醫(yī)用彈性導(dǎo)管定長(zhǎng)切割系統(tǒng)研制

周大威，屠昌躍，耿傳熙，何笑筱，劉木林，潘 波，邵君華

（邁得醫(yī)療工業(yè)設(shè)備股份有限公司，浙江 臺(tái)州 317607）

醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的重要產(chǎn)業(yè)，是培育戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的重要領(lǐng)域。醫(yī)用導(dǎo)管是醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)中的重要一員[1]。醫(yī)用導(dǎo)管主要由醫(yī)用材料（如醫(yī)用塑料PVC、尼龍、聚氨酯好硅橡膠等）制備而成[2-3]，是可插入人體內(nèi)或體外用于疾病的診斷或治療的一種管材，醫(yī)用導(dǎo)管的制備離不開(kāi)對(duì)導(dǎo)管的切割。

隨著醫(yī)療行業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)于切割質(zhì)量、精度要求不斷提高，對(duì)提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本的自動(dòng)切割功能的要求也在不斷提升。在對(duì)醫(yī)用導(dǎo)管定長(zhǎng)切割過(guò)程中，很多生產(chǎn)廠家需要將各種醫(yī)用所需導(dǎo)管切割成一定長(zhǎng)度，以便于醫(yī)用導(dǎo)管設(shè)備組裝使用，因此，對(duì)于一種醫(yī)用導(dǎo)管定長(zhǎng)切割系統(tǒng)的迫切需求顯而易見(jiàn)[4]。

醫(yī)用導(dǎo)管行業(yè)越來(lái)越注重品質(zhì)所帶來(lái)的收益，其次才是價(jià)格。高品質(zhì)的產(chǎn)品才是未來(lái)行業(yè)發(fā)展的最大趨勢(shì)，價(jià)格僅僅是在一定的品質(zhì)前提下吸引消費(fèi)者的一些輔助因素。

隨著中國(guó)的人口老齡化及醫(yī)療經(jīng)濟(jì)水平的提升，醫(yī)用導(dǎo)管市場(chǎng)持續(xù)穩(wěn)定增長(zhǎng)，行業(yè)得到快速發(fā)展。就產(chǎn)品趨勢(shì)來(lái)看，當(dāng)前低端醫(yī)用導(dǎo)管已經(jīng)實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代，市場(chǎng)趨于穩(wěn)定，但是在高端醫(yī)用導(dǎo)管方面，受限于技術(shù)，國(guó)內(nèi)需要主要依賴于進(jìn)口，但未來(lái)高端醫(yī)用導(dǎo)管領(lǐng)域國(guó)產(chǎn)替代空間很大。

目前常用的導(dǎo)管定長(zhǎng)切割裝置中由于導(dǎo)管彈性、機(jī)構(gòu)中的阻力和配重力的影響，使得切出的導(dǎo)管長(zhǎng)度不一致，彈性導(dǎo)管料卷由于導(dǎo)管的黏性使得導(dǎo)管在放卷過(guò)程中回纏，導(dǎo)致整個(gè)供給系統(tǒng)卡死。而這些因素導(dǎo)致導(dǎo)管切割的長(zhǎng)短精度和一致性達(dá)不到要求。全自動(dòng)化醫(yī)用導(dǎo)管組裝設(shè)備需要一套穩(wěn)定的導(dǎo)管供給系統(tǒng)，基于這些需求，研制了一套自動(dòng)上管切割系統(tǒng)。

