一種醫用凍干藥瓶旋轉與急停機構設計*

成 暢，顧 婷，陳文靜

(金肯職業技術學院，江蘇 南京 211156)

0 引 言

隨著現代化制造業的技術變革，自動化生產線已廣泛應用于企業的生產。 我國高新科技醫療產業凍干藥瓶自動化生產線主要由帶式輸送機、旋轉機、工業機器人等設備構成。 傳統的輸送機、旋轉機傳輸方式單一，只能單次單一傳輸，且需要通過旋轉機的輔助來實現運輸中藥瓶的旋轉，存在生產成本較高、生產效率偏低的現狀。

筆者重點針對醫用凍干藥瓶傳輸過程中生產成本較高、生產效率偏低的情況，采用齒輪齒條的嚙合關系[1]結合帶式輸送機傳送方式對傳輸中急停與旋轉裝置機構進行優化改型，此結構可以通過柔性聯結與其他不同功能的生產線相結合，使醫用凍干藥瓶生產過程中實現旋轉(檢測瓶身)，急停(方便抽檢)，最終實現提高生產效率，降低生產成本的目標。

1 結構設計方案

1.1 原理及設計要求

由于醫用凍干玻璃藥瓶易碎、易產生劃痕，且不方便多批量生產的相關特性，通過調研旋轉檢測、輸送設備的運動過程與相關數據，結合生產要求、藥瓶材質以及所處生產環境和生產過程中需要檢測等相應要求，分別進行急停與旋轉機構設計。

急停部分由驅動結構構成，選用由PLC 點位監測裝置控制的傳統電機驅動[2]。 由于電機運行過程中存在慣性，因此在急停部分要求保持急停時間小于50 ms，所以需要設計阻停裝置[3]。

旋轉檢測部分使用固定的齒條結構。 當齒輪向前運行時，機械通過嚙合關系發生旋轉。 經過計算，可成功使旋轉結構的旋轉速度大于10 rad/min；同時采用托盤機構，可根據生產需要一次性替換不同尺寸的托盤，少次多量的運輸，既滿足檢測要求，又節約生產成本。

1.2 急停與旋轉功能

伺服電機作為原動機提供驅動帶傳動，通過同步帶傳遞動力驅動鏈式傳送帶運行；阻停氣缸推動推桿實現運行過程中的急停功能；藥瓶托盤結構利用托盤底部與傳送帶上圓形凹槽配合，當傳送帶運行時，托盤的支撐桿上的凍干玻璃藥瓶前進；旋轉結構通過托盤上部外側設計的齒輪結構與固定在傳送帶側邊的齒條相配合，在托盤向前運行的同時發生嚙合，實現旋轉，整體流程圖如圖1 所示。

圖1 整體結構工作流程圖

2 整體設計及計算

2.1 藥瓶托盤結構

托盤結構如圖2、3 所示。 采用單次多量的運輸形式，在托盤上設計多個凍干玻璃藥瓶擺放位。 為適應尺寸范圍在直徑14 ～32 mm，瓶身長度30 ～45 mm的凍干玻璃藥瓶，采用托盤上安裝支撐桿的形式進行設計，支撐桿采用塑料材質，保證強度的同時不會劃傷瓶子內部。 凍干玻璃藥瓶采用瓶口向下的方式擺放，因此托盤上打孔設計可拆卸支撐桿配合藥瓶瓶口尺寸進行支撐，帶動藥瓶隨托盤一起旋轉，同時還最大可能地將瓶身暴露出來，以便達到檢測、驗傷等操作目的。 托盤與鏈式傳送帶之間采用間隙配合，使得托盤可以順利完成旋轉動作的同時，也能保證運送與旋轉過程的平穩，避免打翻傾倒。

圖2 托盤齒輪

圖3 托盤剖面圖

2.1.1 托盤設計

目前設計托盤齒輪直徑160 mm，齒數Z＝65，與齒條1:1.2 嚙合，以達到旋轉一周的目的。 根據實際要求旋轉速度大于10 r/min，實際傳送帶運行速度大于0.85 m/s。

