（机械设计及理论专业论文）一次性输液管全自动装配线的设计研究.pdf

主席： 阵砷 + 肖 于 员审查，确认符合合肥工业大 单位、职称) 仇2 蟛六g 强雅 一：六触压碥嘲蕊 导师： 揄毳锄珍爿船 学位论文作者签名： 歹睨啁 签字日期：jf 年节月砷归 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金星巴王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本 人授权金月墨王些态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， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：i 晚a a导师签名： 、 签字目期：砂】1 年冲月l 归 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 签字日期：1 年节月2 怕 电话： 邮编： 一次性输液管全自动装配线的设计研究 摘要 目前一次性输液管的装配均由手工完成，手工装配不仅效率低、成本高， 还会造成二次污染。为了解决上述问题亟需研制一台高自动化的装配设备来替 代人工装配。本文研究了一次性输液管全自动装配线的研制，并从以下几个方 面进行研究： 1 、研究了目前国内外一次性输液管的装配现状，针对这一情况分析了用全 自动的机器装配代替手工装配的必要性，并提出了研制一条全自动装配线的要 求。 2 、针对装配线的研制要求，对装配线的总体装配方案进行了设计。介绍了 装配过程设计、物料传递方案设计、自动检测方案设计。针对透明塑料件难于 监测的问题设计了专用的监测方案。确定了转台式的六工位装配方案和立式的 装配方式。 3 、介绍了装配线的总体结构，阐述了在结构设计中采用的主要设计思想及 设计原则。对各个子单元的结构和工作原理进行了简单的介绍，对某些重点结 构进行了详细的介绍。 4 、介绍了装配线的总体控制思想，设计了基于现场总线的分散式控制方式。 设计了以p l c 3 0 0 作为总控单元，以p l c 2 0 0 做子控制单元的控制硬件。介绍了 在对这种控制方式下的控制程序总体架构，对各子单元之间的协调进行了详细 的说明。重点介绍了电机、气缸的控制过程。 关键词：一次性输液管；全自动；装配线；p l c 控制； d e s i g na n dr e s e a r c ho fa u t o m a t i ca s s e m b l yl i n ef o r t h eo n e t i m ep e r f u s i o nt u b e a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h eo n e - t i m et u b i n gi sa s s e m b l e da l lb yh a n d ，m a n u a la s s e m b l yh a s m a n yw e a k n e s s ，l i k el o we f f i c i e n c y , h i g hc o s t ，a n dm a k es e c o n d a r yp o l l u t i o n t o s o l v et h i sp r o b l e m ，w en e e dt o d e v e l o p m e n t a n e q u i p m e n tw h i c hh a sh i g h a u t o m a t i o nt os u b s t i t u t em a n u a la s s e m b l y t h i sp a p e rs t u d i e dt h ed e v e l o p m e n to f a u t o m a t i ca s s e m b l yl i n ef o rt h eo n e t i m ep e r f u s i o nt u b e ，a n dt h er e s e a r c h f o l l o w i n ga s p e c t sb e l o w ： f i r s t ，b ys t u d i e do nt h ed o m e s t i ca n df o r e i g ns t a t u so ft h eo n e t i m et u b i n g a s s e m b l ya n dt h e t r e n da b o u tt h e f u l l ya u t o m a t i o na s s e m b l y