（测试计量技术及仪器专业论文）新型小型高速混合制粒机的研制.pdf

摘要 本文根据医药制粒工艺研究的需求，设计了一种新型小型高速混合制粒机， 用于一次性完成混合、加湿与制成颗粒等多道工序的新型小型化自动制药设备， 其方法是将药物粉末和辅料加入容器内，搅拌均匀后加入粘合剂高速切割制粒。 该设计包括整体结构及计算机自动检测与控制系统。经过大量实验并结合特定的 工艺要求得出了，针对不同的物料配方与之相应的最佳操作参数。实验证明，该 装置具有良好的控制系统，自动化程度高，与传统的实验室手动设备相比，制粒 效率高、操作简便，且所制颗粒均匀、批次稳定，并完成了样机的整机集成，填 补了国内具有优良控制系统的小型高速混合制粒机的不足，是测控技术与生化工 程新工艺研究的良好结合。 本文的主要研究内容有： 1 介绍了小型高速混合制粒机的制粒原理，并根据要求完成了制粒机的机械结 构设计、加工与安装，包括搅拌桨和制粒桨的形状与工作位置；搅拌桨与搅 拌电机及制粒桨与剪切电机的同轴连接； 2 确定并设计了自动控制方案，包括以a t m e g a 3 2 单片机为核心的控制电路的 设计、电路板的制作和相应的软件程序的编写，以实现混合容器内温度的非 接触实时测量及搅拌桨与制粒桨转速的测量与控制等； 3 实现了控制板与p c 机的通信，并采用l a b v i e w 编程设计了人机界面，在 p c 机上实时显示容器内温度、电机转速及时间等参数，方便数据的存储与 分析； 4 针对混合容器内不同物料的特性，进行小型高速混合制粒机最佳控制参数的 实验与分析，并确定操作标准流程。 关键词：小型高速混合制粒机a t m e g a 3 2电机控制混合均匀度粒度分布 a bs t r a c t a c c o r d i n gt ot h en e e do fm e d i c i n ep e l l e t i s a t i o n ，an e w s t y l em i n i a t u r eh i g h s h e a rg r a n u l a t o r ( m h s g ) i sd e s i g n e d ，w h i c hi sak i n do fa u t o m a t i cp h a r m a c y e q u i p m e n tt om i x , t ow e t , t og r a n u l a t ea to n et i m e t h i se q u i p m e n ti n c l u d e s m e c h a n i c a lc o n f i g u r a t i o na n dm e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e m f o rt e c h n o l o g i c n e e d s ，t h ee x p e r i m e n t sp r e s e n tt h er e l e v a n td a t ac o r r e s p o n d i n gd i f f e r e n tc o m p o s i t i o n c o m p a r e dw i t hap r o c e s so p e r a t i n gb yh a n d ，t h ee q u i p m e n ts h o w sh i i g ha u t o m a t i o n a n de f f i c i e n c y , i t sp r o d u c th a v ep r o p o r t i o n e dg r a n u l ei ns h a p e ，s i m i l i t u d eg r a n u l a r i t y i ns i z e t ot h i sd a y , t h ee q u i p m e n tm o d eh a sb e e nf i n i s h e da tw h o l e ，w h i c hp r o g r a m h a sb e c o m ec o m b i n i n gp r o d u c t i o nb e t w e e nt h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lt e c h n o l o g r y a n dt h eb i o c h e m i s t r ye n g i n e e r i n gt e c h n o l o g y t h ep a p e r sc o n t e n ti n c l u d e sf o u ra s p e c t sa sf o l l o w s ： 1 h a v i n gi n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l eo fm h s g , a n da c c o r d i n gt ot e c h n o l o g i cn e e d s , f i n i s h i n gt h em