藥用玻璃包裝自動(dòng)裝盒系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙航，任亞恒，程煜，安旸

藥用玻璃包裝自動(dòng)裝盒系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙航1,2，任亞恒1,2*，程煜1,2，安旸1

（1.河北省科學(xué)院應(yīng)用數(shù)學(xué)研究所，石家莊 050081； 2.河北省信息安全認(rèn)證工程技術(shù)研究中心，石家莊 050081）

針對(duì)現(xiàn)階段藥用玻璃包裝產(chǎn)業(yè)升級(jí)對(duì)數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化的設(shè)備的迫切需求，提出一種藥用玻璃瓶（西林瓶、安瓿瓶、口服液制劑瓶等）自動(dòng)裝盒方法，以降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高產(chǎn)品質(zhì)量。以安瓿瓶為例，在充分分析具體需求的基礎(chǔ)上，借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)和仿真技術(shù)，采用“自頂向下”的設(shè)計(jì)方法，完成系統(tǒng)三維模型機(jī)械設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)仿真。利用PLC工業(yè)控制技術(shù)，建立能夠兼容不同規(guī)格產(chǎn)品的生產(chǎn)線的控制模型，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)智能控制，并完成樣機(jī)的試制。在國(guó)內(nèi)幾家大型藥用玻璃包裝生產(chǎn)企業(yè)成功應(yīng)用后，所研制的藥用玻璃瓶自動(dòng)裝盒系統(tǒng)能夠有效減少因傳統(tǒng)裝盒方法對(duì)瓶身造成的劃傷和污染，包裝人員成本減少了40%，產(chǎn)品合格率提高了5%。所研制的藥用玻璃瓶自動(dòng)裝盒系統(tǒng)可顯著提高產(chǎn)品的質(zhì)量、降低勞動(dòng)成本，加快了行業(yè)自動(dòng)化、智能化進(jìn)程。

藥用玻璃包裝；自動(dòng)裝盒；機(jī)械設(shè)計(jì)；智能控制；產(chǎn)業(yè)升級(jí)

藥用玻璃包裝裝盒工藝是在藥用玻璃包裝生產(chǎn)線末端，產(chǎn)品成型并經(jīng)質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)完成以后，將合格的玻璃包裝產(chǎn)品移入產(chǎn)品包裝盒內(nèi)。傳統(tǒng)的裝盒工藝主要依靠人工，效率低，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并且二次接觸易對(duì)產(chǎn)品瓶身造成劃傷[1]，隨著國(guó)家對(duì)藥包產(chǎn)品安全的嚴(yán)格管控，傳統(tǒng)的裝盒工藝無法滿足當(dāng)下的生產(chǎn)需求[2]。圍繞“中國(guó)制造2025”規(guī)劃，政府工作報(bào)告要求加快傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，研發(fā)數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化的在線裝盒設(shè)備已成為當(dāng)下玻璃藥包生產(chǎn)企業(yè)的共同需求[3]。

本文以傳統(tǒng)的臥式安瓿瓶生產(chǎn)線為例進(jìn)行研究，臥式安瓿瓶生產(chǎn)線裝盒要求更為復(fù)雜，其具體需求如下：生產(chǎn)線分左、右兩路出瓶，要求兩路出瓶線獨(dú)立裝盒，便于廢品溯源；生產(chǎn)線出瓶速度快，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)機(jī)速最快達(dá)160個(gè)/min，裝盒速度要滿足最快生產(chǎn)速度；由于實(shí)際廠房空間的限制，裝盒設(shè)備設(shè)計(jì)要緊湊，不宜過大；為最大程度減少人員成本，要求裝盒工位越多越好；采用遞增錯(cuò)位排列裝盒方式；設(shè)備穩(wěn)定性高，能夠滿足24 h不間斷的工作時(shí)間要求。該研究成果對(duì)實(shí)現(xiàn)藥用玻璃包裝行業(yè)自動(dòng)化、智能化生產(chǎn)有重大意義。自全球新冠疫情蔓延以來，國(guó)產(chǎn)疫苗需求日趨強(qiáng)烈。據(jù)Airfinity公司預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，2022年底全球新冠疫苗產(chǎn)量將達(dá)到90億劑[3]，相應(yīng)的疫苗玻璃包裝瓶的需求量激增，向國(guó)內(nèi)藥包生產(chǎn)企業(yè)提出挑戰(zhàn)。

