂家 直径 15μm 左右的杂质则会认为不合格。 都采用人工灯检[3]的方式。 这样的检查方法不仅劳动强度大， 工人 国外一些 易疲劳， 而且检测结果不稳定， 检测方法和标准不统一。 研究机构和医疗器械公司已经做过一些研究工作[4-5]， 国内少数医 疗器械公司引进的这方面进口设备不仅价格昂贵， 而且检测结果 不理想[6]。 所以， 研制适合我国制药标准和生产环境的检测设备具 有十分重要的现实意义。 对灯检机机械系统关键部分进行设计与 分析。并运用 CAD 和 ADAMS 软件建立了灯检机实验样机的虚 拟样机， 并采用 ADAMS 实现运动仿真。 该设备在采集图像时， 能 很好的解决回转机构同轴问题、 防止玻璃瓶破损以及实现自动夹 持和松开不同型号玻璃瓶等关键问题， 对后续流水线式检测机的 设备研发和图像处理打下了基础。
＊来稿日期： 2011-07-07 ＊基金项目： 深圳市科技计划项目 （JC201005280629A ） ， 深圳市精密工程重点实验室资助 （CXB201005250018A ）
第5期
张家访等： 注射液杂质智能灯检机关键模块设计及仿真
25Leabharlann 工作时，通过控制伺服电机的启动与停止来控制各机构的 运动。首先， 夹具组件中的凸轮轴承跟随器通过支柱固定夹带动 夹具上升至合适高度 （视被检玻璃瓶高度确定 ） ， 保证玻璃瓶能放 同时夹具下降 置到检测区。接着将玻璃瓶置于回转机构中心处， 并夹持玻璃瓶瓶口且利用压缩弹簧力顶住玻璃瓶， 完成对玻璃瓶 的夹紧。通过控制夹具上升与下降的高度， 可以实现对不同高度 松开玻璃瓶的目的。 然后启 型号玻璃瓶的检测， 并达到自动夹持、 动伺服电机带动同步带轮，通过同步带轮组件带动回转机构转 动， 此时玻璃瓶随回转机构一起转动， 并带动玻璃瓶中杂质浮动 起来。 当玻璃瓶转速达到一定的转速， 伺服电机停止， 玻璃瓶停止 转动时， 玻璃瓶中的杂质仍随液体在做旋转离心运动， 此时即可 最后对图像进行分析处理， 检测出 通过 CCD 相机进行图像采集。 注射液合格与否， 并自动分类剔除不合格品。
3 主要工作部件设计
玻璃瓶的尺寸是灯检机机械系统主要工作部件设计的依 据， 因此必需先选取玻璃瓶型号。 注射液安培瓶的容量一般为 （1～ 25 ） ml， 参照各种容量安培瓶的型号要求， 以不同安培瓶直径及高 度尺寸， 作为夹具及回转机构设计的依据。该设备检测玻璃瓶的 尺寸范围为： 瓶身直径为 （18～42 ） mm， 瓶颈直径为 （10～30 ） mm， 玻 璃瓶高度为 （60～110 ） mm。
2.2 灯检机工作原理
输液中的可见异物在静止时， 一般沉在瓶底， 不便实现自动 检测。 为了能够搅动起药液中的异物[7]， 设计了带动玻璃瓶转动的 回转机构和夹持玻璃瓶的夹具， 使玻璃瓶随回转机构转动。这样 玻璃瓶底部的小异物便被搅动起来， 并随玻璃瓶一起做离心旋 转， 使采集到的杂质图像数据完整。
3.3 同步带轮组件设计
同步带轮组件主要由同步带轮、 同步带、 同步惰轮、 传动轴和 联轴器等组成， 如图 4 所示。 同步带轮组件结构， 如图 4 所示。 考虑 到同步带与回转机构摩擦轮的摩擦力，该设备将同步带轮组件与 电机设计成能安装在同一块板 4 上的独立模块，板 4 横向移动时 并可带动同步带轮组件横向移动，这样可以控制同步带与回转组 电机和同步带轮组件安装在板 4 上， 板 4 可以 件摩擦轮的摩擦力。
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文章编号： 1001-3997 （2012 ） 05-0024-03
机械设计与制造 Machinery Design ＆ Manufacture
第5期 2012 年 5 月
注射液杂质智能灯检机关键模块设计及仿真 *
2 3 3 张家访 1， 袁清珂 1 王 肇 2， 卢宗庆 2， 李 坡 2 王广凯 1 （1 广东工业大学 机电学院， 广州 510006 ） （2 中国科学院 深圳先进技术研究院， 深圳 518055 ） 3 香港 ） （ 香港中文大学，
Design and simulation for key module of automatic pharmaceutical liquor inspection machine
2 3 3 ZHANG Jia-fang1， ， YUAN Qing-ke1， WANG Zhao2， ， LU Zong-qing2， ， LI Po2， WANG Guang-kai1 （ School of Mechatronic Engineering， Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006， China ） 2 （ Shenzhen Institutes of Advandced Technology， Chinese Academy of Sciences， Shenzhen 518055， China ） 3 Hongkong， China ） （ The Chinese University of Hongkong， 1
在板 3 上左右移动一定距离， 以控制同步带与回转机构摩擦轮的 接触力， 保证回转机构不因载荷过大而损坏， 使传动平稳可靠。板 4 材质采用铝合金 6061， 长 250mm， 宽 145mm， 厚度为 10mm。