l i n em a k ea c o n v e r s a t i o na b o u tt h en e c e s s a r yt od e v e l o p m e n ta h i g ha u t o m a t i o ne q u i p m e n t ，a n d p u tf o r w a r dt h ea i mt ob ea c h i e v e d s e c o n d ，a c c o r d i n gt ot h ed e v e l o p m e n to ft h ea s s e m b l yl i n ed e s i g nt h eg e n e r a l a s s e m b l yl i n es c h e m e t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ea s s e m b l yp r o c e s sd e s i g n ，m a t e r i a l t r a n s f e rs c h e m ed e s i g n ，a u t o m a t i cd e t e c t i o ns c h e m e d e s i g n a c c o r d i n g t o t r a n s p a r e n tp l a s t i cw h i c hi sd i f f i c u l tt om o n i t o r , as p e c i a lm o n i t o r i n gs c h e m ew a s d e s i g n e d d e t e r m i n es i x s t a t i o na s s e m b l ys c h e m ea n dt h ev e r t i c a lr e l i a b l yo ft h e t u r n t a b l e t h i r d ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h ea s s e m b l yl i n ea n dt h e m a i nd e s i g ni d e aa n dd e s i g np r i n c i p l e s e a c hu n i to ft h es t r u c t u r ea n dw o r k i n g p r i n c i p l ei ss i m p l yi n t r o d u c e da n df o rs o m ek e ys t r u c t u r ew e r ei n t r o d u c e di nd e t a i l f o u r t h ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eo v e r a l lc o n t r o lo ft h ea s s e m b l yl i n e s ，a n d d e s i g n st h ed i s t r i b u t e dc o n t r o lm o d eb a s e do nf i e l d b u s p l c 3 0 0i sd e s i g n e df o r t o t a lc o n t r o lu n i ta n dp l c 2 0 0i sd e s i g n e df o rc o n t r o lu n i to ft h ec o n t r o lh a r d w a r e u n d e rt h i sc o n t r o lm o d e ，t h eg e n e r a lf r a m e w o r ki si n t r o d u c e d ，a n de a c hs u b u n i t so f t h ec o o r d i n a t i o ni si n t r o d u c e dd e t a i l e d a n dm a i n l yi n t r o d u c et h ec o n t r o lp r o c e s so f m o t o ra n da i rc y l i n d e r k e yw o r d s ：o n e - t i m ep e r f u s i o nt u b e ；f u l l a u t o m a t i c ；a s s e m b l yl i n e ；p l cc o n t r o l 3 致谢 时光荏苒，不觉间三年的硕士求学路已到尽头，闭上眼睛，回想起过去的 岁月，总是心潮澎湃，难以忘怀。