樣本架柔性進樣推進裝置的設計與應用

姜宗品，牛杰，趙東明，趙鵬，王超

安圖實驗儀器（鄭州）有限公司 （河南鄭州 450016）

隨著全自動體外診斷設備的普及，對樣本架推進裝置的平穩性和精準度提出了較高的要求[1]。樣本架的主要輸送方式為皮帶傳送和撥爪機構傳送，皮帶傳送具有受力不均勻及震動卡料的風險，撥爪機構傳送具有傳送不到位及精度較低的缺點[2-3]。現有技術方案結構復雜、占用空間較大、動作及程序煩瑣，尤其是進樣推進過程存在誤判、傳送不到位及撞到樣本架的風險，因此設計一種結構簡單、占用空間小、動作及程序簡單、動作周期短、反應靈敏、定位精度高且不易卡料的柔性接觸推進裝置具有十分重要的意義。

1 樣本架柔性進樣推進裝置的設計

1.1 工作原理

樣本架柔性進樣推進裝置主要由旋轉撥爪機構、導向機構和驅動裝置組成。其中，旋轉撥爪機構實現了樣本架的推送精準到位且不損傷樣本架，導向機構和驅動裝置實現了樣本架的平穩推進不卡料。該裝置將樣本架推進到位的同時又能避免在樣本架到位后繼續被推進而導致被損壞的問題，避免電機丟步造成的位置偏差，實現了樣本架推進到位，且帶自檢功能并向系統反饋相關信號。另外，該裝置采用重心偏心結構，靠重力旋轉復位功能將撥爪繞至線體上樣本架后方，具有節省能源、空間及響應快等優點[4-6]。

1.2 硬件材料與結構設計

如圖1 所示，樣本架柔性進樣推進裝置的標準件為皮帶、初始位傳感器、感應器1 和驅動裝置。其中，配套固定螺釘和銷釘等緊固件優先選用型號為SUS304 的不銹鋼材質；定制件中的樣本架為模具件，材質為聚丙醚。機加件：T 型防倒塊選用型號為A6061 的鋁合金。鈑金件：導向托板和限位擋板選用型號為SUS304 的不銹鋼。該裝置包括旋轉撥爪機構、導向機構和驅動裝置；工作過程中，當旋轉撥爪機構將樣本架推送到位時，驅動裝置帶動旋轉撥爪機構繼續前行，直至觸發旋轉撥爪上傳感器，彈性裝置使撥爪與樣本架間建立柔性推力，撥爪通過重心偏心結構旋轉復位至樣本架后方，保證樣本架與基準面實現零距離接觸，從而將樣本架精準推送到位，又不損傷樣本架[7-9]。

圖1 樣本架柔性進樣推進裝置

旋轉撥爪機構為該裝置的關鍵組件（見圖2）。配套固定螺釘和銷釘等緊固件優先選用型號為SUS304 的不銹鋼材質，所組成的標準件為無油襯套、拉簧和感應器2。定制件中的機加件為偏心撥爪、轉軸和導向裝置，選用型號為A6061 的鋁合金。鈑金件為浮動載板、安裝底座和連接片，選用SUS304 的不銹鋼材質。組裝時，旋轉撥爪機構中連接片與驅動裝置連接，旋轉撥爪機構中安裝底座與驅動裝置連接，浮動載板、轉軸、無油襯套與偏心撥爪可沿導向機構1 滑動，浮動載板通過拉簧與安裝底座建立柔性連接，使偏心撥爪與安裝底座具有一定的初始拉力。偏心撥爪可繞轉軸自由旋轉。

圖2 旋轉撥爪機構

1.3 軟件邏輯設計

樣本架柔性進樣推進裝置的軟件邏輯工作流程為：樣本架從起始位置被推送至擋板處的終點位置，再復位至起始位置。其中，旋轉撥爪機構初始位置為偏心撥爪靠偏心重力作用順時針旋轉至浮動載板凸起處停止（此時為撥爪豎直方向），拉簧將浮動載板與安裝底座橫向貼緊，感應裝置未觸發狀態。

該裝置在工作狀態中，當導向托板有樣本架進行傳送時，驅動裝置帶動旋轉撥爪機構沿導向裝置方向將樣本架從起始位置傳送至限位擋板處的終點位置，到達終點位置后驅動裝置帶動旋轉撥爪機構繼續前行；當浮動載板觸發感應裝置時停止，拉簧拉力以確保樣本架與限位擋板間零距離接觸，保證位置準確且不傾斜，若驅動裝置行駛最大脈沖時感應裝置未觸發則報警。

樣本架被傳送至限位擋板后，驅動裝置帶動旋轉撥爪機構反方向返回至初始位傳感器觸發停止，其中T 型防倒塊與由樣本架T 型槽配合能有效卡住樣本架，從而在樣本架推送過程中起防倒作用，導向托板起到支撐及導向樣本架的作用。

