自動槍頭裝盒設備的設計及開發研究*

崔雅琦，張 娜，田淮仲，禹曉瑛，邢玉薪，楊 艷

(1.太原科技大學 化學與生物工程學院，山西 太原 030024；2.太原科技大學 機械工程學院，山西 太原 030024；3.太原科技大學 經濟與管理學院，山西 太原 030024)

0 引言

移液槍是生物、制藥、環境、食品等工程實驗操作過程的必備操作器材之一，由于其具有量程精確、無菌、操作簡便等特點得到廣泛應用。在具體實驗操作過程中，移液槍的槍頭使用效率較高，且多為一次性耗材用品。為保證實驗過程的無菌性、操作便捷性等，需要實驗操作人員提前手動裝盒并高壓滅菌，因此，配套槍頭盒的預準備工作成為實驗操作人員必須完成的一項繁瑣且耗時的工作。

目前Eppendorf公司、上海生物工程有限公司、蘇品公司等均生產有無酶無熱原盒裝槍頭產品，但是價格高；同時這一類原裝槍頭在產品制造、運輸等過程中，不可避免地會出現成本上升、有機垃圾排放等現實問題，使其較難得到大眾實驗室的認可。

融合傳統機械制造與現代智能創新技術，著力于移液槍的實際使用過程，本文開發了一款占地面積小、操作方便的小型智能移液槍頭裝盒設備。

1 裝盒設備機械結構整體設計

1.1 裝盒設備外觀設計

本設備具有箱體小巧、關鍵裝配部件層次感強、滑桿推動配件圓滑等特點。設備主體為臺式機，機體尺寸為500 mm×400 mm×500 mm；箱體制作材料選用ZG230-450；內部主件材料為PA66聚酰胺樹脂。

1.2 槍頭裝盒方式的設計

槍頭轉移和分配是本設備的核心操作環節。其中設計對象——移液槍槍頭的特點為：旋轉體式特殊定向結構，槍頭頂部為六棱形豎向筋條，下部為圓錐型吸嘴(見圖1)。不同型號槍頭特征尺寸見表1。

表1 不同型號槍頭尺寸 mm

圖1 槍頭與槍頭盒

槍頭盒品種較多，以海門市峰益實驗器材廠10 μL槍頭對應吸頭盒為例，其具體尺寸為：孔數量96個，排布規格(8×12)。對比其他型號槍頭盒，發現不同型號槍頭盒尺寸均不同(見表2)，但是排布規則。

表2 不同型號槍頭盒尺寸 mm

2 具體裝盒方案及關鍵部件設計

該裝盒設備的主要工作組件為傳送驅動組件、電機驅動組件、槍頭分選組件及智能數控板。

2.1 裝盒方案

完整的裝盒原理及流程如圖2所示，可分為以下五步:①槍頭倒入箱體上部料斗盒，啟動電機；②履帶移動，重力分選，在合適的振動頻率下，槍頭沿履帶傳送方向滑動，當移動到末端時受阻力作用，槍頭依次單層排列，并滑落于滑筒；③槍頭滑落至出口處，由傳感器檢測插入式夾板移動坐標點，等待下一步；④移動桿末端有多個具有彈性的錐形收集槽，錐形收集槽下出口小，且有彈性，移動桿移動到長滑道處，滑落運動使槍頭掉落至錐形槽內，傳感器感應槍頭排列及底部盒底溝信號后，移動桿定位至槍盒上方，推送桿下壓槍頭，使其墜落到盒體內，完成一次裝盒；⑤傳感器檢測，待全部裝完，啟動下方履帶，將裝滿槍頭的盒體送出。

圖2 自動裝盒工作原理及流程

2.2 部件結構設計

該設備包括以下關鍵系統：槍頭篩選裝置、槍頭截流緩沖裝置、槍頭自動裝盒裝置以及整機自動控制系統等。箱體(圖3(a))內部安裝有電動機、減速器、控制裝置，可為整個裝置提供動力；設備安裝兩個傳感器，分別控制履帶和推送桿的運動。

2.2.1 整機傳動組件

整機外觀為鑄造箱體，箱體上部進料口處安裝有槍頭分離履帶及分離擋板；擋板下方由多個圓形滑道(圖3(b))和傾斜滑筒(圖3(c))組成；滑筒出口處為可更換型插板(圖3(d))，用于收集各滑道分別滑落的槍頭；箱體中下部還裝配有槍頭插入裝置，由移動桿(圖3(e))和推送桿(圖3(f))組成；箱體底部為盒體傳送履帶(圖3(g))。

2.2.2 插板設計

插板為槍頭篩選組件中的核心元件，如圖3(d)所示,材質為聚丙烯(PP)，通過注塑法制造而成。因槍頭規格不同，插板齒深及齒寬的規格相應有所不同。其中，不同型號插板的三角形滑道之間最小距離略大于該型號插板所要分離的槍頭的最大直徑，并小于槍頭盒孔間隔。插板安裝在設備中下端，其上端連接滑筒，承接滑筒內出現的單排槍頭，下端銜接推送桿。

圖3 整機傳動組件

3 裝配動作效率及時間效率分析

在正式運行時，槍盒以及槍頭的自動供料都可以在裝盒過程中的操作時間內提前完成，所以在裝盒操作中不考慮供料時間。操作時間主要由氣缸的速度決定，設備選取速度為50 mm/s的升降氣缸。

以96孔槍頭盒為例，根據裝盒操作的先后順序進行裝盒時間估算。

預估計裝滿一排的時間為7.1 s，8排需要56.8 s，加上槍頭整理以及人工放置和卸下槍頭盒的時間，裝滿一盒約耗時60 s。經過人工裝盒試驗測得手工裝盒最快為180 s，即該自動裝盒設備相比人工裝盒效率提高66.7%以上。裝配動作時間見表3。需要指出的是，裝配開始后，操作流程中存在并行操作，實際操作時，每一排槍頭裝配周期并非完全是表3中所有時間的和。

表3 裝配動作時間

4 結語

本文以96孔槍頭盒中移液槍槍頭的自動裝盒為研究對象，主要進行設備設計及模擬裝盒計算。與現有設備相比，該設備具有以下明顯優勢：①自動化程度高，以電機為核心，通過履帶、滑筒、滑槽、插板、插桿等協調組合，完成整個槍頭裝盒操作；②人性化設計，不僅避免了人工裝盒造成的時間與精力浪費，且避免了成包銷售槍頭在人工裝盒過程中造成的污染，以及成盒銷售槍頭在生產過程中產生的資源浪費等問題；③功能性強，本設備適應不同型號槍頭，且體積小巧，一鍵式操作，能在絕大部分生化、醫療、食品及環境等領域投入使用；④價格相對較低，應用推廣性強。