毕业设计（论文）-自动化药房瓶装药品自动补药机构设计.doc

山东轻工业学院2011 届本科生毕业设计（论文）摘 要随着我国医药物流的迅猛发展，与之相关的药房自动化的开发、应用亦愈来愈受到人们的关注。本课题在建设现代化的医疗机构药品物流管理体系的大目标下，重点研究医院药房药品自动补药技术以及相应的自动补药设备的研发，这是实现现代化医院药品物流管理的重要基础条件之一。本研究成果的实施，将会从根本上改变当前医院药房作业效率低、劳动强度大、容易出错的面貌，建立一种全新的数字化药房，提高为患者服务的质量和药品管理的信息化水平，给医院带来明显的经济效益。本人研究的是基于机械传动的自动补药机构。利用auto cad制图工具,对补药机构进行参数化和系列化设计。本设计兼顾了使用上的专用性和设计上的通用性,便于标准化、系列化设计和组织专业化生产。关键词：医药物流 自动补药 数字化药房 专业化生产 abstractwith the rapid development of chinese medicine, associated with the automation of development, application is also increasingly attracted attention.this subject in the construction of modern medical institutions are the logistics management of great goal that the focus of the hospital pharmacy drug automatically tonic technology and equipment to automatic tonics research and development of this is a modernized hospitals the drug logistics management of the important basic prerequisites.the implementation of this research will be a fundamental change in the hospital pharmacy work efficiency, the labor intensity big and easy to make a mistake, the establishment of a new digital the pharmacy and improve the quality of service for patients with medicines management of information to the hospital level, with significant economic benefits.my research is based on automated machinery driven tonic agency. using short for automobile cad drawing tools, carries on the parametrization and the serialized design to the tonic organization. this design has given dual attention to special-purpose which and in the design versatility uses, is advantageous for the standardization, the seriation to design and to organize the specialized production. keywords ： medicine tonics logistics automatic digital the specialized production 第一章 前 言1.1课题研究背景当前，医药物流在世界范围内迅速发展，在社会经济发展中的作用日益显现。