这三年，我学到了很多，在此，我向这些年 来，所有指导、关心、帮助和支持我的老师、同学、亲友表示衷心的感谢! 首先，我要衷心感谢我的导师韩江教授和夏链副教授，在他们的悉心指导 下，我完成了我的硕士研究生毕业论文。导师渊博的知识，严谨的治学态度， 精益求精的工作精神，诲人不倦的高尚师德，严于律己、宽于律人的崇高风范， 朴实无华，平易近人的人格魅力对我有深远的影响。这三年里，在导师的教导 下，我的科研能力，理论水平，发现问题、分析问题和解决问题的能力，都有 了极大的提高。韩老师和夏老师在我学习和生活上给予的关怀与帮助我将永远 铭记在心。 衷心感谢c i m s 研究所韩春明教授，翟华副教授和祖嗄老师、何高清老师、 余道洋老师、丁志老师、朱仁胜老师等对我的关怀、指导和帮助，特别是在科 研项目上对我的指导和帮助。 衷心感谢大学本科四年和硕士研究生三年里所有给我上过课的老师，是他 们传授给我了丰富的知识，促使我能够一步步攀登知识的高峰，一步步向一个 机械方面专业人才的方向迈进! 衷心感谢我的同学王思国、李虎、刘凌全、黄海金、朱念恩、张忠链、黄 涛、陈党、肖扬、王国峰、肖传清、张韬等，很荣幸和你们在一个实验室生活 学习，这段时光永远值得我怀念! 衷心感谢我的师兄李凯亮、张江华、信傲、马超、葛敬、黄愿，师姐季焓、 姚银鸽在学习生活上给我的指导和帮助! 衷心感谢师弟牛风山、黄迪淼、胡春阳、李雪冬、张进、张魁榜，师妹陈 静、昂金凤等给我的帮助! 衷心感谢在百忙之中抽出宝贵时间对论文进行评阅和审议的专家学者们! 最后特别感谢我的家人，是他们长期以来不辞劳苦、任劳任怨的辛勤付出 以及对我精神和物质上的强大支持，使我最终得以完成学业。 4 作者：王晓明 2 0 1 1 年4 月 目录 第一章 绪论1 1 1 装配线的概念1 1 2 装配线的分类1 1 2 1按平面布置划分1 1 2 2按照节拍控制形式划分2 1 2 3 按照装配品种划分4 1 2 4按照输送装置移动的方式划分4 1 2 5 按照机械化的程度划分4 1 - 3 输液管装配领域的现状5 1 4论文来源及意义6 1 4 1论文来源6 1 4 2 研究意义6 1 5 论文研究任务及主要内容7 1 5 1研究任务7 1 5 2研究内容8 第二章全自动装配线的总体方案设计1 0 2 1输液管零件分析一1 0 2 2 输液器自动装配线的设计参数1 0 2 3 装配方案设计一1 1 2 3 1 装配过程设计1 1 2 3 2物料传递方案设计1 1 2 3 3 自动上料方案设计1 2 2 3 4 自动检测方案设计1 6 2 3 5环己酮浸涂方案设计1 7 2 3 6 监测方案确定一1 8 2 3 7 生产节拍确定一2 0 2 4装配线总体布局设计一2 0 2 5 气路系统设计2 1 2 6 本章小结2 2 第三章装配线结构设计2 3 3 1 结构设计原则及思想2 3 3 2 总体结构设计2 5 3 3 转台结构设计2 6 3 4 5第五单元( 检测单元) 结构设计3 4 3 4 6第六单元( 成品输出) 结构设计3 5 3 5 本章小结3 5 第四章装配线控制系统设计3 6 4 1控制要求及总体方案设计3 6 4 2控制硬件总体方案设计3 7 4 3总体程序设计框架3 7 4 4主要器件控制4 0 4 4 1气缸控制4 0 4 4 2电机及控制4 0 4 5本章小结4 4 第五章总结与展望4 5 5 1 总结4 5 5 2 展望4 5 参考文献4 7 图l 一1 图卜2 图1 3 图卜4 图2 1 图2 - 2 图2 3 图2 - 4 图2 - 5 图2 - 6 图2 - 7 图2 - 8 图2 - 9 图2 1 0 图2 - i1 图2 1 2 图2 - i3 图2 1 4 图2 - 1 5 图3 - 1 图3 - 2 图3 - 3 图3 - 4 图3 - 5 图3 6 图3 7 图3 - 8 图3 - 9 图3 1 0 图3 - 11 图3 - 1 2 图3 1 3 图3 1 4 插图清单 直线型装配线2 “u ”型装配线2 纯手工装配线3 机动控制原理图3 输液管零件1 0 装配方案1 1 分度工作台1 2 震动送料盘1 3 物料充足检测原理图1 4 气流输送原理1 4 物料补给机构示意图1 4 外置挡块的皮带示意图1 5 料仓物料充足检测原理1 5 软管输出原理图1 6 气路检测原理图1 7 喷涂原理图一1 8 透明件检测原理2 0 装配线总体布局2 0 气路原理图2 i 装配线结构简图2 5 装配线总体结构三维图2 5 转台结构局部示意图2 6 夹具原理图1 2 7 夹具原理图2 2 7 软管夹具手指示意图2 7 滴斗夹具手指示意图2 8 滴漏装配结构原理图2 8 二单元总体结构图2 