醫(yī)用濾芯自動組裝設(shè)備的設(shè)計

錢學(xué)俊

摘 要：當(dāng)今世界，醫(yī)療行業(yè)越來越注重生產(chǎn)過程的無人化、信息化和可追溯性。隨著工業(yè)及信息技術(shù)的發(fā)展，越來越多的新技術(shù)、新概念、新思維被灌輸?shù)缴a(chǎn)過程中，各行各業(yè)都掀起了一股研發(fā)熱潮。在這樣的大背景下，醫(yī)療行業(yè)也蓬勃發(fā)展，得益于大量的研發(fā)投入，某些醫(yī)療設(shè)備更是可以稱為科技與智慧的結(jié)晶。任何加工醫(yī)療產(chǎn)品的設(shè)備都離不開研發(fā)、試制、最終投入運行這樣一個過程。這一過程也是信息時代下工業(yè)化生產(chǎn)的縮影。本文以一種典型醫(yī)療產(chǎn)品的制造設(shè)備研發(fā)為例，簡明扼要地闡述了信息化、智能化、自動化的精益生產(chǎn)在機械行業(yè)的作用。

關(guān)鍵詞：醫(yī)用濾芯;自動組裝設(shè)備;智能化;自動化;信息化

中圖分類號：TU834.8文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）08-0064-04

Design and Research of Automatic Assembly Equipment for Medical Filter

QIAN Xuejun

（Shanghai Chentie Industrial Automation Technology Co.， Ltd.，Shanghai 201600）

Abstract： In today's world， the medical industry is paying more and more attention to the unmanned， informatized and traceable production processes. With the development of industry and information technology， more and more new technologies， new concepts and new thinking are instilled into the production process， and all industries have set off a wave of research and development. Against this background， the medical industry is also booming， thanks to a large amount of R & D investment， some medical equipment can be called the crystallization of technology and wisdom. Any equipment for processing medical products is inseparable from the process of research and development， trial production， and final operation， which is also the epitome of industrialized production in the information age. This paper took the development of a typical medical product manufacturing equipment as an example， and briefly explained the role of the role of informatization， intelligence， and automation of lean production in the machinery industry.

Keywords： medical filter element;automatic assembly equipment;intellectualization;automation;informatization

醫(yī)療設(shè)備作為人們?nèi)粘＝佑|比較多的一種常用設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于疾病的治療、檢查、預(yù)防中。醫(yī)療設(shè)備具有多樣性和復(fù)雜性，有的與人體直接接觸，有的間接作用于人體，所以對此類設(shè)備的設(shè)計、生產(chǎn)過程、管理和工作效率都有較高的要求。在一些高、精、尖的項目研發(fā)中，核心技術(shù)一般是買不來的，醫(yī)療呼吸機濾芯領(lǐng)域既是如此，國外主流生產(chǎn)設(shè)備已經(jīng)朝自動化、智能化、信息化發(fā)展。由于受到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特殊性的制約，目前，國內(nèi)生產(chǎn)以人工生產(chǎn)為主，這樣必然導(dǎo)致人力成本偏高，效率低下，所以同類產(chǎn)品也就缺乏國際競爭力[1]。同時，人工生產(chǎn)不能滿足衛(wèi)生檢驗要求，導(dǎo)致國內(nèi)此類濾芯的市場環(huán)境越來越萎縮。針對這種情況，我國企業(yè)只有通過自主創(chuàng)新才能掌握核心技術(shù)，從而擺脫目前的困境。

受國內(nèi)某知名醫(yī)療設(shè)備企業(yè)的委托，上海辰鐵工業(yè)自動化科技有限公司承接了某新型呼吸機核心過濾器及其制造設(shè)備的研制。同類產(chǎn)品過去一直采用人工生產(chǎn)方式，效率低，質(zhì)量不穩(wěn)定，國際競爭力低[2]。所以，客戶對新設(shè)備提出了很高的要求，即設(shè)備運行要實現(xiàn)自動化和信息化，產(chǎn)品精度高。作為主管工程師及項目負(fù)責(zé)人，筆者獨立完成了此項目的前期技術(shù)論證、后期試驗等工作，克服了所有技術(shù)難題，最終成功研發(fā)出國際領(lǐng)先的擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的生產(chǎn)設(shè)備。

