劉李明 韓萬斌

（北京航空制造工程研究所，北京100024）

0 引言

高速壓片機(jī)是制藥行業(yè)片劑生產(chǎn)中的核心設(shè)備，其中控制單片藥片的重量是保證片劑生產(chǎn)質(zhì)量的關(guān)鍵。由于物料在填充過程中的隨機(jī)性，對片重的準(zhǔn)確監(jiān)測和控制成為了壓片機(jī)控制系統(tǒng)的重中之重。目前在生產(chǎn)中無法在線實時測量單片藥片的重量，一般只能通過上下沖間壓力的變化間接監(jiān)測和控制片重，實現(xiàn)此目標(biāo)的前提是電氣控制系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地采集沖頭單值壓力信號。

1 現(xiàn)有信號采集方式

接近開關(guān)的安裝位置如圖1所示，其中正視圖中的接近開關(guān)1安裝在轉(zhuǎn)盤的固定支架上，感應(yīng)點在轉(zhuǎn)盤上表面處，轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)1周，接近開關(guān)感應(yīng)1次，以此完成轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動圈數(shù)的計量和沖頭編號的標(biāo)定。正視圖中的接近開關(guān)2同樣安裝在轉(zhuǎn)盤的固定支架上，檢測沖頭的沖尾。當(dāng)某一沖頭旋轉(zhuǎn)到主壓輪正下方時，調(diào)整接近開關(guān)在圓周方向的位置，使另一沖頭的沖尾正好位于接近開關(guān)感應(yīng)部位的正下方，接近開關(guān)向處理器發(fā)出動作信號，觸發(fā)處理器進(jìn)行壓力采集。圖1（b）為接近開關(guān)1和接近開關(guān)2安裝位置俯視圖。

圖1 接近開關(guān)安裝位置示意圖

使用此種信號采集方法，在沖頭正好位于壓輪正下方時采樣壓力數(shù)據(jù)最為準(zhǔn)確，接近開關(guān)安裝結(jié)構(gòu)簡單，感應(yīng)動作時間長，對處理器輸入信號響應(yīng)頻率要求不高，成本較低。缺點是接近開關(guān)安裝在壓片室內(nèi)，拆卸沖頭時極易碰到接近開關(guān)，重新調(diào)整的接近開關(guān)位置很難與前次一致，使觸發(fā)處理器的壓力采樣點發(fā)生變化，不便于生產(chǎn)控制。若生產(chǎn)中接近開關(guān)松動，測量位置就會發(fā)生微動，在片重自動調(diào)節(jié)中會產(chǎn)生誤動作，造成不合格藥片的產(chǎn)生。

2 壓力信號采集的改進(jìn)方法

2.1 方案

選用一個分辨率與壓片機(jī)沖頭數(shù)量成整倍數(shù)的增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，安裝在轉(zhuǎn)盤的主軸上，增量式編碼器將角度轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再將這個電信號轉(zhuǎn)變成計數(shù)脈沖，使處理器精確計算轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)角度，并發(fā)出壓力采樣觸發(fā)信號。

增量式編碼器的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，會有相應(yīng)的脈沖輸出，其旋轉(zhuǎn)方向的判別和脈沖數(shù)量的增減通過后部的判向電路和計數(shù)器來實現(xiàn)。編碼器旋轉(zhuǎn)1圈發(fā)出一個脈沖的Z信號，在此可用作沖頭號的標(biāo)定，并預(yù)置計數(shù)起點。編碼器軸轉(zhuǎn)1圈輸出固定的脈沖，脈沖數(shù)由編碼器光柵的線數(shù)決定，增量式編碼器的組成及輸出信號波形如圖2所示。若需要提高轉(zhuǎn)盤單圈采樣次數(shù)時，可利用90°相位差的A/B相信號對原脈沖數(shù)進(jìn)行倍頻。

圖2 增量式編碼器的組成及輸出信號波形

為了減小安裝偏差對觸發(fā)采樣的影響，要求以位于主壓輪軸線處的相鄰2個沖頭中間開始，到轉(zhuǎn)盤正好旋轉(zhuǎn)1個沖頭位置為止，將此段時間作為1個沖頭壓力值采樣周期。在這一周期內(nèi)進(jìn)行多次采集，比較采樣值，把最大值作為此沖的單值壓力。由于單沖壓力采樣周期開始、結(jié)束時刻的主壓輪軸線都位于2個沖頭的中間位置，因此，壓力最大值出現(xiàn)在采樣周期中間。

2.2 安裝編碼器

增量型編碼器安裝在轉(zhuǎn)盤主軸下部，如圖3（a）的正視圖所示，通過安裝軸、安裝底板將主軸和編碼器連接在一起，并保證編碼器安裝面與主軸垂直。旋轉(zhuǎn)壓片機(jī)手輪使任意2個沖頭中點在主壓輪軸心正下方，通過編碼器安裝底板上的圓弧形長槽旋轉(zhuǎn)編碼器，調(diào)整其在圓周方向上的位置，直至Z脈沖出現(xiàn)，固定編碼器安裝底板，如圖3（b）俯視圖所示。