9 箭管部分结构图3 0 牵引机构结构图3 0 软短管装配单元结构图3 1 过滤器分离原理图3 2 过滤器插装原理图3 3 图3 一i5 图3 一1 6 图3 17 图3 一1 8 图4 - 1 图4 2 图4 3 图4 - 4 图4 5 图4 - 6 图4 7 图4 8 图4 - 9 过滤器插装单元结构图3 3 穿刺器装配单元结构图3 4 j 检测单元结构图3 4 成品输出单元结构图3 5 整体控制思想3 6 装配线控制硬件原理图3 7 主程序控制子程序原理图3 8 主程序监控子程序原理图3 8 总程序架构图3 8 子单元程序架构图3 9 转台程序架构图3 9 步进电机的控制要求4 l 方向和速度控制方式4 3 表格清单 表3 - i结构单元体系表2 4 表4 1包络参数表4 2 4 第一章绪论 1 1装配线的概念 产品的自动化制造过程不仅仅包括零件的自动加工生产，同时包括整机的 自动装配。装配线是自动装配领域非常重要的概念，是一种技术。加工生产 线是在特定的某个或某组机器上进行加工、制造零件，例如发动机外壳、汽车 覆盖件等复杂零件的生产。装配线同样是在一系列机器的配合下完成的制造过 程，不同的是它将生产线生产出来的零件组合在一起，例如发动机、冰箱等由 多个零件组成的产品的装配。可以这样说，目前任何由多种零部件组成的并进 行大批量生产的产品在某种程度上都采用装配线生产心1 。装配线将产品的装配 过程划分为多个动作实施单元，这些实施单元之间是按照一定的先后顺序联系 在一起的，在满足这些顺序的前提下，这些实施单元被分配到不同的工作站， 每个工作站负责一部分的装配任务。因此，装配线是通过将产品装配过程中复 杂、烦琐的工作分解，并简化装配过程，从而达到稳定快速生产的目的。同时， 因为装配过程是连续的，短时间内就可以出成品。当发现装配效果不好或其他 各种问题时只生产了少数的产品，可以很快发现并进行相应的调整或改善。装 配线的装配方式使得装配速度得到了大大的提高，同时避免了大批量错误的出 现，也缩短了生产周期。 1 2 装配线的分类 自从工业化生产出现以来，机器生产尤其是自动化的生产便不断的改变着 人们的生活。随着科技的发展，自动化技术已经深入到人们生活的各个部分。 食品、生产、国防、交通运输、商业、甚至医疗方面。采用自动化技术不仅可 以把人从繁重的体力劳动以及危险、恶劣的生产环境中解脱出来，同时可以极 大的提高劳动生产效率，提高人类认识和改造世界的能力。可以说自动化水平 是一个国家发达与否的重要标志阳1 。装配线按照不同的分类方式分为不同的类 别引。 1 2 1按平面布置划分 ( 1 ) 直线形装配线 早期的装配线多采用直线形的布局方式，工作站依次连续地分布在一条直 线上，如图1 1 所示。整个装配从直线的一端开始，从直线的另一端结束。线 上的分工很精细，每个工位负责单一的工件装配，要求操作人员不断重复单一 的动作。工作的枯燥不仅使得工人心理容易疲劳、工作效率也很低。其次这种 一字排开的直线形布局方式使得各个不相邻工位之间的距离较远，操作工人之 间交流困难，如果装配线的某个工位出现了产品质量问题或故障时，信息不能 快速的传递给其他操作工人。并且这种布线方式使得装配线柔性很差，当需求 发生变化时，重新调整到新的平衡比较困难。 图卜l直线型装配线 ( 2 ) u 形装配线 与字型排开的直线布局方式相对的就是u 形布局。尤其是在现代化生产 的新世纪，很多工厂采用了u 形布局的装配线布局方式，如图1 2 所示。与直 线布局方式不同的就是u 型的布局方式并不是把工位按照一条直线排开，而是 把工位以u 型的方式错落的排列起来，通过u 形布局可以克服直线形装配线布 局上的缺点。在这种模式下，工人们基本都聚在一起，逻辑上不相近的工位之 间的直线距离缩短，不仅使得物料运输距离缩短，更使产品计划和过程控制变 得简单。在u 形装配线模式下，操作工人需要参与生产过程的多个环节。在产 品质量出现问题或者装配线故障时，操作者在处理好自身负责的工位任务外还 要帮忙其他工位的工友解决问题，因此工人需要有更高的素质。也正是这个原 因，装配线处理问题的能力大大增强，提高了装配效率。 图卜2“u ”型装配线 1 2 2按照节拍控制形式划分 ( 1 ) 人工控制 人工控制的装配线的装配节拍不是固定的，而是需要工人去控制。他的节 拍取决于工人的动作熟练度以及本工位的工作复杂度。其实人工控制的装配线 最早期只是利用管理的概念把工人们按照一定的顺序排列起来的纯手工装配， 如图2 1 2 所示：工人甲把从料框l 中取出的工件1 和从料框2 中取出的工件 2 组装成半成品3 ，并把半成品3 放置于料框3 中。工人乙把从料框4 中取出的 工件4 安装于半成品3 上进而得到半成品5 ，以这种方式最终得到成品。 