e c h a n i c a lc o n f i g u r a t i o nd e s i g n ，m a c h i n i n ga n df i x i n g ，i n c l u d i n g t h es h a p ea n dr e l e v a n tp o s i t i o no fi m p e l l e ra n dc h o p p e r , t h ej o i n to fi m p e l l e ra n d m i x i n gm o t o r ，a n dt h ej o i n to fc h o p p e ra n dc u t t i n gm o t o r ； 2 h a v i n gd e s i g n e dt h ea u t o m a t i cc o n t r o l l i n gs c h e m e ，i n c l u d i n gt h ec o n t r o l l i n g c i r c u i td e s i g nb a s e do nt h ea t m e g a 3 2 ，p c bd e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g n ， i m p l e m e n t i n gt h er e a l - t i m em e a s u r eo ft e m p e r a t u r ei nm i x i n gv e s s e l ，t h et e s t i n g a n dc o n t r o l l i n go fi m p e l l e ra n dc h o p p e rs p e e d ； 3 h a v i n gi m p l e m e n t e dt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nc o n t r o l l i n gb o a r da n dp c ， d e s i g n e dt h ei n t e r f a c eb e t w e e nh u m a na n dc o m p u t e ra d o p t i n gl a b v i e w , w h i c h d i s p l a y st h ep a r a m e t e r ss u c ha st e m p e r a t u r e ，m o t o rs p e e da n dt i m e ，i no r d e rt o f a v o rd a t as t o r a g ea n da n a l y s i s ； 4 a i m i n ga tt h ec h a r a c t e r i s t i co f d i f f e r e n tm a t e r i e l ，h a v i n gf i n i s h e dt h ee x p e r i m e n t a n dd a t aa n a l y z e ，a n de v e n t u a l l yc o n f i r m e dt h eo p e r a t i o nf l o w k e y w o r d ：m h s ga t m e g a 3 2 m o t o rc o n t r o l l i n g m i x i n gp r o p o r t i o n g r a n u l a r i t yd i s t r i b u t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：。爵炙 签字日期： 加7 年二月云e t ， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤生盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：以 签字醐：1 钰肌日 翩躲彳矽呢夜 签字日期：班7 年月) i - e t 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 现代科学技术的发展，推动了制药事业的不断进步，其中在固体片剂生产中， 混合与制粒是决定压片或胶囊质量好坏的关键，从某种意义上说，制粒又是其关 键的基础。制粒是把粉末、熔融液、水溶液等状态的物料经加工制成具有一定形 态与大小粒状物的操作l 。制粒作为颗粒的加工过程，几乎与所有的固体制剂相 关。制粒物可能是最终产品也可能是中间体，制粒操作使颗粒具有某种相应的目 的性，以保证产品质量和生产顺利进行。如在散剂、颗粒剂、胶囊剂中颗粒是产 品，制粒的目的不仅是为了改善物料的流动性、飞散性、粘附性、有利于计算准 确，而且必须保证颗粒的形状、大小均匀、外形美观；在片剂生产中颗粒是中间 体，制粒不仅能改善流动性以减少片剂的重量差异，而且可以保证颗粒的压缩成 型性。因此，具有一定智能化程度、可自动控制的制粒设备便逐渐成为研究的热 点。