1 設(shè)備的結(jié)構(gòu)及工作原理

整套系統(tǒng)可分為導(dǎo)管牽引切割系統(tǒng)和導(dǎo)管供給系統(tǒng)。

導(dǎo)管牽引切割系統(tǒng)由導(dǎo)管切割機(jī)構(gòu)、導(dǎo)管推送機(jī)構(gòu)和導(dǎo)管配重機(jī)構(gòu)組成，如圖1所示。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)導(dǎo)管固定手指夾打開(kāi)，導(dǎo)管推出手指夾夾住導(dǎo)管將導(dǎo)管推出一段距離使導(dǎo)管露出切管機(jī)構(gòu)，方便拉管手指夾夾取，拉管手指夾再將前端漏出部分導(dǎo)管夾住，同時(shí)導(dǎo)管推出手指夾打開(kāi)，拉管手指通過(guò)伺服機(jī)構(gòu)將導(dǎo)管拉出到相應(yīng)長(zhǎng)度，此時(shí)固定手指夾夾住導(dǎo)管，拉管手指通過(guò)伺服機(jī)構(gòu)后退一段距離，使導(dǎo)管拉出規(guī)定長(zhǎng)度準(zhǔn)備切割，配重塊將前端導(dǎo)管部分通過(guò)重力往后拉直，推出手指夾退回并將導(dǎo)管夾住，切割機(jī)構(gòu)將導(dǎo)管切斷，得到規(guī)定長(zhǎng)度的導(dǎo)管。

通過(guò)伺服機(jī)構(gòu)牽引導(dǎo)管手指夾的回撤，緩解了導(dǎo)管在伺服機(jī)構(gòu)牽引時(shí)產(chǎn)生的彈性變形，通過(guò)伺服機(jī)構(gòu)保證夾管手指夾和導(dǎo)管切管機(jī)構(gòu)的位置，通過(guò)配重塊來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管的回退，保證了整根切割導(dǎo)管在配重塊重力拉直的情況下變形量不會(huì)太大。由于導(dǎo)管的大小、變形量不同，此機(jī)構(gòu)可以通過(guò)調(diào)節(jié)配重塊的質(zhì)量和位置，使切割好的導(dǎo)管長(zhǎng)度一致。

導(dǎo)管供給系統(tǒng)由導(dǎo)管牽引機(jī)構(gòu)、導(dǎo)管制動(dòng)機(jī)構(gòu)和導(dǎo)管配重機(jī)構(gòu)組成，如圖2所示。導(dǎo)管料卷固定在轉(zhuǎn)軸上，可隨轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)管從料卷抽出經(jīng)過(guò)導(dǎo)輪組2導(dǎo)向進(jìn)入到牽引輪，然后穿過(guò)配重塊，再經(jīng)過(guò)導(dǎo)向輪組1，導(dǎo)管進(jìn)入輸送裝置。

牽引氣缸壓住牽引輪上的導(dǎo)管，通過(guò)牽引電機(jī)帶動(dòng)牽引輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，將導(dǎo)管不斷抽出同時(shí)料卷隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。導(dǎo)管在配重塊的作用下往下移動(dòng)進(jìn)行導(dǎo)管緩存，當(dāng)感應(yīng)器感應(yīng)到配重塊位置，牽引電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)制動(dòng)氣缸壓住料卷轉(zhuǎn)軸，料卷停止轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)管釋放完成。當(dāng)導(dǎo)管被前端牽引切割系統(tǒng)抓取后，配重塊位置上移，離開(kāi)感應(yīng)器位置時(shí)，牽引電機(jī)再次啟動(dòng)同時(shí)制動(dòng)氣缸打開(kāi)，導(dǎo)管再次進(jìn)行釋放直至感應(yīng)器感應(yīng)到配重塊。

導(dǎo)管通過(guò)牽引電機(jī)直接拉管配合制動(dòng)氣缸使導(dǎo)管料卷轉(zhuǎn)動(dòng)，防止了料卷主動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)導(dǎo)管反向纏繞整個(gè)供給系統(tǒng)卡死，由于本機(jī)構(gòu)設(shè)有導(dǎo)管緩存區(qū)且不用考慮牽引電機(jī)和料卷釋放電機(jī)的速度匹配問(wèn)題。配重塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕，緩解了導(dǎo)管的彈性變形。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

整臺(tái)設(shè)備的控制系統(tǒng)主要任務(wù)是彈性導(dǎo)管在運(yùn)行過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)控制、機(jī)械爪控制和定位控制。通過(guò)PLC控制導(dǎo)向伺服機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管定位實(shí)時(shí)控制[5]，同時(shí)利用觸摸屏進(jìn)行工作過(guò)程的監(jiān)控及各種模式的切換和操作。導(dǎo)管牽引切割系統(tǒng)和導(dǎo)管供給系統(tǒng)控制方案分別如圖3、圖4所示。