近年来，随着我国国民经济的快速发展、人民生活水平的提高及人口老龄化趋势的加快，我国药品需求年均递增速度达到12%以上。2007年中国药品需求量为5991 亿元人民币，预计到 2010 年将达到600亿美元，2020年达到1200亿美元，从而超过美国，成为世界第一大药品市场。药品的消费必定带动医药物流的需求。然而，在界医药行业蓬勃发展的背后，我国的医药物流技术却相对落后。而且由于经济体制和医疗体制的限制，国内医药商业形势严峻，医药流通行业的利润在持续下滑。目前，国内药品批发行业的平均毛利率为12.6%，而费用却占到近12.5%，2007年前三季度，我国医药商业纯利润率仅有0.66%，而美国医药批发行业的平均毛利率为4.5%，且费用率仅为2.9%，纯利润率达到1.55%。因此，以发展医药物流为先导，降低流通费用，已成为我国医药行业的当务之急，实现医药商业现代化、建设战略性医药物流系统已刻不容缓。以医院为代表的大型医疗机构是药品批发企业的终端客户，同时又是药品消费流通的重要枢纽，面对广大的患者起到承上启下的作用，其药品年销售额动辄以上亿元计。但纵观国内绝大多数的医院，其药品的物流管理理念和技术手段却非常落后，主要以人工作业为主，一方面作业效率低、服务质量差、患者等候时间长，容易引起医患矛盾，另一方面对医院来说占用人员多、人工成本高、劳动强度大、容易出错，成为医院现代化建设的瓶颈。在当前国内各级医院正迅速朝向现代化管理迈进的进程中，现代物流技术在医院药品流通管理中的应用已成为摆在我们面前亟待解决的课题1。目前，许多药房和药店为了提供给客户更为方便快捷的药品服务和廉价的药品，采取各种措施来降低其经营成本。许多物流自动化技术已经逐步被引入到药品流通行业当中，主要负责药品的采购、发放和管理2。对医院药房进行全面自动化革新，使之实现数字化管理将是未来医院药房发展的新方向。1.2 数字化药房国内外研究和应用现状1.2.1 国外研究和应用现状国外的医疗制度与我国有所不同。在欧美等发达国家，医疗和药品是分开的，医院一般不设立专门的门诊药房，因此，多数自动化医药设备都在零售药店应用。在对药品进行现代化管理理念的指导下，一些发达国家，例如美国、德国、日本等，于上世纪90年代，已经开始了对药房进行数字化管理的研究，并且取得的一些进展，研制出了不少与它们国家相配套的数字化医院药房设备系统3。随着现代技术的不断发展和医疗体系的进一步完善，许多对药品进行自动化管理、调剂和发放的技术在国外得到了飞速发展4-6。各种对药品进行存储、发放以及管理的新型数字化系统不断被研发出来，一些成熟的数字化药房产品已经在市场上被销售7。这些数字化药房产品总体上可被归纳为下面四种。（1）机械手式数字化药房机械手式数字化药房。它的典型代表是：德国rowa公司的数字化药房和以世界著名物流系统供应商swisslog集团为代表的boxpick数字化药房等。rowa公司成立于1996年，被誉为“欧洲第一”的药房数字化品牌，目前销售超过1000台。这种数字化药房的核心技术是通过真空吸附和机械夹持药盒协调动作来完成。它由一个机械手搬运药盒，在一个三维的空间平台里根据管理软件的指令自动运作，可以从送药的窗口取药仓储，然后转360度，取药送往出药口，同时对药盒的密集存储和数量进行管理。（2）适用于盒装药品的储药槽式数字化药房储药槽式数字化药房是为了弥补机械手式数字化药房的不足所推出的。目前，国内外盒装药品自动发药系统的主流产品是储药槽式数字化药房，该类药房的典型产品有德国rowa公司、法国apoteka公司8的数字化药房。这种类型药房的工作原理是：采用重力落药。将药盒按照规则摆放在储药槽上，储药槽倾斜，与水平方向有夹角，储药槽在货架上呈现多层密集排列，每个储药槽的低端为出药口，装有出药动作机构，控制药盒出库。这种药品分拣机靠增加出药动作机构来保证出药效率，增加储药槽的数量来加大药盒存储量，因此系统制造成本较高。