其中高速混合制粒机是近年来发展的比较快、应用最多的制粒设备，亦是最 经济的，其方法是将药物粉末和辅料加入高速混合搅拌制粒机的容器内，搅拌均 匀后加入粘合剂高速切割制粒。本文针对大学和制药厂的实验室中对药物颗粒少 量快速制备的需求，设计了一种新型小型高速混合制粒机，与传统的实验室手动 设备相比，具有省工序、操作简单、制粒效率高、颗粒均匀等优点，从整体上提 高了生产水平及生产效率，确保了固体片剂的质量，为制药实现现代化奠定了坚 实的基础，有着非常好的应用前景。 1 2 制粒的常用方法 制粒常用的方法有一步法制粒、干法制粒、和湿法制粒1 2 j 。一步法制粒，也 称流化床制粒，集混合、制粒、干燥于一体，但制粒成品颗粒较松，电耗较高， 控制参数因品种而异。干法制粒，通过对粉末混合物加压制成大片，再经粉碎整 粒制成所需粒度的颗粒，适用于湿热敏性药物。由于此法制粒过程中不使用粘合 剂，制成片剂容易崩解。湿法制粒是在药物粉末中加入粘合剂，靠粘合剂的粘结 作用使粉末聚结在一起，然后在液体架桥与外加机械力的作用下制成一定形状和 大小的颗粒的方法。由于湿法制成的颗粒经过表面润湿，其颗粒具有外形美观、 流动性好、耐磨性强、压缩成形性好等优点，是在医药工业应用最为广泛的方法， 但粉末中液体的加入量不同，粉末颗粒问会存在的不同的状态，而产牛不同的作 用力所以应适当增加液体量，使空气成为分数相，液体成为连续相，此时，粉 粒间的作用力取决于架桥液的界面张力与毛细管力，一般在这种状态时会得到较 好的颗粒。如图i - 1 为湿法制车踅的1 岂流程圈： 貉圈恫悃惆悃惆 图i - 1 湿法制粒【岂施程图 本文即根据湿法制牧工艺的特点，完成了小型高速混合制粒机的制造要求及 测拄系统的设计，并通过实验研究出适合不同物系( 主料、辅料、粘合剂) 的对 应参数的最佳匹配方式，最终完成小犁高速混合制粒机的定型。 1 3 小型高速混合制粒机的研究现状 1 - 3 1 国外小型高速混合制粒机的研究现状 目前，国外的小型制粒机产品较成熟的j 家有：g e a 集团尼鲁制药系统。 其产品主要有湿法混粉机、湿法混合造粒机及微波，真空干燥系统如图i - 2 所 示： j 显法混粉机湿法混合适| 宜机微波，真空干燥系统 嘲i - 2 尼鲁制粒系统 三者组成高密闭的完整的混合一制粒一千燥系统提供最佳配料系统和粉 末、颗粒的物科出料系统，符合各种固体制剂的生产要求其产量每批1 公斤到 几百公斤。 尼鲁制药系统同时提供满足实验室和科学研究 用小型实验室设备，如图i - 3 所i ：其容积为i _ 4 l 处理量为1 0 0 2 0 0 9 或3 0 0 - 7 0 0 9 ，且具有温度采集系 统及数据存储功能其全自动的操作模式驶液品显小 界面方便用户使用。 另外图1 - 4 所示为意人利m o m a c o 公司， z a n c h e t t a 子公可生产的r o t op 系列产品r o t op 1 0 。 图1 5 为德国德奥纳斯( d i o s n a ) 公司牛产的配备 真空进科的p 1 5 0 型混合制粒机该公司的制药级湿 罔1 - 3 尼鲁_ ，j 、型制粒机 法造粒机设讣用于对质量均一的片剂生产物料进行湿法制粒。其产品从p 1 0 0 、 p 1 5 0 、p 2 5 0 8 一直到p 1 2 5 0 b 系列，型号齐全但价格相当昂贵。 圉i - 6 常州先锋一g h l 系列高速混合制挝机图1 7 坦妁龙立一h l s g 幕，湿法混合制粒机 第一章绪论 图1 7 是国药龙立生产的肌s g 1 0 、h l s g 1 0 0 、h l s g 2 0 0 、h l s g 3 0 0 系 列产品，其容积为1 0 3 0 0 l ，处理量为l k g - 1 1 0 蚝，采用v 型结构的制粒刀和精 密加工的搅拌桨，混合均匀度好，并有p l c 控制，操作简单。 1 4 本文的主要工作 从上述国内外制粒机的研究现状的对比可以看出，从制备颗粒量多少和自动 控制体系来说，国内制粒机的水平都与国际先进水平的同类产品有一定的差距。 如国内目前市售设备最小容积为1 0 l ，批次处理量大( 3 5 k g ) ，且没有粘合剂加 入量控制、制粒终点控制等。因此具有自动控制系统的小型设备( 容积1 - 2l ) 即成为需要解决的问题。依据以上对国内外制粒机产品的分析，以及生产与研究 市场的需求，提出了本文的主要工作，基于湿法制粒机理的小型高速混合制粒机 的研制，需要解决的关键技术分为四个方面：( 1 ) 搅拌桨与制粒桨的形状与相对 位置；( 2 ) 搅拌桨与制粒桨的转速可调、可控；( 3 ) 搅拌桨与制粒桨的运转稳定 及针对不同的物料选择合适的制粒流程；( 4 ) 设计人机界面，方便操作。解决好 这四个方面的问题最终形成定型产品，填补国内具有优良控制系统的小型高速混 合制粒机的不足，对国内制剂的自主高效研发具有重要意义，并可积极带动相关 医药产业的发展。 本文主要工作如下： 1 根据要求完成制粒机的机械结构设计、加工与安装。其中搅拌桨的形状、制 粒桨的层数及二者的相对位置是两个最关键的设计。