1 總體設(shè)計

如圖1所示，本研究設(shè)計的醫(yī)療呼吸機過濾器由4種不同構(gòu)件組成，其分別為主體套筒、滾花片材、光片材和卷繞芯棒。

1.1 傳統(tǒng)工藝

在工藝制定的初始階段，通過大量的市場調(diào)查，人們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)行的生產(chǎn)以手動為主，產(chǎn)品在短時間內(nèi)容易出現(xiàn)上銹現(xiàn)象，其間存在產(chǎn)品松緊度在加工中不一致、生產(chǎn)效率低、衛(wèi)生要求不達(dá)標(biāo)等問題，產(chǎn)品合格率低，生產(chǎn)設(shè)備未實現(xiàn)自動化、智能化和信息化，現(xiàn)有工藝無法客戶的技術(shù)要求。通過內(nèi)部會議，上海辰鐵工業(yè)自動化科技有限公司決定研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新工藝來提升質(zhì)量、提高效率。傳統(tǒng)的手工生產(chǎn)設(shè)備如圖2所示，需要手工旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)生產(chǎn)，效率極其低下，5 min才能生產(chǎn)一個產(chǎn)品，質(zhì)量也不能很好地控制。

1.2 材料的選擇

在材料的選擇階段，筆者初步選用普通的鋁合金做主體套筒，用普通304片材作為過濾片材中的光片材和滾花片材。在初次的耐腐蝕試驗中，樣品的耐腐蝕和力學(xué)性能未能達(dá)到客戶要求，通過試驗，筆者選擇含Ni（鎳）更高的18-10醫(yī)用不銹鋼材料，主體套筒采用高強度的7075鋁合金，通過試驗，其各方面性能滿足客戶的需求。

1.3 新設(shè)備工藝布局的提出

通過分析客戶訴求及傳統(tǒng)工藝的不足，上海辰鐵工業(yè)自動化科技有限公司探索出一種智能化、自動化、信息化的改造工藝。

1.3.1 智能化。項目初始階段，客戶要求設(shè)備能夠生產(chǎn)不同型號的產(chǎn)品。所以，在確定工藝時，必須將不同型號產(chǎn)品切換的方便性作為關(guān)鍵指標(biāo)，通過討論，最終采用觸摸屏控制的方法，實現(xiàn)設(shè)備的智能切換。

1.3.2 自動化。設(shè)備必須實現(xiàn)自動生產(chǎn)，不能進行人為干預(yù)。在一次加好材料后，設(shè)備即可以自動生產(chǎn)，自動供料、自動焊接、自動卷繞計算長度等過程不需要人為干預(yù)，并且具有異常報警、缺料報警等功能。

1.3.3 信息化。生產(chǎn)數(shù)量、合格率、不良數(shù)量等信息能夠通過上位機上傳到ERP系統(tǒng)，實現(xiàn)設(shè)備與整個生產(chǎn)系統(tǒng)的信息交換，為訂單排配提供實時數(shù)據(jù)支持。

2 詳細(xì)設(shè)計

如圖3所示，設(shè)備大致分成6個部分。它們采用從左向右的運行順序：上下各一個料盤供料—到滾花—經(jīng)過裁切刀—經(jīng)過焊接部分—張緊壓輪—自動卷繞部分。

2.1 操作控制屏

操作控制屏采用三菱7寸觸摸屏，設(shè)置7個物理按鈕，控制設(shè)備的基本運行，7個按鈕分別是急停、原點、啟動、停止、復(fù)位、自動、手動。

急停按鈕是在任何突發(fā)情況下對機器實施停止的功能按鈕，用來保護人員安全和設(shè)備安全的按鈕。原點按鈕是設(shè)備無論在哪個部位非正常停機都可以回到初始位置的按鈕，通常需要長按3 s才能開始動作。啟動按鈕是用來啟動自動生產(chǎn)用的。停止按鈕供正常停機使用。復(fù)位按鈕可以解除出錯的報警信息。自動和手動按鈕用來切換設(shè)備的運行模式。