目前，國(guó)內(nèi)外臥式安瓿瓶生產(chǎn)線在線裝盒設(shè)備主要采用單瓶體抓取，左、右兩路裝入同一盒的方式。這種方式裝盒工位少，大多不配備手動(dòng)備用包裝臺(tái)，尚不能完全匹配全部規(guī)格產(chǎn)品的生產(chǎn)線；整機(jī)占地面積大，雖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，但價(jià)格昂貴；國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品還不成熟，企業(yè)主要依靠進(jìn)口，設(shè)備供貨周期長(zhǎng)。與國(guó)外設(shè)備相比，本文提出的藥用玻璃安瓿瓶在線自動(dòng)裝盒的方法，采用整排抓取，左右兩路獨(dú)立裝盒的工藝，利用PLC工業(yè)控制技術(shù)，建立控制模型，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)智能控制，能夠兼容不同規(guī)格產(chǎn)品的生產(chǎn)線[4]。系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性高、操作簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。研制的安瓿瓶在線裝盒系統(tǒng)的應(yīng)用，解決了行業(yè)內(nèi)共性難題，同時(shí)滿足了國(guó)內(nèi)新冠疫苗對(duì)藥用玻璃包裝的迫切需求[5]。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

安瓿瓶自動(dòng)裝盒系統(tǒng)主要分為三部分，分別是機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和上位機(jī)軟件系統(tǒng)。

傳統(tǒng)安瓿瓶生產(chǎn)線分為左右兩路出瓶線，藥瓶生產(chǎn)廠家要求兩路出瓶線的產(chǎn)品獨(dú)立進(jìn)行裝盒。每路裝盒機(jī)構(gòu)包括四部分，分別為理瓶機(jī)構(gòu)、抓取機(jī)械手、負(fù)壓吸附箱體組件、多工位盒體循環(huán)輸送線。在理瓶機(jī)末端設(shè)有搬運(yùn)抓取機(jī)構(gòu)，銜接搬運(yùn)機(jī)構(gòu)設(shè)有備用手動(dòng)包裝[6]。

系統(tǒng)工作流程：理瓶機(jī)構(gòu)銜接安瓿瓶生產(chǎn)線，經(jīng)入瓶傳感器，將安瓿瓶依次緊挨碼放至理瓶裝置支撐單元；待安瓿瓶輸送至抓取工位，抓取機(jī)械手通過負(fù)壓吸附箱體組件，將理瓶機(jī)構(gòu)上的安瓿瓶整排抓取，放置到循環(huán)線盒體內(nèi)；搬運(yùn)抓取裝置將理瓶機(jī)構(gòu)上因抓取機(jī)械手故障而漏吸的玻璃瓶抓取至料倉(cāng)，待料倉(cāng)滿后進(jìn)行人工裝盒。系統(tǒng)工作流程見圖1。

根據(jù)系統(tǒng)工作流程圖，借助計(jì)算機(jī)輔助軟件Creo，通過“自頂向下”的設(shè)計(jì)方法，通過建立骨架模型，利用零部件與骨架模型的數(shù)據(jù)關(guān)系，建立不同的零件與子組件。逐漸細(xì)化模型，進(jìn)行了整機(jī)三維實(shí)體建模[7]，其三維結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 系統(tǒng)工作流程

圖2 整機(jī)三維結(jié)構(gòu)

2 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 抓取機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

抓取機(jī)械手是安瓿瓶自動(dòng)裝盒系統(tǒng)的關(guān)鍵組件。抓取機(jī)械手由-軸滑臺(tái)、氣缸、真空吸盤組、真空發(fā)生器、電機(jī)、同步帶輪、直線導(dǎo)軌等組成。通過負(fù)壓吸附的原理，進(jìn)行整排安瓿瓶的抓取和放置。傳統(tǒng)的安瓿瓶生產(chǎn)線是通過瓶身之間的相互擠壓和摩擦，在膠木或尼龍蝸桿的帶動(dòng)下，安瓿瓶進(jìn)入包裝工位，易造成瓶身的劃傷和污染。在裝盒過程中，為保證瓶身不滑落，要求瓶身與水平面成不小于20°的夾角。在抓取機(jī)械手上設(shè)有翻轉(zhuǎn)氣缸，待整排抓取以后，翻轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度，同時(shí)在翻轉(zhuǎn)氣缸的固定端設(shè)有緩沖裝置，防止因吸盤組抓取時(shí)過壓而損壞吸盤組和瓶身。另外在真空吸盤組上設(shè)有擺動(dòng)氣缸，保證在裝盒的過程中，奇偶行抓取不同個(gè)數(shù)的安瓿瓶，抓取機(jī)械手見圖3a所示。