另外，搅拌桨与搅拌电 机、制粒桨与剪切电机的两个轴向连接是制粒机另一个重要的机械结构设 计； 2 自动控制方案的设计与确定，包括以a t m e g a 3 2 单片机为核心的控制电路的 设计、电路板的制作和相应的软件程序的编写，以实现混合容器内温度的非 接触实时测量及搅拌桨与制粒桨转速的测量与控制等； 3 采用l a b v i e w 设计人机界面，在p c 机上实时显示容器内温度、电机转速 及时间等参数，方便数据的存储与分析； 4 针对搅拌容器内不同物料的特性，进行小型高速混合制粒机最佳控制佳参数 的实验与分析，并确定操作标准流程； 在上述工作的基础上，对小型高速混合制粒机明确定型方案。 4 第二章小型高速混合制粒机原理及结构 2 1 制粒原理 第二章小型高速混合制粒机原理及结构 通常制粒流程由混合和制粒两个主要过程组成。其中混合过程的目的在于使 药物各组份在制剂中均匀一致，其混合过程的操作对所制颗粒的外观质量和内在 特性都有很大的影响。一般混合的物理机理分为对流混合、剪切混合和扩散混合 3 种1 3 , 4 1 ，如下所述： ( 1 ) 对流混合是在机械转动下，固体粒子群体产生大幅度位移时进行的总体混 合。 ( 2 ) 剪切混合是由于粒子群内部力的作用结果，在不同组成的区域间发生剪切作 用而产生滑动面，破坏粒子群的凝聚状态而产生的局部混合。 ( 3 ) 扩散混合是因相邻粒子间产生无规则运动时，相互交换位置而形成的局部混 合。 基于湿法制粒机理的小型高速混合制粒机，其工作流程是在一个容器内完成 混合和制粒两个主要的过程。具体为：首先在搅拌桨的作用下使物料混合、翻动、 分散甩向容器壁后向上运动，形成较大颗粒。然后在制粒桨的作用下将大块颗粒 绞碎、切割，并在搅拌桨的作用下，使颗粒得到强大的挤压与滚动，形成致密且 均匀的颗粒。颗粒粒度的大小受到外部破坏力与颗粒内部团聚力所达到的平衡结 果的影响。 本文研制的小型高速混合制粒机以强制的对流与剪切混合为主。其工作程序 分为三个阶段： 第一阶段为干混阶段，也为搅拌桨开始工作阶段，搅拌桨依靠自身结构的特 点以较低的速度旋转，使混合容器内的物料翻腾和抛撒并混合均匀。翻腾是物料 混合均匀的前提，本文实验选择此时搅拌电机带动搅拌桨转速约为3 0 0 r p m ，混 合时间约为2 r a i n ： 第二阶段为湿混阶段，当确定物料干混均匀后，提高搅拌桨的转速至4 5 0 r p m 左右时，加入粘合剂润湿物料并混合均匀。根据不同的物料特性，可选用不同种 类的粘合剂，粘合剂可一次性加入，也可连续缓慢加入。本文实验中此阶段选择 缓慢加入，历时约3 r a i n ； 第- 章小型高速混合制粒机原理及结构 第三阶段为制粒阶段，搅拌桨以约6 0 0 r p m 的速度旋转，当湿混均匀的物料 抛撒的高度恰好覆盖制粒桨上缘时，制粒桨以3 0 0 0 r p m 的速度高速将团状物料 切割成粒度分布均匀的颗粒，此阶段需时间2 一- - 3 m i n ，为制粒效果的关键过程。 由此，搅拌桨和制粒桨在每个阶段的转速及其工作时间是制粒效果的关键因 素，也是本论文控制的主要部分。另外，制粒时间随物料与粘合剂配方的不同而 异，整个过程大约需要6 - - - 7 m i n 完成湿粒的制备，最后由干燥设备完成湿粒的干 燥过程。如图2 1 为混合制粒机的工作流程图： 物料进入容器卜t 叫物料干混均匀卜 广叫物料湿混均匀卜t 叫湿粒 搅拌桨以较低速度il 加入粘含剂，搅拌桨以较高速il 搅拌桨及制粒桨 旋转使物料翻腾 度旋转使物料抛撒 高速旋转制粒 2 2 制粒机结构 图2 1 小型高速混合制粒机工作流程图 2 2 1 制粒机的整体结构 1 筒体 2 混合容器 3 搅拌桨 4 搅拌电机 5 制粒桨 6 剪切电机 7 温度传感器 图2 2 小型高速混合制粒机整体结构 小型高速混合制粒机的机械结构设计采取立式双搅拌结构，主要由容器、搅 6 镕口十自e “# m 镕构 拌电机、剪切电机、搅拌桨和制粒桨等几个： = 要部分组成，系统机构简图如| 生| 2 - 2 所示。具体设计要求如下： ( 1 ) 搅拌桨的直径应与棍合容器的直径柑当，与窖器底的甲底部分保持盛小的f h 】 隙( 2 m m ) 成健的角度( = 5 。) ，这样可避免搅拌时出现“贬角”：俄 据加入容器内物料容积的大小选择制粒桨的层数； ( 2 ) 搅拌电机和剪切电机分别通过套筒与其连接轴相连所采用的套筒结构避免 了因电机高谜旋转所引起的震动并在连接处添加轴承以保证轴运动的平稳 性： ( 3 ) 连接轴与搅拌檠通过连接轴底部的螺纹相连，并用一个平台以保证其同轴 度。连接轴与制粒桨的连接采用相同的方式并且两者螺纹旋向。致，以保 证搅拌桨与制粒桨的旋转方向一致； ( 4 ) 根据红外温度传感器的距离系数及被测目标的范围确定温度传感器的安装 位置： ( 5 ) 凼制粒机足用于制药事业，又为了方便观察其一作状态故混合群器选用石 英玻璃材料加_ _ 【= 而成： ( 6 ) 根据制粒帆控制板、电源等硬件电路的连接及走线设计出其控4 柜，且前面 板具有显示帛l 按键方便操作。 基于以卜几点完成了小型制粒机机械结构的设计，其实物图如图2 - 5 所示： 图2 - 5 小型高速混台制拉机装置 第二章小型高速混合制粒机原理及结构 2 2 2 搅拌桨和制粒桨的设计 由制粒机工作原理可知，小型高速混合制粒机是底部驱动( 搅拌桨旋转) ， 侧面切削( 制粒桨旋转) 的制粒设备，冈此，搅拌桨与制粒桨的形状设计及安装 的相对位置是影响颗粒均匀度及粒度的关键因素。