一次性注射器生產(chǎn)設(shè)備中分步式擰桿旋瓶機(jī)構(gòu)的研發(fā)設(shè)計(jì)

唐湘祁

（上海華東制藥機(jī)械有限公司，上海201323）

0 引言

近年來(lái)，一次性注射器作為慢性病病人的自治和自救工具被廣泛應(yīng)用，一次性注射器產(chǎn)品攜帶和使用方便，病人自己或親友經(jīng)簡(jiǎn)單學(xué)習(xí)就可使用，省去醫(yī)院就診的麻煩。然而，一次性注射器市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，制藥企業(yè)為了保持產(chǎn)品銷(xiāo)量的穩(wěn)定增長(zhǎng)，就要不斷降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。

在一次性注射器產(chǎn)品的生產(chǎn)設(shè)備中，擰桿機(jī)至關(guān)重要，市場(chǎng)上現(xiàn)有的擰桿機(jī)速度在150～180瓶/min。若一味提高擰桿速度，在快速旋轉(zhuǎn)沖擊力的作用下，注射器內(nèi)的膠塞會(huì)產(chǎn)生位移或旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致出現(xiàn)以下問(wèn)題：（1）膠塞位移，把藥水推出一次性注射器，使得產(chǎn)品裝量出現(xiàn)偏差；（2）膠塞旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生微粒，異物進(jìn)入藥品中，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

本文將介紹新近研發(fā)的分步式擰桿旋瓶機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)的擰桿力矩單獨(dú)可調(diào)，可以很好地解決上述問(wèn)題，整機(jī)運(yùn)行速度可達(dá)320～350瓶/min，且運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。

1 一步式擰桿旋瓶機(jī)構(gòu)

一次性注射器瓶如圖1所示，其由三個(gè)部分組成：擰桿、膠塞、注射器瓶組件（簡(jiǎn)稱(chēng)藥瓶）。

圖1 一次性注射器瓶的組成

在藥瓶?jī)?nèi)灌好藥液，加好膠塞的同時(shí)，針頭及針頭蓋已封好。擰桿機(jī)的任務(wù)就是把擰桿旋入藥瓶?jī)?nèi)的膠塞中。

從圖1可知，擰桿下端是一個(gè)φ6mm×4.4mm的螺紋，上端是φ12.5mm的圓柄，中間是一個(gè)φ8mm的十字架形結(jié)構(gòu)，擰桿旋入膠塞的有效深度是4.4mm（大約為4圈螺絲長(zhǎng)度）。擰桿運(yùn)動(dòng)由兩部分合成，一是擰桿向下移動(dòng)，二是藥瓶作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，合成就是擰桿運(yùn)動(dòng)。

圖2為擰桿運(yùn)動(dòng)示意。圓形旋瓶驅(qū)動(dòng)輥緊貼藥瓶外圓并有一定彈性，驅(qū)動(dòng)輥一直旋轉(zhuǎn)，藥瓶外圓與驅(qū)動(dòng)輥從接觸到離開(kāi)，藥瓶繞機(jī)器回旋中心公轉(zhuǎn)3.15°左右。以藥瓶等分盤(pán)20等分、擰桿速度180支/min計(jì)算，旋轉(zhuǎn)3.15°需要的時(shí)間T=60s÷[（180支/min÷20支/圈）×（360°/3.15°）]=0.058333s。

圖2 擰桿運(yùn)動(dòng)示意

圓形旋瓶驅(qū)動(dòng)輥與藥瓶外徑的直徑比：44.2 mm/10.7mm≈4.13。

擰桿下端的螺紋長(zhǎng)度為4.4mm，大約為4圈螺紋長(zhǎng)度。理論而言，驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)一圈基本上可以把擰桿旋入膠塞中，但考慮到摩擦打滑等因素，要乘以一個(gè)系數(shù)，這個(gè)系數(shù)暫定為1.2。那么，驅(qū)動(dòng)輥要在0.058333s內(nèi)旋轉(zhuǎn)1.2圈，得出驅(qū)動(dòng)輥的旋轉(zhuǎn)速度V=1s÷0.058333s×1.2圈×60s≈1234r/min。

由于按照上述計(jì)算得出的驅(qū)動(dòng)輥這么高的速度是很難精確控制擰桿旋速、力矩與位置精度的，因而要想再提高擰桿旋瓶機(jī)構(gòu)產(chǎn)量幾乎不可能?？梢哉f(shuō)，單驅(qū)動(dòng)輥擰桿機(jī)構(gòu)的180支/min產(chǎn)量已是極限。

