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药品冻干机自动装卸料系统研究 摘要 在国产药品冻干机工作过程中，一般由人工完成装卸料工作，这种方 式不仅生产效率低、劳动强度大，而且人工的参与是产品潜在的污染源， 影响产品的质量。目前只有进口的冻干机配有自动装卸料系统，但设备价 格昂贵，生产成本高，难以推广。因此，开发一种新型的自动装卸料系统 尤为重要。本文就是在自动装卸料系统的研制与开发过程中，对系统机构 及控制进行了设计与研究。本课题的研究对提高冻干机自动生产线的技术 水平，实现工厂自动化生产具有重要意义；对于提高企业竞争力及经济效 益有重要作用。 该自动装卸料系统借鉴了国外相关产品的结构，其特点是，降低了成 本，更加符合现场生产条件，保证药品生产安全。 本文从自动装卸料系统功能研究出发，分析系统所要完成的功能，提 出了设计方案，讨论了系统功能实现方法。运用模块化设计思想，将系统 分为送料机构、整料机构、推料机构、过渡机构、机架机构和控制系统六 大部分。提出了各机构设计方案，对各个机构功能和实现方法做了详细分 析，及时发现设计过程中出现的结构问题并予以解决。重点对控制系统进 行了详细的研究，从控制要求、控制对象、控制原理、控制方法等方面进 行了分析。研究了步进电机的控制原理、方法，选择基于p c 的控制方案作 为系统方案，同时采用p l c 控制技术和现场总线技术。选择西门子s 7 3 0 0 p l c 为控制器，设计了系统硬件结构。阐述了系统软件设计方法、设计过 程，编写了p l c 控制系统程序，实现了整个自动装卸料过程的自动控制。 关键词：自动装卸料系统，控制系统，可编程控制器，冻干机 t h ep r o d u c t s a tp r e s e n t ，o n l yi m p o r t e dv a c u u mf r e e z ed r y e ri se q u i p p e dw i t h a u t ol o a d i n ga n du n l o a d i n gs y s t e m ，b u ti ti se x p e n s i v e ，t h ec o s to f p r o d u c t i o ni s h i g h s oi ti sd i f f i c u l tt ob eu s e di nm o r ef a c t o r i e s t h e r e f o r e ，d e v e l o p i n gan e w t y p eo f a u t ol o a d i n ga n du n l o a d i n gs y s t e mi sv e r yi m p o r t a n t i nt h i sp a p e r ，t h e s t r u c t u r ea n dc o n t r o lo ft h ea u t ol o a d i n ga n du n l o a d i n gs y s t e ma r ed e s i g n e da n d d u r i n gt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so ft h es y s t e m t h er e s e a r c ho ft h i s g r e a ts i g n i f i c a n c ef o ri m p r o v i n gl e v e lo ft e c h n o l o g yi na u t o m a t i c l i n eo fv a c u u mf r e e z ed r y e ra n dr e a l i z i n ga u t op r o d u c t i o nl i n ei n sa l s ov e r yu s e f u lt oi m p r o v e c o m p e t i t i v es t r e n g t ho fc o r p o r a t i o na n d e c o n o m i cb e n e f i t s t h i s s y s t e md r a w l e s s o n sf r o mt h er e l e v a n t f o r e i g np r o d u c t s t h e c h a r a c t e r so fi ta r et h el o w e rc o s t s m o r ek e e p i n gw i t ht h ep r o d u c t i o nc o n d i t i o n s a n de n s u r i n gt h es a f e t yo f p h a r m a c e u t i c a l p r o d u c t i o n f i r s t l y ，f r o mt h ef u n c t i o n a ld e s i g n ，t h ef u n c t i o no fa u t ol o a d i n ga n d u n l o a d i n gs