圖3 增量型旋轉(zhuǎn)編碼器安裝示意圖

2.3 硬件電路設(shè)計

產(chǎn)生觸發(fā)采樣信號如圖4所示，增量編碼器的A/B相、Z相信號連接輸入接口電路，通過計數(shù)器計算轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動角度，最后由處理器發(fā)出觸發(fā)壓力采樣指令。由于Z相周脈沖寬度只有A/B相信號周期的1/4，當(dāng)選用分辨率較大的編碼器時，輸入接口模塊響應(yīng)時間需達(dá)到采樣要求。又因在一個沖頭采樣周期內(nèi)要完成多次數(shù)據(jù)采樣，亦對處理器的運算速度提出較高要求。

2.4 程序設(shè)計

程序流程如圖5所示，當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動后，計數(shù)器使能輸入電路檢測編碼器Z相脈沖信號，并給沖頭進(jìn)行編號，此時單沖壓力采樣周期開始，當(dāng)采樣達(dá)到一定次數(shù)要求時，計算此周期內(nèi)采樣出的壓力最大值，作為此沖頭的壓力單值，同時進(jìn)入下一個單沖壓力采樣周期。

圖5 壓力采集程序設(shè)計流程圖

2.5 實驗驗證

筆者通過對40沖單出料旋轉(zhuǎn)式壓片機(jī)進(jìn)行實驗測試，選用分辨率為360的增量編碼器安裝于該機(jī)底部主軸下方。該機(jī)型由PLC控制，在1個單沖壓力采樣周期內(nèi)進(jìn)行9次壓力信號采集，即在2個沖頭之間的9°范圍內(nèi)，每旋轉(zhuǎn)1°，CPU自動記錄1次壓力值，每個周期結(jié)束后CPU計算前一周期的最大值，作為該沖頭的單值壓力。

實驗1：壓片機(jī)轉(zhuǎn)盤速度70 r/m in，供料器速度90 r/m in，物料顆粒在20～40目之間。隨機(jī)記錄100個壓力值，如圖6所示。

實驗2：壓片機(jī)轉(zhuǎn)盤速度60 r/m in，供料器速度70 r/m in，物料顆粒在40～80目之間，壓片機(jī)根據(jù)壓力值自動調(diào)整填充重量，每隔10min取20粒樣片，比較改前和改后片重的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差值（RSD），如表1所示。

圖6 隨機(jī)記錄的100個壓力值

表1 改進(jìn)前后片重相對標(biāo)準(zhǔn)偏差值

實驗3：使用改進(jìn)后方法在不同速度下長時間生產(chǎn)，每個轉(zhuǎn)速下累計生產(chǎn)30天，監(jiān)測采樣壓力值出現(xiàn)異常次數(shù)，如表2所示。

表2 長時間生產(chǎn)壓力值異常次數(shù)

從實驗1可知，每個單沖采樣周期最小值后的第4～6個采樣壓力值最大，最低幾個壓力點都可設(shè)成單沖采樣周期起始點，降低了編碼器安裝調(diào)整難度。由以上的數(shù)據(jù)說明，此種改進(jìn)方法能夠較準(zhǔn)確地取得單沖壓力值，為生產(chǎn)過程中以壓力控制片重及片重自動控制打下良好基礎(chǔ)。

從實驗2可看出，改進(jìn)前后片重的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差無明顯變化。

從實驗3可看出，不同轉(zhuǎn)速下長時間生產(chǎn)未出現(xiàn)壓力異?，F(xiàn)象。統(tǒng)計該機(jī)型多個用戶使用之前方式，在1個月內(nèi)因接近開關(guān)位置偏移出現(xiàn)壓力異常次數(shù)和建議用戶對接近開關(guān)位置檢查時間間隔如表3所示。

通過對表2和表3對比可得出，使用改進(jìn)后的方法減少了壓力值出現(xiàn)異常的次數(shù)，大大提高了設(shè)備長時間生產(chǎn)的穩(wěn)定性，同時減少了檢查和維護(hù)設(shè)備的時間，提高了生產(chǎn)效率。

表3 壓力異常次數(shù)統(tǒng)計及建議檢查時間間隔

3 結(jié)語

經(jīng)驗證，該方法的使用可準(zhǔn)確采樣沖頭單值壓力。增量編碼器角度安裝位置一經(jīng)固定，便不需調(diào)整，可減少設(shè)備維護(hù)時間，降低了人為因素對生產(chǎn)的影響，提高了片劑生產(chǎn)的效率和穩(wěn)定性。

［1］馬明建.數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)［M］.第3版.西安：西安交通大學(xué)出版社，2012