一次性注射器生产设备中分步式拧杆旋瓶机构的研发设计

唐湘祁

（上海华东制药机械有限公司，上海201323）

0 引言

近年来，一次性注射器作为慢性病病人的自治和自救工具被广泛应用，一次性注射器产品携带和使用方便，病人自己或亲友经简单学习就可使用，省去医院就诊的麻烦。然而，一次性注射器市场竞争激烈，制药企业为了保持产品销量的稳定增长，就要不断降低生产成本，提高生产效率。

在一次性注射器产品的生产设备中，拧杆机至关重要，市场上现有的拧杆机速度在150～180瓶/min。若一味提高拧杆速度，在快速旋转冲击力的作用下，注射器内的胶塞会产生位移或旋转，导致出现以下问题：（1）胶塞位移，把药水推出一次性注射器，使得产品装量出现偏差；（2）胶塞旋转产生微粒，异物进入药品中，影响产品质量。

本文将介绍新近研发的分步式拧杆旋瓶机构，该机构的拧杆力矩单独可调，可以很好地解决上述问题，整机运行速度可达320～350瓶/min，且运行稳定、可靠。

1 一步式拧杆旋瓶机构

一次性注射器瓶如图1所示，其由三个部分组成：拧杆、胶塞、注射器瓶组件（简称药瓶）。

图1 一次性注射器瓶的组成

在药瓶内灌好药液，加好胶塞的同时，针头及针头盖已封好。拧杆机的任务就是把拧杆旋入药瓶内的胶塞中。

从图1可知，拧杆下端是一个φ6mm×4.4mm的螺纹，上端是φ12.5mm的圆柄，中间是一个φ8mm的十字架形结构，拧杆旋入胶塞的有效深度是4.4mm（大约为4圈螺丝长度）。拧杆运动由两部分合成，一是拧杆向下移动，二是药瓶作旋转运动，合成就是拧杆运动。

图2为拧杆运动示意。圆形旋瓶驱动辊紧贴药瓶外圆并有一定弹性，驱动辊一直旋转，药瓶外圆与驱动辊从接触到离开，药瓶绕机器回旋中心公转3.15°左右。以药瓶等分盘20等分、拧杆速度180支/min计算，旋转3.15°需要的时间T=60s÷[（180支/min÷20支/圈）×（360°/3.15°）]=0.058333s。

图2 拧杆运动示意

圆形旋瓶驱动辊与药瓶外径的直径比：44.2 mm/10.7mm≈4.13。

拧杆下端的螺纹长度为4.4mm，大约为4圈螺纹长度。理论而言，驱动辊转一圈基本上可以把拧杆旋入胶塞中，但考虑到摩擦打滑等因素，要乘以一个系数，这个系数暂定为1.2。那么，驱动辊要在0.058333s内旋转1.2圈，得出驱动辊的旋转速度V=1s÷0.058333s×1.2圈×60s≈1234r/min。

由于按照上述计算得出的驱动辊这么高的速度是很难精确控制拧杆旋速、力矩与位置精度的，因而要想再提高拧杆旋瓶机构产量几乎不可能。可以说，单驱动辊拧杆机构的180支/min产量已是极限。

2 分步式拧杆旋瓶机构

基于上述问题，新近研发的分步式拧杆旋瓶机构把拧杆动作分解成11个步骤，驱动辊的旋转速度由1234r/min降为256r/min左右，而且这款拧杆机构的每个驱动辊紧贴药瓶的力矩与接触时间单独可调。

因此，旋瓶时间可以做到前长后短，旋瓶力矩可以做到前大后小。当旋杆快旋转到位时，需要的力矩很小，且速度很慢，这样就不会对胶塞的位置精度产生影响，也不会因拧杆速度太快带动胶塞旋转产生微粒。

其中，驱动辊是由伺服电机驱动的，速度无级可调，满足任何拧杆速度要求，产量可提高到320～350支/min。

2.1 分步式拧杆旋瓶机构的结构组成

图3为分步式拧杆旋瓶机构的结构示意。其由1安装板支架、2伺服电机、3主同步带轮、4双面齿同步带、5小同步带轮、6万向节、7旋瓶杆、8定向块、9定向套、10调整螺丝、11支撑滑轴、12支撑板、13摆座固定板、14摆座、15摆块、16旋瓶轮、17螺栓轴承、18凸轮、19调节弹簧、20调整螺丝、21安装板、22小带轮轴、23大带轮等组成。

