姜宗品，牛杰，趙東明，趙鵬，王超

安圖實驗儀器（鄭州）有限公司 （河南鄭州 450016）

隨著全自動體外診斷設(shè)備的普及，對樣本架推進(jìn)裝置的平穩(wěn)性和精準(zhǔn)度提出了較高的要求[1]。樣本架的主要輸送方式為皮帶傳送和撥爪機(jī)構(gòu)傳送，皮帶傳送具有受力不均勻及震動卡料的風(fēng)險，撥爪機(jī)構(gòu)傳送具有傳送不到位及精度較低的缺點[2-3]?，F(xiàn)有技術(shù)方案結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占用空間較大、動作及程序煩瑣，尤其是進(jìn)樣推進(jìn)過程存在誤判、傳送不到位及撞到樣本架的風(fēng)險，因此設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單、占用空間小、動作及程序簡單、動作周期短、反應(yīng)靈敏、定位精度高且不易卡料的柔性接觸推進(jìn)裝置具有十分重要的意義。

1 樣本架柔性進(jìn)樣推進(jìn)裝置的設(shè)計

1.1 工作原理

樣本架柔性進(jìn)樣推進(jìn)裝置主要由旋轉(zhuǎn)撥爪機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和驅(qū)動裝置組成。其中，旋轉(zhuǎn)撥爪機(jī)構(gòu)實現(xiàn)了樣本架的推送精準(zhǔn)到位且不損傷樣本架，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和驅(qū)動裝置實現(xiàn)了樣本架的平穩(wěn)推進(jìn)不卡料。該裝置將樣本架推進(jìn)到位的同時又能避免在樣本架到位后繼續(xù)被推進(jìn)而導(dǎo)致被損壞的問題，避免電機(jī)丟步造成的位置偏差，實現(xiàn)了樣本架推進(jìn)到位，且?guī)ё詸z功能并向系統(tǒng)反饋相關(guān)信號。另外，該裝置采用重心偏心結(jié)構(gòu)，靠重力旋轉(zhuǎn)復(fù)位功能將撥爪繞至線體上樣本架后方，具有節(jié)省能源、空間及響應(yīng)快等優(yōu)點[4-6]。

1.2 硬件材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖1 所示，樣本架柔性進(jìn)樣推進(jìn)裝置的標(biāo)準(zhǔn)件為皮帶、初始位傳感器、感應(yīng)器1 和驅(qū)動裝置。其中，配套固定螺釘和銷釘?shù)染o固件優(yōu)先選用型號為SUS304 的不銹鋼材質(zhì)；定制件中的樣本架為模具件，材質(zhì)為聚丙醚。機(jī)加件：T 型防倒塊選用型號為A6061 的鋁合金。鈑金件：導(dǎo)向托板和限位擋板選用型號為SUS304 的不銹鋼。該裝置包括旋轉(zhuǎn)撥爪機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和驅(qū)動裝置；工作過程中，當(dāng)旋轉(zhuǎn)撥爪機(jī)構(gòu)將樣本架推送到位時，驅(qū)動裝置帶動旋轉(zhuǎn)撥爪機(jī)構(gòu)繼續(xù)前行，直至觸發(fā)旋轉(zhuǎn)撥爪上傳感器，彈性裝置使撥爪與樣本架間建立柔性推力，撥爪通過重心偏心結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)復(fù)位至樣本架后方，保證樣本架與基準(zhǔn)面實現(xiàn)零距離接觸，從而將樣本架精準(zhǔn)推送到位，又不損傷樣本架[7-9]。

圖1 樣本架柔性進(jìn)樣推進(jìn)裝置

旋轉(zhuǎn)撥爪機(jī)構(gòu)為該裝置的關(guān)鍵組件（見圖2）。配套固定螺釘和銷釘?shù)染o固件優(yōu)先選用型號為SUS304 的不銹鋼材質(zhì)，所組成的標(biāo)準(zhǔn)件為無油襯套、拉簧和感應(yīng)器2。定制件中的機(jī)加件為偏心撥爪、轉(zhuǎn)軸和導(dǎo)向裝置，選用型號為A6061 的鋁合金。鈑金件為浮動載板、安裝底座和連接片，選用SUS304 的不銹鋼材質(zhì)。組裝時，旋轉(zhuǎn)撥爪機(jī)構(gòu)中連接片與驅(qū)動裝置連接，旋轉(zhuǎn)撥爪機(jī)構(gòu)中安裝底座與驅(qū)動裝置連接，浮動載板、轉(zhuǎn)軸、無油襯套與偏心撥爪可沿導(dǎo)向機(jī)構(gòu)1 滑動，浮動載板通過拉簧與安裝底座建立柔性連接，使偏心撥爪與安裝底座具有一定的初始拉力。偏心撥爪可繞轉(zhuǎn)軸自由旋轉(zhuǎn)。