工人甲工人乙 图卜3纯手工装配线 这种装配方式的装配节拍完全由人工控制，装配速度最慢的工人决定着整 个装配的节拍，对此一般情况下需要专门对装配过程进行细致的分化，将装配 效率比较繁琐、耗时长的工位安排两个或多个工人以平衡整条装配线。 纯手工的装配线目前还存在与中国很多小型的劳动密集性企业中，在现在 这个讲究效率的社会背景下，这种装配方式已经远远不能适应企业需求，但是 通过合理的拆分装配任务，并适量的对装配过程进行自动化改造来提高装配效 率，进而形成了人工控制的半自动化装配线。半自动化的装配线依旧是需要人 工来完成上料、下料过程的，区别在于他的装配过程已不完全由人工来完成， 而是机器来完成。这种方式使得装配线不再依赖工人的熟练程度，但是其生产 节拍依旧受到装配效率最低工位的效率，同样需要在薄弱环节多安排机器或工 人来平衡各工位，以达到最高的装配效率。 这种装配方式中工人扮演者重要的角色，工位之间并无固定的连接，从而 使得装配的柔性相对较高、易于调整。但是这种方式对人的依赖性大，装配效 率明显低下，同时因为装配节拍不固定容易导致生产速度的不稳定，偶然性事 件发生概率高。 ( 2 ) 机动控制 与人工节拍控制相对的是机动控制节拍的方式，这种方式最大的特点就是 自动的物料传递装置，而且这种装置不依赖于人的意志，而是按照事先设定好 的速度依次把物料从上工位传递到下工位。物料的传送装置有连续和间歇前进 两种方式，连续的方式有带传动、链传动等形式，步进方式包括棘轮、不完全 齿轮以及曲柄滑块等实现形式。如图1 4 所示， 工 早工人乙 工人秀 。 撇= 丁 图卜4机动控制原理图 这种方式下，工人负责把自己负责的工件装配于工件夹具上，具体的装配 过程是由机器来完成的。这种方式的有明显的优点：1 装配节拍固定，生产速 3 率稳定；2 通过合理的拆分装配过程，可以提高装配效率。缺点有：装配过程 不易调整，生产节拍容易受到某具体工位的影响；灵活性差，当发生故障时整 条装配线都被迫停下，影响效率；对工人出勤率要求高，当工人人手不足时装 配线也会被迫停止。 1 2 3按照装配品种划分 ( 1 ) 单一型装配线 单一装配线是专门负责某单一产品装配而设计的。对于某些比较成熟的大 宗生产产品，短期内不会改变其结构及其他要素，可以采用这种单一的装配线 模式。因为专门针对某个产品设计，所以整个装配线的平衡性很好，装配效率 高，装配质量佳。但是一旦当产品型号改变时，生产线便会报废，损失巨大。 ( 2 ) 混合型装配线 现在产品的设计模式已经趋向于用户主导性，也就是产品功能特点要根据 市场的需求而进行适当的调整。因为每个人的喜好不同，对同一种产品每个人 会有不同的要求，因此同一种产品要有多种风格，而且这几种风格要根据市场 的需求进行产量的调整。对每个风格的产品都设置一条专用装配线则显得浪费， 因此需要混合型装配线的存在。混合型装配线可以通过调整工位的夹具，或者 通过改变线上运行机器来改变装配产品的风格。 1 2 4按照输送装置移动的方式划分 ( 1 ) 间歇移动方式。 这种方式下，工位与工位之间的物料传递是间歇性的，在装配过程动作进 行时，输送装置是静止不动的，当装配完成后输送装置才会准确的移动一个工 位，输送装置的运动节拍即为装配节拍。输送装置各个工位是公用的，也就是 说输送装置的每次移动都会使所有工位的夹具行进至下一工位，因此各工位之 间要保证距离相同。 ( 2 ) 连续地移动方式。 无论是间歇方式还是连续方式，为了完成生产任务需要每装配一次输送装 置都要向前行进了一个工位的距离。不同的是连续移动方式的输送装置不需要 停下来等待装配过程完成，而是在其行进过程中同时进行装配。装配的地点是 浮动的，装配机器或者装配工人要在某段距离内要保持和输送带相同的移动速 度，因此要求输送装置的移动速度恒定。这种方式适用于大型的装配线，装配 单元不需要保持固定的间距，而且输送装置也不局限于圆形、椭圆形的规则的 形状。目前汽车装配线、冰箱装配线、自行车装配线都是采用的这种模式。 1 2 5 按照机械化的程度划分 ( 1 ) 纯手工装配。 这种装配方式的所有装配动作都是靠人工来完成的，是装配线形成初期的 主要装配方式。这种装配方式目前还残存在我国很多家庭作坊式的小工厂中， 4 主要是因为其不需要早期的设备投入，不需要专业的设备维护人才，容易被刚 起步的小企业所采纳。但是这种装配线生产周期长、效率低、质量不稳定、管 理难度大等问题使得这种企业的活力不足，亟待进行自动化的改造。 ( 2 ) 半自动装配。 这种装配方式是对纯手工装配的机械化改造，全部或者部分装配过程、物 料输送等由机器来完成的，但是工人在其中依然扮演者重要的角色，尤其是上 料、下料、监控、故障诊断等过程都离不开工人。这种方式把工人从复杂的体 力劳动中解放出来，减少了产品装配需要的工人数量，大大提高了生产效率， 成品质量也很稳定。