y s t e mi sa n a l y z e d ，t h ed e s i g np r o j e c ti sp r o p o s e da n dt h em e t h o do f r e a l i z i n gs y s t e mf u n c t i o ni sd i s c u s s e d u s i n gm o d u l a rd e s i g nc o n c e p t s ，t h e s y s t e mi sd i v i d e di n t os i xp a n s ，t h e r ea r ec o n v e y i n ga p p a r a t u s ，a r r a ya p p a r a t u s ， p u s ha p p a r a t u s ，t r a n s i t i o n a la p p a r a t u s ，f l a m ea n dc o n t r o ls y s t e m t h ep r o j e c to f e a c hm e c h a n i s mi sp u tf o r w a r d f u n c t i o no fm e c h a n i s ma n dr e a l i z i n gm e t h o d a r ed i s c u s s e di nd e t a i l s s ot h es t r u c t u r ep r o b l e m sa r ed i s c o v e r e da n dr e s o l v e di n t i m ei nt h ep r o c e s so fd e s i g n t h ef o c u so ft h i s p a p e ri sc o n t r o ls y s t e m t h e c o n t r o lr e q u i r e m e n t s ，o b j e c t s ，p r i n c i p l e sa n dm e t h o d sa r ea n a l y z e di nd e t a i l s t h es t e p p e rc o n t r o l t h e o r ya n d m e t h o da r es t u d i e d p c b a s e da u t o m a t i o n t e c h n o l o g yi sc h o s e nt ob et h es y s t e mc o n t r o lp r o j e c t a tt h es a m et i m e ，p l c a n df i e l db u st e c h n o l o g i e sa r ea d o p t e d s i e m e n ss 7 3 0 0p l ci sc h o s e nf o r c o n t r o l l e r t h eh a r d w a r es y s t e mi sd e s i g n e d ，t h ed e s i g nm e t h o da n dp r o c e s so f t h es o f t w a r es y s t e mi se x p l a i n e da n dt h ep l cs y s t e mi sp r o g r a m m e d ，w h i c h r e a l i z et h ew h o l ea u t o m a t i cc o n t r o lo ft h ea u t ol o a d i n ga n d u n l o a d i n gp r o c e s s k e yw o r d s ：a u t ol o a d i n ga n du n l o a d i n gs y s t e m ，c o n t r o ls y s t e m ，p l c ， v a c u u mf r e e z ed r y e r 1 i i 一前言 1 课题提出的背景 一刖吾 真空冷冻干燥( 简称冻干) 技术是一门古老的现代技术。早在十九世纪初，冻干技 术就得到了实际应用，在现代高新技术领域中，冻干技术已经占有了一席之地。人体各 器官的保存和再植、营养保健食品、超轻隔热陶瓷材料、低温超导以及纳米技术都需要 真空冷冻干燥技术及设备。 冻干就是先将物料冻结到共晶点温度以下，使水分变成固态的冰，然后在较高的真 空度下，使冰直接升华为水蒸汽，再用真空系统中的水蒸汽凝结器将水蒸汽冷凝，从而 得到干燥制品的技术。冷冻干燥技术对许多热敏物质的性质或生物活性不产生破坏，且 物质中的挥发性成分损失小。在干燥过程中微生物的生长和酶的作用几乎不变，保持了 原来的结构，干燥后的物质具有疏松多孔复水性好，成品为干粉状态，有稳定性好、易 于长期保存其有效成分等特点。因此冻干技术得到了越来越广泛的应用。 真空冷冻干燥机( 简称冻干机) 是冻干生产过程中的主要工艺装备，制品在冻干腔 室内的无菌状态下完成干燥、解吸附除去水分和全压塞等操作。许多企业考虑采用冷冻， 干燥工艺进行药品生产，冻干机是保证制品质量的重要设备。