姚 陽,湯淋淋

（1.南通理工學院，江蘇 南通 226000；2.硅湖職業(yè)技術學院，江蘇 昆山 215300）

0 引 言

全自動液體處理工作站是一個綜合學科的機械設備，目前主要應用于醫(yī)療檢測領域液體的前處理中，整個工作站的研發(fā)涉及到機械設計、運動控制、軟件設計等，具有學科交叉性強和綜合性高等特點。目前，國內在液體處理方面存在自動化程度較低、模塊化功能較少、可靠性不足、穩(wěn)定性較差等缺點。為了打破國外的技術壟斷，迫切需要進行國內的全自動液體處理工作站的設計開發(fā)。

1 液體處理工作站總體設計

液體處理工作站是基于多軸協(xié)同配合運行的組合式機構，其涵蓋的技術較多，如精密設備、電機運動控制、伺服控制系統(tǒng)和傳感器技術，集成化程度較高。根據國內外文獻資料調研以及市場已有的設備，本文設計的全自動液體處理工作站以模塊化結構為主，且結構形式為由上到下，主要機械結構包括工作站底座、機械臂和移液模塊。

底座是液體處理工作站的基本部件，也是該系統(tǒng)的承載部件，液體處理工作站都是基于底座來工作的。在底座上需要進行工位設置，如試劑盒存放工位、廢料回收工位和混勻儀擺放工位。

液體處理工作站的核心部分是移液模塊，其作用是在液體移動過程中將液體吸取和放置，而且是定量的。移液模塊的運行方式是機械的，主要執(zhí)行的動作有槍頭安裝和脫落，配合機械臂的使用可以實現(xiàn)液體的準確移動。同時在微量泵中配有液位檢測傳感器和壓力傳感器，能夠進行液位和壓力的實時監(jiān)測，及時調整堵塞、泄露以及空吸等情況。液體處理工作站通過機械臂代替人力操作，主要是實現(xiàn)夾取功能，用于深孔板的夾取轉移，在空間具有3 個自由度，實現(xiàn)X、Y、Z 3 個方向上的移動。

本文設計的液體處理工作站采用4 列3 行共12 個管位，可以放置2 個托盤，共計192 個試管；吸頭盒可以放置4 個吸頭，吸頭盒后部為廢棄吸頭回收盒。整體結構簡單，用戶操作方便，無需投入過多的學習成本即可實現(xiàn)快速熟悉，快速操作。最終的整體造型設計如圖1 所示。

圖1 整體結構示意圖

2 液體處理工作站結構設計

2.1 液體處理工作站底座以及定位結構設計

底座是整個工作站的承重和支撐結構，主要由工作臺和支撐腳組成，工作臺材料選用鋁合金6061,表面陽極氧化梳理；底部裝配有4 個M10×60 橡膠底支撐腳。底座上部為定位實驗器材的定位托盤，托盤全部采用模塊化設計，針對不同器材，設計不同的定位托盤，采用直徑10 mm 圓柱銷定位托盤，托盤可以隨時更換，具體如圖2 所示。

圖2 底座結構

2.2 機械臂選型設計

機器人的機械臂通常是由驅動裝置、導向裝置和運動裝置3 部分組成。目前常用的驅動方式包括液壓驅動、氣壓驅動和電氣驅動；常用的導向裝置包括滾珠絲杠裝置和滑塊導軌裝置；常見的機械臂坐標系統(tǒng)包括球坐標系統(tǒng)、直角坐標系統(tǒng)、柱坐標系統(tǒng)。液體處理工作站系統(tǒng)中需要實現(xiàn)X、Y、Z 軸3 個方向移動到指定的工作位置，所以選用直角坐標式機械臂；盡管球坐標、柱坐標式機械臂都可以滿足液體處理工作站的功能性要求，但是其結構較為復雜，同時在移液過程中，移液槍頭需要時刻保持豎直狀態(tài)，增加了系統(tǒng)的操作復雜性，因此該處采用球坐標和柱坐標不合適。采用直角坐標系機械臂不僅可以通過電機控制實現(xiàn)3 個方向的自由移動，而且實現(xiàn)槍頭和微孔板的定位操作也較為簡單準確，具有快速反應和高可靠性等優(yōu)點，因此最優(yōu)選擇為直角坐標系機械臂。