2 分步式擰桿旋瓶機(jī)構(gòu)

基于上述問(wèn)題，新近研發(fā)的分步式擰桿旋瓶機(jī)構(gòu)把擰桿動(dòng)作分解成11個(gè)步驟，驅(qū)動(dòng)輥的旋轉(zhuǎn)速度由1234r/min降為256r/min左右，而且這款擰桿機(jī)構(gòu)的每個(gè)驅(qū)動(dòng)輥緊貼藥瓶的力矩與接觸時(shí)間單獨(dú)可調(diào)。

因此，旋瓶時(shí)間可以做到前長(zhǎng)后短，旋瓶力矩可以做到前大后小。當(dāng)旋桿快旋轉(zhuǎn)到位時(shí)，需要的力矩很小，且速度很慢，這樣就不會(huì)對(duì)膠塞的位置精度產(chǎn)生影響，也不會(huì)因擰桿速度太快帶動(dòng)膠塞旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生微粒。

其中，驅(qū)動(dòng)輥是由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的，速度無(wú)級(jí)可調(diào)，滿足任何擰桿速度要求，產(chǎn)量可提高到320～350支/min。

2.1 分步式擰桿旋瓶機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成

圖3為分步式擰桿旋瓶機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意。其由1安裝板支架、2伺服電機(jī)、3主同步帶輪、4雙面齒同步帶、5小同步帶輪、6萬(wàn)向節(jié)、7旋瓶桿、8定向塊、9定向套、10調(diào)整螺絲、11支撐滑軸、12支撐板、13擺座固定板、14擺座、15擺塊、16旋瓶輪、17螺栓軸承、18凸輪、19調(diào)節(jié)彈簧、20調(diào)整螺絲、21安裝板、22小帶輪軸、23大帶輪等組成。

圖3 分步式擰桿旋瓶機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意

所有零件都固定在安裝板上，安裝板由3個(gè)安裝支架支撐并連接固定為一體，伺服電機(jī)通過(guò)主同步帶輪、雙面齒同步帶與小同步帶輪活絡(luò)連接，小同步帶輪固定在小帶輪軸下端，小帶輪軸與安裝板活絡(luò)連接，小帶輪軸上端通過(guò)萬(wàn)向節(jié)與旋瓶桿下端活絡(luò)連接，定向套套在旋瓶桿上且固定在定向塊滑槽中，可通過(guò)調(diào)整螺絲作前后調(diào)節(jié)，支撐滑軸前端與擺座固定板固定并與支撐板活絡(luò)連接，擺座與擺座固定板固定，擺座與擺塊活絡(luò)連接，螺栓軸承固定在擺座固定板前端并緊貼在凸輪外圓曲面上，旋瓶輪與旋瓶桿上端固定，凸輪固定在大帶輪上端。

2.2 分步式擰桿旋瓶機(jī)構(gòu)的工作原理

主電機(jī)啟動(dòng)，動(dòng)力傳至大帶輪，整機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，凸輪與大帶輪固定為一體作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，凸輪外圓設(shè)計(jì)成與撥盤(pán)等分一樣多的凹凸曲面，凹面對(duì)準(zhǔn)撥輪凹槽處，每個(gè)凹槽處有一支藥瓶，當(dāng)凹槽（即藥瓶）旋轉(zhuǎn)到旋瓶輪處時(shí)，旋瓶輪在調(diào)節(jié)彈簧的推力下緊貼藥瓶外圓，旋瓶輪旋轉(zhuǎn)且與藥瓶產(chǎn)生的摩擦力則帶動(dòng)藥瓶作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，擰桿在其他動(dòng)力作用下向下移動(dòng)，兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的合成即為擰桿運(yùn)動(dòng)。

旋瓶輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)力則是由伺服電機(jī)提供。伺服電機(jī)啟動(dòng)，伺服電機(jī)動(dòng)力通過(guò)主同步帶輪、雙面齒同步帶傳給小同步帶輪，小同步帶輪與小帶輪軸是固定連接的，小帶輪軸則通過(guò)萬(wàn)向節(jié)與旋瓶桿活絡(luò)連接，旋瓶桿上端則與旋瓶輪固定連接，動(dòng)力由小同步帶輪通過(guò)小帶輪軸、萬(wàn)向節(jié)、旋瓶桿傳給旋瓶輪。其間，伺服電機(jī)速度快，旋瓶輪的旋轉(zhuǎn)速度則快。由于伺服電機(jī)由PLC控制，速度參數(shù)根據(jù)要求可作任意修改，所以此旋瓶擰桿機(jī)構(gòu)可匹配任何主機(jī)速度。

