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      SBS排布凍存管自動開關蓋機設計

      2022-10-31 13:34:02楊增帥謝松華趙國慶謝康明胡光輝朱瑞敏
      輕工機械 2022年5期
      關鍵詞:板架托板管體

      楊增帥, 謝松華, 趙國慶, 謝康明, 羅 沉, 胡光輝, 朱瑞敏

      (上海電氣慧程智能系統(tǒng)有限公司, 上海 201615)

      凍存管是一種保存生物樣本的常用器皿,其消耗量巨大且衛(wèi)生要求高。凍存管通常采用有螺紋的旋蓋來進行密封。凍存管開關蓋前后一般都按要求放置在標準排布的板架中,因此凍存管開關蓋成為一項非??菰锖头爆嵉墓ぷ鳎⑶胰斯Q緊還存在樣本污染、氣溶膠傳播等風險。隨著醫(yī)學研究對生物樣本的收集、保存和應用的需求日益增加,高質量大規(guī)模生物樣本庫得到逐步推廣,在生物樣本庫中,往往要一次性處理大量的生物樣本。凍存管的批量自動開關蓋作業(yè)也成為了關鍵一環(huán)[1]3,[2-4]。

      1 研究對象分析

      美國分子生物科學協(xié)會(SBS)的標準凍存管是被廣泛應用的產(chǎn)品之一。目前市場上廣泛應用的凍存管主要有內旋蓋和外旋蓋凍存管,容量為0.5~15.0 mL。凍存管需放置在板架內,其中,96孔板架上每個孔距為9 mm,按8行×12列方式排列。其他規(guī)格板架參考該間距進行整倍數(shù)的放大或縮小,均稱為SBS標準排布[5]。

      1.1 凍存管的形態(tài)分析

      課題組以0.75 mL內旋蓋凍存管、標準96孔SBS板架為研究對象。圖1為0.75 mL內旋蓋凍存管,主要由管蓋、密封圈、管體和套殼4部分組成。管蓋設有八芒星形狀空腔,方便自動化開關蓋;管體呈圓錐體,套殼鏤空設計,方便觀察液面高度,非鏤空部分設條形碼,底部錐體處設置4條筋條,底面設二維碼。主要特征尺寸為:L1=35.5 mm,L2=27 mm,L3=14.2 mm,L4=6.5 mm,D1=8.5 mm,D2=5.5 mm。

      圖1 凍存管結構示意圖

      1.2 標準 96孔SBS板架的形態(tài)

      96孔SBS板架主要參數(shù)為L×W×H=127.76 mm×85.48 mm×19.05 mm;孔排列數(shù)量為96(8×12)個;相鄰孔間距為P×P=9 mm×9 mm??椎牡撞坑?個筋條,可限制凍存管的轉動。

      圖2 標準96孔SBS板架結構

      1.3 應用場景分析

      凍存管常用于血液和尿液等樣本的分裝存儲,樣本自收集到使用結束的整個生命周期一般包括前處理、檢測、后處理、物流管理和垃圾處理。在前處理和后處理的過程中均需開啟和閉合蓋子。在開啟和閉合蓋子時,為避免人為因素造成的樣本污染和交叉污染,保證開關蓋效率,需減少樣本前處理與后處理時間。

      2 開關蓋機總體設計

      2.1 設計要求

      根據(jù)實際應用場景的工藝需求,開關蓋機應滿足以下設計要求:

      1) SBS板架上所有凍存管同時開關蓋。

      2) 在執(zhí)行關蓋操作時,管蓋需要旋回原管體。同一批凍存管規(guī)格相同,管蓋具有互換性,為避免樣本的交叉污染,管蓋必須旋回原管體。

      3) 開關蓋效率盡量的高。

      4) 發(fā)生錯誤時,須有報警。

      5) 關蓋需要保證凍存管完全密封。即保證凍存管蓋旋緊的力矩一致且可以控制。

      6) 兼容人機交互與自動化需求。

      2.2 工作流程

      開關蓋機開蓋動作過程:給料—定位—信息確認—開蓋—轉移板架。開關蓋機關蓋動作過程:移回板架—定位—信息確認—關蓋—轉移板架。在開蓋過程結束后,管蓋將一直懸掛保存在開蓋機中,保證開關蓋機下一步只能繼續(xù)進行關蓋操作。

      2.3 基本方案設計

      開關蓋機主要有托板組件、開關蓋組件、推蓋板組件、框架與外殼及交互與控制系統(tǒng)等。

      托板組件僅設上下料工位和開關蓋工位。開蓋操作時,托板組件從開關蓋機中伸出到上下料工位,將96孔SBS板架放置在開關蓋機的托板組件中。托板組件收回到開關蓋工位,開關蓋組件開始工作,將管蓋旋開,并懸掛。托板組件將開完蓋的板架送出到上下料工位。將板架轉移到其他設備中進行操作(例如液體工作站)。關蓋操作時,將板架重新放回托板組件,托板組件將待關蓋的板架送回開關蓋工位,開關蓋組件與推蓋板組件配合執(zhí)行關蓋任務,托板組件將關蓋的板架送回上下料工位,待取走板架后,托板組件復位到開蓋機內部。開關蓋機內部結構如圖3所示。