冻干机不仅要保证能长期； 稳定、安全的运行，还必须符合g m p 的要求。研究表明，在生产过程中人往往会是一 个重要的污染源，也是工艺过程重现性的潜在威胁。因此现代g m p 要求在生产过程中 尽可能降低人的参与度，以提高产品的质量。而且，对于一些大型的冻干设备，生产一 批药的工作量很大，仅靠人来完成冻干产品的进、出料，工作强度大，效率低，不仅可 能污染产品，也会延长产品的生产周期口】。 为此，开发一套全自动装卸料系统，将冻干系统与灌装系统连线操作，排除人的主 观性对生产过程的影响很有必要。整个生产过程由系统自动完成，在参数设定后，完全 不需要人为干预，排除了人的主观性对生产过程的重现性的影响，也避免人对产品的潜 在污染。 2 课题的提出与目的 本课题是与上海某公司合作项目的一个子项目。 在药品生产过程中，装卸料过程是运用冻干机进行生产的重要一环，直接影响产品 的产量和质量。在通常情况下，冻干机的装卸料都是由人工完成的。当西林瓶从灌装线 上送出以后，通常进行半加塞操作。半加塞就是将西林瓶塞压至西林瓶瓶口一半左右， ：堕壁堇垄塑坠堂堂 瓶塞上有缺口，目的是为了使冻干过程中升华所产生的水蒸气能通过缺口或槽顺利地溢 出瓶外，达到药品冻干的目的。半加塞完成后，由人工将产品送至送料的托盘上。考虑 到生产批量及生产效率，西林瓶在托盘上要排列整齐，所以劳动效率低下，劳动强度较 大。当冻干机容积较大，能够装载的物料较多时，该矛盾将显得更为突出。当送料小车 装满以后，由人工将小车由灌装线输送至冻干机门前，将冻干机箱门打开，搁板提升至 指定高度后，将西林瓶连同托盘一起送至冻干机搁板上。接着该搁板被提起，下一搁板 被提升至指定位置。如此反复循环，完成产品的装料。在物料冻干完成后，卸料操作与 装料操作相反，由人工用小车将成品及托盘送至指定位置，完成产品的出料操作。 在这种生产方式下，生产效率低下，工人的劳动强度大，而且需要辅助生产设施， 成本很高。由于冻干机及其生产的产品的特殊性，生产设备及场所都要求经过严密的消 毒及清洗，保证制品生产的安全。因此，更重要的缺陷是：在人工完成装卸料的过程中， 操作人员与产品暴露在同一环境下，对产品增加了潜在的污染危险。 如何在保证操作人员安全的同时，又能保证产品的安全将是一个急需解决的问题。 而最大程度地提高生产自动化水平，在原料冻干过程中使用能够实现自动装卸料的生产 设备，将使这个问题得到解决。 二本文是针对冻干机自动装卸料系统的研究与开发而提出的。该系统涉及到冻干机的 。结构改进设计、自动装卸料系统设计、辅助系统设计及自动控制等方面。系统非常复杂， _ 目前国内还没有这种系统。 3 课题研究的主要内容 本文的主要研究内容是在自动装卸料系统设计的基础上，根据其生产要求、功能参 数，结合现有的冻干机产品结构、功能，完成自动控制系统的研究与设计，并对现有的 冻干机及其控制系统提出改造要求，以适应整个系统运行的要求。 总体说来，该系统的设计主要分为系统机械结构设计与控制系统设计两大部分。 31 冻干机自动装卸料系统机械结构设计 冻干机自动装卸料系统主要实现的功能有：送料模块将西林瓶从灌装线上传输至冻 干机前，整料模块计算出一排与冻干机搁板宽度相匹配的西林瓶数量，将其排列和定位， 推料机构将西林瓶通过过渡机构推入冻干机搁板，接下来推料机构及过渡机构回撤，下 一搁板上升，从而进行下一搁板的装料。这个过程不断地循环，直至所有搁板全部装满。 当冻干过程完成后，电机带动排料机构中的出料杆将制品从搁板最里层推至过渡板，由 送料模块将制品送至下一工位。相应需要进行以下设计： 一前言 ( 1 ) 根据冻干机的工作流程、应用范围和操作规程，综合各种因素，研究系统的 总体设计方案。运用系统设计方法，分析系统的功能原理，分解系统各个组成部分，分 析各个组成部分所要实现的功能，确定各个组成部分的机构选型和初步设计。 ( 2 ) 深入分析系统中的关键技术，提出实现方案，进行结构设计。根据西林瓶运 送的动作要求，设计出成本低、结构简单的装置以实现西林瓶的输送。考虑到影响输送 精度等因素，必须设计可靠的限位机构或定程机构，保证运送的准确性。整料机构是系 统的关键，在设计中综合考虑各个元件的相互位置，避免它们之间的相互干涉：执行机 构相对而言结构简单，可尽量降低设备成本：控制系统要易于操作、运行可靠，并有故 障检测及报警功能。 3 2 冻干机自动装卸料系统控制系统设计 该自动装卸料系统的控制系统设计分为两个部分： 1 控制思想分析，控制方案设计 分析控制思想、控制方案采用的原理，提出设计方案，比较方案的优缺点，确定系 统控制方案。 2 可编程控制器控制系统的设计 一 由于冻干机系统工作过程复杂，要处理的信号较多，：自动装卸料系统只是冻干机系 统的一部分。在设计过程中，考虑系统的整体运行规律，自动装卸料系统采用计算机和 可编程控制器f p l c ) 控制。上位机采用工业控制计算机，系统选用西门子s 7 3 0 0 系列 p l c 作为控制装置，它采用紧凑的、无槽位限制的模块结构，电源模块、c p u 、信号模 块、功能模块、接口模块和通讯处理器都安装在导轨上，导轨是一种专用的金属机架， 只需将模块钩在标准的安装导轨上。具有可靠性高，有丰富的通讯指令，且通讯协议简 单等优点。适用于中等性能的控制要求，满足各种领域的自动控制要求。 