（3）药品分包机数字化药房药品分包机数字化药房的典型产品有英国mission公司的seriptpro robot系列数字化药房，美国parata公司的paratards数字化药房，日本株式会社汤山制作所的yuyama全自动片剂摆药机和日本tosho公司的全自动单剂量锭剂分包机。这类产品以单片药片为单位进行分拣，实现药品自动灌装、封口和自动贴标签。其工作原理是将药片或胶囊散装在特制的罐体中，罐体的底部有转动的闸板控制药片的漏出，每台设备上可安装上百个罐体，储藏上百种药品。通过对每个罐体底部闸板的控制就可以实现药片的自动分拣。分拣出的药片可以自动装入塑封袋封口并贴上标签。这种设备适合于病房药房按病床分发药品，并可实现按每次服药的品种数量分包，方便患者服用。 （4）智能药柜药房该类药房的典型代表是德国hanel公司的数控回转柜式数字化药房和江苏迅捷装具科技有限公司的智能药房。该设备能够与医院的his系统联机进行运作。当系统接收到处方信息后自动识别检索出需要发放的药品，按最优路径回转到出药口，目标药盒自动弹出或远红外闪烁，提示工作人员取药。工作人员取完所需药品后确认完毕，设备自动执行下个处方或进入待机状态。智能药柜专门用于门诊药房存储药品的自动化系统，特别适用于异形包装药品的存储。该设备采用人性化设计，与医院his系统无缝连接，实现了从以往“人找药品”到现在“药品找人”的模式转换。1.2.2 国内研究及应用现状相较于欧美一些发达国家，在数字化和信息化方面，国内医院药房在设计理念方面的起步也不算慢，其中，最早的设计理念是，航天工业部第三研究院在1988年开发设计的“微机控制自动发药机”专利9。此专利执行较早，但是由于国内大多数医院的经济技术发展比较缓慢，管理水平也相对比较落后，使得数字化药房这种产品很难面向市场。国内药房在对药品分拣的研究处理方面大致可以概括为以下三个阶段。（1）原创构思阶段1995年，四川大学和中国人民解放军成都军区总医院合作开发了名为“自动发药机及信息处理系统”的专利10。这种系统使得医院的处方全部都由计算机来进行处理。在国内，它被广泛到各类大、中小型医院和商业药房，但是由于这种设备占地面积较大，空间的利用率相对而言较低，因此很难通过计算机进行管理，药品调剂差错率也就相对而言增大。（2）半自动化阶段2003年5月，深圳三九集团研制的“盒装药品自动售药机” 11,12，该设备采用矩阵形布局出药动作器，购药者只需在售药机的控制装置上输入需购买的药品并从投币口中投入相应的钱币，售药机中的控制装置便可启动出药装置中的纵、横电磁铁工作，控制所选定的盒装药从滑槽中滑出落下到达取药口，购药者可直接从取药口取走，从而实现无人自动售药。2004年3月，由国家科技部和三九集团共同研制的“智能化药房”通过了863计划项目专家小组的审核和验收。此种类型的智能化药房同时具备配药和发药的功能，对整个过程提供全自动处理，首先负责取药，然后对其进行自动包装，最后打印标签并对数据进行管理，使患者享受到由机器人自动配药的服务。这种采用自动化配发药技术的智能化药房除了降低因手工配发药的差错率外，也防止因传递药品而引起交叉感染。此类型药房设计制造的最初目标是针对中药饮片和胶囊，适用于发药量相对较小的一些商业药店和一些小型医院的病房药房，应用面较窄13。2006年06月，苏州艾隆科技有限公司与北京航空航天大学机器人研究所合作完成了机械手式自动化药房样机的研制工作，由于此种药房参照德国rowa公司的设计方案，因此不能满足国内医院门诊药房的要求，故没有推向市场，但是在研制工作中积累许多开发自动化药房的知识和技术，为新一代自动化药房的开发奠定了基础。上面所介绍的两个阶段的研究主要集中在提高药品分拣率，对设备的补药、药品的配送和如何对药品进行有效管理方面有欠考虑。（3）全自动阶段2010年6月，由苏州艾隆科技有限公司研发的iron-快速发药系统已经在上海第十人民医院新门诊启用。iron-快速发药系统是根据我国医院药房实际情况研制的药房自动化系统，该系统可根据处方信息进行盒装药品的自动调配发送，同时实现机械手自动上药、存储药品、并对药品进行信息化管理。该系统在帮助药房提高工作效率和管理水平的同时，节约药房空间，使药房实现更多的空间给患者、更多的效益给自己。