医用滤芯自动组装设备的设计

钱学俊

摘 要：当今世界，医疗行业越来越注重生产过程的无人化、信息化和可追溯性。随着工业及信息技术的发展，越来越多的新技术、新概念、新思维被灌输到生产过程中，各行各业都掀起了一股研发热潮。在这样的大背景下，医疗行业也蓬勃发展，得益于大量的研发投入，某些医疗设备更是可以称为科技与智慧的结晶。任何加工医疗产品的设备都离不开研发、试制、最终投入运行这样一个过程。这一过程也是信息时代下工业化生产的缩影。本文以一种典型医疗产品的制造设备研发为例，简明扼要地阐述了信息化、智能化、自动化的精益生产在机械行业的作用。

关键词：医用滤芯;自动组装设备;智能化;自动化;信息化

中图分类号：TU834.8文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）08-0064-04

Design and Research of Automatic Assembly Equipment for Medical Filter

QIAN Xuejun

（Shanghai Chentie Industrial Automation Technology Co.， Ltd.，Shanghai 201600）

Abstract： In today's world， the medical industry is paying more and more attention to the unmanned， informatized and traceable production processes. With the development of industry and information technology， more and more new technologies， new concepts and new thinking are instilled into the production process， and all industries have set off a wave of research and development. Against this background， the medical industry is also booming， thanks to a large amount of R & D investment， some medical equipment can be called the crystallization of technology and wisdom. Any equipment for processing medical products is inseparable from the process of research and development， trial production， and final operation， which is also the epitome of industrialized production in the information age. This paper took the development of a typical medical product manufacturing equipment as an example， and briefly explained the role of the role of informatization， intelligence， and automation of lean production in the machinery industry.

Keywords： medical filter element;automatic assembly equipment;intellectualization;automation;informatization

医疗设备作为人们日常接触比较多的一种常用设备，被广泛应用于疾病的治疗、检查、预防中。医疗设备具有多样性和复杂性，有的与人体直接接触，有的间接作用于人体，所以对此类设备的设计、生产过程、管理和工作效率都有较高的要求。在一些高、精、尖的项目研发中，核心技术一般是买不来的，医疗呼吸机滤芯领域既是如此，国外主流生产设备已经朝自动化、智能化、信息化发展。由于受到产品结构特殊性的制约，目前，国内生产以人工生产为主，这样必然导致人力成本偏高，效率低下，所以同类产品也就缺乏国际竞争力[1]。同时，人工生产不能满足卫生检验要求，导致国内此类滤芯的市场环境越来越萎缩。针对这种情况，我国企业只有通过自主创新才能掌握核心技術，从而摆脱目前的困境。

受国内某知名医疗设备企业的委托，上海辰铁工业自动化科技有限公司承接了某新型呼吸机核心过滤器及其制造设备的研制。同类产品过去一直采用人工生产方式，效率低，质量不稳定，国际竞争力低[2]。所以，客户对新设备提出了很高的要求，即设备运行要实现自动化和信息化，产品精度高。作为主管工程师及项目负责人，笔者独立完成了此项目的前期技术论证、后期试验等工作，克服了所有技术难题，最终成功研发出国际领先的拥有自主知识产权的生产设备。

1 总体设计

如图1所示，本研究设计的医疗呼吸机过滤器由4种不同构件组成，其分别为主体套筒、滚花片材、光片材和卷绕芯棒。

1.1 传统工艺

在工艺制定的初始阶段，通过大量的市场调查，人们发现现行的生产以手动为主，产品在短时间内容易出现上锈现象，其间存在产品松紧度在加工中不一致、生产效率低、卫生要求不达标等问题，产品合格率低，生产设备未实现自动化、智能化和信息化，现有工艺无法客户的技术要求。通过内部会议，上海辰铁工业自动化科技有限公司决定研发具有自主知识产权的新工艺来提升质量、提高效率。传统的手工生产设备如图2所示，需要手工旋转来实现生产，效率极其低下，5 min才能生产一个产品，质量也不能很好地控制。