      圖3 開關蓋機內部結構示意圖

      開關蓋機設置觸摸屏,顯示工作狀態(tài),報警信息等,實現(xiàn)人工控制;設置通信接口,方便自動化線的搭建。

      3 關鍵組件設計

      3.1 開關蓋組件

      開關蓋組件主要包括:動力源、傳動機構(離合器組件、張緊機構)和批頭,整個開關蓋組件在升降模組的驅動下完成上下位移。當開蓋時,開關蓋組件下降,在批頭插入凍存管蓋時,先順時針轉30°,確保每個批頭都能可靠地插入管蓋內。再逆時針旋開凍存管蓋。 開蓋結束后系統(tǒng)進行檢測,96個管蓋是否全部開啟,如有異常系統(tǒng)會報警。開關蓋組件結構示意圖如圖4所示。

      圖4 開關蓋組件結構示意圖

      關蓋操作時:攜帶凍存管管蓋的批頭跟隨升降模組在電機驅動下緩緩下降,管蓋接觸管體時,動力源提供動力,通過離合器組件旋緊管蓋蓋子。由于此時管蓋還通過八芒星形狀空腔與批頭連接在一起,,然后推蓋板組件下壓,批頭跟隨升降模組上升,使凍存管脫離批頭保持在板架中[1]6-7。

      3.2 扭矩控制離合器

      扭矩控制離合器是開蓋和關蓋過程的重要部件。當關蓋時,若扭力太小,凍存管密封不嚴,若扭力太大,會損壞凍存管。如圖5所示,扭矩控制離合器包含轉軸、同步輪、彈簧座、彈簧、棘輪等。棘輪的棘齒一面是斜面、另一面是垂直面。開蓋時,棘齒的垂直面與受力方向垂直,可為開蓋提供足夠的扭力。當關蓋時,棘齒的斜面與受力方向是傾斜的,在彈簧的作用下,蓋子擰緊之后棘輪跳齒,限制了傳遞的扭力最大值[1]4。

      圖5 離合器結構

      3.3 控制系統(tǒng)設計

      開關蓋機控制系統(tǒng)基于Trinamic公司的TMCM-3351-TMCL電機控制芯片,步科GR070E觸摸屏,鳴志步進電機及空心杯電機(下文簡稱電機)等,開關蓋機控制系統(tǒng)結構框圖[6-10]如圖6所示??刂菩酒鳛樾畔⑻幚碇行?,與電機、觸摸屏信息交互,接收傳感器信號(位置、力矩和溫濕度等信息),向蜂鳴器/指示燈輸出警報信息。通過觸摸屏實現(xiàn)人機交互,通過預留的通信接口,可實現(xiàn)與自動化線的集成,預留通信接口通過觸摸屏外接。開蓋流程控制如圖7所示,開蓋各動作時間分配如表1所示,關蓋流程控制如圖8所示,關蓋各動作時間分配如表2所示。

      圖6 開關蓋機控制系統(tǒng)結構框圖

      圖7 開關蓋機開蓋框圖

      圖8 開關蓋機關蓋框圖

      表1 開蓋動作時間分配表

      表2 關蓋動作時間分配表

      4 開關蓋試驗與分析

      本機作為研發(fā)產(chǎn)品經(jīng)過基本測試后,進行了4組試驗,結果如表3所示。

      表3 試驗記錄表

      第1組試驗共進行了115次開、關操作,發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)13次死機現(xiàn)象,每次死機均在開蓋動作啟動的瞬間;在失敗的13次試驗中,還有2次出現(xiàn)了1只凍存管未開蓋成功的現(xiàn)象。這2只未成功開蓋的凍存管處于板架不同位置。經(jīng)分析,出現(xiàn)死機現(xiàn)象原因為電氣控制器運行需要一定的時間,而操作人員點擊屏幕過快,導致系統(tǒng)不能及時響應。凍存管未開蓋成功的原因有2個:①扭矩離合器加工精度不夠,需要一定的磨合期;②因為經(jīng)過長時間開、關蓋,使個別凍存管或板架底部發(fā)生磨損。

      重新對控制程序進行編制,檢查并更換合格的扭矩離合器、凍存管和板架后進行第2組試驗。連續(xù)98次開、關蓋無運行差錯;2次出現(xiàn)有1個凍存管未開蓋成功現(xiàn)象,這2次是處于同一位置的同一個凍存管,經(jīng)更換凍存管后,故障排除。

      第3組連續(xù)100次開、關蓋無運行差錯;開、關蓋成功率為100%。

      第4組連續(xù)100次開、關蓋無運行差錯;開、關蓋成功率為100%。統(tǒng)計得,平均開蓋運行時間為每板15.8 s,平均關蓋運行時間為每板28.4 s。

      5 結語

      課題組通過分析0.75 mL凍存管以及標準96孔SBS板架的外形特征以及結構特點,結合應用場景給定開關蓋機的設計要求,設計一種凍存管的開關蓋方案,并進行了一系列的試驗進行功能驗證與優(yōu)化。結果表明:設計符合預期,平均開蓋運行時間為每板15.8 s,平均關蓋運行速度時間為每板28.4 s,極大減輕了人工勞動強度。并在實際應用中取得了較好的使用效果。

      另外,相較于目前市面上國外先進的同類型設備,該開蓋機的工作效率和穩(wěn)定性與之不相上下。課題組設計的開關蓋機很好地兼顧了手動操作與自動化操作模式,具有廣闊的市場前景。下一步,將對該開關蓋機的開關蓋組件進行優(yōu)化,以兼容更多規(guī)格的凍存管及分布方式。

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