为此有必要先对制粒流场进行 分析，以确定设计与安装的关键点。 2 2 1 1 制粒流场分析i 纠 当搅拌桨工作时，物料被集中抛撒至近容器壁处，在搅拌桨达到一定转速时， 容器边缘圆环区形成主要的“混合制粒区”，其中心部分便形成“空料区”，物 料表面明显上升，并呈现上下起伏的翻腾脉动状态。在搅拌桨桨叶冲击物料时， 物料面上升至最高点时；制粒桨开始旋转，且与搅拌桨的旋转方向应相同。 如图2 2 所示，混合物料时形成的“混台制粒区”与“空料区”基本上呈同 心圆柱形。原始物料表面高度为h 。，搅拌桨旋转将物料抛撒至h ：，此时容器中 心出现半径为r 的“空料区”。若混合容器内半径为r ，且不计搅拌桨本体的体 积，则有如下关系： l 一岛三尺2 啊= 三r 2 一，2 厅zl 一z ( 2 1 ) 式中g 。、乞分别为原始空隙率和工作平均空隙率。r 值主要由搅拌桨形状、 物料性质和转速决定，而此时h ：即是制粒桨的最大安装高度，制粒桨的层数可 依据物料容积大小来选择。 图2 - 2 混合制粒区与窄料区示意图 搅拌桨和制粒桨的旋转方向均为逆时针方向，如图2 3 所示，图中阴影部分 s 第章小型高速混合制粒机原理及结构 分别为a 区与b 区。此时a 区处物料同向旋转，制粒桨对物料的作用可保持搅拌 桨维持的适度脉动。若制粒桨与搅拌桨的转向相反，那么在a 区将发生物料的不 规则“抛射”现象，流场很不稳定，严重影响到混合制粒的效果。b 区虽然运动 方向相反，但是经流场观察表明，此区处在“空料区”的边缘，因此不会出现物 料的“抛射”现象。此外，在制粒桨与容器壁之间的“混合制粒区”，物料的运 动比较激烈。当此区的主流向相同时，物料在湿混和制粒时所消耗的功率比反向 时低，可提高混合制粒机的效率，故搅拌桨与制粒桨的旋转方向一致对制粒机的 整体设计是相当重要的。 制粒桨 图2 3 搅拌桨和制粒桨旋转方向图 搅拌桨 2 2 1 2 搅拌桨和制粒桨的设计要求 一、搅拌桨的设计要求 上述流场分析表明，混合制粒时物料主要集中在容器壁周围的“混台制粒 区，而在“空料区”中则不断翻腾回落，并被制粒桨撞击；依靠搅拌桨的外部 把物料抛起，而后撒落在容器的外围。 因此，搅拌桨需设计成三叶偏心斜锚式1 5 】，如图2 - 4 所示，其设计要求如下： ( 1 ) 为了把作用于锚型桨叶上的物料推向周边“混合制粒区”，需设计“偏 心”分布的斜锚。若斜锚为径向分布，则物料被推向周边的倾向大为减弱。此偏 心圆的直径应与“空料区”的圆筒状直径( 2 r ) 相当，结构设计时还须注意，其 与容器的平底部分应一致且保持最小的间隙( 小于2 r a m ) 。锚型桨叶的底面与 容器平底之间的夹角p = 5 0 ，前角口= 1 0 0 0 ，因此，当桨叶旋转时依靠此刃口对底 部积存的物料起“刮铲”作用。 ( 2 ) 桨毂部分设计成三头扭转圆锥螺旋带，内部为空心结构，一方面便于 穿轴时安装紧固螺母，另一方面使物料运动时不会被阻隔以利于均匀混合。因此 9 第二章小型高速混合制粒机原理及结构 该部分设计时须保证一定的圆锥度，过渡曲面应光滑均匀并应有足够的抗扭强 度。 ( 3 ) 锚桨的斜面区应保持5 5 0 左右的斜角，其外形应与容器基本吻合。当 转速不变时，斜锚的倾角和直径直接影响着物料的抛撒高度，亦与偏心圆直径有 关。如果偏心圆直径和桨叶的直径过大，桨叶的斜角偏小，此时料面在工作时将 难以上升至足够的高度。 _ j a a a c b 向 1 偏心圆2 桨毂3 桨叶 图2 4 搅拌桨结构( 三叶偏心斜锚式) c c 二、制粒桨的设计要求 通过流程分析可知，物料表面增高后的“混合制粒区”应将制粒桨“淹没 其中，并在此范围内设置足够的切刀，但层数过多又会加重制粒桨的负荷。因此， 当搅拌桨抛撒物料的高度恰好能覆盖切刀的上缘时，效果最好。本文所设计的制 粒桨切刀层数为4 层，如图2 - 2 所示，其直径d 的范围为d _ r - r ，r 为容器内半 径。 2 2 3 电机与桨的连接结构设计 搅拌电机和剪切电机分别通过套筒与其连接轴相连，套筒的主要功能是固定 电机，以保证电机与轴的同轴连接，避免了因电机高速旋转所引起的震动。套筒 结构简单，在其与电机轴连接处添加顶丝及轴承，保证连接可靠及轴运动的平稳 性。 l o 第二章小型高速混合制粒机原理及结构 剪切电机 剪切电机支撑架 图2 5 电机与轴的连接图 搅拌电机 搅拌电机支撑架 由图2 5 看出，搅拌电机与剪切电机距离较近，应注意其间的空间位置，安 装时应遵循从上到下、从里n # i - 的顺序。 连接轴与搅拌桨通过连接轴底部的螺纹相连，并车出一个平台以保证其同轴 度。连接轴与制粒桨连接采用相同的方式，并且两者螺纹旋向一致，保证搅拌桨 与制粒桨的旋转方向一致。 2 3 制粒影响因素 本文研制的小型高速混合制粒机，应用于实验室小批量的制粒实验研究，因 此要求所制颗粒效果应达到：同批次之间颗粒大小均匀适中，致密性符合要求； 不同批次之间颗粒大小相当，可实现实验室小批量生产。 通常的湿法混合制粒机制成的颗粒，粒度分布较均匀，但形状不规则。基于 湿法制粒机理的小型高速混合制粒机，其结构较其他传统制粒机工艺合理、完善， 因此其制成的颗粒形状规则度与粒度分布均匀度都较为理想。