雙款移液器吸頭自動篩選擺放設備的 上料機構設計與制作

黃 波 涂 琴 李潤澤 王 潔

（常州信息職業技術學院，常州 213164）

1 振動盤簡介

振動盤是一種在自動化生產線上的輔助送料設備，可將沒有順序的工件有序排列起來移動，還可以應用于組裝產品、檢測質量以及計數包裝產品等[1]。應用振動盤自動化供料，可加快生產速度，提升工作效率，提高自動化程度，節約人力資源。它在五金、電子、電器、汽車、醫藥、化工、食品以及包裝等行業中廣泛應用，是解決工業自動化設備供料的必須設備[2]。

2 設計原始數據

本文設計的振動盤是雙款移液器吸頭自動篩選擺放設備的上料機構，可用于10 μL與200 μL兩種規格的移液器吸頭的篩選、整列定向與上料。兩種規格的移液器吸頭如圖1所示。設備運行時要求移動平穩、速度快，每分鐘的上料速度在30～60個。

圖1 10 μL與200 μL移液器吸頭

2 上料機構方案的分析與確定

吸頭的包裝形式主要有袋裝和盒裝。在中國，袋裝是吸頭主要的包裝形式。多數用戶買來袋裝吸頭后，人工把吸頭放入吸頭盒，耗費人工，也可能污染吸頭。因此，采用小型自動化設備裝盒吸頭是必然趨勢[3]。振動盤輔助自動化設備上料是目前較為成熟可靠的技術方案。

吸頭采用聚丙烯塑料制造，細長且非常輕。10 μL規格的外表面光滑，200 μL的吸頭上端外表面有加強筋結構。為此設計了兩種供料方案，分別如圖2和圖3所示。

圖2 雙振動盤單軌道方案

圖3 單振動盤雙軌道方案

圖2的方案中，自動化設備配置兩個單軌振動盤。一個振動盤對設備供給10 μL的吸頭，另一個供給200 μL的吸頭。這種方案的優點是運行穩定、結構簡單、整列效率高、速度快以及調試與操作簡單，缺點是占用面積較大，疊加的噪聲較大，且投入與運行的成本較高。

圖3方案是雙軌道的振動盤，在兩個軌道上篩選、整列定向10 μL和200 μL吸頭。這種方案的優點是占用面積較小，操作簡單，運行與維護成本低，噪聲相對較小，但結構較復雜，上料速度相對較慢。

考慮到設備是在實驗室使用，要求占地面積盡可能小，噪聲盡可能小，在滿足擺放機構供料速度的情況下，上料速度可以適當降低。綜合分析兩種方案的優缺點，圖3方案最適合實驗室場所使用。

3 上料機構相關參數計算

上料機構設計中涉及到的主要參數為料槽螺旋升角α、料斗內徑DH、電磁吸力F以及供料率Q等。

3.1 料斗盤主要尺寸

料斗盤主要尺寸如圖4所示。

圖4 料斗盤主要尺寸

3.1.1 料斗的螺旋升角α的確定

螺旋升角α一般由升程和中徑的大小決定，但也與工件拋射角β及工件與料道間的摩擦系數μ有關。吸頭材料聚丙烯（PP）的摩擦系數在0.20～0.35[4]。根據企業經驗，選取料斗的螺旋升角α=3°。

3.1.2 料斗盤直徑

料斗盤內徑DH常大于L工的8～10倍。L工是吸頭的最大外輪廓尺寸[5]。200 μL吸頭的長度是70 mm，10 μL吸頭的長度是50 mm。在上料過程中，有可能出現2～3個吸頭套在一起的情況，因此取L工=90 mm，DH=900 mm。

料斗外徑為：

料斗平均直徑為：

式中：e為筒體壁厚，一般為5～10 mm；B是料道寬度，等于b與Δb的和，其中b是吸頭的最大尺寸70 mm，Δb（余量）一般取1～3 mm。

因此，帶入數據計算可得De=910 mm，Dp=828 mm。

3.1.3 料斗的螺距t

由圖4可得料斗的螺距：

式中：h為工件直徑或高度；δ為料道厚度，常取4～8 mm。

吸頭形狀細長，整列時是平躺狀態，因此h取吸頭的最大直徑7.5 mm?？紤]到若干層吸頭重疊在一起的情況，調整h為30 mm。計算料斗的螺距t=53 mm，滿足要求。

