張化強(qiáng)，王韶龍，李新東，程智超，布俊豪

河南駝人醫(yī)療器械研究院有限公司智造工程部 （河南長(zhǎng)垣 453400）

留置針又稱套管針，由穿刺針、穿刺針軟管、針柄、止液夾、隔離塞、延長(zhǎng)管和肝素帽組成[1-2]，主要被用于護(hù)理人員對(duì)患者的護(hù)理過程，可減少護(hù)理人員的日常工作量，減輕頻繁靜脈穿刺給患者帶來的痛苦[3-4]。在使用過程中，護(hù)理人員需要先將留置針的穿刺針和穿刺針軟管一同刺入患者靜脈，此過程對(duì)穿刺針軟管熔頭的長(zhǎng)度和外形要求極高，既不能過長(zhǎng)，又不能過短，且應(yīng)保證熔頭斷面整齊無毛刺，穿刺針軟管外表面光滑無雜亂紋路[5-6]，該要求給留置針的自動(dòng)化熔頭帶來了極大的挑戰(zhàn)。目前，操作人員多采用單獨(dú)的熔頭裝置進(jìn)行留置針軟管熔頭，包括熔頭模具和加熱裝置。此種熔頭裝置自動(dòng)化程度較低，需要操作人員實(shí)時(shí)操作，且不具備合格品檢測(cè)功能，需要后期單獨(dú)檢測(cè)，導(dǎo)致操作人員工作量增大，效率變低，不能進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)[7-8]。

本研究設(shè)計(jì)的留置針自動(dòng)熔頭系統(tǒng)采用可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）實(shí)現(xiàn)對(duì)留置針的自動(dòng)熔頭生產(chǎn)，并且對(duì)留置針的上料、涂覆硅油、熔頭、視覺檢測(cè)及下料等工序進(jìn)行協(xié)同控制，操作人員只需將擺盤裝好待熔頭的留置針產(chǎn)品放于自動(dòng)上、下料設(shè)備中，由熔頭系統(tǒng)的機(jī)械手實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上料功能，進(jìn)而完成對(duì)留置針熔頭、檢測(cè)等一系列工序。該熔頭系統(tǒng)極大地提高了留置針生產(chǎn)的自動(dòng)化程度，節(jié)約了人力成本；此外，該系統(tǒng)配備視覺檢測(cè)系統(tǒng)，可甄別不良品并對(duì)不良品單獨(dú)下料，減少了后期檢測(cè)人員的工作量，進(jìn)一步提高了生產(chǎn)效率。

1 系統(tǒng)的工作原理

留置針自動(dòng)熔頭系統(tǒng)采用的是轉(zhuǎn)盤式設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，且轉(zhuǎn)盤式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，可最大限度地利用生產(chǎn)空間。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)見圖1，如圖所示，轉(zhuǎn)盤上設(shè)有8個(gè)工位，每個(gè)工位上可放置6個(gè)產(chǎn)品，當(dāng)進(jìn)行留置針熔頭時(shí)，共包含8個(gè)生產(chǎn)工序，分別為留置針上料、涂覆硅油、硅油吹干、熔頭、碎屑吹除、視覺檢測(cè)、殘次品下料及合格品下料。該系統(tǒng)采用PLC 進(jìn)行控制，可控制各個(gè)工位的運(yùn)行，且PLC 適應(yīng)多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)，具有極高的穩(wěn)定性[9-10]。

圖1 留置針自動(dòng)熔頭系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

留置針自動(dòng)熔頭系統(tǒng)的主要生產(chǎn)工序?yàn)闄C(jī)械手從上料設(shè)備的托盤上夾取6支留置針放于熔頭系統(tǒng)的工位上，然后轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)工位上的留置針進(jìn)行涂硅油，使熔頭時(shí)固定針能夠插拔順暢，不至于損壞產(chǎn)品；待硅油涂完后，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)至下一工位，將表面和內(nèi)部多余的硅油吹去，然后進(jìn)行熔頭；熔頭時(shí)，固定針穿入留置針軟管內(nèi)，采用高頻加熱對(duì)熔頭模具進(jìn)行加熱，將留置針在模具中加熱，然后轉(zhuǎn)動(dòng)固定針，切除頂端多余的熔頭部分，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)到下一工位，吹去留置針軟管端部的碎屑，接下來進(jìn)行視覺檢測(cè)，檢測(cè)留置針的熔頭效果，對(duì)不合格品進(jìn)行標(biāo)記，在下一工位將不合格品下料，最后在下料工位，機(jī)械手夾取合格品放于上、下料設(shè)備的產(chǎn)品托盤上，留置針的熔頭工序結(jié)束。在自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，各個(gè)工位同步運(yùn)行，保證留置針熔頭系統(tǒng)以最大的效率進(jìn)行生產(chǎn)。系統(tǒng)的工作原理見圖2。

