基于容积法的精密装药丸应用研究

刘盼，王成恩，张皓杨

1.上海智能制造功能平台有限公司，上海，201306；2.上海交通大学，上海，201306； 3.东南大学，江苏南京，211198

0 引言

装填药丸主要包括药丸的计量以及药丸的灌装两个作业，这些工序都是在组合装配机上完成。在这一操作过程中，应采用合理的计量方法以保证药丸的重量精度。

目前药丸主流的计量方法是以传统的单层计量为主的容积法，小部分采用称量法[1]。容积法是通过控制药丸的体积来控制药丸重量的一种方法[2]。容积法计量设备在药丸装配过程中广泛使用，其生产效率高，可满足大批量生产要求，速度快，但其受温度湿度影响较大，误差一般只能控制在1%左右。

本文介绍了不同定容式装药丸方法，从装药丸效率、装药丸精度等方面进行了讨论，最后介绍了一种药丸的深度检测装置，以供相关人员参考和借鉴。

1 不用定容式装药丸方法

对于密度稳定、颗粒均匀、黏附性小、不易吸潮结块、流动性好的药丸采用容积式计量方法比较合适。定容式量取方案，目前较常见的有“容杯式”“转鼓式”“螺旋式”和“活塞式”等几种方案。定容式量取的特点是量取速度快、结构简单、造价低等特点，但量取精度受温度、湿度影响较大，误差一般只能控制在2%～3%之间，无法满足药丸装配的精度要求。具体定容式装药丸如图1～4所示。

量杯式计量装置的量杯由量杯筒体和活动底盖组成，在计量过程中，活动底盖根据计量装料和排料的需要，交替地开启与关闭量杯筒体底端。

转鼓容积计量与量杯容积计量的原理相同，其计量容腔为各种形状的槽形腔体，其具有机构简单、紧凑的特点。

螺杆式计量装置，计量螺旋每转一周，就排出一个螺旋空间容积的物料。精确控制计量螺杆转角，就能精确控制物料的计量精度。

活塞式计量装置与量杯计量原理大致相同，装置结构多种，结构简单。从节约空间以及装药丸精度的方面考虑，选择转鼓式计量装置。

2 定容、定量结合式装药丸装置

由于药丸属于片装、球状或粒状的物体，计量过程中药丸粒之间存在间隙，采用容积法进行发射药丸计量就会存在药丸松装的问题[2]。针对定容式的改进措施有：①在药丸仓库及量取空间内，安装温度、湿度调节设备，尽量维持药丸温度、湿度；②增加压力装置，使药丸密度增大，从而降低密度浮动产生的误差。

定量式量取方案，目前多采用电子传感器进行称量，精度能达到千分之一以内，但通常准确量取药丸的时间在6～8s以上，效率非常低下，无法满足药丸装配系统的生产率要求。针对药丸装配系统药丸量取精度与速度的兼容问题，考虑采用定容与定量相结合的方式，以保证量取的速度和精度。首先采用定容方式量取一定量的药丸，同时利用称重传感器实时读取数值，然后利用提前训练好的神经网络实现对当前药丸重量的快速评估与下一颗重量的提前预测，随后控制器根据评估与预测值控制量杯开口的大小。原理图见图5所示。

利用转鼓与大转盘同一时间内转过相同角度实现药丸的定容与落料，电磁铁控制药丸漏斗出口的大小，称重传感器实时测量药丸重量，神经网络实时评估与预测装药丸量，并控制电磁铁。该机构既包含容积式的简单速度的特点，也满足定量式的超高精度。三维模型见图6所示。

3 装药丸单元节拍、工序、精度

3.1 装药丸单元节拍计算

仓库至漏斗落料时间最小为：

仓库至漏斗理论最大高度：

漏斗至药瓶理论定量时长：

即每个药丸的定量称量时间最大为2.75s。药丸计量时间分配示意图如图7所示。

3.2 装药丸单元工序

药丸计量工序示意图如图8所示。

3.3 定容精度与误差变化的关系曲线

该装置运用“粗-细-精”3级加料控制定量精度，理论上第4级可达超高精度，第1次定容采用转鼓式，第2-4次则采用螺杆式（螺杆直径依次减小），每次定容均需1个驱动电机。落料时间ti2逐渐缩短；称重时间ti3逐渐增大。具体定容精度与误差变化的关系曲线如图9所示。

4 药丸的深度检测装置

根据PDCA质量控制原理，装完药丸的药瓶需要对药丸量进行再次检验，以确保药丸量的准确性。药瓶内药丸面深度的高低与药丸量的多少直接相关，通过对药丸面深度的检测从而也就能检测出药丸量的多少[3]。

药丸的深度检测装置采用接触式探头和光纤传感器相结合的方式进行检测[4]，如图10所示，主要由探药丸杆、反射式光纤传感器、丛向定位传感器、探测板组成。

探药丸杆进入药瓶内部，接触到药丸面后，安装在探药丸杆上的检测块的高度与压力则反映出药丸面深度及密实度的数据，反馈并采集数据，可以判断药丸面深度高低是否合格，并在之后，药丸深剔废机构中对检测不合格品进行剔废处理，用于基于大数据的定量控制[5]。

5 结语

（1）装药丸机构适合运用定容式计量方法，但是定容式计量方法精度不够。

（2）采取定容式与定量式结合的装药丸计量方法既能够满足装药丸效率也能满足装药丸精度。

（3）通过计算该机构的节拍，预排其工序方法，计算其精度与误差变化的曲线图，得到该方案满足实际需求。

（4）通过药丸的深度检测单元采集数据为确保药丸量的正确性奠定了基础，使整个装药丸单元更完备。