3.1.4 料斗的高度H

料斗的高度H為：

式中：n為螺旋料道的圈數，常取n=1.5～3.5。于是，計算可得H=511 mm。

以上計算結果，可作為制作振動盤料斗與選購底座的依據。

3.2 上料機構的主要工藝參數

3.2.1 供料率Q

供料率Q主要取決于工件在軌道上移動的平均速度VP，其與料槽的傾斜角度α、工件物理性質以及電磁振動參數等相關，有：

式中：K為速度損失系數，滑移前行時取0.6～0.7；η為工件填充系數，工件簡單光滑時取0.7～0.9；L為吸頭長度；A為料槽振幅，一般取0.5～1 mm。

代入數值計算10 μL和200 μL吸頭每分鐘的上料個數Q，有：當振幅A=0.5 mm時，Q200μL=84，Q10μL=118；當振幅A=1 mm時，Q200μL=169，Q10μL=237。

因為兩種吸頭混合，實際供料速度受理論計算較慢的吸頭影響，兩種吸頭的供料率可以控制在每分鐘84～169個，即每秒1.4～2.8個。在實際定向時，部分吸頭落回料斗，實際供料率會略低，因此實際供料率需根據現場調試情況而定。

3.2.2 電磁鐵的頻率和電壓

電磁鐵頻率以及其電壓由工件尺寸、工件重量和料斗大小決定。本設計中料斗直徑DH=900 mm，屬大型料斗，則取電流頻率f=50 Hz，電壓U=220 V。此外，大型料斗的底座電磁鐵應垂直于支承彈簧安裝，可減小電磁鐵功率。

4 料斗的結構設計

大型料斗一般采用將筒體與螺旋出料槽、導軌等零部件焊接成整體的焊接方式，再用螺栓與底盤裝配[4]。工件為塑料件，不需料斗與電銜鐵隔磁，料斗底部錐角為160°，便于工件向料筒底部邊緣滑移集中。料斗要求質量輕，容易振動，且內表面光滑，耐磨損，能隔離磁性，成本低。本振動盤上料的對象是醫用耗材，所以采用醫用器械設備常用的304不銹鋼。

4.1 料斗的整列定向結構設計

振動盤上料器要求在單位時間內將無序的工件沿料斗軌道從下往上有序整列定向移動。一般采用定向的方法為剔除法，根據工件的重心和形狀，在軌道上加裝擋塊，使軌道變細或變為斜面等[4]。也可以加裝吹氣系統，將質量小、重疊的工件吹到料筒底部。通過以上方法將方向不符合要求的工件矯正或者去除，從而實現有序的排列與定向。針對吸頭這類小且輕的工件，吹氣方案是車間常用的整列定向方法。但是，由于該設備限制在實驗室內使用，普通壓縮機中的空氣雜質會污染吸頭，需要配置專門的醫用壓縮機，導致采購與使用成本高。因此，吹氣方案不滿足多數實驗室條件或環境。

在確定的單振動盤雙軌道方案中，料斗需將混雜的兩種規格的吸頭進行篩選、整列定向與上料。因為兩種吸頭口部直徑與長度差異較大，所以在篩選前可能出現同規格或不同規格吸頭混在一起甚至套在一起的情況，需要在料斗上設置相應的結構將彼此分離。此外，要在上料前完成吸頭尖頭朝下的粗略與精確整列定向兩個動作[5]。

針對以上需要解決的技術問題，考慮到醫用設備對空氣污染的嚴格要求，只有在料斗上設置導軌、擋條和定位塊等部件，才能滿足吸頭篩選分離、整列定向等問題。最終料斗結構設計圖和實際效果圖，分別如圖5和圖6所示。

圖6 實際效果圖

4.2 振動底盤型號的選用

料斗外徑是910 mm，底座直徑應不小于料斗直徑的70%，即637 mm。底盤廠家推薦底座直徑為650 mm，適用直徑1 000 mm的料斗盤體。

5 結語

該上料機構應用于醫學實驗室，要求對兩種吸頭上料，且空間環境對設備的要求較高。為了盡量減小體積、降低噪聲以及避免在上料過程中污染吸頭，沒有采用車間常用的雙振動盤單獨上料和氣動定向的傳統技術方案，而是采用單振動盤的多軌道方案，以接觸式的篩選和整列定向的方式上料。

在確定振動盤的設計方案后，根據企業實際案例、產品技術資料以及振動盤設計手冊，詳細計算出料斗盤的相關尺寸與工藝參數，為料斗盤設計、底盤、直線振動器以及相應控制器等選型和振動盤的制作與調試提供了依據。