可以根據不同的生產需要設計不同尺寸大小的托盤和相對的托盤支架，以滿足生產要求。

2.1.2 托盤齒輪機械強度計算

(1) 齒輪類型、精度等級、材料及齒數選定 ①選用直齒圓柱齒輪；②因本機構傳遞的功率不大，無特殊要求，為避免生產過程中玻璃藥瓶產生劃痕，因此選擇透明PC 材質；③選齒輪齒數Z＝65，齒條長度180 mm，m＝1。

(2) 齒輪的計算載荷 該機構均勻平穩運動，用電動機提供動力，系數KA＝1.50。

分度圓直徑:

許用接觸應力:

2.2 鏈式傳送帶部分結構設計

鏈式傳送帶內側有尺寸為30 mm 的凹槽，與阻停推桿配合，從而在運行過程中達到急停的目的，并且該凹槽還可以用來放置、運送托盤和玻璃藥瓶。 傳送帶整體示意圖如圖4 所示。

圖4 鏈式傳送帶

同時為保證托盤旋轉滿足設計要求，傳送帶運行速度應大于0.85 m/s，轉換轉速應大于10 r/min。 初步設計選用伺服電機同時配合減速器使用[4]，因此設定初始轉速為30 r/min。

2.3 阻停機構結構設計

氣缸傳動是將壓縮流體轉換成活塞與活塞桿運動的裝置，可以為阻擋機構提供可靠的推力[5]。 本節以氣缸傳動為研究對象，著重研究了關鍵參數與外力的關系，特別是缸徑與行程等參數，為了保證設計的嚴格性，參考了最新的設計標準。

2.3.1 參數計算

(1) 已知條件 氣缸的輸入條件主要是由系統壓力、氣缸缸徑、氣缸行程、連接方式、緩沖方式五項組成，為了查閱方便，列出氣缸系統的輸入條件，如表1 所列。

表1 阻擋機構氣缸系統輸入條件

(2) 氣缸設計流程確定 本次阻擋機構采用氣缸為執行元件，氣缸的設計需先確定氣缸類型、安裝形式、負載大小、工作壓力等初始參數；然后確定缸徑、行程大小等關鍵參數；最后完成結構設計與強度校核。 對氣缸的設計最重要的要求是保證工作快速靈敏、整體機構緊湊、便于后續維修。 制定氣缸的設計順序如圖5 所示。

圖5 阻擋機構氣缸設計標準順序

(3) 確定氣缸的類型 根據氣缸的工作條件，一般情況可以分成兩個類型的氣缸，單作用與雙作用氣缸。 單作用氣缸只有一個方向的作用力，通過回位機構實現回位。 雙作用氣缸有兩個方向的作用力，可以實現往返作用[6]。 綜合考慮，選擇雙作用力氣缸，可以滿足工作范圍。

(4) 行程長度 氣缸行程長度影響阻擋機構的工作范圍及工作可靠程度。 行程長度參數S主要是根據任務要求決定，從成本角度出發應盡量縮小長度，以實現結構的緊湊性。 選擇氣缸行程長度S＝0.03 m，可以滿足工作范圍。

(5) 作用力 不同的壓力可以產生不同的推力，壓力與氣缸推力的關系如圖6 所示。

圖6 氣缸作用力與壓力關系

(6) 阻停氣缸三維模型數據 為了保證阻擋機構的工作順利，實現運輸過程中的順利停止，考慮使用阻停氣缸來實現傳送機構的停止，三維模型效果如圖7 所示。

圖7 氣缸外部數據結構

2.4 輸送機架體設計

輸送機架體是整個機械設備的基本部件[7]。 輸送機架體的每個部件提供所需的支撐，使輸送機各個子部件夾具系統連接成一個整體。 在輸送機運行過程中會受到各種外力的影響，輸送機架體必須克服一切外力，使主要機構能穩定工作。 輸送機架體應具有合理的2D 尺寸和外形結構，表面支撐面積應足夠大，還需要具有散熱功能。 由于輸送機架體精度不需要像傳動零件那么精密，因此材料可以選擇Q235/45號鋼，并采用框架結構。 輸送機架體的設計還需要結合以下原則:①輸送機架體應在機械技術手冊中查找經驗參數；②輸送機架體應防止設備運行過程中發生事故；③輸送機架體應將各種設備和部件連接成一個有機整體；④輸送機架體應具有剩余強度和材料剛度；⑤輸送機架體應有利于傳動部件的正確定位。