抓取機(jī)械手是一個(gè)連續(xù)不間斷的往復(fù)循環(huán)過程，并且放置目標(biāo)點(diǎn)是逐層遞增的。為實(shí)現(xiàn)在不撞擊機(jī)架的同時(shí)保證抓取機(jī)械手的高效率，進(jìn)行了三維結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真。根據(jù)多種仿真軌跡的對(duì)比，解得最優(yōu)解，在軸抓取后和軸抓取快退后，設(shè)置中間點(diǎn)，每次經(jīng)過中間點(diǎn)再運(yùn)動(dòng)到下一位置[8-9]。抓取機(jī)械手在控制系統(tǒng)作用下完成自動(dòng)裝盒過程，抓取機(jī)械手路徑規(guī)劃，如圖3b所示。

2.2 多工位循環(huán)線機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為最大程度地減少人員成本，要求裝盒工位越多越好。本文以6工位為例，多工位循環(huán)線機(jī)構(gòu)由機(jī)架、萬向軸承、滑塊、鏈輪、鏈條、脹緊套、氣缸、電機(jī)、減速器等組成。裝盒工位下方設(shè)有定位機(jī)構(gòu)，空盒每次到達(dá)裝盒工位，待定位機(jī)構(gòu)進(jìn)行定位后，方可進(jìn)行裝盒，以此消除運(yùn)動(dòng)誤差；機(jī)械手裝完一箱后，在循環(huán)線的帶動(dòng)下將滿盒箱體運(yùn)送至下一工位，將空盒運(yùn)送至裝盒工位繼續(xù)裝盒。另外，在裝盒工位前一個(gè)工位設(shè)有盒檢-探測(cè)裝置，該裝置有2個(gè)作用：檢測(cè)此工位有無盒；探測(cè)此工位盒內(nèi)有無瓶。只有在此工位有盒無瓶的條件下，方可進(jìn)入裝盒工位進(jìn)行裝盒；如不滿足有盒無瓶的條件，則繼續(xù)循環(huán)判斷。待6個(gè)工位滿盒之后，報(bào)警燈提示工人進(jìn)行換盒。

傳統(tǒng)的循環(huán)線由電機(jī)通過鏈條或同步帶帶動(dòng)，配合環(huán)形導(dǎo)軌-滑塊進(jìn)行定位，其造價(jià)高，性價(jià)比低。本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的多工位循環(huán)線三視圖見圖4所示。

2.3 間歇理瓶裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

理瓶機(jī)構(gòu)由電機(jī)、軸承、導(dǎo)軌、滑塊、偏心輪、V型槽等組成。V型槽分為動(dòng)V型槽和定V型槽，分別與驅(qū)動(dòng)裝置和機(jī)架相連。理瓶機(jī)構(gòu)承接安瓿瓶生產(chǎn)線，當(dāng)有一個(gè)瓶子進(jìn)入理瓶工位，理瓶裝置通過動(dòng)V型槽帶動(dòng)瓶子前進(jìn)一個(gè)工位，落在定V型槽上。V型槽的槽間距與瓶身外徑相同，使進(jìn)入理瓶機(jī)構(gòu)的瓶子在定V型槽上依次相鄰緊挨排列。理瓶機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式是由2套凸輪裝置組成，驅(qū)動(dòng)動(dòng)V型槽在-方向作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，2個(gè)偏心輪的偏心距離與瓶身半徑相等。當(dāng)電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一圈，V型槽帶動(dòng)整排瓶子在方向前進(jìn)一個(gè)瓶身距離。

通過運(yùn)動(dòng)仿真軟件，定義自由度、鏈接約束和運(yùn)動(dòng)副模擬出瓶子在V型槽上的橢圓形運(yùn)動(dòng)軌跡[10]，間歇理瓶裝置見圖5。