圖2 留置針自動(dòng)熔頭系統(tǒng)的工作原理

熔頭工位的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖3，如圖所示，當(dāng)有料的工位轉(zhuǎn)動(dòng)至熔頭工位時(shí)，向PLC 發(fā)出信號(hào)，PLC 接收到信號(hào)后啟動(dòng)熔頭工位的高頻熔頭主機(jī)，對(duì)熔頭模具進(jìn)行預(yù)熱，將6個(gè)工位模具的溫度升至預(yù)設(shè)溫度；同時(shí)，由電機(jī)帶動(dòng)模組將固定針穿入留置針軟管內(nèi)，此時(shí)，底部伺服電機(jī)帶動(dòng)熔頭模具上升，對(duì)軟管進(jìn)行熔頭，完成后進(jìn)行冷卻，冷卻方式為水冷卻和吹氣冷卻，冷卻完成后，由氣缸帶動(dòng)齒條及齒輪，使固定針轉(zhuǎn)動(dòng)，由于針頂部為整齊的平面，轉(zhuǎn)動(dòng)后會(huì)將軟管的頭部切除，之后上、下兩個(gè)電機(jī)復(fù)位，熔頭工序完成，轉(zhuǎn)盤繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3 熔頭工位的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2 系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)與分析

留置針自動(dòng)熔頭系統(tǒng)的軟件部分主要涉及PLC 程序編寫及觸摸屏操作界面設(shè)計(jì)。PLC 具有極高的穩(wěn)定性和可靠性，可適應(yīng)較復(fù)雜的工藝生產(chǎn)流程，本研究選用歐姆龍的PLC 實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)；此外，在工業(yè)生產(chǎn)中，需要對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行操作控制，常采用觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，此次采用威綸通的觸摸屏實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的操作界面設(shè)計(jì)。觸摸屏操作界面包括主界面、各工位手動(dòng)調(diào)試界面、單工位測(cè)試界面、報(bào)警界面及生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)界面等，可通過點(diǎn)擊不同的界面控制對(duì)應(yīng)的裝置進(jìn)行動(dòng)作。

留置針自動(dòng)熔頭系統(tǒng)的主界面見圖4，如圖所示，主界面主要顯示熔頭系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)及生產(chǎn)狀況；此外，可在該界面進(jìn)行生產(chǎn)變更，更改產(chǎn)品型號(hào)、批號(hào)及班次。操作人員可通過主界面直觀地了解熔頭系統(tǒng)的整體運(yùn)行狀況和生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量，且可通過主界面跳轉(zhuǎn)至其他界面進(jìn)行操作。

圖4 留置針自動(dòng)熔頭系統(tǒng)的主界面

留置針自動(dòng)熔頭系統(tǒng)的手動(dòng)調(diào)試界面見圖5，如圖所示，該界面的設(shè)計(jì)是為了對(duì)各個(gè)工位進(jìn)行分別調(diào)試，選擇相應(yīng)的工位進(jìn)入各工位的手動(dòng)界面，可對(duì)工位中的每個(gè)氣缸、電機(jī)進(jìn)行單獨(dú)控制動(dòng)作，方便調(diào)試；點(diǎn)擊界面右上角“返回”按鈕可回到系統(tǒng)主界面。

圖5 留置針自動(dòng)熔頭系統(tǒng)的手動(dòng)調(diào)試界面

留置針自動(dòng)熔頭系統(tǒng)的單工位測(cè)試界面見圖6，如圖所示，該界面設(shè)有熔頭系統(tǒng)各個(gè)工位單循環(huán)按鈕，按下工位運(yùn)行按鈕，對(duì)應(yīng)的工位將單獨(dú)運(yùn)行，與其他工位不相干涉，當(dāng)各個(gè)工位均處于原位狀態(tài)時(shí)，即對(duì)應(yīng)工位的指示燈亮起時(shí)，可操作轉(zhuǎn)盤電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖6 留置針自動(dòng)熔頭系統(tǒng)的單工位測(cè)試界面

留置針自動(dòng)熔頭系統(tǒng)的實(shí)時(shí)OEE 界面見圖7，OEE 即自動(dòng)化系統(tǒng)綜合效率，是實(shí)際生產(chǎn)能力與理論生產(chǎn)能力的比值，可直觀地體現(xiàn)一臺(tái)自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效率[11]。