2.2 料盤

料盤共2個，分為上料盤和下料盤。材料使用卷料設(shè)計，利用料盤的形式供料容易實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。料盤采用輕質(zhì)的5 mm厚的亞克力板，人們可以用肉眼觀察到余料的狀況。同時，上下料盤采用統(tǒng)一的尺寸標(biāo)準(zhǔn)，節(jié)約了設(shè)計成本。需要注意的是料盤對工作臺面的絕緣問題（因為焊接會產(chǎn)生電壓和電流），所以人們在圖3中可以看到很多絕緣電木板設(shè)計。

2.3 滾花

滾花模具是產(chǎn)品成型的最關(guān)鍵部分，人們在具體設(shè)計的過程要考慮三點，即滾花輪設(shè)計（見圖4）、材料選擇、加工要求。一是滾花要求為高度0.7 mm的等邊三角形，通過計算，設(shè)定滾花輪的軸中心距離為61 mm，滾花輪采用伺服電機精準(zhǔn)控制，為供料長度、滾輪運行的平穩(wěn)性提供保障。驅(qū)動齒輪選擇計算：間距[d=mz]=61，即取1 m，61齒非標(biāo)齒輪。二是滾輪的材料對耐磨性要求很高，其又要有較高的強度，所以選擇SKD11高強度模具鋼，采用表面碳氮共滲處理，HRC60°。三是由于滾輪有很高的要求，所以在熱處理后采用高精度慢走絲加工。

2.4 雙料帶切刀

帶在最后加工完成后需要自動切斷，并且末端切斷長度不同，所以此處需要設(shè)置兩把切刀來實現(xiàn)該功能。切刀布置不能相隔太遠(yuǎn)，否則會造成操作不方便、設(shè)備不緊湊。經(jīng)討論，上下切刀共用一把中間刀片，上下刀片各由一個氣缸帶動，氣缸通過程序可以分開分時動作。刀片上下安裝在T形槽內(nèi)，間隙可以微調(diào)，刀片材料使用SKD11淬火，HRC60°，實際裁切毛刺高度小于0.05，切口平整，如圖5所示。

如圖6所示，刀片刀口有5°的斜度，有效降低裁切時的阻力，也確保了裁切質(zhì)量。刀片采用T形槽結(jié)構(gòu)，有利于快速更換。

剪切力的計算公式為：

[F=S×σ]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，[F]為剪切力，N;[S]為截面積，mm2;[σ]為屈服強度，Pa。

材料厚度為0.1 mm，材料寬度為38 mm，屈服強度約為300 MPa。由式（1）計算可得，[F]=0.1×38×300=1 140 N。

由上剪切力F推出，剪切氣缸的力必須大于1 140 N才能確保將材料切斷。經(jīng)查閱資料，標(biāo)準(zhǔn)氣缸用缸徑63 mm的可以達(dá)到1 500 N，能夠滿足這一要求，但同時也要對氣缸及氣壓進行檢算。

缸徑為63 mm，氣壓為0.5 MPa。經(jīng)計算，氣缸推力[F缸]=3.14×（63/2）2×0.5≈1 585.8 N。所以，通過以上計算，最終確定選擇缸徑63 mm的SMC品牌氣缸，工作氣壓保持在0.5～0.6 MPa。

2.5 焊接部分

由于兩條料帶最終要與芯棒焊接在一起進行卷繞，所以研發(fā)小組經(jīng)過討論采用脈沖式點焊機，該焊接形式具有無耗材損耗、冷卻速度快等優(yōu)點，且低電壓在生產(chǎn)時無安全隱患，對人體無傷害，對環(huán)境也無破壞。