1.2 材料的选择

在材料的选择阶段，笔者初步选用普通的铝合金做主体套筒，用普通304片材作为过滤片材中的光片材和滚花片材。在初次的耐腐蚀试验中，样品的耐腐蚀和力学性能未能达到客户要求，通过试验，笔者选择含Ni（镍）更高的18-10医用不锈钢材料，主体套筒采用高强度的7075铝合金，通过试验，其各方面性能满足客户的需求。

1.3 新设备工艺布局的提出

通过分析客户诉求及传统工艺的不足，上海辰铁工业自动化科技有限公司探索出一种智能化、自动化、信息化的改造工艺。

1.3.1 智能化。项目初始阶段，客户要求设备能够生产不同型号的产品。所以，在确定工艺时，必须将不同型号产品切换的方便性作为关键指标，通过讨论，最终采用触摸屏控制的方法，实现设备的智能切换。

1.3.2 自动化。设备必须实现自动生产，不能进行人为干预。在一次加好材料后，设备即可以自动生产，自动供料、自动焊接、自动卷绕计算长度等过程不需要人为干预，并且具有异常报警、缺料报警等功能。

1.3.3 信息化。生产数量、合格率、不良數量等信息能够通过上位机上传到ERP系统，实现设备与整个生产系统的信息交换，为订单排配提供实时数据支持。

2 详细设计

如图3所示，设备大致分成6个部分。它们采用从左向右的运行顺序：上下各一个料盘供料—到滚花—经过裁切刀—经过焊接部分—张紧压轮—自动卷绕部分。

2.1 操作控制屏

操作控制屏采用三菱7寸触摸屏，设置7个物理按钮，控制设备的基本运行，7个按钮分别是急停、原点、启动、停止、复位、自动、手动。

急停按钮是在任何突发情况下对机器实施停止的功能按钮，用来保护人员安全和设备安全的按钮。原点按钮是设备无论在哪个部位非正常停机都可以回到初始位置的按钮，通常需要长按3 s才能开始动作。启动按钮是用来启动自动生产用的。停止按钮供正常停机使用。复位按钮可以解除出错的报警信息。自动和手动按钮用来切换设备的运行模式。

2.2 料盘

料盘共2个，分为上料盘和下料盘。材料使用卷料设计，利用料盘的形式供料容易实现自动化生产。料盘采用轻质的5 mm厚的亚克力板，人们可以用肉眼观察到余料的状况。同时，上下料盘采用统一的尺寸标准，节约了设计成本。需要注意的是料盘对工作台面的绝缘问题（因为焊接会产生电压和电流），所以人们在图3中可以看到很多绝缘电木板设计。

2.3 滚花

滚花模具是产品成型的最关键部分，人们在具体设计的过程要考虑三点，即滚花轮设计（见图4）、材料选择、加工要求。一是滚花要求为高度0.7 mm的等边三角形，通过计算，设定滚花轮的轴中心距离为61 mm，滚花轮采用伺服电机精准控制，为供料长度、滚轮运行的平稳性提供保障。驱动齿轮选择计算：间距[d=mz]=61，即取1 m，61齿非标齿轮。二是滚轮的材料对耐磨性要求很高，其又要有较高的强度，所以选择SKD11高强度模具钢，采用表面碳氮共渗处理，HRC60°。三是由于滚轮有很高的要求，所以在热处理后采用高精度慢走丝加工。

2.4 双料带切刀

带在最后加工完成后需要自动切断，并且末端切断长度不同，所以此处需要设置两把切刀来实现该功能。切刀布置不能相隔太远，否则会造成操作不方便、设备不紧凑。经讨论，上下切刀共用一把中间刀片，上下刀片各由一个气缸带动，气缸通过程序可以分开分时动作。刀片上下安装在T形槽内，间隙可以微调，刀片材料使用SKD11淬火，HRC60°，实际裁切毛刺高度小于0.05，切口平整，如图5所示。

