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1引言

隨著藥品單元生產(chǎn)的批量化和質(zhì)量要求的提髙，簡(jiǎn)單抽樣檢測(cè)已不能滿(mǎn)足藥品質(zhì)量的要求，關(guān)于藥品重量、成分的檢測(cè)辦法需要不斷地提高，如何設(shè)計(jì)符合現(xiàn)代藥品生產(chǎn)質(zhì)量和效率要求的稱(chēng)重檢測(cè)系統(tǒng)就成了一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。目前藥品的成品單元主要分為片劑、丸劑和膠囊等幾種，而其中膠囊的應(yīng)用最為廣泛。但是，目前的國(guó)內(nèi)藥品生產(chǎn)系統(tǒng)中，對(duì)成品膠囊的精確稱(chēng)重處于空白，開(kāi)展關(guān)于微量稱(chēng)重系統(tǒng)的研發(fā),對(duì)于某些貴重藥品的充填和達(dá)到國(guó)際藥典的要求，具有重要的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)意義。

傳統(tǒng)的膠囊藥物生產(chǎn)由膠囊填充機(jī)填充藥粉，采用機(jī)械式量桿控制填充藥粉體積，由于藥粉成分不同，導(dǎo)致膠囊劑量與標(biāo)準(zhǔn)劑量之間存在差異，進(jìn)而影響藥物的實(shí)際療效?，F(xiàn)有的藥品稱(chēng)重檢測(cè)設(shè)備存在的主要問(wèn)題是提供了獨(dú)立功能模塊,但不能實(shí)現(xiàn)整體的藥品稱(chēng)重檢測(cè)過(guò)程,機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)不利于藥品單元的總質(zhì)量情況為標(biāo)準(zhǔn)，因此不能精確測(cè)量藥品單元的最小單位，造成不合格率的升高I。文獻(xiàn)［5］提出了膠囊成分與劑量控制關(guān)系的解決辦法，但關(guān)鍵功能單元的機(jī)械機(jī)構(gòu)未能設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出一種微量藥品單元稱(chēng)重系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一種能適應(yīng)生產(chǎn)流水線(xiàn)的快速微量動(dòng)態(tài)稱(chēng)重檢測(cè)技術(shù)。微量藥品稱(chēng)重系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了藥品單元的傳送、分撥，將藥品單元依次進(jìn)行快速稱(chēng)重,對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并及時(shí)地反饋充填效果，按需求對(duì)藥品充填機(jī)做出調(diào)整，完成了藥品檢測(cè)的整體功能。同時(shí)，該系統(tǒng)利用單點(diǎn)式稱(chēng)重傳感器對(duì)單個(gè)藥品單元進(jìn)行測(cè)量，克服了批量藥品測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)的藥品劑量不均問(wèn)題，從而為微量藥品檢測(cè)工作提供了一種切實(shí)可行的方法。

2微量藥品動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)設(shè)計(jì)

藥品稱(chēng)重系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求是實(shí)現(xiàn)藥品單元傳送功能、稱(chēng)重功能及分撥功能為整體的機(jī)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以連續(xù)快速地對(duì)藥品單元進(jìn)行微量稱(chēng)重。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題有：1)該系統(tǒng)中稱(chēng)重功能的實(shí)現(xiàn)需要適合藥品單元傳送的稱(chēng)重平臺(tái)和高精度稱(chēng)重傳感器組成的稱(chēng)重機(jī)構(gòu)，同時(shí)考慮到藥品單元的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重過(guò)程,需要設(shè)計(jì)一套完整的測(cè)控平臺(tái)及軟件算法，從而克服稱(chēng)重傳感器所需靜態(tài)稱(chēng)重的特性;2)該系統(tǒng)中傳送功能和分撥功能的實(shí)現(xiàn)需要提供該系統(tǒng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，此傳動(dòng)機(jī)構(gòu)需保證藥品單元在傳送過(guò)程中連續(xù)地向稱(chēng)重機(jī)構(gòu)傳輸藥品單元，并使藥品單元的傳送頻率維持在藥品稱(chēng)重系統(tǒng)的檢測(cè)范圍內(nèi)，為藥品單元的稱(chēng)重過(guò)程提供基礎(chǔ)。因此，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)方式確定釆用水平上料的方式，克服垂直上料方式中藥品單元對(duì)稱(chēng)重機(jī)構(gòu)的沖擊引起的測(cè)量值波動(dòng);3)藥品稱(chēng)重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)作為獨(dú)立的藥品單元檢測(cè)裝置，包括傳送機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及測(cè)控平臺(tái)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工程量較大，因此采用SolidWorks軟件對(duì)該系統(tǒng)的傳送機(jī)構(gòu)、稱(chēng)重平臺(tái)等零部件進(jìn)行仿真建模。同時(shí)，利用設(shè)計(jì)零部件組裝藥品稱(chēng)重系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程，為驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性提供保證。微量藥品稱(chēng)重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

 

圖1微量藥品動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程圖

Fig.1Designflowofthemicroscalecapsuledynamicweighingsystem

 