2.6 卷繞部分

卷繞部分即是將焊接好的芯棒送到卷繞機構(gòu)里進行卷繞，具體就是由一根卷繞軸來實現(xiàn)此功能，如圖7所示。主齒輪通過電機驅(qū)動并帶動從動齒輪，從動齒輪與卷繞軸通過鍵槽連接在一起并可以同時旋轉(zhuǎn)，從而帶動芯棒旋轉(zhuǎn)，卷繞軸同時又可以通過芯棒頂緊氣缸做左右移動的動作，從而頂緊芯棒，整個結(jié)構(gòu)簡單可靠。

3 設(shè)計效果

通過前期的努力，原型機順利裝配調(diào)試完成，各個功能部分均已經(jīng)實現(xiàn)，并且滿足了設(shè)計要求，受到了客戶的肯定。設(shè)備的勞動強度得到了很大的改善，產(chǎn)品質(zhì)量與卷繞的緊實度一致，客戶在肯定的同時也提出了不少的改進建議。

4 后續(xù)改進之處

4.1 滾花輪的外徑加工問題

在此批量生產(chǎn)后發(fā)現(xiàn)有些片材在滾花時有跑偏的現(xiàn)象，通過測量分析發(fā)現(xiàn)滾輪外徑在加工時有輕微錐度（0.03 mm）的原因?qū)е?，在對加工過程嚴(yán)格控制使兩端差異縮小到0.005 mm以內(nèi)，并且對料帶設(shè)置伺服自動導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，可以自動修正料帶偏移量，通過改進后此現(xiàn)象得到消除。

4.2 智能化與自動化的進一步提升

在實際生產(chǎn)中，客戶提出了進一步優(yōu)化智能化的要求，即智能化與信息化聯(lián)合控制，在系統(tǒng)下達(dá)生產(chǎn)指令后，設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)自動換型的功能，從而減少人為操作失誤。生產(chǎn)過程中還有人為干預(yù)的現(xiàn)象，如換料，未能實現(xiàn)全自動狀態(tài)，后續(xù)通過增加輔助送料裝置等爭取實現(xiàn)全自動生產(chǎn)。

4.3 自動潤滑系統(tǒng)的改進

由于設(shè)備的部分機械部件有機械磨損，初始階段設(shè)計時采用人工定期保養(yǎng)的方式，通過一段時間的運行發(fā)現(xiàn)操作人員會經(jīng)常忘記保養(yǎng)或者不能有效保養(yǎng)，所以需要對設(shè)備進行潤滑油系統(tǒng)的自動化改造。

4.4 消毒及包裝方式的改進

產(chǎn)品在生產(chǎn)出來后還需要經(jīng)過消毒包裝處理，目前利用人工統(tǒng)一拿到消毒柜進行處理，消毒完成后再進行人工包裝，存在二次污染的可能?？蛻粢螽a(chǎn)品從設(shè)備生產(chǎn)出來后直接自動送到特制的消毒流水線，線體采用密閉的紫外線加高溫消毒方式，并且能夠自動包裝，防止二次污染。

5 結(jié)論

此設(shè)備很好地融合了傳統(tǒng)工藝與最新的自動控制技術(shù)，結(jié)構(gòu)上能夠大膽創(chuàng)新，制作上精益求精。生產(chǎn)效率由原來的5 min一個產(chǎn)品縮短到2 min左右，長度控制精度達(dá)到0.2 mm以內(nèi)，完全可以媲美國外同類產(chǎn)品，得到了客戶的好評。設(shè)備的研發(fā)成功大大地解放了重復(fù)枯燥的人力勞動，很好地將信息技術(shù)運用到生產(chǎn)中，使得生產(chǎn)過程得到有效的記錄和監(jiān)控，保證了較低的不良率，防止不良產(chǎn)品的流出。同時，本設(shè)計還有一些待改進之處，相信通過不斷的改進，本公司一定會制造出更加完美的設(shè)備，服務(wù)客戶和社會。

參考文獻(xiàn)：

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