自動(dòng)槍頭裝盒設(shè)備的設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)研究*

崔雅琦，張 娜，田淮仲，禹曉瑛，邢玉薪，楊 艷

(1.太原科技大學(xué) 化學(xué)與生物工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024；3.太原科技大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，山西 太原 030024)

0 引言

移液槍是生物、制藥、環(huán)境、食品等工程實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程的必備操作器材之一，由于其具有量程精確、無(wú)菌、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。在具體實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中，移液槍的槍頭使用效率較高，且多為一次性耗材用品。為保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程的無(wú)菌性、操作便捷性等，需要實(shí)驗(yàn)操作人員提前手動(dòng)裝盒并高壓滅菌，因此，配套槍頭盒的預(yù)準(zhǔn)備工作成為實(shí)驗(yàn)操作人員必須完成的一項(xiàng)繁瑣且耗時(shí)的工作。

目前Eppendorf公司、上海生物工程有限公司、蘇品公司等均生產(chǎn)有無(wú)酶無(wú)熱原盒裝槍頭產(chǎn)品，但是價(jià)格高；同時(shí)這一類(lèi)原裝槍頭在產(chǎn)品制造、運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程中，不可避免地會(huì)出現(xiàn)成本上升、有機(jī)垃圾排放等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，使其較難得到大眾實(shí)驗(yàn)室的認(rèn)可。

融合傳統(tǒng)機(jī)械制造與現(xiàn)代智能創(chuàng)新技術(shù)，著力于移液槍的實(shí)際使用過(guò)程，本文開(kāi)發(fā)了一款占地面積小、操作方便的小型智能移液槍頭裝盒設(shè)備。

1 裝盒設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)

1.1 裝盒設(shè)備外觀設(shè)計(jì)

本設(shè)備具有箱體小巧、關(guān)鍵裝配部件層次感強(qiáng)、滑桿推動(dòng)配件圓滑等特點(diǎn)。設(shè)備主體為臺(tái)式機(jī)，機(jī)體尺寸為500 mm×400 mm×500 mm；箱體制作材料選用ZG230-450；內(nèi)部主件材料為PA66聚酰胺樹(shù)脂。

1.2 槍頭裝盒方式的設(shè)計(jì)

槍頭轉(zhuǎn)移和分配是本設(shè)備的核心操作環(huán)節(jié)。其中設(shè)計(jì)對(duì)象——移液槍槍頭的特點(diǎn)為：旋轉(zhuǎn)體式特殊定向結(jié)構(gòu)，槍頭頂部為六棱形豎向筋條，下部為圓錐型吸嘴(見(jiàn)圖1)。不同型號(hào)槍頭特征尺寸見(jiàn)表1。

表1 不同型號(hào)槍頭尺寸 mm

圖1 槍頭與槍頭盒

槍頭盒品種較多，以海門(mén)市峰益實(shí)驗(yàn)器材廠10 μL槍頭對(duì)應(yīng)吸頭盒為例，其具體尺寸為：孔數(shù)量96個(gè)，排布規(guī)格(8×12)。對(duì)比其他型號(hào)槍頭盒，發(fā)現(xiàn)不同型號(hào)槍頭盒尺寸均不同(見(jiàn)表2)，但是排布規(guī)則。

表2 不同型號(hào)槍頭盒尺寸 mm

2 具體裝盒方案及關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

該裝盒設(shè)備的主要工作組件為傳送驅(qū)動(dòng)組件、電機(jī)驅(qū)動(dòng)組件、槍頭分選組件及智能數(shù)控板。

2.1 裝盒方案

完整的裝盒原理及流程如圖2所示，可分為以下五步:①槍頭倒入箱體上部料斗盒，啟動(dòng)電機(jī)；②履帶移動(dòng)，重力分選，在合適的振動(dòng)頻率下，槍頭沿履帶傳送方向滑動(dòng)，當(dāng)移動(dòng)到末端時(shí)受阻力作用，槍頭依次單層排列，并滑落于滑筒；③槍頭滑落至出口處，由傳感器檢測(cè)插入式夾板移動(dòng)坐標(biāo)點(diǎn)，等待下一步；④移動(dòng)桿末端有多個(gè)具有彈性的錐形收集槽，錐形收集槽下出口小，且有彈性，移動(dòng)桿移動(dòng)到長(zhǎng)滑道處，滑落運(yùn)動(dòng)使槍頭掉落至錐形槽內(nèi)，傳感器感應(yīng)槍頭排列及底部盒底溝信號(hào)后，移動(dòng)桿定位至槍盒上方，推送桿下壓槍頭，使其墜落到盒體內(nèi)，完成一次裝盒；⑤傳感器檢測(cè)，待全部裝完，啟動(dòng)下方履帶，將裝滿(mǎn)槍頭的盒體送出。