圖3 抓取機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖4 多工位循環(huán)線三視圖

圖5 間歇式理瓶裝置

2.4 其他附件裝置說明

目前，藥用玻璃包裝按產(chǎn)品分為安瓿瓶、西林瓶、預(yù)灌封針筒、卡式瓶、輸液瓶、口服液制劑瓶等，按成型工藝分為模制瓶和管制瓶，其生產(chǎn)線分為臥式制瓶線和立式制瓶線。不同藥用玻璃瓶之間的區(qū)別見表1。

不同藥用玻璃瓶和生產(chǎn)線要求自動(dòng)裝盒設(shè)備不完全一樣，但裝盒原理基本一致，重點(diǎn)在于裝盒設(shè)備如何與生產(chǎn)設(shè)備相銜接。本文以安瓿瓶為例介紹了一種藥用玻璃瓶自動(dòng)裝盒方法，若將此方法應(yīng)用于其他玻璃藥包生產(chǎn)線還需進(jìn)行上料裝置、Z-R機(jī)械手設(shè)計(jì)。區(qū)別于安瓿瓶依次排列的出瓶方式，西林瓶、口服液瓶、卡式瓶等產(chǎn)品生產(chǎn)線大多為雜亂無序的出瓶方式，需要借助Z-R機(jī)械手配合上料裝置，完成產(chǎn)品從生產(chǎn)線到裝盒機(jī)理瓶機(jī)構(gòu)的過渡。另外，國(guó)內(nèi)大部分西林瓶、卡式瓶生產(chǎn)線以及立式制瓶生產(chǎn)線為單路出瓶，還需進(jìn)行單路銜接機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具體應(yīng)用效果還需實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。考慮到預(yù)灌封針筒外形復(fù)雜和輸液瓶外形體積跨度大的特點(diǎn)，本文提出的自動(dòng)裝盒方法還不能兼容這2種藥用玻璃包裝的生產(chǎn)線，仍需繼續(xù)研究。

表1 藥用玻璃瓶之間的區(qū)別

Tab.1 Difference between pharmaceutical glass bottles

3 系統(tǒng)控制部分

3.1 整機(jī)控制過程

系統(tǒng)啟動(dòng)前先進(jìn)行復(fù)位自檢，長(zhǎng)按復(fù)位按鈕3 s。為避免機(jī)械手與循環(huán)線撞機(jī)，機(jī)械手軸先復(fù)位找原點(diǎn)，待軸復(fù)位完成后，機(jī)械手軸、理瓶機(jī)構(gòu)、搬運(yùn)抓取機(jī)構(gòu)、備用包裝臺(tái)同時(shí)復(fù)位找原點(diǎn)，最后循環(huán)線復(fù)位找原點(diǎn)。循環(huán)線一次找原點(diǎn)完成后，定位裝置進(jìn)行定位，判斷探測(cè)工位是否有盒無瓶，如果不是有盒無瓶的情況，循環(huán)線運(yùn)動(dòng)一個(gè)工位，繼續(xù)判斷探測(cè)工位是否有盒無瓶，直到探測(cè)到有盒無瓶的狀態(tài)出現(xiàn)，循環(huán)線方可停止。如果經(jīng)過6次判斷，探測(cè)工位沒有出現(xiàn)有盒無瓶的狀態(tài)，系統(tǒng)則報(bào)警。

安瓿瓶自動(dòng)裝盒機(jī)置于安瓿瓶檢測(cè)機(jī)末端，將檢測(cè)合格的瓶子輸送至裝盒機(jī)入瓶工位。系統(tǒng)啟動(dòng)后，裝盒入瓶工位設(shè)有觸發(fā)傳感器，觸發(fā)傳感器檢測(cè)到入瓶信號(hào)；理瓶機(jī)帶動(dòng)安瓿瓶在V型槽上前進(jìn)一個(gè)工位，安瓿瓶在V型槽上依次排列，整排瓶子傳送至裝盒工位；機(jī)械手通過真空吸盤組整排抓取，放置到循環(huán)線箱體內(nèi)；系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)識(shí)別抓取的奇偶行數(shù)，當(dāng)抓取偶數(shù)行時(shí)，吸盤組放置氣缸動(dòng)作，吸盤組少抓取一個(gè)玻璃瓶，且循環(huán)線帶動(dòng)箱體移動(dòng)半個(gè)瓶身距離，再將整排放置于箱體內(nèi)，保證奇偶行交錯(cuò)遞增排列裝盒；待裝滿盒后，探測(cè)工位判斷是否有盒無瓶，將有盒無瓶工位運(yùn)行至下一裝盒工位；繼續(xù)進(jìn)行裝盒，如果經(jīng)過6次判斷，探測(cè)工位沒有出現(xiàn)有盒無瓶的狀態(tài)，系統(tǒng)則報(bào)警[11]。