目前，国内医院对于开发的数字化药房大体上要求能够实现以下功能：数字化设备能够存储大量的药品，并且对药品进行快速准确的配送和调剂，从而实现医院药品的高效管理，此阶段的设备虽然是结合当前中国医院的实际情况而研发的，但仍存在一些弊端。1.3课题研究内容结合我国药品流通体系和医疗机构药品供应特点，应用现代物流知识和供应链管理理论，研究医疗机构药品物流管理的基本体系的建立和数字化药房技术系统的基本架构；应用物流理论中有关物品配送的基本原理，对医院药房药品配送的需求进行分析，对药品物流体系构建过程中关于零库存、供应链一体化、管理信息系统功能的延伸以及药品补给中的患者服务等问题进行系统探讨，建立一个少环节、低成本、高效率、信息化、自动化的药品补给体系24第二章 小型补药机构的设计任务2.1设计任务介绍及意义（1）培养学生综合运用所学的基础理论和专业知识，独立进行产品的初步设计工作，并结合设计或试验研究课题进一步巩固和扩大知识领域。（2）培养学生搜集、阅读和综合分析参考资料，运用各种标准和工具书籍以及编写技术文件的能力，提高计算、绘图等基本技能。（3）培养学生掌握机电产品设计的一般程序方法，进行工程师基本素质的训练。（4）树立正确的思想及严肃认真的工作作风。2.2设计任务明细2.2.1基本要求：（1）载荷：5kg，瓶装药品补药效率20件/min，分拣误差率0.2%。（2）工作环境良好，每天工作时间20小时，每半年检修一次，设计寿命5年。（3）瓶装药品提升电机、输送电机均为电容启动单相齿轮减速电机，双向传动，带刹车，带电子调速。（4）完成实现上述要求的自动化药房瓶装药品自动补药机构设计，绘制装配图一张（0号），主要零件图折合零号图纸2张。（5）完成各主要参数的设计计算、校核，编写设计说明书一份。2.2.2具体步骤（1）根据题目要求，查阅相关资料，了解本课题的国内外发展趋势。（2）根据老师指导，结合自己思考，提出本课题设计方案。（3）经论证后，按照设计方案要求，进行相关参数计算和选取。（4）进行自动化药房瓶装药品自动补药机构设计。具体要求如下：出药机构设计；提升机构设计；补药机构设计；其他辅助机构设计。（5）完成毕业设计说明书。第三章 主要零部件的选用3.1出药机构设计图3.1出药机构如图3.1所示，步进电机驱动输送带运转，使输送带上的药品向前运动滑入带前方的机械手中，输送带后设有挡板，防止药品滑出输送带，输送带长度1m，瓶装药品补药效率约20件/min，3.2 上药机械手上药机械手包括机械手u型槽、偏转电机和机架，机械手u型槽与机架活动连接并可绕机架旋转，机械手u型槽与水平面平行，机架与上药直角坐标机器人滑块固连，滑块可随导轨一起上下左右移动；机架上方安装有电磁铁，折型翻板活动连接在u型槽上，折型翻板一端与电磁铁相对应，另一端挡在u型槽的出口处，当上药机构输送带向机械手送药时，电机旋转带动齿轮转动，通过齿轮传动使得u型槽偏转一定的角度，此时电磁铁向上顶起翻板，限制药品滑出u型槽。当机械手运动到储药柜对应的u型槽时，电磁铁动作，使翻板向上掀起，药瓶从机械手u型槽滑出落入到斜坡式储药柜中3.3 直角坐标机器人此装置为的是实现机械手的上下左右移动，为考虑机械手定位精度和使用成本，直角坐标机器人采用同步带电动直线导轨型，完成机械手的定位功能。如图3.2所示图3.2 直角坐标机器人它包括两套水平放置的电动导轨和一套竖直放置的电动导轨，水平方向电动导轨由水平伺服电机、水平导轨和同步轴构成，两套水平导轨采用同轴连接，水平电机的旋转带动水平导轨的滑块左右移动。竖直方向电动导轨由竖直方向伺服电机和竖直导轨构成，竖直方向导轨上有滑块，上药机械手安装在滑块上，从而实现上药机械手的上下左右移动3.4 电磁铁的选用此处采用的电磁铁通过控制翻板来实现抑制药瓶滑出u型槽或使药瓶滑入斜坡式储药柜，如图所示图3.3 电磁铁规格属性：型号sa-911，额定吸力0.5kg,额定行程30mm,外型尺寸46*67.5mm第四章 主要零部件的校核与计算4.1初选步进电机出药机构的运行机构的电动机的功率，是根据输送机满载稳定运行时的静阻力进行计算。按照运行静阻力、运行速度计算机构的静功率。