随着自动化技术的飞速发展，工业机器人等高自动化的装 配手段被广泛应用于装配系统中。装配过程本身是一个非常复杂并具有很强技 术性的活动，机器的装配要求零件的尺寸等参数稳定，但是这对于生产来讲基 本是不可能的；手工装配的技艺和力道等是机器难于模仿的，因此目前装配线 基本上都止步于半自动的方式。 ( 3 ) 全自动装配。 全自动装配和半自动装配都属于自动装配范畴，全自动装配理论上要求在 整个装配过程中实现无人化，全部过程都由机器来完成，包括自动上料、自动 装配、自动检测、自动故障诊断等功能。这种装配线可以最大限度的解放一线 的操作工人，最大限度的提高生产效率。但是全自动的装配线不仅仅要求机构 上的严谨和巧妙，同时要求其控制系统稳定并具有一定的智能化，因此其研制 难度巨大，并且前期需要大量的投入。随着人力资源越来越稀缺，装配效率要 求越来越高，不得不使很多企业将目光重新投回去全自动的装配设备上来。全 自动装配线成为当代装配设备的发展趋势。 1 3输液管装配领域的现状 目前医疗方面的自动化也已发展到了比较高的水平。在生产领域，很多简 单产品的生产都已实现了无人生产，工人不再做具体的工作，而是看管机器即 可。同时在很多领域大规模的自动生产线、自动装配线等流水作业线也都相继 出现。尤其是2 0 世纪7 0 年代之后，自动化的生产加工以及装配正朝着大型化， 高自动化的方向发展 在全国范围内自动化发展总趋势的推动下，输液管生产很早以前就已经开 始自动化改造。但是自动化设备的研发属跨机械、电气、电子的多专业的综合 学科，具有投资大、收益慢的特点，做输液器自动组装设备还需掌握塑料制品的 产品特性综合起来难度非常大，所以国内生产输液器的厂家目前均未大规模自 行研发这类设备；因行业标准要求高、前期要求投入大、市场难介入的特点， 使国内一般的自动化企业也很难进入这一市场；国内输液器结构相对较复杂与 国外输液器的使用习惯也不相同，致使国外企业也未能在该领域取得成功 5 经过近几年医疗设备生产商的努力，输液管部件自动装配取得了一定的进 步，现在市面上可见的有滴漏与二通管的装配设备、调速器壳与调速器轮的装 配设备、过滤器的组装设备、塑针组装设备等。但是这些都是硬对硬的装配。 作为输液器的主要部件之一的软管主要成分为医用级p v c ( 聚氯乙烯) ，因为其 质地柔软、弹塑性很高导致夹持困难，也是此原因导致了目前市场上很少见输 液管的整体装配设备。 一次性使用输液器的自动化组装是一种必然的发展趋势，但在发展的过程 上将是先局部组件自动化组装，再多机连线形成整条输液器自动化组装线只有 将一次性输液器实现自动化组装才能满足企业对效率、成本、质量的要求，才 能满足市场及相关法律法规的要求。但是自动化的发展有其本身的规律性：由 简单至复杂；维护人才的培养也需要有一个经验积累的过程。从近年来行业发 展的速度来看，一台组件的组装自动化设备，平均研发周期约为6 1 2 个月，整条 输液器的生产开发的周期最少需三年以上。所以，行业的趋势将是把整条的输 液器进行合理的分段，进行局部的自动化组装，在单机运作顺畅的基础上，再研 制出整条输液器的生产设备 1 4 论文来源及意义 1 4 1论文来源 一次性输液管全自动装配线是由合肥工业大学c i m s 研究所受浙江某医疗 设备企业委托而研发的。本论文是本人参加该项目研制工作的基础上撰写的。 该企业的产品包括各种一次性使用输液( 血) 器、无菌注射器( 针) 、自毁式注射 器、安全式注射器、静脉输液针、采血器( 针) 、配药器( 针) 、滴定管式输液器( 小 儿吊瓶) 、活检枪( 针) 、胸腹腔穿刺引流多功能医用吸取器以及精密药液过滤器。 年产量达5 亿套支。该企业目前8 0 以上的员工为一线生产工人。企业在安全 生产的同时，一直致力于通过提高产品的生产效率、降低产品的生产成本来提 高企业竞争力和扩大产量。经过几年的努力，通过大量购置以及自己开发自动 化生产设备基本实现了产品的自动或半自动生产。但是在装配领域还是基本依 靠手工来完成。 随着市场的不断壮大，随之而来的订单也越来越多，不同的客户不仅要求 花样翻新，而且交货期也越来越短，甚至有的客户要求在两天之内完成订单。 为了达到客户要求，企业不得不通过增加工人劳动强度、延长工人工作时间来 提高产量。但是这样不仅产量没有得到大规模的提高，工人们也是怨声载道。 一些大订单因此失之交臂。因此企业委托合肥工业大学c i m s 研究所研制开发一 套全自动的高效率的一次性输液管全自动装配线。 1 4 2研究意义哺1 一次性输液管是最常用的医疗器械之一。我国输液管需求量巨大。按有关 6 权威单位的统计表明：全国总人1 ：3 中，每日有千分之五的人生病输液，门诊每 年需用的无菌输液器7 5 亿支；同时还有许多长期在医院治疗的患者，每年需用 的无菌输液器2 5 亿支，每年共需输液器1 0 0 亿支，可见市场需求巨大。