自动枪头装盒设备的设计及开发研究*

崔雅琦，张 娜，田淮仲，禹晓瑛，邢玉薪，杨 艳

(1.太原科技大学 化学与生物工程学院，山西 太原 030024；2.太原科技大学 机械工程学院，山西 太原 030024；3.太原科技大学 经济与管理学院，山西 太原 030024)

0 引言

移液枪是生物、制药、环境、食品等工程实验操作过程的必备操作器材之一，由于其具有量程精确、无菌、操作简便等特点得到广泛应用。在具体实验操作过程中，移液枪的枪头使用效率较高，且多为一次性耗材用品。为保证实验过程的无菌性、操作便捷性等，需要实验操作人员提前手动装盒并高压灭菌，因此，配套枪头盒的预准备工作成为实验操作人员必须完成的一项繁琐且耗时的工作。

目前Eppendorf公司、上海生物工程有限公司、苏品公司等均生产有无酶无热原盒装枪头产品，但是价格高；同时这一类原装枪头在产品制造、运输等过程中，不可避免地会出现成本上升、有机垃圾排放等现实问题，使其较难得到大众实验室的认可。

融合传统机械制造与现代智能创新技术，着力于移液枪的实际使用过程，本文开发了一款占地面积小、操作方便的小型智能移液枪头装盒设备。

1 装盒设备机械结构整体设计

1.1 装盒设备外观设计

本设备具有箱体小巧、关键装配部件层次感强、滑杆推动配件圆滑等特点。设备主体为台式机，机体尺寸为500 mm×400 mm×500 mm；箱体制作材料选用ZG230-450；内部主件材料为PA66聚酰胺树脂。

1.2 枪头装盒方式的设计

枪头转移和分配是本设备的核心操作环节。其中设计对象——移液枪枪头的特点为：旋转体式特殊定向结构，枪头顶部为六棱形竖向筋条，下部为圆锥型吸嘴(见图1)。不同型号枪头特征尺寸见表1。

表1 不同型号枪头尺寸 mm

图1 枪头与枪头盒

枪头盒品种较多，以海门市峰益实验器材厂10 μL枪头对应吸头盒为例，其具体尺寸为：孔数量96个，排布规格(8×12)。对比其他型号枪头盒，发现不同型号枪头盒尺寸均不同(见表2)，但是排布规则。

表2 不同型号枪头盒尺寸 mm

2 具体装盒方案及关键部件设计

该装盒设备的主要工作组件为传送驱动组件、电机驱动组件、枪头分选组件及智能数控板。

2.1 装盒方案

完整的装盒原理及流程如图2所示，可分为以下五步:①枪头倒入箱体上部料斗盒，启动电机；②履带移动，重力分选，在合适的振动频率下，枪头沿履带传送方向滑动，当移动到末端时受阻力作用，枪头依次单层排列，并滑落于滑筒；③枪头滑落至出口处，由传感器检测插入式夹板移动坐标点，等待下一步；④移动杆末端有多个具有弹性的锥形收集槽，锥形收集槽下出口小，且有弹性，移动杆移动到长滑道处，滑落运动使枪头掉落至锥形槽内，传感器感应枪头排列及底部盒底沟信号后，移动杆定位至枪盒上方，推送杆下压枪头，使其坠落到盒体内，完成一次装盒；⑤传感器检测，待全部装完，启动下方履带，将装满枪头的盒体送出。

图2 自动装盒工作原理及流程

2.2 部件结构设计

该设备包括以下关键系统：枪头筛选装置、枪头截流缓冲装置、枪头自动装盒装置以及整机自动控制系统等。箱体(图3(a))内部安装有电动机、减速器、控制装置，可为整个装置提供动力；设备安装两个传感器，分别控制履带和推送杆的运动。

2.2.1 整机传动组件

整机外观为铸造箱体，箱体上部进料口处安装有枪头分离履带及分离挡板；挡板下方由多个圆形滑道(图3(b))和倾斜滑筒(图3(c))组成；滑筒出口处为可更换型插板(图3(d))，用于收集各滑道分别滑落的枪头；箱体中下部还装配有枪头插入装置，由移动杆(图3(e))和推送杆(图3(f))组成；箱体底部为盒体传送履带(图3(g))。

2.2.2 插板设计

插板为枪头筛选组件中的核心元件，如图3(d)所示,材质为聚丙烯(PP)，通过注塑法制造而成。因枪头规格不同，插板齿深及齿宽的规格相应有所不同。其中，不同型号插板的三角形滑道之间最小距离略大于该型号插板所要分离的枪头的最大直径，并小于枪头盒孔间隔。插板安装在设备中下端，其上端连接滑筒，承接滑筒内出现的单排枪头，下端衔接推送杆。

图3 整机传动组件

3 装配动作效率及时间效率分析

在正式运行时，枪盒以及枪头的自动供料都可以在装盒过程中的操作时间内提前完成，所以在装盒操作中不考虑供料时间。操作时间主要由气缸的速度决定，设备选取速度为50 mm/s的升降气缸。

以96孔枪头盒为例，根据装盒操作的先后顺序进行装盒时间估算。

预估计装满一排的时间为7.1 s，8排需要56.8 s，加上枪头整理以及人工放置和卸下枪头盒的时间，装满一盒约耗时60 s。经过人工装盒试验测得手工装盒最快为180 s，即该自动装盒设备相比人工装盒效率提高66.7%以上。装配动作时间见表3。需要指出的是，装配开始后，操作流程中存在并行操作，实际操作时，每一排枪头装配周期并非完全是表3中所有时间的和。

表3 装配动作时间

4 结语

本文以96孔枪头盒中移液枪枪头的自动装盒为研究对象，主要进行设备设计及模拟装盒计算。与现有设备相比，该设备具有以下明显优势：①自动化程度高，以电机为核心，通过履带、滑筒、滑槽、插板、插杆等协调组合，完成整个枪头装盒操作；②人性化设计，不仅避免了人工装盒造成的时间与精力浪费，且避免了成包销售枪头在人工装盒过程中造成的污染，以及成盒销售枪头在生产过程中产生的资源浪费等问题；③功能性强，本设备适应不同型号枪头，且体积小巧，一键式操作，能在绝大部分生化、医疗、食品及环境等领域投入使用；④价格相对较低，应用推广性强。