根据冻干机自动装卸料系统的控制要求，确定整个系统的输入、输出设备的数量， 从而确定p l c 的i 0 点数，然后进行p l c 及相关元件的选型；建立i 0 地址分配表， 绘制p l c 控制系统的输入、输出接线图，即控制原理图；采用梯形图编程，并写出相 应的程序。 4 本章小结 本章主要对本课题的研究背景以及国内外冻干机自动装卸料系统的研究发展现状 做了介绍；说明了本论文的主要研究内容、难点和任务。 ：墼墼丝签塑堂鲨! 丝 二冻干机及其自动装卸料系统 1 冻千机结构及其生产工艺 冻干技术是一种现代化的高新干燥技术。由于在低温及真空状态下可以完成对制品 的脱水干燥，因而成为医学生物制品中首选的干燥保存方法。冻干技术自2 0 世纪初创 立以来，至今已有近百年的历史，有了很大的完善和发展，其应用范围也在逐步扩大， 从最初用于生物制品和医疗行业，已发展到军需、宇航、材料、食品等工业领域。我国 从2 0 世纪5 0 年代引进真空冷冻干燥装置，在8 0 年代后随着市场需求才迅速发展起来， 设备性能也逐渐地接近或赶上国际水平，真空冷冻干燥装置也从最初地引进、仿制，到 目前已实现工业化生产，形成了多品种、多规格地系列产品。 冷冻干燥是先将湿物料冻结到共晶点温度以下，使水分变成固态的冰，然后在适当 的温度和真空下，使冰升华为水蒸气，再用真空系统的捕水器( 水汽凝结器) 将水蒸气 冷凝，从而获得干燥制品的技术。干燥过程是水的物态变化和移动的过程。由于这种变 化和移动发生再低压低温下，因此，真空冷冻干燥的基本原理就是低压低温下传热的机 ；理【3 1 。 室冻干机型号种类繁多，从干燥面积上分，有o 1 m 2 到1 0 0 m 2 ：从范围上看，有医用 箩和食品冻干机；从控制方式看，有手动、半自动、全自动及微电脑控制；从工作方式分， 有间歇式和连续式；从功能上看，有带灭菌和不带消毒灭菌、带加塞取样和不带加塞取 样等。 医用冷冻干燥多为间歇式，其设备示意图见图2 一l 。主要由以下几个部分组成【4 t 5 1 ： ( 1 ) 干燥箱：是给制品冷冻干燥的容器，一般小型设备使用圆筒形，大、中型设 备多采用箱形，外加加强筋补强的形式。干燥箱内置数层搁板放置冻干制品，搁板既可 制冷又可加热。 ( 2 ) 冷阱( 冷凝箱) ：医用冷冻干燥机的冷阱用于捕集从干燥箱升华过来的水蒸汽， 一般温度可达一5 0 以下。 ( 3 ) 制冷系统：分别为干燥箱和冷阱提供冷源，一般生物制品的共晶点在2 5 至 一3 5 之间，一些制品甚至达到了一4 4 ，因此要求制冷系统能达到较低的制冷温度。大 部分医用冻干机都采用复叠式制冷系统，其一般制冷温度可达一6 0 。c ，完全可以满足绝 大部分生物制品的干燥需求。 ( 4 ) 真空系统：提供干燥过程中所需的真空度。 ( 5 ) 加热系统：是提供制品水分干燥升华所需热能的装置，其主要采用的传热方 式有热传导和辐射。 4 二冻千机及其自动装卸料系统 1 干燥箱2 冷阱3 制冷系统4 真空系统5 加热系统6 液压系统 图2 - 1 冻干机结构示意图 f i g2 1t h em e c h a n i s mo f v a c u u mf r e e z ed r i e r ( 6 ) 液压系统：药用冷冻干燥机还具有自动加压瓶盖功能，即在干燥箱上装有液 压油缸，使搁板能够上下移动，用搁板实现加压瓶盖。 ( 7 ) 自动控制系统：控制整个冻干机按设定好的工艺参数运行，对事故给出检测、 报警和打印。 药品的冻于比食品及其他冻干产品的工艺要求严格，在冻干过程中除要求不染菌、 不变性之外，还要求保持其生命力，保持活性。因此在生产之前，要对无菌室及冻干装 置进行清洗消毒。冻干装置的清洗是保证生物制品质量的重要手段，通常用软化水或蒸 馏水作洗涤剂。清洗的方法一般用清洗密闭系统自动清洗，要求冻干机及自动装卸料系 统所有表面不能有积水，表面及活动部件能够防锈。清洗完毕后，要对冻干装置灭菌和 消毒，主要的灭菌方法有：高温蒸气灭菌和气态过氧化氢灭菌法。气态过氧化氢灭菌法 具有灭菌效率高，操作简单，费用低廉，且可以延长设备的使用寿命，是冻干机灭菌方 法的发展趋势。 2 自动装卸料系统 2 1 系统功能原理设计 2 1 1 简介 机械产品设计的最初环节，是先要针对该产品的主要功能提出一些原理性的构思。 这种对主要功能的原理性设计，可以简称为“功能原理设计”。 自动装卸料系统工作时要应用某种“物理效用”( 如摩擦、离合力、气吹) ，利用某 种“作用原理”( 如摩擦轮、转动架、气嘴等) 最终达到实现功能的结果。 功能原理的设计重点在于提出创新构思，使思维尽量“发散”，力求提出较多的解 法供比较选择，对构件的具体结构、材料和制造工艺等不一定有成熟的考虑，因此常只 需用简图或示意图来表示所构思的内容。 功能原理设计对产品的成败起决定作用。好的功能原理设计应该具有创新构思，又 应同时考虑其市场竞争力，因为脱离市场的盲目创新是没有意义的。 功能原理设计是使用一种新的物理效应来代替旧的物理效应，使机器的工作原理发 生根本变化的设计。此次设计的冻干机自动装卸料系统在国内属于首创，而且该系统从 全新的角度来设计，使系统具有更高的实用性、低成本性。 功能原理设计往往要引入某种新技术、新材料、新工艺等，但首先要求有新的想法 和新的构思。