軟導管與PVC接頭組裝裝置的設計與試驗

黃 增 鄧桂丹 黃華椿 蘇 茜*

（1.廣西機電職業技術學院 機械工程學院，南寧 530007；2.廣西大學 機械工程學院，南寧 530004）

軟導管和醫用聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride，PVC）接頭是一次性輸液器等醫用耗材中不可或缺的一部分[1-2]。軟導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]。調研顯示，目前軟導管與接頭的組裝工作普遍依賴于人工手動組裝。這種生產方式主要存在兩個缺陷。一方面，效率低。導管為軟質塑料，管壁薄且體積較小，醫療接頭形狀不規則，體積小不易于夾持。加上軟導管外徑尺寸與接頭內孔尺寸之間的差值是微米級的，導致組裝效率低。另一方面，易造成污染。由于依靠大量人工生產，容易導致產品的二次污染，如毛發、異物等。

為了解決這一難題，學者們對此開展了大量研究。例如：章小彬等設計了一種輸液器導管與三通管的組裝裝置，解決了現有輸液器導管與三通管組裝精度不佳的問題[4]。劉鐘元等設計了一種可增加產能的醫用輸液器組裝流水線[5-6]。馬敏等設計了一種滴斗二通組裝裝置，利用二通高速旋轉過程中與滴斗內壁摩擦產生熱量使二通及滴斗內壁表面熔化，從而實現二通和滴斗熱熔固定[7]。李艷偉等設計了一種輸液器短管與三通管的組裝生產線，在正位、旋轉、移運等操作過程中平穩性好，操作準確度高[8]。但是，上述學者設計的裝置對導管外徑與接頭內徑的對中性要求非常高，依然未能擺脫軟導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的設計方案，實現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的研制工作[10]。這些學者的研究側重點在智能檢測，在于對已完成黏接組裝的產品進行下一道自動檢測工序。

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

1 軟導管與接頭組裝裝置的設計

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

1.1 功能需求

軟導管和T形三通接頭如圖1所示。經測量得知，軟導管的外徑尺寸為4.00 mm±0.03 mm，壁厚為0.50 mm±0.02 mm，T形三通接頭的內孔尺寸為4.00 mm±0.03 mm。顯然，軟導管與接頭屬于過渡配合類型。由于導管材料偏軟且壁薄，若采用常規的定位方法，要想實現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即可完成。

圖1 軟導管和T形三通接頭

1.2 總體結構布局

總體結構布局如圖2所示。軟導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、軟導管輸送與張緊裝置和軟導管插裝裝置。軟導管插裝裝置包括縮管機構和插裝機構。直線導軌副沿X軸方向布置在第二臺板上，機座固定在直線導軌副的滑塊上。縮管機構和插裝機構均安裝在機座上。接頭夾具沿X軸方向布置在縮管機構的正前方。軟導管輸送與張緊裝置沿X軸方向布置在縮管機構的正后方。

圖2 軟導管與醫用PVC接頭自動黏接組裝裝置

1.3 結構設計

1.3.1 縮管機構的設計

軟導管縮管機構主要包括縮管夾、立板和第三直線模組，如圖3所示。縮管夾包括上夾、下夾和縮管夾驅動模塊。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管的直徑，這是為了將軟導管的直徑通過擠壓的方式進行壓縮減小。縮管夾驅動模塊包括上下兩個沿Y軸方向豎立布置的手指氣缸。縮管夾的上夾和下夾之間裝有上下夾扣合間距的調節螺釘。此螺釘的用途是調整V形爪的最終下降高度，即控制軟導管直徑在Z軸方向上的被壓縮深度。

圖3 縮管機構結構圖

軟導管在縮管夾上夾爪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，最終軟導管的橫向寬度縮減至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，使得軟導管可以快速便捷地精準插入接頭內孔。此縮管機構縮減軟導管外周尺寸的功能是本裝置的核心亮點。

圖4 軟導管直徑縮減過程圖

1.3.2 旋轉插裝機構的設計

設計中，旋轉插裝機構主要包括旋轉模塊和移動模塊。這兩個模塊均由電機驅動，如圖5和圖6所示。旋轉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 旋轉插裝機構結構

旋轉插裝機構的工作分兩步進行。第一步，在縮管機構對軟導管進行縮管后，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管前端輕易地插入T形三通接頭的內孔，插入深度約為1 mm。第二步，待點膠槍的出膠口搭接到軟導管的外表面后，電機繼續轉動。主動錐齒輪通過被動錐齒輪帶動錐齒輪軸轉動的同時，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動，使三爪氣缸在轉動的同時沿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潤滑劑，則組裝過程中容易出現因阻力（摩擦力)過大而導致組裝失敗的情況。

圖6 旋轉插裝機構實物圖

1.3.3 軟管張緊與輸送機構及其他輔助機構的設計

軟導管張緊與輸送機構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

圖8 其他輔助機構

氣動夾1先夾緊軟導管，氣動夾2的上夾和下夾合攏，夾緊軟導管，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的彈力將軟導管拉緊、拉直。軟導管拉緊、拉直后，單桿氣缸將氣動夾沿Y軸方向推出，氣動夾夾緊軟導管。氣動剪由三桿氣缸帶動下行，最后氣動剪將軟導管剪斷，至此軟管輸送裝置完成一個周期的工作任務。

此外，本裝置還設有點膠裝置。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。待縮管機構將軟導管的直徑縮減和旋轉插裝機構完成導管的預插裝工作后，三桿氣缸收縮，驅動點膠槍下降，點膠槍的出膠口剛好搭在軟導管鄰近接頭部位的外表面進行注膠。

2 樣機試驗

為了驗證軟導管與醫用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。根據行業標準可知，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品進行拉拔力測試，測試結果如表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。雖然軟導管已經插入接頭內孔，但是因膠水涂抹不均出現了固化過程的側負荷，導致出現不均勻收縮，致使拉拔力測試無法滿足要求。

表1 拉拔力測試結果表

插裝速度太快會導致組裝后的產品無法滿足拉拔力測試要求，而插裝速度太慢則會導致工作效率太低。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，試驗結果如表2所示。由表2可知：當速度低于6 mm·s-1時，軟導管與接頭的組裝合格率均為96.66%；當速度升高10 mm·s-1時，組裝合格率降低到86.66%，一是插裝速度太快導致膠水涂抹不均，二是導管材質偏軟，插裝速度太快容易造成軟管在插裝的過程中出現軟管與接頭內壁的摩擦阻力大于插入力而出現軟管折疊問題，繼而導致軟管無法插到接頭孔底。可見，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，組裝的產品合格率達到96.66%。

3 結論

針對軟導管與醫用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、品質難保證和人工成本高等問題，設計了一種可降低定位對中難度和插裝難度的軟導管與接頭自動組裝裝置，優勢在于4個方面。

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

（2）該裝置采用的旋轉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）可以實現軟導管與醫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）人工組裝的產品合格率約為90%，本產品可提高到95%以上。