在理瓶裝置末端設(shè)有瓶檢測(cè)有無傳感器。每檢測(cè)到一個(gè)瓶子，搬運(yùn)抓取機(jī)構(gòu)將安瓿瓶從理瓶機(jī)構(gòu)抓取至備用包裝臺(tái)，備用包裝臺(tái)推瓶組件將抓取來的安瓿瓶推至手動(dòng)包裝臺(tái)內(nèi)。正常情況下搬運(yùn)抓取機(jī)構(gòu)、備用包裝臺(tái)是不動(dòng)作的，只有在抓取機(jī)械手故障而漏吸玻璃瓶時(shí)，為防止停機(jī)影響生產(chǎn)，才進(jìn)行備用的手動(dòng)裝盒操作?？刂屏鞒桃妶D6。

圖6 系統(tǒng)控制流程

3.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)控制要求，系統(tǒng)采用工業(yè)PLC為控制單元[12-15]。控制器選用三菱公司FX3U60MT，觸摸屏選用MT6070IH，分別控制3臺(tái)伺服電機(jī)、3臺(tái)步進(jìn)電機(jī)、4個(gè)氣缸、6個(gè)繼電器、2個(gè)警示燈、2個(gè)真空發(fā)生器以及9個(gè)漫反射光電傳感器等。安瓿瓶生產(chǎn)線為兩路瓶，除觸摸屏以外，其他電器元件均為雙份。PLC通過脈沖+方向的方式，實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的位置控制。PLC輸出端開關(guān)量通過電磁閥控制氣缸和真空發(fā)生器動(dòng)作。系統(tǒng)設(shè)有手動(dòng)和自動(dòng)2種工作模式，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，為不影響生產(chǎn)，操作者可切換到手動(dòng)模式，待故障排除以后，再切換回自動(dòng)模式。出于安全考慮，系統(tǒng)還設(shè)有“緊急停止”功能，當(dāng)緊急停止按鈕啟動(dòng)后，整個(gè)系統(tǒng)立即停止運(yùn)行?？刂葡到y(tǒng)框圖見圖7。

圖7 控制系統(tǒng)組成

3.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括PLC控制程序設(shè)計(jì)和觸摸屏程序設(shè)計(jì)[16]。根據(jù)系統(tǒng)控制流程圖將PLC控制程序分為復(fù)位程序、啟動(dòng)程序、故障診斷-報(bào)警程序等三部分，借助三菱梯形圖編程軟件進(jìn)行程序編寫。觸摸屏通過RS232和RS485分別與2個(gè)PLC通信，觸摸屏程序分為參數(shù)設(shè)置、手動(dòng)調(diào)節(jié)、功能設(shè)置、故障診斷等四部分，觸摸屏主界面見圖8a。

復(fù)位程序：系統(tǒng)上電后進(jìn)行復(fù)位操作，通過復(fù)位程序控制各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械回零。

啟動(dòng)程序：系統(tǒng)復(fù)位回零后運(yùn)行啟動(dòng)程序，控制理瓶機(jī)構(gòu)、負(fù)壓吸附箱體組、機(jī)械手、搬運(yùn)抓取裝置、備用包裝臺(tái)和循環(huán)線完成安瓿瓶自動(dòng)裝盒。

故障診斷-報(bào)警程序：系統(tǒng)采用全閉環(huán)的控制模式，自動(dòng)裝盒過程中每個(gè)動(dòng)作完成之后借助診斷程序進(jìn)行自檢，判斷各個(gè)工序完成情況，若出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)偏差，系統(tǒng)會(huì)報(bào)警并自動(dòng)修正運(yùn)動(dòng)誤差；如因卡瓶引起的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)錯(cuò)位，設(shè)備會(huì)自動(dòng)進(jìn)行復(fù)位，無需人工干預(yù)，大大增加了設(shè)備無故障工作時(shí)間[17]。