如图6所示，刀片刀口有5°的斜度，有效降低裁切时的阻力，也确保了裁切质量。刀片采用T形槽结构，有利于快速更换。

剪切力的计算公式为：

[F=S×σ]                                     （1）

式中，[F]为剪切力，N;[S]为截面积，mm2;[σ]为屈服强度，Pa。

材料厚度为0.1 mm，材料宽度为38 mm，屈服强度约为300 MPa。由式（1）计算可得，[F]=0.1×38×300=1 140 N。

由上剪切力F推出，剪切气缸的力必须大于1 140 N才能确保将材料切断。经查阅资料，标准气缸用缸径63 mm的可以达到1 500 N，能够满足这一要求，但同时也要对气缸及气压进行检算。

缸径为63 mm，气压为0.5 MPa。经计算，气缸推力[F缸]=3.14×（63/2）2×0.5≈1 585.8 N。所以，通过以上计算，最终确定选择缸径63 mm的SMC品牌气缸，工作气压保持在0.5～0.6 MPa。

2.5 焊接部分

由于两条料带最终要与芯棒焊接在一起进行卷绕，所以研发小组经过讨论采用脉冲式点焊机，该焊接形式具有无耗材损耗、冷却速度快等优点，且低电压在生产时无安全隐患，对人体无伤害，对环境也无破坏。

2.6 卷绕部分

卷绕部分即是将焊接好的芯棒送到卷绕机构里进行卷绕，具体就是由一根卷绕轴来实现此功能，如图7所示。主齿轮通过电机驱动并带动从动齿轮，从动齿轮与卷绕轴通过键槽连接在一起并可以同时旋转，从而带动芯棒旋转，卷绕轴同时又可以通过芯棒顶紧气缸做左右移动的动作，从而顶紧芯棒，整个结构简单可靠。

3 设计效果

通过前期的努力，原型机顺利装配调试完成，各个功能部分均已经实现，并且满足了设计要求，受到了客户的肯定。设备的劳动强度得到了很大的改善，产品质量与卷绕的紧实度一致，客户在肯定的同时也提出了不少的改进建议。

4 后续改进之处

4.1 滚花轮的外径加工问题

在此批量生产后发现有些片材在滚花时有跑偏的现象，通过测量分析发现滚轮外径在加工时有轻微锥度（0.03 mm）的原因导致，在对加工过程严格控制使两端差异缩小到0.005 mm以内，并且对料带设置伺服自动导向结构，可以自动修正料带偏移量，通过改进后此现象得到消除。

4.2 智能化与自动化的进一步提升

在实际生产中，客户提出了进一步优化智能化的要求，即智能化与信息化联合控制，在系统下达生产指令后，设备能够实现自动换型的功能，从而减少人为操作失误。生产过程中还有人为干预的现象，如换料，未能实现全自动状态，后续通过增加辅助送料装置等争取实现全自动生产。

4.3 自动润滑系统的改进

由于设备的部分机械部件有机械磨损，初始阶段设计时采用人工定期保养的方式，通过一段时间的运行发现操作人员会经常忘记保养或者不能有效保养，所以需要对设备进行润滑油系统的自动化改造。

4.4 消毒及包装方式的改进

产品在生产出来后还需要经过消毒包装处理，目前利用人工统一拿到消毒柜进行处理，消毒完成后再进行人工包装，存在二次污染的可能。客户要求产品从设备生产出来后直接自动送到特制的消毒流水线，线体采用密闭的紫外线加高温消毒方式，并且能够自动包装，防止二次污染。

5 结论

此设备很好地融合了传统工艺与最新的自动控制技术，结构上能够大胆创新，制作上精益求精。生产效率由原来的5 min一个产品缩短到2 min左右，长度控制精度达到0.2 mm以内，完全可以媲美国外同类产品，得到了客户的好评。设备的研发成功大大地解放了重复枯燥的人力劳动，很好地将信息技术运用到生产中，使得生产过程得到有效的记录和监控，保证了较低的不良率，防止不良产品的流出。同时，本设计还有一些待改进之处，相信通过不断的改进，本公司一定会制造出更加完美的设备，服务客户和社会。

参考文献：

[1]李伟.我国医疗机械行业的发展现状以及未来趋势[J].科技论坛，2013（5）：63.

[2]方天成.医疗器械行业的发展现状及其趋势分析[J].文化商业，2012（11）：41-43.