當有料感應器感應有樣本架時，驅動裝置帶動旋轉撥爪機構沿導向裝置反向返回，當撥爪機構通過樣本架下方時，偏心撥爪依靠樣本架重力將偏心撥爪擋偏旋轉一定角度，從而避開樣本架從底部通過，撥爪機構傳送至樣本架后方時，偏心撥爪利用重力偏心原理繞轉軸旋轉復位至浮動載板凸臺處停止（此時為豎直方向）。

2 驅動裝置運動力學分析

樣本架傳輸過程中驅動裝置的故障率及疲勞問題較多，現以驅動裝置為重點進行運動力學分析，并確定相關電機參數。

2.1 轉動慣量

式中，JL為整體轉動慣量（kg·m2）；J1為主動輪轉動慣量（kg·m2）；J2為從動輪轉動慣量（kg·m2）；J3為載荷轉動慣量（kg·m2）；m1為工作物質量（kg）；m2為可動部件質量（kg）；m3為主動輪質量（kg）；m4為從動輪質量（kg）；R1為主動輪孔半徑（mm）；R2為從動輪孔半徑（mm）；R3為主動輪半徑（mm）；R4為從動輪半徑（mm）；Dp為主動輪直徑（節圓）（mm）；μ1為摩擦系數。

設計中已知參數：m1=0.3 kg，m2=1 kg，m3=0.01 kg，m4=0.01 kg，R1=2.5 mm，R2=2.5 mm，R3=9 mm，R4=9 mm，Dp=15.28 mm，μ1=0.2，B1=600，B2=20；J1=4.3×10-7；J2=4.3×10-7kg·m2；J3=7.59×10-5kg·m2，從而得出負載總轉動慣量：JL=7.67×10-5kg·m2。

2.2 電機參數的選擇及校核

根據轉動慣量及設計需求，選擇電機參數如表1所示。慣量比β=（JL/i2）/J0，由負載總慣量JL及電機參數可求出β=6.98，超過容許值（慣性比正常為1～30），滿足要求。

表1 本研究裝置與原裝置結構比較

表1 電機參數選擇

安全系數S=Tm/TL1，TL=m1×g×μ1×Dp×10-3/（2×η）=5×10-3N·m，重力加速度9.81 m/s2，A=（L/（π×Dp）×（360/θs）=6 000 pulse；f2=（A-f1×t1）/（t0-t1）=800 Hz；Ta=（J0+JL）×（π×θs/180°）×（f2-f1）/t1）=9.19×10-3N·m，TL1=TL+Ta=1.42×10-2N·m，S=Tm/TL1=14.1；

式中，TL1為運行時必要轉矩（N·m）；TL為運行時初始轉矩（N·m）；Ta為運行時加速轉矩（N·m）；f2為運行頻率（Hz）；f1為起動脈沖（Hz）；t0為移動時間（s）；t1為加減速時間（s）；A為移動脈沖數（pulse）；L為移動量（°）；UL為單位移動量（deg/r），從而得出運行安全系數S=14.1，滿足使用要求（S≥2）。

3 樣本架柔性進樣推進裝置的應用

樣本架柔性進樣推進裝置（圖3）主要用于全自動體外診斷設備樣本架的傳送，可實現小流水線、實驗室生化、免疫等儀器間樣本架精確的傳送。已有裝備與本研究設計裝備比較見表1。通過比較可知，原（進樣推進裝置）結構復雜，成本高，占用空間大，無法適用狹小場地；推進啟動較快時，因為慣性力會出現誤判傳送到位的風險，對驅動裝置啟動加速度與彈簧參數具有局限性；在返程中被動模塊向上運動有撞到樣本架的風險。本研究設計裝置（樣本架柔性進樣推進裝置）整體結構簡單，成本較低，占用空間較小，適用狹小場地；利用結構偏心原理，由重力提供動力，節能環保；有無樣本架皆可返回，可以避讓樣本架，推進效率高；樣本架精準推送、安全可靠。

圖3 樣本架柔性進樣推進裝置的應用

本研究設計的樣本架柔性進樣推進裝置經過130 萬次的疲勞測試（等效10 年疲勞），測試結果顯示，能夠保障樣本架在進樣過程中平穩推進不卡料和高精度定位，同時滿足并機疲勞測試要求如圖4 所示。

圖4 并機疲勞測試

4 總結

本研究設計樣本架柔性進樣推進裝置，通過對工作原理、硬件材料與結構設計的分析，建立了該裝置的結構模型，結合軟件邏輯設計規劃工作流程，并重點對驅動裝置的運動力學進行分析，結合轉動慣量、扭矩和安全系數校核確定了驅動裝置的參數。并機應用及疲勞測試的結果表明，該裝置可以實現樣本架進樣的平穩推進不卡料，同時精確傳送樣本架并可反饋信號，有效解決了樣本架精確傳送的問題。

綜上所述，樣本架柔性進樣推進裝置可為全自動體外診斷設備領域多個儀器串聯或并聯時樣本架傳送結構的設計提供參考。