3 重要零部件有限元分析

3.1 輸送機架承力分析

底座類零件是機械工程中常用的零部件之一，起承受機體載荷、支撐、固定等作用。 其主要作用是對整個傳送系統進行支撐和保護。 傳送架體整體三維模型結構如圖8 所示。

圖8 傳送架體整體三維模型結構

利用NX12.0 軟件中的有限元分析模塊對傳送帶支架進行承力分析[2]。 在FEM 環境和操作界面中可以查詢本模型的物理參數，通過查表確定其材質，架體采用45 鋼材料，對應NX 庫中的【Steel 鋼】，密度為7.829e-0.6 kg/mm3，楊氏彈性模量為2.064 9×108kPa，泊松比為0.288，屈服強度為137 895 kPa。

有限元整體操作流程如圖9 所示。

圖9 有限元操作流程

采用NX 進行前/后處理，采用NX-Nastran 作為解算模塊，整個仿真的基本順序為前處理、求解、后處理。 經過一系列的力學模擬，可得出如圖10、11 所示的云圖。

圖10 位移云圖并顯示最大值

圖11 Von Mises 應力云圖

將顯示的最大應力值和本模型材料的屈服強度數值做比較，即可判斷本模型的強度是否符合設計要求并可以計算出理論的設計安全系數大小。

通過仿真計算結果可以得到:機架的最大應力為4 706.49 MPa，由于40 鋼材料的屈服強度為137 895 MPa，所以底座理論上的安全系數為3.4，完全滿足設計要求。

3.2 藥瓶托盤受力分析

軸套類部件(如發動機曲柄、凸輪軸等)在高速旋轉時產生的振動，直接影響著產品的工作效率、壽命及人身安全，研究發現不平衡是此類部件產生振動的主要原因之一。 為有效解決產品的振動問題，對套筒類旋轉部件進行結構模態分析，通過靜力學分析可以得到其位移變形和應力的分布規律，并找出應力集中的部位或者區域，有針對性地對結構進行優化設計，保證設計質量及可靠性。

根據圖12 所示的馮氏應力云圖得出，傳輸過程中產生的振動力為0.035 MPa，振動影響為合理范圍；同時根據圖13 的剖面應力云圖，由于藥瓶托盤傳輸過程中齒輪與齒條的嚙合而產生的托盤中心軸部扭力約為0.034 9 MPa，數值也在合理范圍內，因此該托盤設計符合實際生產需求。

圖12 馮氏應力云圖

圖13 剖面應力云圖

3.3 設計應用測試

經實際測試，該醫用凍干藥瓶旋轉與急停機構設計可用于單次多量運輸(檢測)生產中，保證生產的安全與質量的同時也保障了產量的提升，節約了生產成本，不僅適合于醫用藥瓶的生產也可以適用于高精度、高要求的儀器生產及單方向流水檢測等生產線。圖14 為實物應用場景。

圖14 凍干藥瓶旋轉與急停機構

4 結 語

為滿足存放藥品的凍干藥瓶生產和傳輸需求，此次優化設計采用先進非標設計的帶傳送與阻停氣缸相結合的方式，以電動機為主要動力來源，實現整個機構的運行。 此結構可以通過柔性聯結與其他不同功能的生產線相結合，可以進行平衡調劑，不影響各設備的正常運行，既滿足了輸送過程中單次多量的輸送要求且可以方便、安全啟停整條產線，利用簡單機械配合(齒輪齒條嚙合)使傳輸過程中凍干藥瓶達到了無污染、無破損、方便檢測等一系列要求，實現了自動化程度較高的藥瓶傳輸作業，提高了生產效率和管理的可靠性，可廣泛應用于工業生產領域。