静功率(k w)的计算公式14 15为式中 w-运行机构稳定运行时的静阻(n)； v-输送机的运行速度(m/min)； z-输送机运行机构的驱动电机数，一般取z=1； -运行机构传动的总效率16 17。初选电动机型号y801-4，额定功率0.75kw，满载转速1390r/min4.2滚动轴承受力分析与校核滚动轴承的主要是由内圈、外圈、滚动体和保持架四部分组成。内圈用来和轴颈装配，外圈用来和轴承座装配。通常内圈随轴颈回转，外圈固定。当内外圈相对转动时，滚动体在内外圈滚道间滚动。常用的滚动体有球、圆柱滚子、滚针、圆锥滚子、球面滚子、非对称球面滚子等。轴承内外圈上的滚道，又限制滚动体侧向位移的作用。轴承的内外圈和滚动体，一般使用轴承铬钢制造的，热处理后硬度一般不低于60hrc。选择轴承时首先选择轴承的类型。由于本机构中所选用的轴承，用在轴的两端，一般只承受径向载荷，所以选用调心球轴承，调心球轴承用于轴的两端时，成对使用。所选调心球轴承型号1205。参数：内径d=25mm ，外径d=52mm， 宽度b=15mm。图4.1 调心球轴承实际计算时用小时数（h）表示寿命较方便：式中为寿命指数，球轴承取3由机械设计16表13-3可以知道无齿锯的预期计算寿命，取=8000.由滚动轴承寿命的计算公式可得故10000系列调心球轴承符合设计强度要求。4.3轴的设计4.3.1轴的结构设计轴的设计包括结构设计和工作能力计算。轴的结构设计是根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺方面的要求，合理的确定轴的结构形式和尺寸。轴的工作能力计算值的是轴的强度、刚度、和振动稳定性等方面的计算，对刚度要求不是很高的轴只需进行强度计算。4.3.2轴的材料选择轴的材料主要是碳钢和合金钢，各种热处理以及表面强化处理对提高轴的抗疲劳强度都有显著的效果。先进行轴的结构设计。包括轴的合理外形和全部结构尺寸。这主要取决于以下因素：轴在机器中的安装位置及形式；轴上安装的零件的类型、尺寸、数量、以及轴连接的方式； 载荷的性质、大小、方向及分布情况；轴的加工工艺等。由于影响轴的结构的因素很多，且其结构形式又要随着具体情况的不同而异，所以轴没有标准的结构形式。设计时，必须针对不同情况进行具体的分析。但是，轴的结构都应该满足：轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置；轴上零件要便于装拆和调整；轴应该具有良好的制造工艺性等。先拟定轴上零件的装配方案，再进行轴上零件的定位，最后确定各轴段直径和长度。采取适当措施以提高轴的强度。轴和轴上的零件的结构、工艺以及轴上零件的安装布置对轴的强度有很大的影响。应在以下方面进行充分考虑：1.合理布置轴上零件以减小轴的载荷；2.改进轴上零件结构，改进轴的结构；3.改进轴的表面质量以提高轴的疲劳强度；4.4 v带传动的设计计算根据带传动的失效形式，可得带传动设计计算的准则为：在保证带传动不打滑的前提下，使带具有足够的疲劳强度和寿命。在一般机械传动中，应用最为广泛的是带传动。带的横截面呈等腰梯形，传动时，以两侧为工作面，但带与轮槽槽底不接触。在同样的张紧力下，带传动较平带传动能产生更大的摩擦力，这是带传动性能上的最大优点。图4.2 v带传动示意图带传动设计的内容有：带的型号、长度、根数，带轮的基准直径，中心距以及带轮的结构尺寸，轴上的压力等。必要时还需设计传动的张紧装置。表4.1 工作情况系数ka4.4.1 v带传动总体设计1. 确定计算功率。由表4.1查得工作情况系数=1.2，故pca=*p=0.9kw2. 选择v带的带型。根据、n1由图4.3选用z型。3. 确定带轮的基准直径，并验算带速v 。图4.3 普通v带选型图1初选小带轮的基准直径。由表8-6和表8-8，取小带轮的基准直径75mm。2计算带速v。5.46m/s因为，故带速合适。3计算大带轮的基准直径。dd2i dd1225mm ,由表8-8圆整dd2=224mm4.确定v带的中心距a和基准长度。根据式（8-20），初定中心距 a0=500mm。由式（8-22）计算带所需的基准长度。