參數(shù)設(shè)置：系統(tǒng)通過觸摸屏參數(shù)設(shè)置界面（見圖8b），對(duì)機(jī)械手各個(gè)動(dòng)作位置和速度、電機(jī)加減速、理瓶機(jī)構(gòu)速度、軸增量、軸增量、抓取延時(shí)等進(jìn)行設(shè)置。

手動(dòng)調(diào)節(jié)：系統(tǒng)復(fù)位完成后，在觸摸屏手動(dòng)調(diào)節(jié)界面（見圖8c）中進(jìn)行自動(dòng)裝盒目標(biāo)位置標(biāo)定，能夠手動(dòng)操作系統(tǒng)各個(gè)執(zhí)行元件，并設(shè)有調(diào)試模式開關(guān)，在系統(tǒng)調(diào)試階段，可模擬現(xiàn)場(chǎng)機(jī)速，進(jìn)行脫機(jī)操作。

功能設(shè)置：觸摸屏功能設(shè)置界面（見圖8d）設(shè)有系統(tǒng)輔助功能按鈕，能夠獨(dú)立開啟/關(guān)閉一些功能，能夠屏蔽傳感器的功能，防止避免因傳感器的損壞而停機(jī)[18]。

故障診斷：觸摸屏故障診斷界面（見圖8e）實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備工作狀態(tài)，當(dāng)設(shè)備因故障停機(jī)時(shí)，能夠及時(shí)將故障原因顯示出來，便于操作者保養(yǎng)和維護(hù)。

3.4 控制模式選擇以及對(duì)產(chǎn)品合格率的影響

根據(jù)控制流程圖，系統(tǒng)采用順序+PID全閉環(huán)控制模式，按照裝盒工藝依次控制各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。每個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)均裝有傳感器，實(shí)時(shí)采集設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，將位置狀態(tài)實(shí)時(shí)反饋至控制器，并進(jìn)行PID運(yùn)算。當(dāng)出現(xiàn)由于干擾或電機(jī)過載等情況而導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)偏差時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在下一個(gè)工作周期之前自動(dòng)補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)偏差，無需操作人員人工干預(yù)，大大增加了設(shè)備無故障工作時(shí)間。下面以理瓶機(jī)構(gòu)為例，介紹系統(tǒng)采用的PID雙閉環(huán)控制模式，其理瓶機(jī)構(gòu)PID閉環(huán)控制原理見圖9。

系統(tǒng)控制給定理瓶機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度，控制器經(jīng)過計(jì)算得出所需脈沖數(shù)，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的角度；待1次理瓶結(jié)束后，一方面監(jiān)控驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部所接收到脈沖數(shù)，并傳送至內(nèi)環(huán)PID，以此糾正運(yùn)動(dòng)偏差，形成內(nèi)部閉環(huán)；另一方面通過外部編碼器得到電機(jī)實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度，將其傳送至外環(huán)PID，并與系統(tǒng)給定的旋轉(zhuǎn)角度相比較，以此糾正旋轉(zhuǎn)偏差，形成外部閉環(huán)[19]。

目前，傳統(tǒng)的安瓿瓶生產(chǎn)線裝盒方式是安瓿瓶通過瓶身之間擠壓進(jìn)入包裝臺(tái)，再由包裝工將瓶子移入盒體內(nèi)。每次移入盒體內(nèi)瓶子總數(shù)不一定是滿盒數(shù)，故以上操作一般需要3～4次才能裝滿盒。一方面瓶身與瓶身擠壓進(jìn)入包裝臺(tái)的過程中易對(duì)玻璃瓶體造成劃傷，另一方面包裝工將玻璃瓶移入盒體過程中易對(duì)瓶體造成污染，這兩方面均增加了產(chǎn)品的不合格率。

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)裝盒系統(tǒng)通過負(fù)壓整排吸附裝盒的方式，避免了瓶身與瓶身之間的擠壓，同時(shí)整個(gè)裝盒過程依靠機(jī)械手完成，無需人工干預(yù)。配合系統(tǒng)采用的PID雙閉環(huán)控制模式，增加了系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)精度和穩(wěn)定性，減少了系統(tǒng)故障率，以此來提高產(chǎn)品的合格率。