图3 分步式拧杆旋瓶机构的结构示意

所有零件都固定在安装板上，安装板由3个安装支架支撑并连接固定为一体，伺服电机通过主同步带轮、双面齿同步带与小同步带轮活络连接，小同步带轮固定在小带轮轴下端，小带轮轴与安装板活络连接，小带轮轴上端通过万向节与旋瓶杆下端活络连接，定向套套在旋瓶杆上且固定在定向块滑槽中，可通过调整螺丝作前后调节，支撑滑轴前端与摆座固定板固定并与支撑板活络连接，摆座与摆座固定板固定，摆座与摆块活络连接，螺栓轴承固定在摆座固定板前端并紧贴在凸轮外圆曲面上，旋瓶轮与旋瓶杆上端固定，凸轮固定在大带轮上端。

2.2 分步式拧杆旋瓶机构的工作原理

主电机启动，动力传至大带轮，整机运转，凸轮与大带轮固定为一体作旋转运动，凸轮外圆设计成与拨盘等分一样多的凹凸曲面，凹面对准拨轮凹槽处，每个凹槽处有一支药瓶，当凹槽（即药瓶）旋转到旋瓶轮处时，旋瓶轮在调节弹簧的推力下紧贴药瓶外圆，旋瓶轮旋转且与药瓶产生的摩擦力则带动药瓶作旋转运动，拧杆在其他动力作用下向下移动，两个运动的合成即为拧杆运动。

旋瓶轮的旋转运动动力则是由伺服电机提供。伺服电机启动，伺服电机动力通过主同步带轮、双面齿同步带传给小同步带轮，小同步带轮与小带轮轴是固定连接的，小带轮轴则通过万向节与旋瓶杆活络连接，旋瓶杆上端则与旋瓶轮固定连接，动力由小同步带轮通过小带轮轴、万向节、旋瓶杆传给旋瓶轮。其间，伺服电机速度快，旋瓶轮的旋转速度则快。由于伺服电机由PLC控制，速度参数根据要求可作任意修改，所以此旋瓶拧杆机构可匹配任何主机速度。

2.3 分步式拧杆旋瓶机构的调节方法

2.3.1 拧杆力矩的调节

此拧杆机构的拧杆方式为分步式拧杆，共分为11个旋瓶轮，每个旋瓶轮的旋瓶力矩都可以单独调节。旋瓶杆与旋瓶轮是可以左右摆动的，摆动的动力来自于凸轮外圆凹凸曲线和调节弹簧共同作用下推动螺栓轴承左右移动。螺栓轴承左右移动推动了支撑滑轴和摆座固定板、摆座、摆块、旋瓶杆、旋瓶轮左右移动。

拧杆力矩的调节方法：调整螺丝旋转，压缩调节弹簧，推动支撑滑轴、摆座固定板、摆座、摆块和螺栓轴承紧靠凸轮，旋瓶杆和旋瓶轮在摆块的作用下向药瓶靠紧，在摩擦力的作用下带动药瓶作旋转运动。

调节弹簧压缩得越多，则旋瓶轮与药瓶的摩擦力矩越大，反之则越小。

2.3.2 拧杆时间的调节

旋转调整螺丝，使旋瓶杆与旋瓶轮向左或向右摆动，其摆动角度由调整螺丝的调节量决定，旋瓶轮向右摆动得越多，其旋瓶轮与药瓶接触的时间就越长，反之则越短，以此调节拧杆时间，提高拧杆合格率。

但是，旋瓶轮与药瓶接触的时间长短是有限制的，最长（最佳）时间即药瓶绕机器回旋中心公转3.15°左右所需的时间。

2.3.3 旋瓶轮旋转速度的计算

旋瓶轮与药瓶外圆从接触到离开，药瓶绕机器回旋中心公转3.15°左右。以药瓶等分盘20等分、拧杆速度350支/min计算，旋转3.15°需要的时间T=60s÷[（350支/min÷20支/圈）×（360°/3.15°）]=0.03s。

旋瓶轮与药瓶外径直径比为40mm/10.7mm=3.74。

拧杆下端的螺纹长度为4.4mm，大约为4圈螺纹长度，分为11个步骤，每步约为0.4圈，但考虑到摩擦打滑等因素，要乘以一个系数，这个系数暂定为1.2，那么旋瓶轮要在0.03s内旋转0.4÷3.74×1.2≈0.128圈，得出旋瓶轮的旋转速度V=1s÷0.03s×0.128圈×60s≈256r/min。

因此，旋瓶轮旋转速度从一步式拧杆旋瓶机构的1234r/min降为256r/min，而生产速度从180支/min提高到350支/min。

3 结语

上述分步式拧杆旋瓶机构突破了旋瓶速度对产量的限制，而且各旋瓶点的拧杆力矩、拧杆时间可根据实际生产需要单独任意调节。若整机速度提高，利用PLC控制的伺服电机的速度可相应自动提高，有效保证拧杆质量。

目前，分步式拧杆旋瓶机构已经完成了样机制造，从样机试车的效果来看，各项技术性能指标基本达到设计要求，生产速度稳定在340瓶/min，产品合格率达到了99.9%。