2.1稱(chēng)重機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1傳感器的選型

藥品稱(chēng)重系統(tǒng)是由3部分構(gòu)成的，稱(chēng)重儀表、稱(chēng)重傳感器和稱(chēng)重平臺(tái)。其中，稱(chēng)重平臺(tái)是被稱(chēng)物體與顯示儀表間的機(jī)械傳遞系統(tǒng)。傳力機(jī)構(gòu)與稱(chēng)重平臺(tái)將物體的重量準(zhǔn)確傳遞給稱(chēng)重傳感器。再由稱(chēng)重傳感器將被測(cè)物體的重量按待定的函數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再輸出到稱(chēng)重儀表。選擇稱(chēng)重傳感器時(shí)要考慮到其靈敏度、最大分度數(shù)和最小檢定分度值等。

文獻(xiàn)［6-8］說(shuō)明了傳感器數(shù)量的選擇一般與秤體的支撐點(diǎn)數(shù)相一致，但也有根據(jù)最大量程等方式來(lái)確定的，當(dāng)然還要考慮稱(chēng)重平臺(tái)的自身重量，產(chǎn)生的最大偏載及動(dòng)載等相關(guān)因素。在實(shí)際的使用中，秤體受到以下因素影響，如自重、皮重、偏載、振動(dòng)沖擊等。經(jīng)驗(yàn)證，得到以下公式：

C=K₀K_tK₂K₃(W^+W)/N (1)

式中:C為單個(gè)傳感器的額定量程;密為稱(chēng)重平臺(tái)自重;W幡為待測(cè)物體凈重的最大值;N為秤體所采用的支撐點(diǎn)數(shù)，即傳感器的個(gè)數(shù);&為保險(xiǎn)系數(shù)，一般取1.2~1.3；K為沖擊系數(shù);&為秤體的重心偏移系數(shù)％為風(fēng)壓系數(shù)。

在實(shí)際應(yīng)用中，作為一般規(guī)則，可簡(jiǎn)化為：

中或+呼WC/Vx70% (2)

式中：70%的量化系數(shù)即是綜合考慮振動(dòng)、沖擊、偏載等因素運(yùn)算得到。同時(shí),藥品稱(chēng)重系統(tǒng)屬于微量稱(chēng)重，所需額定量程較小且需有較高的靈敏度及測(cè)量精度3”】?？紤]到體積影響因素和要求“貫，擬選德國(guó)HBM公司的SP4C3-MR系列單點(diǎn)式稱(chēng)重傳感器。

2.1.2藥粒稱(chēng)重運(yùn)動(dòng)過(guò)程及控制參數(shù)的設(shè)置

藥粒通過(guò)導(dǎo)藥管進(jìn)入到稱(chēng)重系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)中靠電機(jī)控制的轉(zhuǎn)塊裝于導(dǎo)藥管的末端。

1. 滑槽上運(yùn)動(dòng)分析：

假設(shè)單一藥品單元進(jìn)入稱(chēng)重系統(tǒng)，無(wú)系統(tǒng)外力及非保守力做藥品單元做功，經(jīng)導(dǎo)藥管及轉(zhuǎn)塊控制落入到滑槽中，如圖2所示。得到藥品單元的受力過(guò)程：

■ywV/²=Ep+E_t=mgR_l-u_tmgR_tcos(3)式中頃為單個(gè)藥品單元的質(zhì)量;S為滑槽上的摩擦系數(shù)；匕為藥品單元在角度。時(shí)的末速度;E,為藥品單元的機(jī)械能;E.為摩擦力做功;&為滑槽的半徑;0為藥品單元位置與水平線(xiàn)所成角度。

2.  

稱(chēng)重器上的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重過(guò)程的動(dòng)力學(xué)模型：

藥品單元經(jīng)過(guò)滑槽后，落入稱(chēng)重臺(tái)，假設(shè)滑槽末端與稱(chēng)重臺(tái)連接部分相切，如圖3所示。得到藥品單元在稱(chēng)重臺(tái)上的受力過(guò)程：

0-Ej=u₂FS=-u₂mg(1+sin²0)R₂d0 (6)

式中:礦為由藥品單元落入稱(chēng)重臺(tái)前的動(dòng)能;炎為稱(chēng)重臺(tái)上稱(chēng)重系數(shù);F為稱(chēng)重臺(tái)對(duì)藥品單元的系統(tǒng)內(nèi)力;S為藥品單元在稱(chēng)重臺(tái)的位移;m為單個(gè)藥品單元的質(zhì)量;。為藥品單元運(yùn)動(dòng)加速度與重力的夾角;&為假定稱(chēng)重臺(tái)圓周半徑。

由給定。的范圍，可以得出：

<-02

mgR_t(2-%+U]Sin%)=j2u₂mg(1+sin²0)/?₂d0

(7)式中:％為藥粒在滑槽模塊速度的切線(xiàn)方向與水平線(xiàn)所成角度;8為稱(chēng)重臺(tái)的傾斜角度。最終得出：

3.  