但也存在不少因素 影响制粒成品的颗粒粒径大小与致密性等。存在的主要影响因素有以下4 个方 面： ( 1 ) 搅拌桨与制粒桨转速的影响 颗粒粒径的大小与分布与搅拌桨与制粒桨转速直接相关，当制粒桨转速慢 时，颗粒粒径变大，而转速快则颗粒粒径变小；当搅拌桨转速慢时，颗粒粒径小， 而转速逐渐快则颗粒粒径大，两者所起的作用相反。 ( 2 ) 搅拌桨的形状与制粒桨的位置的影响 第二章小型高速混合制粒机原理及结构 在高速混合制粒机工作中，搅拌桨的转动使混合容器内物料向空间翻滚，从 而使容器底物料沿器壁旋转抛起，此动作接二连三地把物料推向制粒桨，并被快 速切割成大小不同的颗粒，随着颗粒间相互翻滚一段时间后被磨圆逐渐成球形。 由此可知，搅拌桨的形状与制粒桨的位置对制粒的粒度影响。 ( 3 ) 制粒流程的影响 根据2 1 中介绍的小型高速混合制粒机的工作流程，可知各个阶段搅拌桨和 制粒桨的转速及工作时间对制粒效果也有一定的影响，主要根据物料的特性来决 定，需要根据不同的物料通过实验得出相应的最佳参数匹配。 ( 4 ) 物料与浓度的影响 在湿法混合制粒生产中，原料粉末的粒度越小，越有利于制粒；而粘合剂的 种类、加入量、加入方式对所制颗粒粒度有一定的影响，例如常见的用酒精作为 粘合剂制粒，其所制的颗粒小而细，易烘干，这是由于酒精不崩解p j 。缺点是压 片时“逸尘”严重、易造成交叉污染，压制颗粒的溶出速率较慢，故不适用于水 溶性药物。 2 4 本章小节 本章介绍了基于湿法制粒机理的小型高速混合制粒机的原理及其整体结构 的设计，主要包括以下几部分： ( 1 ) 介绍了湿法制粒原理并引出了制粒机的工作流程； ( 2 ) 通过制粒流场设计了“三叶偏心斜锚式”搅拌桨和带有4 层切刀的制 粒桨；并根据医药工艺的要求完成了制粒机整体结构的设计、加工与安装； ( 3 ) 详细介绍了影响制粒成品的四个重要因素：搅拌桨与制粒桨转速的影 响、搅拌桨的形状与制粒桨的位置的影响、制粒流程的影响、物料与浓度的影响， 为测控系统方案的确定提供了依据。 第三章小型高速混合制粒机测控系统的硬件设计 第三章小型高速混合制粒机测控系统的硬件设计 设计小型高速混合制粒机的测控系统，是为了实验中针对不同的物料配方， 实现制粒机的智能化稳定工作，获得理想的制粒效果。第二章中介绍了影响制粒 成品的四个因素，其中搅拌桨与制粒桨转速的影响为关键因素，因此，该制粒机 测控系统的设计，重点在于对搅拌电机与剪切电机的控制，实现转速测量与可调 控。此外，为保证电机的正常工作条件，该测控系统要求实现：混合容器内温度 的非接触、实时测量与控制，以及制粒时间的显示与控制。 本章主要介绍测控电路的设计及调试，按功能将其分为6 个部分：包括微控 制器a t m e g a 3 2 外围电路、传感器信号转换电路( 传感器、预处理电路、单片机 的a d 模块) ，电机控制电路( 单片机的s p i 模块、m a x 5 3 1 2 ) ，数据通信电路 ( 单片机的u s a r t 模块、m a x 2 3 2 ) ，l e d 显示及按键设定电路( 单片机的1 2 c 模块、z l g 7 2 9 0 ) ，电源电路( 2 4 v 直流线性电源、主控板内芯片供电电源) 等。 电路的整体结构如图3 1 所示： 坦科鬻卜 a n | 一l e d j 。i 1 2 cz l g 7 2 9 0 l 叫按键设定j fm a x 2 3 2 卜 u s a r t s p l _ _ em a x 5 3 1 2 高霎蓁三茎耋霎 故障报警卜 姻 3 1 测控电路设计 图3 1 测控系统的硬件结构框图 3 1 1a t m e g a 3 2 微控制器 微控s t j 器a t m e g a 3 2 是整个测控电路的核心，每一部分功能的实现都必须依 赖于d 1 1 m e g a 3 2 【6 7 1 。a t m e g a 3 2 是基于增强的a 之刚s c 结构的低功耗8 位_ c m o s 第三章小型高速混合制粒机测控系统的硬件设计 微控制器，其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，使a t m e g a 3 2 的数据 吞吐率高达1m i p s m h z ，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾，为 许多嵌入式控制系统的应用提供了灵活而低成本的解决方案。 主要特点如下： ( 1 ) 3 2 k 字节的系统内可编程f l a s h ( 具有同时读写的能力，即r w w ) ，1 0 2 4 字 节e e p r o m ，2 k 字节s r a m ，可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加 密； ( 2 ) 3 2 个通用i o 口线，3 2 个8 位通用工作寄存器，工作于1 6m h z 时性能高 达1 6 m i p s ； ( 3 ) 用于边界扫描的j t a g 接口，支持片内调试与编程； ( 4 ) 三个具有比较模式的灵活的定时器计数器( t c ) 及独立振荡器的实时计数 器r t c ： ( 5 ) 可编程串行u s a r t ，面向字节的两线串行接口，可工作于主柳从机模式的 s p i 串行接口； ( 6 ) 8 路l o 位具有可选差分输入级可编程增益( t q f p 封装) 的a d c ； ( 7 ) 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器，片内外中断源，以及六个可 以通过软件进行选择的省电模式。 