然而我 国输液管的生产却基本由手工完成。随着需求量的持续增大、医疗器械卫生等 标准的不断提高以及用人成本的不断飙升，手工生产便表现出了严重的不足， 效率低不说，还容易造成二次污染【7 】，并且因工人技术的问题导致品质难保证， 各项成本随之提高。与此同时部分行业因大力发展自动化而取得了较强的竞争 力。从食品加工到汽车生产，从矿井作业到飞机制造，自动化在这些行业的发 展使得这些行业提高了生产效率、达到了较高的卫生标准、减轻了工人的劳动 强度、解决了某些特定场合危险性高不适合工人作业的问题。输液器产品对于 其它产品来说具有相对的稳定性，要求无菌生产：产品体形小、数量多，加之日 益昂贵的人力成本，生产企业更加需求自动化设备以代替人工生产。因此在输液 管生产行业大力发展高度的自动化刻不容缓。输液管的装配线在医疗设备装配 领域尚属空白，这套设备研发成功后具有很大的推广意义，将给整个行业带来 巨大的社会效益，同时将产生巨大的经济效益。 1 5 论文研究任务及主要内容 1 5 1研究任务 全自动装配线的功能要求有：用自动化装配取代目前的人工装配；具有在 线检测功能，具有剔除废品后输出合格品的功能。同时装配线作为一台实用设 备除了能上述功能外还要具有以下要求： 1 ) 稳定性 一次性使用输液器自动化组装机的稳定性与可靠性将会成为企业追求的重 点。一台性能稳定、可靠性高的设备表现在可长时间连续有效稳定运行、故障 率低。由此可减少企业的维护成本、企业的停机待产时间、企业的设备投入， 反之将会给企业带来无尽的麻烦和浪费。评价一台自动化组装设备的稳定性与 可靠性，主要看其结构设计的合理性、程序编写的合理性及零配件的性能与适 配性。 稳定性是所有产品都要满足的要求，全自动装配线也不例外，它要有稳定 的产品合格率也要有稳定的正常工作时间。因此装配线要在开机后连续运行2 4 小时而不出任何问题，而产品合格率起码要达到9 9 以上。 2 ) 具有一定的效率 提高效率是现在所有企业都在追求的目标。作为为了取代手工装配而研制 的自动化设备，全自动装配线的装配必需要有比人工装配有更高的装配效率。 这是研制它的目的之一。所以暂定目标为5 0 0 0 件d , 时。 3 ) 具有一定的经济性 7 4 ) 成品满足行业标准 医疗产品有着严格的质量标准旧1 。国家相关部门相继出台了医疗器械监 督管理条例、医疗器械生产企业监督管理办法、一次性使用无菌医疗器械 监督管理办法、无菌医疗器具生产管理规范、一次性使用无菌医疗器械产 品( 注、输器具) 生产实施细则等法律法规，尤其是一次性使用无菌医疗 器械产品( 注、输器具) 生产实施细则规定了从质量管理方式；生产环境、 设施、布局；设备、工装、工位器具；采购与库房管理；技术文件管理；生产 过程管理；质量保证和质量控制；销售服务8 个项目，3 4 个条款，15 6 个检查 项( 不包括其它灭菌方法：辐射灭菌) 。这就对装配线机加工件以及外购件的材 料等提出了很高的要求。所以机加工件的材料一律为不锈钢等符合医用标准的 材料。 5 ) 高自动化( 全自动) 人工装配过程虽然繁冗沉闷，但是安静。机器装配的很突出的缺点就是噪 声大，电机的声音、气缸的声音等混杂在一起会给人非常不舒服的感觉。所以 要尽量避免员工长时间停留于机器装配现场。这就要求装配线是一个全自动的 机器。上料、装配、检测、成品输出等过程均应实现自动化。 6 ) 可调整性( 模块化) 输液管虽然是很成熟的产品，但是也有很多种不同的类型，比如有的输液 管有回血管而有没有这部分。所以要使得整个生产线具有可调整的功能，要能 针对不同的要求做出相应的变动及调整。这种调整是包括结构以及控制两部分 的。 1 5 2研究内容 论文以一次性输液管的全自动装配线为研究对象，系统研究了全自动装配 线的装配方案确定，装配线的结构设计以及控制系统设计。 第一章绪论部分研究了目前国内外一次性输液管的装配现状，针对这一情 况分析了用全自动的机器装配代替手工装配的必要性，并提出了研制一条全自 动装配线的要求。 第二章重点介绍了一次性输液管全自动装配线的总体方案设计。介绍了装 配过程设计、物料传递方案设计、自动检测方案设计。针对透明塑料件难于监 测的问题设计了专用的监测方案。确定了转台式的六工位装配方案和立式的装 配方式，并对总体布局进行了介绍。根据生产要求确定了生产节拍。 第三章重点研究装配线的结构设计，并阐述了在结构设计中采用的主要设 计思想及设计原则。对各个子单元的结构和工作原理进行了简单的介绍，对某 8 些重点结构进行了详细的介绍。 第四章研究了装配线的控制系统设计。根据总体控制思想，设计了基于现 场总线的分散式控制方式。设计了以p l c 3 0 0 作为总控单元，以p l c 2 0 0 做子控 制单元的控制硬件。