一次性注射器生產設備中分步式擰桿旋瓶機構的研發設計

唐湘祁

（上海華東制藥機械有限公司，上海201323）

0 引言

近年來，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用，一次性注射器產品攜帶和使用方便，病人自己或親友經簡單學習就可使用，省去醫院就診的麻煩。然而，一次性注射器市場競爭激烈，制藥企業為了保持產品銷量的穩定增長，就要不斷降低生產成本，提高生產效率。

在一次性注射器產品的生產設備中，擰桿機至關重要，市場上現有的擰桿機速度在150～180瓶/min。若一味提高擰桿速度，在快速旋轉沖擊力的作用下，注射器內的膠塞會產生位移或旋轉，導致出現以下問題：（1）膠塞位移，把藥水推出一次性注射器，使得產品裝量出現偏差；（2）膠塞旋轉產生微粒，異物進入藥品中，影響產品質量。

本文將介紹新近研發的分步式擰桿旋瓶機構，該機構的擰桿力矩單獨可調，可以很好地解決上述問題，整機運行速度可達320～350瓶/min，且運行穩定、可靠。

1 一步式擰桿旋瓶機構

一次性注射器瓶如圖1所示，其由三個部分組成：擰桿、膠塞、注射器瓶組件（簡稱藥瓶）。

圖1 一次性注射器瓶的組成

在藥瓶內灌好藥液，加好膠塞的同時，針頭及針頭蓋已封好。擰桿機的任務就是把擰桿旋入藥瓶內的膠塞中。

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

圖2為擰桿運動示意。圓形旋瓶驅動輥緊貼藥瓶外圓并有一定彈性，驅動輥一直旋轉，藥瓶外圓與驅動輥從接觸到離開，藥瓶繞機器回旋中心公轉3.15°左右。以藥瓶等分盤20等分、擰桿速度180支/min計算，旋轉3.15°需要的時間T=60s÷[（180支/min÷20支/圈）×（360°/3.15°）]=0.058333s。

圖2 擰桿運動示意

圓形旋瓶驅動輥與藥瓶外徑的直徑比：44.2 mm/10.7mm≈4.13。

擰桿下端的螺紋長度為4.4mm，大約為4圈螺紋長度。理論而言，驅動輥轉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，要乘以一個系數，這個系數暫定為1.2。那么，驅動輥要在0.058333s內旋轉1.2圈，得出驅動輥的旋轉速度V=1s÷0.058333s×1.2圈×60s≈1234r/min。

由于按照上述計算得出的驅動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構產量幾乎不可能?？梢哉f，單驅動輥擰桿機構的180支/min產量已是極限。

2 分步式擰桿旋瓶機構

基于上述問題，新近研發的分步式擰桿旋瓶機構把擰桿動作分解成11個步驟，驅動輥的旋轉速度由1234r/min降為256r/min左右，而且這款擰桿機構的每個驅動輥緊貼藥瓶的力矩與接觸時間單獨可調。

因此，旋瓶時間可以做到前長后短，旋瓶力矩可以做到前大后小。當旋桿快旋轉到位時，需要的力矩很小，且速度很慢，這樣就不會對膠塞的位置精度產生影響，也不會因擰桿速度太快帶動膠塞旋轉產生微粒。

其中，驅動輥是由伺服電機驅動的，速度無級可調，滿足任何擰桿速度要求，產量可提高到320～350支/min。

2.1 分步式擰桿旋瓶機構的結構組成

圖3為分步式擰桿旋瓶機構的結構示意。其由1安裝板支架、2伺服電機、3主同步帶輪、4雙面齒同步帶、5小同步帶輪、6萬向節、7旋瓶桿、8定向塊、9定向套、10調整螺絲、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調節彈簧、20調整螺絲、21安裝板、22小帶輪軸、23大帶輪等組成。