没有新想法，即使新技术放到面前也不会把它运用到设计中去【6 ，7 】。 蔓 2 1 2 功能原理设计的任务和主要工作内容 简单的说，功能原理设计的任务可表述为：针对某一确定的“功能目标”，寻求一 些合宜的“物理效应”，并借助某些“作用原理”来求得一些实现该功能目标的“解法 原理”。其工作步骤必须先从明确功能目标做起，然后进行创新构思，得出某些解法原 理后通过试验模型进行技术分析，验证原理上的可能性；对于不完善的构思还应按试验 结果做修改、完善和提高的工作：最后对几个解法做技术经济的评价、对比，选择一种 较合理的解法，作为最优方案加以采用。 2 2 系统功能分析 本系统的用途是将西林瓶从生产线送至冻干箱内，冻干完成后，将西林瓶从冻于箱 移出。实现无人化操作，降低制品被污染的可能性。整个系统体积变小、生产周期缩短， 系统变得简单、易清洁、并更具生产灵活性，为用户带来更多效益。表2 一l 为各工序操 作时间的对比( 以冻干箱搁板面积为2 0 m 2 为例) 。 由表2 一l 可以看出，带自动装卸料系统的冻干机生产效率可提高4 0 ，因此，采用 自动装卸料系统可以减少冻干机设备的投入量，降低生产成本，提高设备的使用率。 二冻干机及其自动装卸料系统 表2 - 1 各工序操作时间对比 t a b l e2 - 1p r o c e d u r et i m ec o m p a r i s o n 一个完整的冻干周期无自动装卸料系统设备有自动装卸料系统设备 产品装料3 h 3 0 m i n 产品卸料3 h 3 0 m i n 冻千周期总耗时3 6 h 3 0 m i n2 3 h 3 0 m i n 每周冻干能力( 5 天)3 批 5 批 总产量 6 0 k g 1 0 0 k g 设计该系统需要满足以下功能需求： ( 1 ) 能将西林瓶准确可靠的送至冻干机箱内 完成以上功能，系统必须完成以下操作：计算出一排与冻干机搁板尺寸相符合的西 林瓶，对其进行排列和定位，并将其准确送至指定位置，在此过程中，西林瓶不能倾倒。 冻干完成后，将制品从冻干机搁板送至指定位置卸料。 ( 2 ) 全自动连续装卸料 装卸料过程中的各项操作，均为自动执行，无需人工干预，并可通过控制系统完成 对各操作动作的协调控制和连续执行。监控系统对整个系统运行情况进行监控，系统出 现故障时能够报警，并有手动装置来应付突然发生的紧急情况。 ( 3 ) 较低的设计和制造成本 综合用运机电一体化技术，降低整个系统的设计制造成本，使其具有较好的推广性。 国外已有类似产品出现，但国内现在还没有用于生产实际，主要原因在于其高昂的设备 费用。 ( 4 ) 具有紧凑的机械结构 2 3 系统方案设计 从设计学来说，设计主要分为_ - - 种t 引，( 1 ) 开发性设计：( 2 ) 适应性设计；( 3 ) 变 形设计。本系统设计属于开发性设计，兼有适应性设计的特点。 选择和拟定自动装卸料系统设计方案是设计第一阶段的任务，是系统设计的基础。 冻干机自动装卸料方式主要有以下三种： ( 1 ) 批装料和卸料方式：此系统配备一个与冻干机搁板尺寸与数量相当的上料架。 西林瓶从灌装线送出后全部在上料架上排列整齐，装满后上料架按轨道运动到冻干机门 前，冻干箱门完全打开后有一套推瓶机构把所有的西林瓶推入冻干箱。卸料时冻干箱内 7 鲤墼丝垄塑堂堂燮： 有一套机构把所有西林瓶退回到上料架上，然后上料架移动至下个生产工位。 ( 2 ) 平板式装料和卸料方式：比较普通的装料和卸料方法是平板式装卸料，在此 系统中，配有一辆可以在导轨或地板上移动的小车，小车的两旁各有一个传感器使小车 定位，感应的方式最常见的是电磁感应。这种小车系统般比较昂贵。小车停靠在靠近 灌装机的西林瓶集中地，机械手将西林瓶从罐装机送至过渡板上，然后通过推料机构将 西林瓶从过渡板推至运料小车上，并将小车装料门关闭，小车由导轨运行至冻干机前。 当某一块搁板运行到装卸料位置时，上料小门打开，西林瓶通过小门装到搁板上。但此 系统每次只能对一块搁板进行加料，加料完后小车再次回到西林瓶装料处反复进行以上 过程，直至整个冻干机装满。冻干结束后小车回到装料小门处，小门打开，小车和第一 块搁板对接，然后有一套机械的回收装置进入冻干机把西林瓶再回收到小车上，冻干机 小门关闭，小车移动至卸料区进行卸料，此过程反复循环直至卸空整台冻干机。 ( 3 ) 行式装料和卸料方式：行式装料和卸料采用皮带传送装置将西林瓶从灌装线 上传输至冻干机前，并通过传送装置将西林瓶排列和定位好。光电传感器标定西林瓶的 个数，使一排西林瓶的长度和冻干机搁板的宽度尺寸相符合。整料机械手将排列和定位 好的西林瓶由输送带送至过渡板上。另一光电传感器标定整料机构送来的西林瓶排数， 鐾当排列好的西林瓶数目与搁板规定数目相符合时，终推料机构启动，将西林瓶推入搁板， 完成一层搁板的上料。这个过程不断地循环，直至所有搁板全部装满。卸料系统有两种， 譬一种是在冻干机的门前，另一种是内置在冻干机的后部。不论哪一种，都是把西林瓶通 过小门推到送料机上，再由送料系统传送至下一个工位。在无菌室较小或冻干机的前方 有某些障碍物时就可以采用行式的装料和卸料法。 平板式装卸料系统技术成熟，一台平板式装卸料系统可为多台冻干机设备装卸料， 但系统价格较行式装卸料系统要高。由于平板式装卸料系的小车需要导轨作为作为动力 源，在系统整体消毒及生产过程中会带来不便。