基于容積法的精密裝藥丸應用研究

劉盼，王成恩，張皓楊

1.上海智能制造功能平臺有限公司，上海，201306；2.上海交通大學，上海，201306； 3.東南大學，江蘇南京，211198

0 引言

裝填藥丸主要包括藥丸的計量以及藥丸的灌裝兩個作業，這些工序都是在組合裝配機上完成。在這一操作過程中，應采用合理的計量方法以保證藥丸的重量精度。

目前藥丸主流的計量方法是以傳統的單層計量為主的容積法，小部分采用稱量法[1]。容積法是通過控制藥丸的體積來控制藥丸重量的一種方法[2]。容積法計量設備在藥丸裝配過程中廣泛使用，其生產效率高，可滿足大批量生產要求，速度快，但其受溫度濕度影響較大，誤差一般只能控制在1%左右。

本文介紹了不同定容式裝藥丸方法，從裝藥丸效率、裝藥丸精度等方面進行了討論，最后介紹了一種藥丸的深度檢測裝置，以供相關人員參考和借鑒。

1 不用定容式裝藥丸方法

對于密度穩定、顆粒均勻、黏附性小、不易吸潮結塊、流動性好的藥丸采用容積式計量方法比較合適。定容式量取方案，目前較常見的有“容杯式”“轉鼓式”“螺旋式”和“活塞式”等幾種方案。定容式量取的特點是量取速度快、結構簡單、造價低等特點，但量取精度受溫度、濕度影響較大，誤差一般只能控制在2%～3%之間，無法滿足藥丸裝配的精度要求。具體定容式裝藥丸如圖1～4所示。

量杯式計量裝置的量杯由量杯筒體和活動底蓋組成，在計量過程中，活動底蓋根據計量裝料和排料的需要，交替地開啟與關閉量杯筒體底端。

轉鼓容積計量與量杯容積計量的原理相同，其計量容腔為各種形狀的槽形腔體，其具有機構簡單、緊湊的特點。

螺桿式計量裝置，計量螺旋每轉一周，就排出一個螺旋空間容積的物料。精確控制計量螺桿轉角，就能精確控制物料的計量精度。

活塞式計量裝置與量杯計量原理大致相同，裝置結構多種，結構簡單。從節約空間以及裝藥丸精度的方面考慮，選擇轉鼓式計量裝置。

2 定容、定量結合式裝藥丸裝置

由于藥丸屬于片裝、球狀或粒狀的物體，計量過程中藥丸粒之間存在間隙，采用容積法進行發射藥丸計量就會存在藥丸松裝的問題[2]。針對定容式的改進措施有：①在藥丸倉庫及量取空間內，安裝溫度、濕度調節設備，盡量維持藥丸溫度、濕度；②增加壓力裝置，使藥丸密度增大，從而降低密度浮動產生的誤差。

定量式量取方案，目前多采用電子傳感器進行稱量，精度能達到千分之一以內，但通常準確量取藥丸的時間在6～8s以上，效率非常低下，無法滿足藥丸裝配系統的生產率要求。針對藥丸裝配系統藥丸量取精度與速度的兼容問題，考慮采用定容與定量相結合的方式，以保證量取的速度和精度。首先采用定容方式量取一定量的藥丸，同時利用稱重傳感器實時讀取數值，然后利用提前訓練好的神經網絡實現對當前藥丸重量的快速評估與下一顆重量的提前預測，隨后控制器根據評估與預測值控制量杯開口的大小。原理圖見圖5所示。

利用轉鼓與大轉盤同一時間內轉過相同角度實現藥丸的定容與落料，電磁鐵控制藥丸漏斗出口的大小，稱重傳感器實時測量藥丸重量，神經網絡實時評估與預測裝藥丸量，并控制電磁鐵。該機構既包含容積式的簡單速度的特點，也滿足定量式的超高精度。三維模型見圖6所示。

3 裝藥丸單元節拍、工序、精度

3.1 裝藥丸單元節拍計算

倉庫至漏斗落料時間最小為：

倉庫至漏斗理論最大高度：

漏斗至藥瓶理論定量時長：

即每個藥丸的定量稱量時間最大為2.75s。藥丸計量時間分配示意圖如圖7所示。

3.2 裝藥丸單元工序

藥丸計量工序示意圖如圖8所示。

3.3 定容精度與誤差變化的關系曲線

該裝置運用“粗-細-精”3級加料控制定量精度，理論上第4級可達超高精度，第1次定容采用轉鼓式，第2-4次則采用螺桿式（螺桿直徑依次減小），每次定容均需1個驅動電機。落料時間ti2逐漸縮短；稱重時間ti3逐漸增大。具體定容精度與誤差變化的關系曲線如圖9所示。

4 藥丸的深度檢測裝置

根據PDCA質量控制原理，裝完藥丸的藥瓶需要對藥丸量進行再次檢驗，以確保藥丸量的準確性。藥瓶內藥丸面深度的高低與藥丸量的多少直接相關，通過對藥丸面深度的檢測從而也就能檢測出藥丸量的多少[3]。

藥丸的深度檢測裝置采用接觸式探頭和光纖傳感器相結合的方式進行檢測[4]，如圖10所示，主要由探藥丸桿、反射式光纖傳感器、叢向定位傳感器、探測板組成。

探藥丸桿進入藥瓶內部，接觸到藥丸面后，安裝在探藥丸桿上的檢測塊的高度與壓力則反映出藥丸面深度及密實度的數據，反饋并采集數據，可以判斷藥丸面深度高低是否合格，并在之后，藥丸深剔廢機構中對檢測不合格品進行剔廢處理，用于基于大數據的定量控制[5]。

5 結語

（1）裝藥丸機構適合運用定容式計量方法，但是定容式計量方法精度不夠。

（2）采取定容式與定量式結合的裝藥丸計量方法既能夠滿足裝藥丸效率也能滿足裝藥丸精度。

（3）通過計算該機構的節拍，預排其工序方法，計算其精度與誤差變化的曲線圖，得到該方案滿足實際需求。

（4）通過藥丸的深度檢測單元采集數據為確保藥丸量的正確性奠定了基礎，使整個裝藥丸單元更完備。