圖8 觸摸屏界面

圖9 理瓶機(jī)構(gòu)PID閉環(huán)控制原理

4 設(shè)備試運(yùn)行結(jié)果分析

系統(tǒng)已在國(guó)內(nèi)幾家大型藥用玻璃包裝生產(chǎn)企業(yè)成功應(yīng)用，安瓿瓶自動(dòng)裝盒機(jī)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)見圖10。經(jīng)使用情況分析，該設(shè)計(jì)產(chǎn)品能夠兼容1～20 mL安瓿瓶產(chǎn)品，適用最高生產(chǎn)機(jī)速不低于160個(gè)/min，能夠兼容全國(guó)95%以上的安瓿瓶生產(chǎn)設(shè)備。企業(yè)在應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)選擇了2條生產(chǎn)工況相同的安瓿瓶生產(chǎn)線，其中的一條裝有自動(dòng)裝盒設(shè)備。該生產(chǎn)線兩路出瓶線能夠獨(dú)立進(jìn)行裝盒，單邊6個(gè)裝盒工位，整機(jī)額定功率為1.5 kW，抓取機(jī)械手定位精度和重復(fù)定位不大于0.02 mm，要求供氣氣壓不小于0.4 MPa，設(shè)備適宜工作溫度為0～50 ℃，設(shè)備無故障工作時(shí)間不小于360 h。

圖10 系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)

企業(yè)分別從包裝人員成本投入和產(chǎn)品合格率兩方面進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)6個(gè)月內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，初步得到兩方面的結(jié)論：安瓿瓶包裝人工成本減少了40%；安瓿瓶產(chǎn)品的合格率提高了5%。

5 結(jié)語

提出了一種藥用玻璃包裝瓶的自動(dòng)裝盒方法，以安瓿瓶為例，完成了機(jī)械結(jié)構(gòu)建模和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，完成了樣機(jī)的組裝與調(diào)試，并在安瓿瓶生產(chǎn)廠家得到了推廣應(yīng)用。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，裝有本設(shè)計(jì)產(chǎn)品的安瓿瓶生產(chǎn)線能夠有效地減少企業(yè)包裝人員的成本和提高產(chǎn)品的質(zhì)量。目前，我國(guó)有上百家藥用玻璃包裝生產(chǎn)企業(yè)，因此，本研究具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益和很好的發(fā)展前景。

雖然本系統(tǒng)研究取得了一定的成果，但本系統(tǒng)還不能夠兼容所有玻璃藥用包裝產(chǎn)品生產(chǎn)線，仍需要繼續(xù)研究。

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Design and Implementation of Automatic Packing System for Pharmaceutical Glass Packaging

ZHAO Hang1,2, REN Ya-heng1,2*, CHENG Yu1,2, AN Yang1

(1. Institute of Applied Mathematics, Hebei Academy of Sciences, Shijiazhuang 050081, China; 2. Hebei Authentication Technology Engineering Research Center, Shijiazhuang 050081, China)

In view of the urgent demand for digital, automatic and intelligent equipment in the upgrading of pharmaceutical glass packaging industry at present, the work aims to propose an automatic packing method for pharmaceutical glass bottles (penicillin bottles, ampoule bottles, oral liquid bottles, etc.) to reduce labor intensity and improve product quality. With ampoule bottle as an example, on the basis of full analysis of the specific requirements, the computer aided design technology and simulation technology were combined with the method of "top-down" design to complete the mechanical design and motion simulation on the 3D model of the system. PLC industrial control technology was employed to establish the control model compatible with production lines for different specifications of products, so as to realize the intelligent control of the system, and complete the trial production of the prototype. After successful application in several large pharmaceutical glass packaging enterprises in China, the automatic packing system for pharmaceutical glass bottles developed could effectively reduce the scratches and pollution caused by traditional packing method, reduce the cost of packaging personnel by 40% and improve the qualified rate of products by 5%. The automatic packing system for pharmaceutical glass bottles can significantly improve the quality of products, reduce labor costs, and accelerate the process of automation and intelligence in the industry.

pharmaceutical glass packaging; automatic packing; mechanical design; intelligent control; industrial upgrading

TB486；TH122

A

1001-3563(2023)17-0181-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.17.022

2023-02-03

中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展資金項(xiàng)目（自由探索類基礎(chǔ)研究）（236Z1604G）

責(zé)任編輯：曾鈺嬋