生产线的生产效率对自动装卸料系统的 选择有决定性的作用。一般来说，行式装卸料系统有较高的生产效率，生产线的投资也 较平板式装卸料系统低，而且行式装卸料系统的占地面积较小，可以节省无菌室空间。 总结起来，行式装卸料系统有以下优点： ( 1 ) 生产效率高，快速清洁，精确装料、卸料； ( 2 ) 节省无菌室空间，生产线投资少： ( 3 ) 全自动操作，无需产品托盘，省去托盘的清洗、消毒和储存费用； ( 4 ) 人员无需与产品接触，可1 0 0 保证产品在无菌环境下生产： ( 5 ) 设备可进行1 0 0 在位清洗： ( 6 ) 配套设施少，无需推车、加料枪及其他设备； ( 7 ) 减少了人员在洁净区域的操作： 二冻干机及其自动装卸料系统 综合考虑各种因素，本系统决定采用行式装卸料方式。 3 系统总体结构设计 3 1 总体结构概述 自动装卸料系统作为自动工作系统中的一个特定的类型，它具有一般自动工作系统 的基本共性，在结构上包括驱动元件、工作机构、自动控制系统三大部分。同时自动装 卸料系统也具有自身的一些特点，根据装卸料系统的工艺，可将系统的结构划分为以下 几大部分，分别是送料机构、整料机构、推料机构、过渡机构、机架机构和控制系统。 系统原理框图如图2 2 所示。 图2 - 2 自动装卸料系统结构组成框图 f i g 2 - 2t h ef l o w c h a r to f a u t ol o a d i n ga n du n l o a d i n gs y s t e m 如图2 2 所示，整料机构、送料机构、推料机构、过渡机构、机架机构都是工作机 构，工作机构是直接或间接对加工对象实施作用，以改变对象的位置、状态、性质、尺 寸和形状的专门机构。按自动工作机中工作机构所完成的工作职能区分，工作机构又可 划分为工艺操作机构和辅助操作机构。 本自动装卸料系统的5 个工作机构都是要完成对西林瓶的装卸料而使用的专门机 构，其中辅助操作机构包括送料机构、过渡机构、机架机构：工艺操作机构包括整料机 构和推料机构。 通常冻干机工作在1 0 0 级无菌室的环境下。当系统采用气动元件作为动力源时，介 质来源极为方便，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是工作速度的稳定性较差，冲 击大。更重要的是由于气动元件需要为其提供气源的泵站，而且系统气体的泄漏和排放 会污染无菌室的环境。为了保证无菌室的生产环境，本系统中选用的驱动元件都为电动 睦耍整垫叁兰堡耋鱼堡塞 元件，即用特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动。 因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机运动速度快、行程长、维 护和使用方便。 传动机构用于将动力和运动从驱动元件传递给工作机构。传动机构的功能是调节运 动速度或变换运动形式( 旋转运动变为直线运动，连续运动变为周期运动等) 。由于本 系统使用的是直线电机，它的运动特性使得在系统的机械机构中省去了许多传动机构， 因而把传动装置归入到各个工作机构中。 本系统中的控制装置采用了基于p c 的可编程序控制器系统。自动工作机的自动控 制装置可以是机械式、液压式、气动式、电动式或综合式。机械式自动工作机是应用最 早的工作机，具有工作可靠和易于实现的优点，但结构较复杂。后几种形式的自动工作 机较机械式更便于实现自动控制，因此它们在现代化工作机中受到重视，尤其是具有较 高自动化程度的自动机( 如程序控制自动工作机) 己成为现代自动工作机发展的主要方 向。 工作机构的工艺操作和辅助操作可以由机器自动完成，也可以在操作者参与下由机 器来完成。目前冻干机生产过程中，装卸料工艺需要操作者参与完成，生产效率较低。 i 本装卸料系统是一种完全自动工作的系统。因而系统具有以下特征：工作机构和辅助操 ”作，即西林瓶的输送、整料、推料及冻干完成后成品的取出，全部由系统自动完成；系 统按照设定的工艺过程顺序自动地进行工作，其控制装置可进行自动装卸料的循环控 制。 31 1 系统工作过程 在实际工作过程中，自动装卸料系统和冻干机是一个完整的系统。整个系统结构简 图如图2 3 所示： 系统开始运行后，冻干箱5 中的上料小门打开，搁板运动至指定高度位置。此时装 卸料系统检测到有输入信号后，调整过渡板前后位置的电机( 电机四) 启动，过渡板向 前运动，运动到位后停止。同时过渡板调整上下位置的电机( 电机五) 启动，过渡板向 上运动，运动到位后停止。过渡板运动到位以后，导向杆电机启动，导向杆开始进入冻 干机搁板，运动到位停止后，输送机构电机( 电机三) 启动，送料机构开始工作，把西 林瓶从灌装线运送到机械手手指部位。西林瓶在机械手手指部位排满后，机械手向前运 动，将西林瓶送至过渡板，而后机械手抬起、后退、下落，机械手完成了一个工作循环。 在机械手第二次将西林瓶从输送线送至过渡板时，在排料机构和防倒瓶机构的配合下， 将第一次送来的西林瓶向搁板里层推进一个西林瓶直径的位置。如此循环，将西林瓶不 断送入冻干机搁板上。在过渡板上固定有传感器，当传感器检测到送料数目与程序设定 值一致时，终推料机构启动，将所有的西林瓶推至指定位置，完成此搁板的装料任务。 