另外，a t m e g a 3 2 是以a t m e l 高密度非易失性存储器技术生产的，片内i s p f l a s h 允许程序存储器通过i s p 串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通 过运行于a v r 内核之中的引导程序进行编程。 3 1 1 1a t m e g a 3 2 的系统时钟 a t m e g a 3 2 内置r c 振荡线路，可以产生 1 m 、2 m 、4 m 、8 m 的振荡频率。但是在一些要 求较高的场合，例如要与r s 2 3 2 通信，需要比 1 l 较精确的波特率，一般选用外部的晶振电路。 本文中即采用这种方法，如图3 2 所示：x t a l l 与x t a l 2 分别为用作片内振荡器的反向放大 器的输入和输出，这个振荡器可以使用石英晶 体，也可以使用陶瓷谐振器。熔丝位c k o p t 用 2 却山 r a i j 口8 m h z 2 缸 跹a 1 2 a l m e g a 3 2 图3 - 2 晶体振荡时钟电路 来选择这两种放大器模式的其中之一。振荡器可以工作于三种不同的模式，每一 种都有一个优化的频率范围，通过熔丝位c k s e l 3 一l 来选择。文中选择 1 4 第三章小型高速混合制粒机测控系统的硬件设计 c k o p t = i ，c k s e l 3 。1 = 11 1 ，即选择陶瓷谐振器，频率为8 m h z 。 3 1 1 2 a t m e g a 3 2 的复位 a t m e g a 3 2 有5 个复位源：分别为上电复位、 外部复位、看门狗复位、掉电检测复位、j t a ga v r 复位。如图3 3 所示，本文采用外部复位，因 a t m e g a 3 2 已经内置了上电复位设计，并且在熔丝 位里可以控制复位时的额外时间，故a v r 的外部 复位电路在上电时，直接拉一只1 0 k 的电阻到v c c 即可。但为了可靠，加上一只0 1 u f 的电容以消除 干扰、杂波。图3 3 中1 n 4 1 4 8 的作用有两个：一 是将复位输入的最高电压钳在v c c + 0 5 v 左右，另 一作用是系统断电时，将1 0 k 电阻短路，让电容快 速放电，使下一次上电时，能产生有效的复位。当 a v r 在工作时，按下r e s e t 开关时，复位脚变成 低电平，触发a v r 芯片复位。 3 1 1 3 a t m e g a 3 2 的i s p 和j t a c 接口 图3 - 3 外部上电复位电路 a t m e g a 3 2 的i s p 下载接e l 和j t a c 仿真接e 1 均使用双排2 5 插座，其接1 2 1 电路如图3 - 4 所示。i s p 下载接口中m o s i 、m i s o 、s c k 和复位脚r e s e t 可以 正常使用，不受i s p 的干扰。j t a c 仿真接口中需要4 个1 0 k 的上拉电阻和t c k 、 t m s 、t d i 、t d o4 个专用引脚，r e s e t 和时钟引脚不用控制。 图3 4 i s p 和j t a c 接口电路 第三章小型高速混合制粒机测控系统的硬件设计 3 1 2 传感器信号转换电路 3 1 2 1 温度传感器的选型 因系统被测目标为混合容器内物料，且电机高速旋转作用于物料上，因此必 须实现非接触测量，选择红外测温仪【8 , 9 , 1 0 1 。其测量原理如图3 - 4 所示：主要由光 学系统、光电探测器组成，光学系统汇集其视场内目标的红外辐射能量，红外能 量聚焦在光电探测仪上并转变为相应的电信号，该信号经过信号处理电路后转变 为被测目标的温度值。 被 测 目 标 图3 - 4 红外测温仪原理图 红外测温仪具有响应时间快、非接触、使用安全及使用寿命长等优点。选择 红外测温仪主要考虑测温范围、距离系数、测量精度、响应时间等几个参数。 ( 1 ) 测温范围：测温范围是红外测温仪能够测量的温度下限和上限的温度区 间。一般来说，测温范围越窄，监控温度的输出信号分辨率越高，精度可靠性容 易解决。若测温范围过宽，会降低测温精度。 ( 2 ) 距离系数：距离系数是红外测温仪的一项重要技术指标，它是指测温仪 到被测目标之间的距离三与被测目标直径d 之比：k = l d 。距离系数越大，表明 测温仪性能越高，允许被测目标越小，但价格也越高。目前，国内和国外生产的 红外测温仪距离系数从2 ：l 到高于6 0 0 ：l ，供选择的范围很大。需要注意的是， 被测目标的直径必须大于通过测温仪距离系数计算出的尺寸，即须被测目标面积 充满测温仪的视场，建议被测目标尺寸超过视场5 0 为好。