圖2 自動(dòng)裝盒工作原理及流程

2.2 部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該設(shè)備包括以下關(guān)鍵系統(tǒng)：槍頭篩選裝置、槍頭截流緩沖裝置、槍頭自動(dòng)裝盒裝置以及整機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)等。箱體(圖3(a))內(nèi)部安裝有電動(dòng)機(jī)、減速器、控制裝置，可為整個(gè)裝置提供動(dòng)力；設(shè)備安裝兩個(gè)傳感器，分別控制履帶和推送桿的運(yùn)動(dòng)。

2.2.1 整機(jī)傳動(dòng)組件

整機(jī)外觀為鑄造箱體，箱體上部進(jìn)料口處安裝有槍頭分離履帶及分離擋板；擋板下方由多個(gè)圓形滑道(圖3(b))和傾斜滑筒(圖3(c))組成；滑筒出口處為可更換型插板(圖3(d))，用于收集各滑道分別滑落的槍頭；箱體中下部還裝配有槍頭插入裝置，由移動(dòng)桿(圖3(e))和推送桿(圖3(f))組成；箱體底部為盒體傳送履帶(圖3(g))。

2.2.2 插板設(shè)計(jì)

插板為槍頭篩選組件中的核心元件，如圖3(d)所示,材質(zhì)為聚丙烯(PP)，通過(guò)注塑法制造而成。因槍頭規(guī)格不同，插板齒深及齒寬的規(guī)格相應(yīng)有所不同。其中，不同型號(hào)插板的三角形滑道之間最小距離略大于該型號(hào)插板所要分離的槍頭的最大直徑，并小于槍頭盒孔間隔。插板安裝在設(shè)備中下端，其上端連接滑筒，承接滑筒內(nèi)出現(xiàn)的單排槍頭，下端銜接推送桿。

圖3 整機(jī)傳動(dòng)組件

3 裝配動(dòng)作效率及時(shí)間效率分析

在正式運(yùn)行時(shí)，槍盒以及槍頭的自動(dòng)供料都可以在裝盒過(guò)程中的操作時(shí)間內(nèi)提前完成，所以在裝盒操作中不考慮供料時(shí)間。操作時(shí)間主要由氣缸的速度決定，設(shè)備選取速度為50 mm/s的升降氣缸。

以96孔槍頭盒為例，根據(jù)裝盒操作的先后順序進(jìn)行裝盒時(shí)間估算。

預(yù)估計(jì)裝滿(mǎn)一排的時(shí)間為7.1 s，8排需要56.8 s，加上槍頭整理以及人工放置和卸下槍頭盒的時(shí)間，裝滿(mǎn)一盒約耗時(shí)60 s。經(jīng)過(guò)人工裝盒試驗(yàn)測(cè)得手工裝盒最快為180 s，即該自動(dòng)裝盒設(shè)備相比人工裝盒效率提高66.7%以上。裝配動(dòng)作時(shí)間見(jiàn)表3。需要指出的是，裝配開(kāi)始后，操作流程中存在并行操作，實(shí)際操作時(shí)，每一排槍頭裝配周期并非完全是表3中所有時(shí)間的和。

表3 裝配動(dòng)作時(shí)間

4 結(jié)語(yǔ)

本文以96孔槍頭盒中移液槍槍頭的自動(dòng)裝盒為研究對(duì)象，主要進(jìn)行設(shè)備設(shè)計(jì)及模擬裝盒計(jì)算。與現(xiàn)有設(shè)備相比，該設(shè)備具有以下明顯優(yōu)勢(shì)：①自動(dòng)化程度高，以電機(jī)為核心，通過(guò)履帶、滑筒、滑槽、插板、插桿等協(xié)調(diào)組合，完成整個(gè)槍頭裝盒操作；②人性化設(shè)計(jì)，不僅避免了人工裝盒造成的時(shí)間與精力浪費(fèi)，且避免了成包銷(xiāo)售槍頭在人工裝盒過(guò)程中造成的污染，以及成盒銷(xiāo)售槍頭在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的資源浪費(fèi)等問(wèn)題；③功能性強(qiáng)，本設(shè)備適應(yīng)不同型號(hào)槍頭，且體積小巧，一鍵式操作，能在絕大部分生化、醫(yī)療、食品及環(huán)境等領(lǐng)域投入使用；④價(jià)格相對(duì)較低，應(yīng)用推廣性強(qiáng)。