二冻干机及其自动装卸料系统 2 3 45 l 电机一2 过渡机构3 送料机构4 排料机构5 冻干箱6 电机二7 电机三8 电机四 9 电机五1 0 过渡板 图2 - 3 装卸料系统机构简图 f i g 2 3t h em e c h a n i s mo f l o a d m ga n du n l o a d i n gs y s t e m 此后，排料机构电机启动，排料机构从搁板中退出，而后过渡板电机启动，过渡板下降j 后退，退出冻干机送料小门。控制系统发出指令，下一搁板运动至装料位置装料。如此 循环直至冻干机所有搁板全部装料完毕。 冻干结束之后，控制系统发出指令，装卸料小门打开，过渡机构首先运动至指定位 置，接着排料机构进入冻干机搁板。在排料机构中装有出料杆，由步进电机带动同步带， 将所有西林瓶一次由搁板送至输送带机构上，由输送机构送至下一个生产工位。 至此完成了一次完整的装卸料过程。 3 1 2 各个组成部分的基本方案 1 ) 西林瓶送料机构 西林瓶送料机构是将单个西林瓶按先后顺序排列整齐，并按照指定的运动路线进行 输送，即西林瓶从灌装线上出来以后，在限位机构的引导下进行排列和整理，顺序进入 机械手指定的位置。 基本方案：采用皮带输送装置，由步进电机实现无级调速。 2 1 装卸料机械手 装卸料机械手是将排列整齐的西林瓶送至过渡机构，并将前一次送来的西林瓶推入 冻干机搁板。 基本方案：采用两个直线电机和四个位置接近开关实现机械手的运动和控制，使用 堕墅墼茎塑生墅垄篷 尺寸可调节的手指部件实现不同规格西林瓶的输送。 3 1 排料机构 将机械手送来的西林瓶限位，在机械手推料过程中防倒板防止西林瓶翻倒，卸料时 电机带动同步带上的卸料杆，将整个排料机构和西林瓶一起从搁板移至过渡机构上，西 林瓶由送料机构送入下一工位。 基本方案：采用步进电机和同步带传送方式，在同步带上挂防倒板，固定有出料杆。 在出料时，有一固定销将同步带和排料机构机体固定，实现机构整体退出搁板。 4 ) 西林瓶记数机构 从输送带送来的料瓶经过光电开关后，产生计数脉冲，并送至计数器，当计数器归 零时，控制系统向电磁阀发出控制信号，电磁阀得电，档料块将输送带上的料瓶挡住， 机械手将排列整理好的料瓶输送至过渡板。当机械手经过光电开关后，光电开关产生计 数脉冲并将脉冲送至计数器，记录送入冻干机搁板的料瓶排数。当计数器归零时，控制 系统发出信号，终推料机构开始运动，完成系统的装料。 基本方案：采用两个光电开关，配合计数器完成料瓶的计数。 5 ) 过渡机构 调节搁板尺寸制造误差和地基的安装误差，实现装卸料系统和冻干机的成功对接， t 在对接过程中，过渡板的位置可调，所有连接部位为柔性连接。 基本方案：由两台直线电机驱动过渡机构，用接近开关和压力开关调整位置，连接 部位用铰链连接。 6 ) 机架机构 机架用于将送料机构、过渡机构、整料机构、驱动机构等连接在一起，形成完整的 装卸料系统。系统安装在地面导轨上，工作高度在o 2 0 m m 范围内可调，调好高度后， 锁紧在正确位置。为了方便检修、清理、灭菌等工作，系统可在导轨上、沿皮带输送装 置的垂直方向移动。 基本方案：用不锈钢焊接成型，底部用可调支撑实现高度方向上的尺寸调节，位置 调整好以后，用锁紧螺母将其固定。 7 ) 控制系统 控制系统是整个系统的关键，是本论文的重点，将有专门章节来讨论。 以上各装置除了各自的功能需求以外，都要求结构简单，紧凑，成本低。由于在线 清洗及消毒的需要，所有的设计必须避免有清洗及消毒的死角，所有表面都必须能被清 洗与消毒。系统所使用的材料必须符合无菌卫生等级的需要，边框和电器的外包选用3 1 6 不锈钢，导向杆、传动轮等非金属材料选用超高量聚乙烯体，所有装置都必须严格按照 国家标准来制造。 二冻干机及其自动装卸料系统 4 工作机构结构设计 4 1 送料机构设计 4 11 送料机构总体设计 当西林瓶从生产线上下来后，送料机构把它们排列整理好，由皮带传送机构输送至 冻干机前。在输送机构中固定有光电开关，标定通过输送机的西林瓶个数，在皮带输送 机构的两端装有电磁铁。系统启动后，光电传感器标定通过输送机的西林瓶数目，当西 林瓶数目与设定好的数值相等时，电磁铁得电，将档料板顶出，阻止西林瓶通过。此时， 整料机械手前移，电机启动，将已经排列整理好的西林瓶送至过渡板上。 该机构能保证料瓶较高的输送效率，结构简单。送料机构的驱动装置速度可调，防 止料瓶在输送线上堆积，保证设备正常运行。整个机构固定在机架上，皮带输送机构示 意图如图2 2 所示1 9 , 1 0 i ： 传动轮配置 i 主动轮2 从动轮3 惰轮4 张紧轮5 导向轮6 回动辊7 驱动装置 8 输送皮带9 框架1 0 张紧装置 图2 4 平皮带输送机示意图 f i g 2 - 4d i a g r a m m a t i cs k e t c ho f b e l tc o n v e y o r 在系统中，机架上固定有料瓶限位机构和档块，使西林瓶能按线性排列整齐，并能 够按西林瓶的尺寸调整限位机构的尺寸，适用不同规格的西林瓶。驱动装置采用步进电 机，实现转速的控制。 4 1 2 送料机构设计计算 在送料机构设计中，皮带型号和输送机的选择最为关键，需要设计计算才能得出结 论。 。 