圖7 留置針自動(dòng)熔頭系統(tǒng)的實(shí)時(shí)OEE 界面

留置針自動(dòng)熔頭系統(tǒng)的實(shí)時(shí)合格率界面見圖8，如圖所示，該界面可直觀地顯示熔頭系統(tǒng)的整體合格率和6個(gè)工位各自對(duì)應(yīng)的合格率，若運(yùn)行中系統(tǒng)的合格率降低，則可通過該界面了解到造成合格率降低的原因，便于進(jìn)行調(diào)試改善。

圖8 留置針自動(dòng)熔頭系統(tǒng)的實(shí)時(shí)合格率界面

3 系統(tǒng)的熔頭效果

留置針自動(dòng)熔頭系統(tǒng)采用的熔頭原理為高頻熔頭技術(shù)，通過高頻熔頭主機(jī)產(chǎn)生高頻電流，對(duì)熔頭模具進(jìn)行加熱，且6個(gè)熔頭模具配有單獨(dú)的溫控系統(tǒng)，可分別控制模具的溫度，以保證熔頭效果。對(duì)模具進(jìn)行加熱后，留置針軟管進(jìn)入模具，熔頭后迅速進(jìn)行冷卻，使軟管頭部快速成型，然后旋轉(zhuǎn)芯棒將軟管頭部熔頭封閉部分切除，使剩余的軟管長(zhǎng)度符合產(chǎn)品規(guī)定的要求。

6個(gè)熔頭模具的溫度曲線見圖9，如圖所示，熔頭系統(tǒng)停機(jī)時(shí)模具溫度在20 ℃左右，接近車間的環(huán)境溫度，開機(jī)后，加熱系統(tǒng)啟動(dòng)，預(yù)熱至60 ℃，待產(chǎn)品到達(dá)熔頭工位，模具開始加熱，溫度迅速升至230～240 ℃（每個(gè)模具熔頭效果最好的溫度不同，可通過各自的溫控器進(jìn)行調(diào)節(jié)），升溫完成后，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行熔頭，熔頭0.1～0.2 s 后開始第1次冷卻，冷卻方式為水冷卻和吹氣冷卻共同冷卻，提高冷卻速度，待冷卻至切割溫度時(shí)（切割溫度在160 ℃左右），產(chǎn)品內(nèi)的芯棒轉(zhuǎn)動(dòng)，將產(chǎn)品頭端切斷，留下合適的軟管長(zhǎng)度，切割完成后，模具迅速降至室溫，熔頭工序完成[12-13]。

圖9 熔頭模具的溫度曲線

視覺檢測(cè)的實(shí)時(shí)圖像見圖10，如圖所示，每個(gè)產(chǎn)品均有對(duì)應(yīng)的相機(jī)攝像頭進(jìn)行視覺檢測(cè)，產(chǎn)品的檢測(cè)項(xiàng)主要包含穿刺針軟管長(zhǎng)度、切割邊緣整齊度、有無飛邊毛刺及切割邊緣寬度，可通過顯示屏直觀地觀察產(chǎn)品合格與否及出現(xiàn)不合格品的原因，便于操作人員進(jìn)行調(diào)試。

圖10 視覺檢測(cè)的實(shí)時(shí)圖像

各個(gè)工位的實(shí)時(shí)合格率見圖11，如圖所示，可通過觸摸屏查看各熔頭工位的合格率，并對(duì)合格率較低的工位進(jìn)行調(diào)試；通過觀察圖中的合格率，發(fā)現(xiàn)各個(gè)工位的合格率均在90%以上，系統(tǒng)的整體合格率在96%以上，表明該熔頭系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)中具有較高的合格率，可極大地提高生產(chǎn)效率，改善產(chǎn)品的統(tǒng)一性。

圖11 各個(gè)工位的實(shí)時(shí)合格率

4 小結(jié)

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了留置針上料、熔頭、檢測(cè)及下料的全自動(dòng)生產(chǎn)，采用轉(zhuǎn)盤形式進(jìn)行工位循環(huán)，保證了生產(chǎn)效率；運(yùn)用高頻熔頭技術(shù)進(jìn)行留置針軟管熔頭，精確地控制熔頭溫度和時(shí)間，提升了熔頭效率和熔頭合格率，節(jié)約了生產(chǎn)所需的人力成本；熔頭完成后采用攝像頭進(jìn)行視覺檢測(cè)，檢測(cè)精度高，速度快，可快速、準(zhǔn)確地甄別不良品，并實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)數(shù)據(jù)，便于操作人員進(jìn)行調(diào)試，同時(shí)，視覺檢測(cè)減少了人工檢測(cè)的工作量；最后采用機(jī)械手臂進(jìn)行產(chǎn)品上、下料，實(shí)現(xiàn)了精確上、下料?？傊?，本研究設(shè)計(jì)的留置針自動(dòng)熔頭系統(tǒng)可提高留置針熔頭生產(chǎn)效率和合格率。