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（a ）
（b ） 图 6 果灯检机工作过程仿真
（c ）
4.3 玻璃瓶与回转机构仿真结果分析
3.1 夹具组件的设计及分析
夹具组件主要包括夹具、 压缩弹簧、 支柱固定夹、 细长杆和 凸轮轴承跟随器等， 如图 2 所示。凸轮轴承跟随器通过支柱固定 夹带动细长杆作上下运动， 夹具随细长杆运动， 这样可以实现自 松开玻璃瓶， 并可检测不同高度的玻璃瓶。 通过控制弹簧 动夹持、
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机械设计与制造
No.5 May.2012
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（b ） 流水线式灯检机关键部分简化示意图 图 1 灯检机结构示意图 1.电机模型 2.支撑框架 3.回转组件 4.平板光源 5.夹具组件 6.同步带轮组件 D 相机 8.支撑脚
图 3 回转组件结构示意图 1.摩擦轮 2.外部套筒 3.回转阶梯轴
通过受力计算得出，玻璃瓶与回转阶梯轴的摩擦力 F1= 8.5N， 摩擦轮与同步带的摩擦力 F2=15N。为减小摩擦力矩对回转 阶梯轴转动的影响，在此并列使用两个深沟球轴承来减小其力 矩。综合考虑， 最终选取深沟球轴承 6901。回转阶梯轴与玻璃瓶 底部配合， 为使 CCD 相机拍摄到玻璃瓶的全瓶， 把配合面设计成 一个 （0.3×45 ） °的倒角凹槽。
力大小和夹具上下运动的速度，可以保证玻璃瓶不被破碎。 夹 具内部设计成梯形形状，以便夹具与玻璃瓶接触时容易同轴， 减 少了玻璃瓶转动时的晃动。夹具尺寸视被检玻璃瓶的尺寸而定， 夹具组件中弹 调换夹具并可实现对不同瓶颈直径玻璃瓶的检测。 ） mm。且通过受力计 簧选取分析： 被检玻璃瓶的高度为 （60～110 算，除夹具组件重量外还需要作用大于 7N 的弹簧力在夹具上， 综合考虑最终选取的压缩弹簧主要参数 才能使夹具夹紧玻璃瓶。 压缩量为 100mm， 弹簧系数为 0.3N/mm， 为： 弹簧长度为 200mm， 最大弹簧力为 37.4N。
2 智能灯检机机械系统的关键检测模块 结构和工作原理简介
2.1 灯检机机械系统的关键检测模块结构
注射液杂质检测系统采集到的图像应该清晰准确，因此合 针对实际生产 理的设计图像采集系统的机械传动部件十分关键。 （a ） 所示。实验 调研总结， 设计了灯检机实验机样机结构， 如图 1 机样机主要是验证灯检机机械传动关键部件设计的合理性， 为后 续流水线式灯检机的研发和图像算法的开发打下基础， 后续流水 线式灯检机关键部分的简化示意图， 如图 1 （b ） 所示。灯检机由支 撑框架、 同步带轮组件、 回转机构组件、 夹具组件、 CCD 工业相机 和平板光源等部分组成， 如图 1 （a ） 所示。夹具部分可作上下垂直 运动， 回转机构可带动玻璃瓶一起作回转运动。通过调换夹具和 回转机构的回转阶梯轴可实现对不同型号玻璃瓶的检测。
【摘 要】针对注射液杂质全自动智能灯检机中检测平台的核心运动单元的设计进行了详细的论 述， 并详细介绍了灯检机的工作原理。为了采集到准确清晰的注射液杂质图像， 对灯检机机械系统中检 测平台的关键检测模块进行设计与分析， 其主要包括回转组件、 夹具组件和同步带轮组件等关键部件。 综合应用三维实体造型 CAD 软件和机械系统动力学分析软件 ADAMS 建立了所设计的灯检机的虚拟 样机， 并通过初步运动仿真分析， 验证了所设计机构的合理性以及该设计的意义。 关键词： 灯检机； 玻璃瓶； 设计； 仿真 【Abstract】The design of core motion unit of inspection platform for auto inspecting injecta impurity is expounded in detail， and the work principle of inspection machine as well.In order to capture high quality some critical inspecting modules in inspection platform of this and stable images of the injecta impurity， machine were designed and analyzed, including mainly rotation module， clamp module and synchronous pulley module etc.Then a virtual prototype of the machine was established by using 3D solid modeling soft－ ware CAD and mechanical system dynamics analysis software ADAMS.Through simulating and analyzing the preliminary motion， the rationality and significance of the design are verified. Key words： Inspection machine； Ampulla； Desing； Simulation 中图分类号： TH16， TN247 文献标识码： A