圖2 旋轉(zhuǎn)撥爪機(jī)構(gòu)

1.3 軟件邏輯設(shè)計

樣本架柔性進(jìn)樣推進(jìn)裝置的軟件邏輯工作流程為：樣本架從起始位置被推送至擋板處的終點位置，再復(fù)位至起始位置。其中，旋轉(zhuǎn)撥爪機(jī)構(gòu)初始位置為偏心撥爪靠偏心重力作用順時針旋轉(zhuǎn)至浮動載板凸起處停止（此時為撥爪豎直方向），拉簧將浮動載板與安裝底座橫向貼緊，感應(yīng)裝置未觸發(fā)狀態(tài)。

該裝置在工作狀態(tài)中，當(dāng)導(dǎo)向托板有樣本架進(jìn)行傳送時，驅(qū)動裝置帶動旋轉(zhuǎn)撥爪機(jī)構(gòu)沿導(dǎo)向裝置方向?qū)颖炯軓钠鹗嘉恢脗魉椭料尬粨醢逄幍慕K點位置，到達(dá)終點位置后驅(qū)動裝置帶動旋轉(zhuǎn)撥爪機(jī)構(gòu)繼續(xù)前行；當(dāng)浮動載板觸發(fā)感應(yīng)裝置時停止，拉簧拉力以確保樣本架與限位擋板間零距離接觸，保證位置準(zhǔn)確且不傾斜，若驅(qū)動裝置行駛最大脈沖時感應(yīng)裝置未觸發(fā)則報警。

樣本架被傳送至限位擋板后，驅(qū)動裝置帶動旋轉(zhuǎn)撥爪機(jī)構(gòu)反方向返回至初始位傳感器觸發(fā)停止，其中T 型防倒塊與由樣本架T 型槽配合能有效卡住樣本架，從而在樣本架推送過程中起防倒作用，導(dǎo)向托板起到支撐及導(dǎo)向樣本架的作用。

當(dāng)有料感應(yīng)器感應(yīng)有樣本架時，驅(qū)動裝置帶動旋轉(zhuǎn)撥爪機(jī)構(gòu)沿導(dǎo)向裝置反向返回，當(dāng)撥爪機(jī)構(gòu)通過樣本架下方時，偏心撥爪依靠樣本架重力將偏心撥爪擋偏旋轉(zhuǎn)一定角度，從而避開樣本架從底部通過，撥爪機(jī)構(gòu)傳送至樣本架后方時，偏心撥爪利用重力偏心原理繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)復(fù)位至浮動載板凸臺處停止（此時為豎直方向）。

2 驅(qū)動裝置運動力學(xué)分析

樣本架傳輸過程中驅(qū)動裝置的故障率及疲勞問題較多，現(xiàn)以驅(qū)動裝置為重點進(jìn)行運動力學(xué)分析，并確定相關(guān)電機(jī)參數(shù)。

2.1 轉(zhuǎn)動慣量

式中，JL為整體轉(zhuǎn)動慣量（kg·m2）；J1為主動輪轉(zhuǎn)動慣量（kg·m2）；J2為從動輪轉(zhuǎn)動慣量（kg·m2）；J3為載荷轉(zhuǎn)動慣量（kg·m2）；m1為工作物質(zhì)量（kg）；m2為可動部件質(zhì)量（kg）；m3為主動輪質(zhì)量（kg）；m4為從動輪質(zhì)量（kg）；R1為主動輪孔半徑（mm）；R2為從動輪孔半徑（mm）；R3為主動輪半徑（mm）；R4為從動輪半徑（mm）；Dp為主動輪直徑（節(jié)圓）（mm）；μ1為摩擦系數(shù)。

設(shè)計中已知參數(shù)：m1=0.3 kg，m2=1 kg，m3=0.01 kg，m4=0.01 kg，R1=2.5 mm，R2=2.5 mm，R3=9 mm，R4=9 mm，Dp=15.28 mm，μ1=0.2，B1=600，B2=20；J1=4.3×10-7；J2=4.3×10-7kg·m2；J3=7.59×10-5kg·m2，從而得出負(fù)載總轉(zhuǎn)動慣量：JL=7.67×10-5kg·m2。