介绍了在对这种控制方式下的控制程序总体架构，对各子 单元之间的协调进行了详细的说明。 第五章对全文工作进行了总结，并对系统的下一步工作做了展望。 9 第二章全自动装配线的总体方案设计 2 1 输液管零件分析 一次性输液管由以下几个部分组成：过滤器、调速器壳、调速器轮、滴漏、 穿刺器组件、长软管、短软管。如下图2 1 示： r0 直i 调穿滴调回过短 速刺漏速血溏曹 器器嚣管器部 轮壳 分 图2 - 1输液管零件 2 2输液器自动装配线的设计参数阳1 本文中，一次性使用输液器自动装配生产线的研究开发，是在满足人工装 配的基本程序和条件下，使用自动机械设备达到国家及企业产品标准要求，主 要设计参数如下： ( 1 ) 产品规格及型号：i s v a 一卜0 0 b 型。目前按照此类型输液管设计，输液管 的类型很多，装配线不能只针对一种类型的输液管，要同时能装配某一类型的 输液管。 ( 2 ) 装配效率：自动装配生产线效率为5 0 0 0 套d , 时。 ( 3 ) 装配合格率：产品装配合格率达到9 8 。 ( 4 ) 气压：4 5 6m p a ( 5 ) 生产线占地：6 5 0 0 m m 3 5 0 0 m m ( 6 ) 装配生产线操作工人数：6 人 ( 7 ) 噪声：不高于8 5 d b ( a ) 。 ( 8 ) 环境：不产生污染源。 ( 9 ) 装配生产线配置：装配生产线与总成装配生产线串行，可调整不同零部件结 构形式。 ( 10 ) 设备重量：15 0 0 ( k g 约) ( 11 ) 电源：a c2 2 0 v 5 0 h z3 3 0 0 0 w ； ( 12 ) 操作方式：全自动半自动手动 ( 1 3 ) 控制系统主要性能：机器采用伺服电机和气缸做为动力源，s m c 气动元件， 1 0 德国西门子p l c 为控制系统，可视化文本操作平台操作，光纤检测并结合振动盘 自动送料，有效实现元器件的全自动化装配作业。设备结构件用不锈钢或普通 碳钢镀铬处理。设备具有计数设定、报警停机、来料检测等功能，伺服电机轴 工作点设置检测调整功能，能有效提高生产效益及产品品质。 2 3 装配方案设计 2 3 1 装配过程设计 手工装配过程为：1 调速器轮和调速器壳组成调速器组件。2 长软管穿过 调速器一端连接过滤器，一端连接滴漏。3 将滴漏的另一端连上短软管。4 短 软管的另一端连接穿刺器组件。在以上过程中任何部件的连接处都要涂环己酮。 机器装配模仿手工装配，但是考虑机器毕竟不同于手工，对装配过程进行 适当调整。当手工使长软管穿过调速器组件时需要对准一定角度同时把调速器 轮固定在一定的位置，此过程用机器实现就显得非常复杂费力，所以改为不把 调速器壳与调速器轮安装在一起，先把软管穿过调速器壳后然后在装配调速器 轮。输液管是一个细长的组合体，而且部件很多。为了能节省时间和空间，我 们采用了立式的装配模式。为了经过最少工位就能装配完成我们以滴漏为中心， 上下分别向中间装配的模式。最终确定装配顺序如图示： 第一工位第二工位第三工 位 图2 2 装配方案 第一工位负责把装配滴漏；第- - 3 2 位负责把长软管装配在滴漏上，同时把 调速器壳穿在上软管上；第三工位上下两部分同时工作，上部分安装过滤器组 件，下半部分负责安装短软管；第四工位也是上下分工，上面安装调速器轮， 下面安装穿刺器。 2 3 2物料传递方案设计 装配线跟普通的生产设备最大的不同就是装配线有多个工位。因为工位多， 就需要有一套专用设备负责把物料从本单元传递到下一单元。这个装置也是装 配线的关键技术，他的精度直接影响到装配的精度及质量。 目前物料传递方法有很多种，包括棘轮式的间歇型步进输送装置、输送带 配合定心机构的输送装置、有转台式的物料输送装置等。本装配线工位虽然多， 3 转动一定角厦4 转台落f 图2 - 3分度工作台 如图2 3 所示分度工作台就是通过专门的结构来保证精度的。这种方式下 转台由上层转台和下层齿盘两大部分组成，其转动分为三个过程，首先上层转 台抬起至与齿盘分离；随后上层转台在电机的驱动下转动一定的角度；最后上 层转台下降至与齿盘啮合。在这个过程中，回转精度依赖于下层齿盘的加工精 度，分度工作台的这种工作方式运行稳定，随着机构之间的磨合精度还有进一 步提高的趋势。但是这种方式需要将转台抬起，而转台的质量一般都很大，所 以需要升降力很大的液压装置来驱动，不仅系统复杂，而且动作缓慢、时间浪 费严重。 与分度工作台对应的是数控回转工作台n 们n 帅2 1 3 1 ，其精度通过电气控制来 保证。数控回转工作台的运动方式相对简练：当锁紧装置松开后，转台便可以 在电机的驱动下转动；当转动结束后，锁紧装置将转台固定即可。这种方式灵 活性高、反应速度快，通过选用合理的控制方式进一步提高精度。 综合考虑各种因