药品瓶包装检测装置设计

孙怀远周玉栋廖跃华

（1.上海医疗器械高等专科学校，上海 200093；2.上海理工大学医疗器械学院，上海 200093）

药品瓶包装检测装置设计

孙怀远1，2周玉栋2廖跃华1

（1.上海医疗器械高等专科学校，上海 200093；2.上海理工大学医疗器械学院，上海 200093）

药品有多种多样剂型，其中液体制剂采用瓶包装是非常广泛的，而包装质量的检测也是非常严格和关键的。根据设计方法学有关基本概念，分析药品瓶包装检测装置的设计定位，从基于机器视觉技术的检测原理与结构分析出发，叙述了检测装置的总体设计与技术方案，介绍了主要工作部件的结构设计，指出药品瓶包装检测装置的特点与应用。

瓶包装；检测装置；结构；设计

液体药物制剂生产过程中，瓶包装非常广泛，也有许多检测环节，如：药液装量、封口、批号、标签等检测或监控。长时期以来，药品生产企业基本都采用人工灯检和目测的方法，工人劳动强度大，生产效率低，而且很容易造成检测结果不稳定、甚至不准确。随着计算机技术的发展，数字图像处理的理论和方法不断完善,利用机器视觉实现产品质量无接触自动检测的技术已逐渐变得切实可行, 为此，我们根据设计方法学中有关设计定位的基本概念，以机械产品开发性设计类型为前提[1]，将设计创新和技术创新相结合[2]，分析药品瓶包装检测的需求定位、功能定位及性能定位，将机器视觉技术应用于瓶包装检测，设计了药品玻璃瓶包装检测装置，以实现液体药品生产的快速、自动检测与控制，解决目前采用的人工灯检和目测方法所带来的诸多技术问题。

1 检测原理与结构分析

基于机器视觉技术的检测装置的理论结构逻辑可归纳为“图像获取→图像处理→决策判断→执行操作”，这是所有视觉传感系统的普遍原理及运行依据[3]。由此，药品玻璃瓶包装检测装置的工作原理可用图1表示，其流程为：传送带对玻璃包装瓶进行传送，当包装瓶通过传感器时，输出一个脉冲信号来控制图像采集单元抓拍图像。获取的图像传输给监控操作系统进行分析和运算,经“比对”后做出判断：正常情况，玻璃包装瓶随传送带继续前进并进入下一工位；如发现问题，则剔除单元执行监控操作系统的命令，将“不合格”瓶剔除,从而实现瓶包装成品和次品的检测、分拣工作。

从上述流程可见，药品玻璃瓶包装检测装置总体结构应包括：动力与传动机构、传送带、相机组件、光源组件、传感组件、剔除机构、监控操作系统等单元。根据检测使用要求及多种方案的比较，充分考虑结构形式、空间尺寸、部件相对位置、可靠操作等人机工程设计理念[4-5]，从产品的整体性质和功能出发,综合、权衡整体和各组成要素及各组成要素之间的相互作用和相互关系[6],本设计采用框架与模块组合形式，使装置结构简单、装拆与维护方便、速度调节及控制容易。

图1 药品瓶包装检测装置原理

2 总体设计与技术方案

根据上述结构分析，药品玻璃瓶包装检测装置结构布局如图2所示。实现上述流程所采取的技术方案如下：

图2 药品瓶包装检测装置总体布局

机架组件1中安置传动机构12和传送带3，传送带3由调速电机8驱动传动机构12带动，其运行速度通过调速器7进行调节。为了能对传送带3的松紧进行调节，在机架组件1后端设计传送带张紧调节部件2。CMOS数字相机13通过调节杆14安装于机架组件1右侧中部，与之配合的背光红光光源5则安装于机架组件1左侧。为了提高抓拍图像的质量，可通过光源调节器4调节光亮、或通过调节杆14对相机13的位置进行调节。为能进行实时检测和监控，本设计选用OMORN反射型传感器（由光电触发器15与反射板6组成），分别安装于机架组件1左右两侧（如图2所示），如此，当传送带3上的玻璃包装瓶在光源5和相机13之间通过时，同时触发传感器，使相机13抓拍图像并传输给监控操作系统11进行分析、运算，并做出判断。为了实现瓶包装成品和次品的检测、分拣工作，在机架组件1前部设计安装了剔除机构10和集瓶盘9。而整个玻璃瓶包装检测装置的监控操作系统11则设于机架组件1前端的右侧，并可相对于机架组件1移动。