=1480.8mm由表8-2选带的基准长度=1400mm按式（8-23）计算实际中心距a。 459.6mm5.验算小带轮上的包角。 =161906.计算带的根数z。1）计算单根v带的额定功率。由75mm 和n1=1390 r/min ，查表8-4a得：p0= 0.68kw。根据n1=1390 r/min，i= 3和z型带，查表8-4b得：p0=0.03kw查表8-2和8-5得：k=0.95，kl =1.14于是：pr=(p0+p0)* k* kl =0.77kw2）计算v带的根数z。z=pca/pr =0.9/0.77=1.2 2, 取z=24.4.2 各带轮的设计。材料的选择,结构形式设计。带轮材料选择ht200。 结构形式：根据带轮直径，大小带轮均采用孔板式图4.4齿轮。4.5齿轮传动设计计算齿轮传动是利用两齿轮的轮齿相互啮合传递动力和运动的机械传动。按齿轮轴线的相对位置分平行轴圆柱齿轮传动、相交轴圆锥齿轮传动和交错轴。具有结构紧凑、效率高、寿命长等特点。 在所有的机械传动中，齿轮传动应用最广，可用来传递相对位置不远的两轴之间的运动和动力。图4.5齿轮模型1、选定齿轮类型、精度等级、材料及齿轮、采用硬齿面直齿圆柱齿轮传动并采用7级精度、齿轮材料采用40cr钢，表面淬硬达hrc54齿条材料采用45钢，表面淬硬达hrc45、初选齿轮轮齿z1=30。2、按齿接触强度设计由设计计算公式进行计算，即3几何尺寸计算、计算中心距 、计算齿轮的分度圆直径 、计算齿轮宽度 4按齿根弯曲强度设计计算齿轮、齿条的并加以比较对比计算结果，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力仅与齿轮直径有关，若齿面接触强度计算的模数大于齿根弯曲强度计算的模数，则选取数值符合要求。4结构设计 齿轮和齿条主要尺寸和参数如下表1。齿轮齿条模数m/mm88法向压力角全齿高1818螺旋角00齿顶高系数11顶隙系数0.250.25齿厚5550齿轮齿条齿顶高88齿根高1010齿顶圆直径152分度圆直径136齿根圆直径116中心距a/mm68表4.2 齿轮和齿条主要尺寸和参数参考文献1韩晋，刘丽萍，谢进，袁海龙自动化设备对医院药房的影响j中国药房，2006，17(19)：14692张石革，马国辉论药师职责转型的时代使命与其必然性j中国药房，2006，17(2)：843 girish ssubramanyan，deborah syokoe，sharon sharnprapai，edward nardellusing automated pharmacy records to assess the management of tuberculosisj emerging infectious disease，1999，5(6)：7884 bridget colemanhospital pharmacy staff attitudes towards automated dispending before and after implementationhospital pharmacy，2001，11：2485 christopher j，thomsen. a real life look at automated pharmacy workflow systems. national association of chain drug stores，2005，1，296 mathew pthomasmedication errorsclinical pediatric，2003，4：2877郝华增，李展翅，吴平龙，等. 智能化药房的研究j. 包装与食品机械，2005(5)8赵新先，吴平龙，李展翅，等盒装药品自动售药机深圳三九药业有限公司，中国专利：cn2549544，2003-05-079夏作新，李海鸥，刘绍周微机自动控制发药机航天工业部第三研究院第三十五研究所，中国专利：cn 86105746，1988-02-1010陈宜彬，曾仁杰，景利，等自动发药机及信息处理系统中国人民解放军成都军区总医院，四