圖3 導(dǎo)管牽引切割系統(tǒng)控制方案

2.2 PLC控制系統(tǒng)

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC），是一種具有微處理機(jī)的數(shù)字電子設(shè)備，用于自動(dòng)化控制的數(shù)字邏輯控制器，可以將控制指令隨時(shí)加載內(nèi)存內(nèi)儲(chǔ)存與執(zhí)行。可編程控制器由內(nèi)部CPU、指令及資料內(nèi)存、輸入輸出單元、電源模組、數(shù)字模擬等單元所模組化組合成。

本設(shè)備整體控制系統(tǒng)以PLC為核心，完成氣缸、伺服電機(jī)的檢測(cè)控制、運(yùn)動(dòng)控制和指示燈的控制，同時(shí)裝配Proface觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面交互[6-7]。核心的多級(jí)定向、柔性定位工藝通過(guò)多個(gè)磁性開(kāi)關(guān)獲得導(dǎo)管的階段位移，同時(shí)配合供給模塊實(shí)現(xiàn)同步有序的導(dǎo)管定長(zhǎng)切割。圖5、圖6為每個(gè)動(dòng)作的操作界面，可通過(guò)按鈕進(jìn)行單個(gè)動(dòng)作的操作。

圖5 操作按鈕界面1

圖6 操作按鈕界面2

整體控制系統(tǒng)以PLC為核心，選用了歐姆龍伺服驅(qū)動(dòng)器以及歐姆龍電機(jī)、Proface觸摸屏、正泰電器等硬件。整機(jī)控制程序較龐大，主要分為公共程序、牽引伺服程序和放卷伺服程序等，能夠?qū)崿F(xiàn)初始化運(yùn)行、軟管自動(dòng)夾持和位置控制、高頻加熱熔頭磨具溫度控制、故障處理等各項(xiàng)任務(wù)，PLC的輸出控制主要是通過(guò)輔助繼電器實(shí)現(xiàn)的。

圖4 導(dǎo)管供給系統(tǒng)控制方案

3 結(jié)論

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、醫(yī)療保險(xiǎn)制度的完善和群眾醫(yī)療需求的不斷提高等，一直推動(dòng)著醫(yī)療行業(yè)技術(shù)的提升。在市場(chǎng)需求額的刺激和經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定持續(xù)增長(zhǎng)的背景下，中國(guó)的醫(yī)療器械行業(yè)也面臨著重大考驗(yàn)，亟需解決現(xiàn)如今醫(yī)療設(shè)備上所存在的問(wèn)題難點(diǎn)。

針對(duì)彈性導(dǎo)管切割所面臨的設(shè)備在工作運(yùn)行中所觸及的阻力以及添加的配重的影響及導(dǎo)管切割時(shí)的長(zhǎng)短不均等問(wèn)題，最終導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)卡死無(wú)法運(yùn)行。本設(shè)備通過(guò)采用多級(jí)緩存、柔性定位控制傳感器技術(shù)、恒張力同步控制系統(tǒng)技術(shù)，解決了軟管在全自動(dòng)組裝設(shè)備中導(dǎo)管拉伸、長(zhǎng)度不準(zhǔn)確的問(wèn)題。相比其他機(jī)構(gòu)同等長(zhǎng)度導(dǎo)管長(zhǎng)度偏差減少90%，對(duì)于定長(zhǎng)切割彈性大的細(xì)導(dǎo)管優(yōu)勢(shì)明顯。

本設(shè)計(jì)的意義在于歸納總結(jié)了原有普通導(dǎo)管的切割形式，并以此設(shè)計(jì)出了穩(wěn)定的彈性導(dǎo)管定長(zhǎng)切割，解決了彈性導(dǎo)管切割時(shí)由于彈性張力導(dǎo)致的長(zhǎng)短不均問(wèn)題。