2.3 分步式擰桿旋瓶機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)方法

2.3.1 擰桿力矩的調(diào)節(jié)

此擰桿機(jī)構(gòu)的擰桿方式為分步式擰桿，共分為11個(gè)旋瓶輪，每個(gè)旋瓶輪的旋瓶力矩都可以單獨(dú)調(diào)節(jié)。旋瓶桿與旋瓶輪是可以左右擺動(dòng)的，擺動(dòng)的動(dòng)力來(lái)自于凸輪外圓凹凸曲線和調(diào)節(jié)彈簧共同作用下推動(dòng)螺栓軸承左右移動(dòng)。螺栓軸承左右移動(dòng)推動(dòng)了支撐滑軸和擺座固定板、擺座、擺塊、旋瓶桿、旋瓶輪左右移動(dòng)。

擰桿力矩的調(diào)節(jié)方法：調(diào)整螺絲旋轉(zhuǎn)，壓縮調(diào)節(jié)彈簧，推動(dòng)支撐滑軸、擺座固定板、擺座、擺塊和螺栓軸承緊靠凸輪，旋瓶桿和旋瓶輪在擺塊的作用下向藥瓶靠緊，在摩擦力的作用下帶動(dòng)藥瓶作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

調(diào)節(jié)彈簧壓縮得越多，則旋瓶輪與藥瓶的摩擦力矩越大，反之則越小。

2.3.2 擰桿時(shí)間的調(diào)節(jié)

旋轉(zhuǎn)調(diào)整螺絲，使旋瓶桿與旋瓶輪向左或向右擺動(dòng)，其擺動(dòng)角度由調(diào)整螺絲的調(diào)節(jié)量決定，旋瓶輪向右擺動(dòng)得越多，其旋瓶輪與藥瓶接觸的時(shí)間就越長(zhǎng)，反之則越短，以此調(diào)節(jié)擰桿時(shí)間，提高擰桿合格率。

但是，旋瓶輪與藥瓶接觸的時(shí)間長(zhǎng)短是有限制的，最長(zhǎng)（最佳）時(shí)間即藥瓶繞機(jī)器回旋中心公轉(zhuǎn)3.15°左右所需的時(shí)間。

2.3.3 旋瓶輪旋轉(zhuǎn)速度的計(jì)算

旋瓶輪與藥瓶外圓從接觸到離開(kāi)，藥瓶繞機(jī)器回旋中心公轉(zhuǎn)3.15°左右。以藥瓶等分盤(pán)20等分、擰桿速度350支/min計(jì)算，旋轉(zhuǎn)3.15°需要的時(shí)間T=60s÷[（350支/min÷20支/圈）×（360°/3.15°）]=0.03s。

旋瓶輪與藥瓶外徑直徑比為40mm/10.7mm=3.74。

擰桿下端的螺紋長(zhǎng)度為4.4mm，大約為4圈螺紋長(zhǎng)度，分為11個(gè)步驟，每步約為0.4圈，但考慮到摩擦打滑等因素，要乘以一個(gè)系數(shù)，這個(gè)系數(shù)暫定為1.2，那么旋瓶輪要在0.03s內(nèi)旋轉(zhuǎn)0.4÷3.74×1.2≈0.128圈，得出旋瓶輪的旋轉(zhuǎn)速度V=1s÷0.03s×0.128圈×60s≈256r/min。

因此，旋瓶輪旋轉(zhuǎn)速度從一步式擰桿旋瓶機(jī)構(gòu)的1234r/min降為256r/min，而生產(chǎn)速度從180支/min提高到350支/min。

3 結(jié)語(yǔ)

上述分步式擰桿旋瓶機(jī)構(gòu)突破了旋瓶速度對(duì)產(chǎn)量的限制，而且各旋瓶點(diǎn)的擰桿力矩、擰桿時(shí)間可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要單獨(dú)任意調(diào)節(jié)。若整機(jī)速度提高，利用PLC控制的伺服電機(jī)的速度可相應(yīng)自動(dòng)提高，有效保證擰桿質(zhì)量。

目前，分步式擰桿旋瓶機(jī)構(gòu)已經(jīng)完成了樣機(jī)制造，從樣機(jī)試車(chē)的效果來(lái)看，各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，生產(chǎn)速度穩(wěn)定在340瓶/min，產(chǎn)品合格率達(dá)到了99.9%。