堕墅邀垄塑生墅磐 1 ) 总拉力( f u ) 计算 忽略皮带运动过程中的速度变化的影响，皮带总拉力等于输送机产生的总阻力 ( f h ) ，总阻力的计算如下： f u = f h = f l g q r o + q r u + ( 2 q b + q g ) c o s6 式中： f 一复合磨擦系数，由表1 中可查得； l 输送机长度( 轴间距离) ( m ) ： g 重力加速度( m s 2 ) ： ( 2 1 ) q r d 一承载辊子的旋转部分的单位长度质量( k g m ) ； q r u 回程辊子的旋转部分的单位长度质量( k m ) ； q b 皮带单位长度质量( k g m ) ； a g 一搬运物单位长度质量( k g m ) ； 6 输送机皮带的倾斜角( 。) ，当倾斜角小于1 8 。时，取c o s6 = 1 。 表2 - 2 复合磨擦系数 t a b l e 2 2t h ec o m p o u n df r i c t i o nc o e f f i c i e n t f装置特性 0 0 2 f 0 0 1 6 l l ( a 卜( h ) 条件好时 仁0 0 1 2计算输送机制动力时 2 ) 带输送机所需动力( p a ) 皮带输送机所需动力p a 计算如下 p a = f u v 1 0 0 0 ( 2 - 2 ) 二冻干机及其自动装卸料系统 考虑到传动装置的效率，电机输出功率p m 计算如下 正负荷：p m = p a nl 负负荷：p m = p a n2 式中： f 。总阻力( n ) ； v 皮带速度( m s ) ； p a 所需动力( k w ) ： p m 一一电机动力( k w ) ： ( 2 3 ) ( 2 4 ) n ，传动装置机械效率，正负荷时，n 。= 0 8 5 o 9 5 ： n ：传动装置机械效率，负负荷时，n ：= 1 o o 9 5 ； 3 ) 皮带拉力 通常在计算皮带拉力时，考虑如下条件，即 ( 1 ) 主动轮和皮带之间没有打滑现象： ( 2 ) 为了减少在行走过程中皮带的阻力，应控制传动轮和回转轮之间的挠度 ( 3 ) 输送机在倾斜时，可忽视皮带松边的张力。 图2 5 所示松边皮带张力f 2 计算如下： 、。 f ， f u 图2 5 皮带包角和张力的关系 f i g2 5r e l a t i o nb e t w e e nb e l tc o n t a c ta n dt e n s i o n f 2 = f u ( p ”1 )( 2 - 5 ) 式中： f u 总阻力( n ) ； r 自然对数的底数： 主动轮和皮带之间的摩擦系数，按表2 2 查取； 西皮带包角( r a d ) ； f 1 主动轮的紧边拉力( n ) ； f 2 主动轮的松边拉力( n ) 。 通过以上计算，可以确定皮带及输送机的型号。 1 5 表2 3 主动轮和皮带之问的摩擦系数u 值 t a b l e2 - 3f i c t i o nb e t w e e nd r i v ew h e e la n db e l t 主动轮形式 使用状态聚氨酯绝缘陶瓷绝缘皮 钢制皮带轮橡胶皮带轮 皮带轮带轮 干燥状态 o 3 5 0 40 4 0 4 50 3 5 0 40 4 0 4 5 清洁的潮湿状态 0 10 - 3 5o 3 50 3 5 - - 0 4 不清洁的潮湿状态 0 0 5 o 10 2 5 o 3o 2o _ 3 5 4 2 整料机构设计 在本系统中，使用电动机械手将排列好的西林瓶由输送带送至过渡板上，该机构有 两个自由度，驱动元件均为电动元件，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。 其结构示意图如图2 - 6 所示： i 直线电机一2 导轨3 直线电机二4 底板5 机械手 图2 6 整料系统机构示意图 f i g 2 6d i a g r a m m a t i cs k e t c ho fa r r a ya p p a r a t u ss y s t e m 整料机构的工作过程为：电磁铁得电后，机械手电机一启动，机械手开始向前移动， 将西林瓶送至过渡板上。送至指定位置后，机械手前位接近开关闭合，机械手电机停 止水平运动，同时，机械手电机二启动，机械手向上开始移动。当移动至指定高度后， 上位接近开关闭合，机械手上下运动电机停止，同时机械手前移电机一反转，机械手开 始后退。当机械手后退至指定位置后，机械手后位接近开关闭合，机械手停止后退，同 时机械手电机二反转，机械手开始下降，碰到原位接近开关后，机械手停止运动，开始 二冻干机及其自动装卸料系统 下一个工作循环。 在机械手整料过程中，光电传感器标定料瓶通过的排数，当料瓶排数与程序设定好 的数值相等时，机械手停止工作，终推料机构启动，进入下一个工序操作。 机械手整料过程中应完成的功能和满足的运动要求是： ( 1 ) 机械手整料过程中，应具有水平和垂直方向两个自由度。 ( 2 ) 运动平稳、灵活，在工作过程中不与其他部件发生干涉，且要求控制简单。 ( 3 ) 结构简单、实用。 为满足以上要求，系统主要从机械手结构设计及运动路线控制两方面进行研究。因 此，机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统