圖3 分步式擰桿旋瓶機構的結構示意

所有零件都固定在安裝板上，安裝板由3個安裝支架支撐并連接固定為一體，伺服電機通過主同步帶輪、雙面齒同步帶與小同步帶輪活絡連接，小同步帶輪固定在小帶輪軸下端，小帶輪軸與安裝板活絡連接，小帶輪軸上端通過萬向節與旋瓶桿下端活絡連接，定向套套在旋瓶桿上且固定在定向塊滑槽中，可通過調整螺絲作前后調節，支撐滑軸前端與擺座固定板固定并與支撐板活絡連接，擺座與擺座固定板固定，擺座與擺塊活絡連接，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 分步式擰桿旋瓶機構的工作原理

主電機啟動，動力傳至大帶輪，整機運轉，凸輪與大帶輪固定為一體作旋轉運動，凸輪外圓設計成與撥盤等分一樣多的凹凸曲面，凹面對準撥輪凹槽處，每個凹槽處有一支藥瓶，當凹槽（即藥瓶）旋轉到旋瓶輪處時，旋瓶輪在調節彈簧的推力下緊貼藥瓶外圓，旋瓶輪旋轉且與藥瓶產生的摩擦力則帶動藥瓶作旋轉運動，擰桿在其他動力作用下向下移動，兩個運動的合成即為擰桿運動。

旋瓶輪的旋轉運動動力則是由伺服電機提供。伺服電機啟動，伺服電機動力通過主同步帶輪、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，小帶輪軸則通過萬向節與旋瓶桿活絡連接，旋瓶桿上端則與旋瓶輪固定連接，動力由小同步帶輪通過小帶輪軸、萬向節、旋瓶桿傳給旋瓶輪。其間，伺服電機速度快，旋瓶輪的旋轉速度則快。由于伺服電機由PLC控制，速度參數根據要求可作任意修改，所以此旋瓶擰桿機構可匹配任何主機速度。

2.3 分步式擰桿旋瓶機構的調節方法

2.3.1 擰桿力矩的調節

此擰桿機構的擰桿方式為分步式擰桿，共分為11個旋瓶輪，每個旋瓶輪的旋瓶力矩都可以單獨調節。旋瓶桿與旋瓶輪是可以左右擺動的，擺動的動力來自于凸輪外圓凹凸曲線和調節彈簧共同作用下推動螺栓軸承左右移動。螺栓軸承左右移動推動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。

擰桿力矩的調節方法：調整螺絲旋轉，壓縮調節彈簧，推動支撐滑軸、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藥瓶作旋轉運動。

調節彈簧壓縮得越多，則旋瓶輪與藥瓶的摩擦力矩越大，反之則越小。

2.3.2 擰桿時間的調節

旋轉調整螺絲，使旋瓶桿與旋瓶輪向左或向右擺動，其擺動角度由調整螺絲的調節量決定，旋瓶輪向右擺動得越多，其旋瓶輪與藥瓶接觸的時間就越長，反之則越短，以此調節擰桿時間，提高擰桿合格率。

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

2.3.3 旋瓶輪旋轉速度的計算

旋瓶輪與藥瓶外圓從接觸到離開，藥瓶繞機器回旋中心公轉3.15°左右。以藥瓶等分盤20等分、擰桿速度350支/min計算，旋轉3.15°需要的時間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。

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

因此，旋瓶輪旋轉速度從一步式擰桿旋瓶機構的1234r/min降為256r/min，而生產速度從180支/min提高到350支/min。

3 結語

上述分步式擰桿旋瓶機構突破了旋瓶速度對產量的限制，而且各旋瓶點的擰桿力矩、擰桿時間可根據實際生產需要單獨任意調節。若整機速度提高，利用PLC控制的伺服電機的速度可相應自動提高，有效保證擰桿質量。

目前，分步式擰桿旋瓶機構已經完成了樣機制造，從樣機試車的效果來看，各項技術性能指標基本達到設計要求，生產速度穩定在340瓶/min，產品合格率達到了99.9%。