3 主要部件设计

3.1 机架组件

机架组件是玻璃瓶包装检测装置的主体部件，完成输瓶工作的传送带就装在其上。根据其位置与功能，机架组件由机架主体及支承部分组成，如图3所示。机架1左右侧板由垫板5连接成整体结构，并通过前后连接板7、2安装于前后支脚28和23上。为了便于张紧调节部件（图2中2）对传送带进行松紧调节，在机架1后端开有调节槽4，以使传送带张紧调节辊前后移动。支承板6用螺钉固定在机架前部右侧，用于安装剔除机构（图2中10）。为了实现对相机位置的调节，在机架1中部右侧设有调节座9，用于安装调节杆（图2中14），从而可带动相机上下、左右移动寻找抓拍图像的最佳位置。

图3 机架组件原理图

3.2 动力与传动机构

动力与传动机构是药品玻璃瓶包装检测装置完成正常工作的保障。根据工作原理及装置结构分析，确定传动机构设计思路：电机通过减速器驱动主动轴旋转，然后通过结构简单、传动平稳及无噪声的同步带传动使传送带辊筒转动[7]。图4所示为传动装置原理图，动力经由减速器2，通过主动轴7、同步带轮9、同步带6、以及辊筒4（其上也装有同步带轮），使传送带（图4中未示出）实现预期运动。而传送带辊筒4则通过芯轴5装在机架（图3中1）两侧板前端的安装孔中。

3.2.1 电机选择

本设计用于液体药品玻璃瓶包装检测，属于低速轻载运行装置，根据技术方案和电机产品选型思路，选用功率较小的YN90-90型调速电机（90 W，50 Hz，1300 r/min）为动力源，通过电子调速器实现传送带速度调节、缓慢加减速、电子制动等功能。

图4 传动机构原理图

3.2.2 传送带运动分析计算

根据生产能力要求，液体药品玻璃瓶包装检测装置每分钟检测120瓶，设瓶间距为200 mm，传送带辊筒直径为80 mm，则：

传送带最大速度：v =120×0.2=24 (m/min)；

传送带辊筒转速为：n = 24×1000 / (π×80) = 95.5(r/min)。

设同步带传动比为1，则主动轴（减速器输出轴）转速亦要求为95.5 r/min，由此选择减速比为13的标准减速器对YN90-90型调速电机进行减速，使减速器输出轴的转速为1300/13=100 (r/min)，从而实现检测装置120瓶/min的生产能力要求。

图5 张紧调节部件原理图

3.3 张紧调节部件

在工作过程中，由于各种原因，有时传送带会发生松弛现象，所以，必须设计有松紧调节部件。根据本装置设计定位及传送带传动方案，采用简单的螺旋调节法，其原理如图5所示。传送带一端套在张紧辊3上（另一端套在传送带辊筒上，见图4中4），张紧辊通过辊轴4装在机架（图3中1）两侧板的调节槽（图3中4）中。为了实现传送带的松紧调节，在辊轴4两头的孔中设计装有两根调节螺杆2，而螺杆另一头则插在机架（图3中1）后端折边的孔中，并通过调节螺母1使张紧辊3前后移动，改变传送带主从动辊间的中心距，从而使传送带的松紧程度得到调节。

4 结束语

药品瓶包装检测装置采用模块组合形式，结构简洁、装拆与调整容易、维护方便，可半自动、亦可组装在线使用，操作简单；应用机器视觉技术实现玻璃瓶包装的药液量、批号、标签以及封口的无接触自动检测与控制。通过实验样机试验表明，设计方案合理，生产效率高、工人劳动强度低、工作过程平稳、检测结果准确稳定，能实现药品生产的快速、自动检测与监控。因此，药品瓶包装检测装置是药品自动生产及包装中试过程选型的理想产品，该装置体现的应用技术是药品生产企业实现计算机集成控制和数字化管理的基础技术。

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[5] 周燕玲. 试论产品造型的极限设计趋向[J]. 包装工程, 2008,29(6): 171-173.

[6] 李靓, 许正蓉, 赵亮. 复杂产品设计方法的分类研究[J]. 机械设计, 2008, 25(3): 1-3, 32.

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Design of Detection Apparatus for Drug Bottle Packaging

Sun Huaiyuan1，2Zhou Yudong2Liao Yuehua1
( 1. Shanghai Medical Instrumentation College Shanghai, 200093 2. Medical Instrumentation College, University of Shanghai for Science and Technology Shanghai, 200093)

There are varieties of medicaments, in which bottle-packaging is applied for liquid medicament very widely. However, the detection of package quality is strict and pivotal. Based on the fundamental concept of design methodology, the design of detection device for pharmaceutical bottle-packaging was analyzed in this paper. With respect to the principle of machine vision technology and structural analysis, the general design and technical scheme of detection device was described, the structural design for main parts was introduced and the characteristics and application of bottle-packaging detection device were presented.

bottle-packaging; detection device; structure; design

TQ460. 6+9

A

1008-455X(2010) 06-0028-03

2010-09-20

孙怀远（1962—），男，硕士，副教授，研究方向：制药机械设计及检测技术。

Tel:021-65485551×3420 E-mail：shy62123@163.com