2.3 移液模塊設計

機械臂在Z 軸方向上的運動就是移液模塊的運動。由圖3 可知，移液模塊主要由底座、移液器和脫槍頭部件3 個組件構成。其中，底座部分主要由基板、線性導軌、傳動結構和控制電路控制板組成。線性導軌采用的是滾珠式線性導軌，型號為MGN12C，并且在地板上進行了位置限制，這樣可以保證導軌移動的精度；在傳動結構部分，選用電機驅動作為原動力，梯形螺桿作為傳動部件，電機為絲杠傳動步進電機。脫槍頭部件安裝在電機上，并且通過螺母固定，移液器安裝在脫槍頭組件上，直線推力電機的轉動帶動脫槍頭工作，進而帶動移液器工作，這樣就形成了電機驅動移液器和脫槍頭均在線性導軌上移動的工作過程。在移動過程中，為了保證到達位置的精確性以及限制移動最大行程，在線性導軌兩端分別設置光電式傳感器，當光電式傳感器檢測到有物體靠近時，將檢查到的信號發(fā)送到控制電路板，然后控制電機的工作狀態(tài)，保證移液器和脫槍頭在有效行程內。

圖3 移液模塊整體結構

由圖4 可知，脫槍頭組件由5 部分構成，分別是軸承、脫槍頭板、電機、軸和支撐板。其中電機安裝在滑塊連接板上，電機的輸出軸與固定塊支架安裝有連接軸的軸承，在滑塊連接板的下方安裝4 根支撐軸用于整體結構的支撐，在支撐軸的下端安裝支撐塊進行結構加固。在背面的2 根支撐軸上，安裝直線軸承和脫槍頭板，在下端安裝有傳感器、軸套和推桿。移液器安裝在連接軸上，通過磁鐵吸附連接，通過傳感器、軸套和推桿的配合工作，可以克服磁鐵的吸力進行移液器具和槍頭脫離的操作。

圖4 脫槍頭組件結構

3 移液模塊關鍵結構設計

移液模塊最重要的部分就是移液器，它的功能是進行液體吸取和排放。在本次設計過程中，采用的移液器是活塞式的，有8 個液體通道，每個通道的存儲量為200 mL，具體結構如圖5 所示。8 個通道的排列方式為并列排布，每個通道內有活塞，活塞安裝在活塞架上，并且通過軸承連接與套筒相連。中間活塞桿的上端和電機軸連接并且通過磁鐵吸附連接，另一端和活塞架連接，通過直線推力電機的運動使得連接軸帶動活塞桿移動，從而帶動活塞在套筒中進行上下移動，實現(xiàn)液體吸取和液體排放的操作。在液體吸取和液體排放的工程中，由于運動過程中存在震動，為了保證活塞和套筒位置的直線性，在活塞架的上方安裝固定件進行位置的豎直固定。為了讓活塞運動過程更加平穩(wěn)，在活塞桿上安裝滑動軸承，可以減小活塞桿和導向桿在運動過程中產生的摩擦力。當活塞桿受力時，外殼以下部分脫離導向銷實現(xiàn)脫槍頭動作，當活塞桿不受力時，由于外殼和導向銷之間安裝有彈簧，通過彈簧的拉力使得外殼以下部分回到原位。

圖5 移液器結構

圖6 活塞剖面

由于該工作站處理的樣品均為液體，需要保證液體吸取和液體排放的精度，防止液體的泄露，因此對密封性能有較高的要求。通常采用密封圈進行密封處理。本文在移液槍頭和套筒中都設置有O 型密封圈。當槍頭進入套筒時，安裝在槍頭上的密封圈在摩擦力的作用下會發(fā)生變形，更緊貼套筒內壁，提高了密封性能，保證了槍頭在運動過程中的穩(wěn)定性。圖6 為活塞與套筒密封結構圖，塑料套安裝在套筒架上，在套筒架上方安裝活塞架，活塞架的內部安裝活塞，活塞的外壁和塑料套的內壁進行面面接觸，由于兩者在運動過程多次摩擦，長時間工作后，磨損加劇，面面接觸失效，導致密封失敗，因此在塑料套的外側安裝彈性圈，當磨損加劇之后，在彈性圈自身彈力的作用下，將塑料套向內推，進一步補償磨損量，讓活塞和套筒一直保持面面接觸，保證密封效果。

4 結 語

本文設計了一種具有8 通道的自動化液體處理工作站，通過機械臂以及移液模塊保證移液的精度和效率，該工作站該可進行液體樣品的轉移、稀釋、定容、添加等，減少手工轉樣的人力投入及出錯風險。