2.2 電機(jī)參數(shù)的選擇及校核

根據(jù)轉(zhuǎn)動慣量及設(shè)計需求，選擇電機(jī)參數(shù)如表1所示。慣量比β=（JL/i2）/J0，由負(fù)載總慣量JL及電機(jī)參數(shù)可求出β=6.98，超過容許值（慣性比正常為1～30），滿足要求。

表1 本研究裝置與原裝置結(jié)構(gòu)比較

表1 電機(jī)參數(shù)選擇

安全系數(shù)S=Tm/TL1，TL=m1×g×μ1×Dp×10-3/（2×η）=5×10-3N·m，重力加速度9.81 m/s2，A=（L/（π×Dp）×（360/θs）=6 000 pulse；f2=（A-f1×t1）/（t0-t1）=800 Hz；Ta=（J0+JL）×（π×θs/180°）×（f2-f1）/t1）=9.19×10-3N·m，TL1=TL+Ta=1.42×10-2N·m，S=Tm/TL1=14.1；

式中，TL1為運行時必要轉(zhuǎn)矩（N·m）；TL為運行時初始轉(zhuǎn)矩（N·m）；Ta為運行時加速轉(zhuǎn)矩（N·m）；f2為運行頻率（Hz）；f1為起動脈沖（Hz）；t0為移動時間（s）；t1為加減速時間（s）；A為移動脈沖數(shù)（pulse）；L為移動量（°）；UL為單位移動量（deg/r），從而得出運行安全系數(shù)S=14.1，滿足使用要求（S≥2）。

3 樣本架柔性進(jìn)樣推進(jìn)裝置的應(yīng)用

樣本架柔性進(jìn)樣推進(jìn)裝置（圖3）主要用于全自動體外診斷設(shè)備樣本架的傳送，可實現(xiàn)小流水線、實驗室生化、免疫等儀器間樣本架精確的傳送。已有裝備與本研究設(shè)計裝備比較見表1。通過比較可知，原（進(jìn)樣推進(jìn)裝置）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，占用空間大，無法適用狹小場地；推進(jìn)啟動較快時，因為慣性力會出現(xiàn)誤判傳送到位的風(fēng)險，對驅(qū)動裝置啟動加速度與彈簧參數(shù)具有局限性；在返程中被動模塊向上運動有撞到樣本架的風(fēng)險。本研究設(shè)計裝置（樣本架柔性進(jìn)樣推進(jìn)裝置）整體結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，占用空間較小，適用狹小場地；利用結(jié)構(gòu)偏心原理，由重力提供動力，節(jié)能環(huán)保；有無樣本架皆可返回，可以避讓樣本架，推進(jìn)效率高；樣本架精準(zhǔn)推送、安全可靠。

圖3 樣本架柔性進(jìn)樣推進(jìn)裝置的應(yīng)用

本研究設(shè)計的樣本架柔性進(jìn)樣推進(jìn)裝置經(jīng)過130 萬次的疲勞測試（等效10 年疲勞），測試結(jié)果顯示，能夠保障樣本架在進(jìn)樣過程中平穩(wěn)推進(jìn)不卡料和高精度定位，同時滿足并機(jī)疲勞測試要求如圖4 所示。

圖4 并機(jī)疲勞測試

4 總結(jié)

本研究設(shè)計樣本架柔性進(jìn)樣推進(jìn)裝置，通過對工作原理、硬件材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計的分析，建立了該裝置的結(jié)構(gòu)模型，結(jié)合軟件邏輯設(shè)計規(guī)劃工作流程，并重點對驅(qū)動裝置的運動力學(xué)進(jìn)行分析，結(jié)合轉(zhuǎn)動慣量、扭矩和安全系數(shù)校核確定了驅(qū)動裝置的參數(shù)。并機(jī)應(yīng)用及疲勞測試的結(jié)果表明，該裝置可以實現(xiàn)樣本架進(jìn)樣的平穩(wěn)推進(jìn)不卡料，同時精確傳送樣本架并可反饋信號，有效解決了樣本架精確傳送的問題。

綜上所述，樣本架柔性進(jìn)樣推進(jìn)裝置可為全自動體外診斷設(shè)備領(lǐng)域多個儀器串聯(lián)或并聯(lián)時樣本架傳送結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供參考。