红外测温仪的距离系 数和视场角互为反比关系： 视场角秒i l z ar ad(2-0 检测角万型坐堕( 。)( 2 2 ) j r ( 3 ) 测温精度：测温精度是指测量黑体温度的显示值与黑体标准温度可能存 1 6 * = $ 小型商棍制粒机日托系统* h 在的最大误差，通常以测温范围上限值的百分数嵌示。例如l ：1 ( 满度) ， 肖测温范围上限为3 0 0 c 时，该测温范围内可能存在的误差是3 。 ( 4 ) 响应时间：响应时间表示红外剃4 温仪对被测日标温度变化的反应速度， 定义为温度显4 值稳定的时问。 综合上述4 个参数本文中选择红外洌 温仪i r t p 3 0 0 l ，如图3 - 5 所示：其 技术参数如下： 测温范围：0 1 5 0 。c 环境温度：2 0 8 5 。c 距离系数：81 响应时间：2 5 0 m s 信号输出：4 2 0 m a 电源：d c 2 4 v 尺寸： m 2 6 m m x 8 8 m m ( 螺纹部分0 1 9 r a m x l 6 m m 3 12 2 预处理电路的设计 圈3 - 5 红外制温仪r t p 3 0 0 l 如图3 - 6 所示t e m p 为红外温度传感器输出的电流信号，因为a t m e g a 3 2 a d c 的参考电压为5 v ，所以选择2 4 0 n 的精密电阻将电流信号0 2 0 m a 转换成o 5 v 的电压信号，再经过滤波电路后送八单) t 0 l 进行模数转换i u - l q 。 图3 - 6 传瞎器信号顾处州i b 路 如图3 - 7 所示为报警l “路圉单片机将温度信号测艟值1 ，系统设定值进行比 较，如粜测量值大于设定值，则发f i ：超温报警信呼，单片机i o 口p b 3 置“低”t 电流经q l 流过q 2 ，报警器启动从而实现埘弈器内温度的控制以确保i b 机 适l 的丁作条什保证丫整个系统的可靠工作。 第三章小型高速混合制粒机测控系统的硬件设计 图3 7 报警电路 3 1 3 3a t m e g a 3 2 的a d 转换模块 a t m e g a 3 2 内部集成有l0 b i t ，8 - c h a n n e la d 转换模块且支持16 路差分电压 输入组合。其内部包括一个采样保持电路，以确保在转换过程中输入到a d c 的 电压保持恒定。a d c 通过逐次逼近的方法将输入的模拟电压转换成一个1 0 位的 数字量，最小值代表0 v ( g l 奶) ，最大值代表a r e f 引脚上的电压减去ll s b 。 一、a d c 转换滤波电路的设计【1 3 】 如图3 7 所示，a d c 由a v c c 引脚单独提供电源，a v c c 与v c c 之间的偏 差不超过4 - 0 3 v ，为减小a d c 转换的电源干扰，需在v c c 串上一只1 0 u h 的电 感到a v c c ，然后接一只0 1 u f 的电容到地。 图3 7 a d c 转换滤波电路 二、外部输入参考电压的设计 a t m e g a 3 2 的a d c 的参考电压源( v r e f ) 反映了a d c 的转换范围，若单端 通道电平超过了v r e f ，其结果将接近0 x 3 f f 。v r f f 可以是a v c c 、内部2 5 6 v 基 准或外接于a r e f 引脚的电压。文中通过设置位r e f s i ：0 = 0 0 选择外部参考电 压。基准源选用t l 4 3 1 ( 内部含有一个2 5 v 的基准电压) ，电路如图3 8 所示： 1 3 第三章小型高速混合制粒机测控系统的硬件设计 输入电压1 5 v ，取r 0 - - 1 5 k ，r i = r 2 = 1 0 k ( 0 1 高精度) ，由v o = ( 1 + r 1 r 2 ) 2 5 v 得到v v 吁= 5 v 的参考电压。 3 1 4 电机控制电路 图3 - 8 a d c 参考电压电路 电机控制采用外部模拟量速度指令输入控制，即根据外部模拟电压输入的大 小、极性确定电机运转的速度与方向【 - 2 0 l 。本文中所选搅拌电机和剪切电机均为 伺服电机，其最大特点是可控，即输入电压与电机转速成严格的线性关系，当输 入电压为零时，电机会立即停止转动，无自转现象。 3 1 4 1 电机的选型 一、电机的机电数据 为了选择制粒机适用的电机，首先介绍电机相关的机电数据，为电机的选型 提供依据： ( 1 ) 标称功率p 2 t 【w - l 在推荐的输出功率范围内，p 2 代表了电机的最大输出 功率； ( 2 ) 额定电压ui v ：所有的额定数据都是在额定电压下工作得出的。正常 情况下，不要超过最大推荐空载状态； ( 3 ) 空载转速n o 【r p m ：电机在额定电压、空载的情况下的转速。在实际应用 中，空载转速与给定电压成正比； ( 4 ) 速度转矩斜率n z x m 【r p m m n m ：此斜率反映了电机的拖动能力。i l ， z x m 越小，负载的变化对转速的影响越小； ( 5 ) 速度常数l ( 1 l 【r o r n v l ：k n 是指在忽略摩擦的情况下的每个单位电压下的速 1 9 第= 章小型速棍# n 目# 系统件* ” 度变化值。u 。它的倒数是电压常数或是反电动势常数。 ( 6 ) 晟大效