医用采血针细导管卷绕包装关键功能研制

张斌才，周大威，刘木林，何笑筱，邵君华，潘 波，郑 龙

（迈得医疗工业设备股份有限公司，浙江 台州 317607）

医疗行业里，一次性医用细导管被大量使用[1]。该管状医疗用品在出厂前都需要将其缠绕包装起来，使用时不需要再次消毒，只需拆开包装就可以使用。

目前国内还没有能实现细导管缠绕和包装的自动化设备，其卷绕包装都由工人手工完成[2-3]。手工操作容易附上病菌，往往要对工人进行严格的消毒，同时还要在无菌净化车间内进行操作，需要消耗巨大的能源和生产空间[2]。另外由于细导管的尺寸较细，手工缠绕包装的效率较低，因此亟需研发全自动细导管卷绕包装设备。

1 设备的结构及工作原理

采血针细导管通常由静脉针、细导管、针座、采血针几部分组成，如图1所示。采血针用于输液管和真空采血管的连通，细导管是血液流通的通道，静脉针用于穿刺静脉。

图1 采血针细导管实物

医用耗材产品所使用的软导管黏粘，导管壁薄，存在配件位置随机、折管率高等问题，要将其以一定的位置和形状进行包装难度大[4]。本项目通过柔性定位、多级定向、恒线速度随动、恒张力控制等技术，解决了软管在全自动包装时所需的形态固定、统一等问题，降低了耗材质量不稳定可能导致的药物输送不畅等风险。

1.1 采血针细导管整体架构

此医用软导管定型装置包括机架、水平的导轨、卷绕机械爪、送管机械爪等，如图2所示。卷绕机械爪和送管械爪分别能够夹取目标软导管的两端并将软导管拉直成与导轨相平行的直线状，导轨上滑动连接有滑动架，机架和滑动架之间设有用于驱动该滑动架沿导轨往复滑动的第一驱动机构，滑动架连接有卷绕机械手，卷绕机械手的上端能够夹取软导管的一端并有定位静脉针的作用，能够通过旋转驱动机构转动将软导管卷绕在该卷绕机械爪外侧面上。本医用软导管定型装置使卷绕机械爪和送管机械抓同步进行，通过弹簧浮动装置减缓因卷绕速度变化引起的弹力波动，从而使得软导管的张紧度处于适当状态，能够整齐地卷绕软导管，获得卷绕整齐的线圈[5]。

图2 成品采血针细导管自动卷绕整体构架

图3为成品采血针细导管自动卷绕定型装置。以静脉针手指夹为固定点，卷绕手指夹为外支撑，通过同步轮传递扭力，将导管层次分明地缠绕在绕管定型手指夹上。

图3 成品采血针细导管自动卷绕定型装置

因卷绕定型手指夹是非标准圆形，所以在卷绕时存在速度波动，影响卷绕定型效果。图4为成品采血针细导管自动送管装置。送管手指夹机械装置在滑轨滑块中有弹簧装置，当卷绕速度加快时，导管张力会增大，此时牵引送管手指夹前移，弹簧压缩；当卷绕速度减慢时，导管张力会减小，此时牵引送管手指夹后退，弹簧回弹；往复进行，从而降低卷绕的速度波动。

图4 成品采血针细导管自动送管装置

1.2 采血针细导管实施路径

1.2.1 抓取部分

先用卷绕械爪和送管机械爪夹取软导管的两端将软导管拉直，拉直后的软导管一般和导轨相平行，卷绕机械手的上端先夹住软导管的一端，同时限制住静脉针，然后卷绕机械手的下端通过旋转驱动机构转动进行卷绕。在卷绕的过程中，第一驱动机构带动滑动架沿导轨滑动，从而间接带动送管机械爪沿导轨滑动，使得卷绕机械手卷绕的同时，送管机械爪往前移送。通过伺服匹配速度，加之送管机械爪装有弹簧浮动装置，减缓因卷绕速度变化引起的弹力波动，从而使得软导管的张紧度处于适当状态，能够整齐地卷绕软导管，获得卷绕后整齐的线圈[6]。

在医用软导管定型装置中，卷绕机械爪和送管机械爪成一定角度，送管机械爪要高于卷绕机械爪，使得卷绕后的线圈沿竖直方向依次排列，且采血针始终在静脉针上方，大大提高卷绕的整齐度。

1.2.2 旋转卷绕部分

在医用软导管定型装置中，卷绕装置包括固定套、转轴、定型气缸和夹紧气缸，固定套沿竖直方向设置且其侧部固定在机架上，转轴沿竖直方向插接在固定套内且两者沿转轴的轴向定位，该转轴能够绕轴线相对固定套转动且该转轴的两端分别伸出固定套的两端面，夹紧气缸固定在转轴的上端部，夹紧气缸上有一对夹紧块，用于夹紧定位静脉针。夹紧气缸侧面有定型气缸，定型气缸上装有4根沿竖直方向设置的卷绕柱，卷绕柱相互平行且处于相同水平高度。固定套的作用是对转轴进行轴向定位，转轴在卷绕伺服的驱动下转动，从而带动卷绕柱转动，这样让软导管在卷绕柱上卷绕能够起到更好的定型效果。

2 设备的结构及工作原理

2.1 控制系统整体设计

整台设备的控制系统主要任务是输液器包装的运动控制、机械爪控制和定位控制。通过PLC（Programmable Logic Controller）控制导向伺服机构实现导管定位实时控制[6]。同时利用触摸屏进行工作过程的监控及各种模式的切换和操作。整机控制方案如图5所示。

图5 控制系统方案图

2.2 PLC控制系统

本设备整体控制系统以PLC为核心，完成气缸、伺服电机的检测控制、运动控制、封口和指示灯的控制，同时装配Proface触摸屏实现人机界面交互。核心的多级定向、柔性定位工艺通过多个磁性开关获得导管的阶段位移，同时配合点胶模块实现同步有序的导管接口装配。

整体控制系统以PLC为核心，选用了欧姆龙伺服驱动器、欧姆龙电机、Proface触摸屏、正泰电器等硬件，电气柜布局如图6所示。

图6 卷绕模块电气布局图

整机控制程序较庞大，主要分为公共程序、卷绕伺服程序和包装伺服程序等，能够实现初始化运行、软管自动夹持和位置控制、高频加热熔头磨具温度控制、故障处理等各项任务，PLC的输出控制主要是通过辅助继电器辅助实现的。

2.3 人机界面设计

本设备使用了Proface人机界面，通过与PLC的组态，能够实现设备的运行监控及操作。根据设计的实用性原则，触摸屏画面以自动伸出画面为主界面，有设定运行参数、位置参数和手动操作的按钮窗口，能够实现参数的设定以及手动操作等；并且根据设计的实用性原则，触摸屏画面还以生产画面为主界面，下设运动参数、工艺设定、模具控制等子窗口，通过按钮切换进入。主界面主要显示设备实时工况，如图7所示。

图7 人机界面主界面

3 结论

本设备通过采用多级定向、柔性定位控制传感器技术、卷绕恒线速度及恒张力同步控制系统技术，将产品卷绕成要求的外形，解决了软管在全自动包装时所需的形态固定，降低了耗材质量不稳定可能导致的药物输送不畅等风险。相比人工卷绕，解决了效率低下、卷绕形态不统一、折管率高等问题。