稱(chēng)重信號(hào)模型

由式(8)中知，藥品單元在稱(chēng)重臺(tái)上的位移為:

 

如圖4所示,藥品單元在稱(chēng)重臺(tái)上的位移需滿(mǎn)足SWL(其中心為傳感器稱(chēng)重部分的規(guī)格長(zhǎng)度)。

 

傳感器

 

圖4藥品單元稱(chēng)重平臺(tái)運(yùn)動(dòng)過(guò)程

Fig.4Themovingprocessofthecapsuleweighingplatform

由式(7)知,稱(chēng)重臺(tái)對(duì)藥粒的作用力為：

F=mg(1+sin²0) (10)

由于藥品單元在滑槽上下滑時(shí)間在0.5s左右，同時(shí)滑槽的弧度近似于90。,假設(shè)藥品單元在滑槽上下滑過(guò)程中，角度0在較短時(shí)間內(nèi)的變化近似勻速變化?？芍?/span>

0(t)=5.5t (11)

因此，由式(10)和式(11)中作用力F與時(shí)間[的關(guān)系,傳感器提供的電壓信號(hào)應(yīng)正比于作用力尸信號(hào),為了得到電壓信號(hào)V與作用力的關(guān)系式，利用定量蟲(chóng)碼作為待測(cè)物體,采集了相應(yīng)的傳感器輸出信號(hào)，并利用MATLAB對(duì)電壓V與作用力F的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行擬合，如圖5所示結(jié)果。

 

圖5電壓信號(hào)V與作用力F函數(shù)關(guān)系擬合

Fig.5FittingresultoffunctionalrelationsbetweenvoltagesignalVandforceF

 

由擬合結(jié)果可知，傳感器電壓信號(hào)y與作用力f的函數(shù)關(guān)系為：

V=187.5F-0.0978 (12)

因此，由式(10).(11)和(12)推出電壓信號(hào)V和時(shí)間t的關(guān)系式:利用MATLAB對(duì)傳感器電壓信號(hào)V隨時(shí)間t變化的關(guān)系式進(jìn)行仿真，如圖6所示。

 

圖6連續(xù)快速稱(chēng)重過(guò)程中傳感器電壓信號(hào)與時(shí)間關(guān)系(理論)

Fig.6FunctionalrelationbetweenvoltagesignalVandtimetduringcontinuouscapsuleweighingprocess

 

4. 傳感器閾值的選取

根據(jù)SP4C3-MR稱(chēng)重傳感器的技術(shù)參數(shù)，可知其對(duì)接收電壓信號(hào)的誤差公式：

A=如”+^dh,+九 (13)

式中:A為傳感器接收信號(hào)的最大誤差;％”為傳感器的線(xiàn)性檢測(cè)誤差;4,為傳感器的滯后誤差;孔.為傳感器的溫度靈敏度系數(shù)的值。

稱(chēng)重傳感器型號(hào)為SP4C3-MR,量程為3kg,根據(jù)相關(guān)技術(shù)手冊(cè)可知：

冉=±0.015V

d_hy=±0.015V (14)

T_lc=±0.017V

2.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

藥品稱(chēng)重系統(tǒng)中傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的功能是實(shí)現(xiàn)藥品單元的傳送、稱(chēng)重和分撥過(guò)程。保證藥品單元以設(shè)定時(shí)序連續(xù)傳送，同時(shí)避免產(chǎn)生的振動(dòng)沖擊，保證藥品稱(chēng)重過(guò)程的準(zhǔn)確性，從而提高藥品稱(chēng)重系統(tǒng)的檢測(cè)精度。根據(jù)藥品稱(chēng)重系統(tǒng)的功能特點(diǎn)，傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)如圖7所示。

 

圖7稱(chēng)重系統(tǒng)傳動(dòng)裝置

Fig.7Transmissiondeviceofthecapsuleweighingsystem

 

2.2.1藥品稱(chēng)重系統(tǒng)傳送單元

藥品稱(chēng)重系統(tǒng)的傳送單元主要由漏藥機(jī)構(gòu)、撥藥機(jī)構(gòu)和分藥機(jī)構(gòu)組成。藥品稱(chēng)重系統(tǒng)的傳送過(guò)程是成品藥品單元進(jìn)入儲(chǔ)藥管后，由安裝于儲(chǔ)藥管邊緣的轉(zhuǎn)塊裝置控制，使藥粒按時(shí)序漏入滑槽裝置,滑槽末端連接稱(chēng)重平臺(tái)，藥品單元在稱(chēng)重平臺(tái)進(jìn)行稱(chēng)重。藥品單元完成稱(chēng)重過(guò)程后，由撥藥機(jī)構(gòu)中的撥藥桿裝置撥下稱(chēng)重平臺(tái)并進(jìn)入分藥機(jī)構(gòu)。藥品單元進(jìn)入分藥機(jī)構(gòu)中的分藥框裝置后，主控板根據(jù)藥品單元的質(zhì)量情況對(duì)分藥機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號(hào)，通過(guò)控制分藥框的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，完成藥品分撥過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)藥品單元檢測(cè)工作。

2.2.2藥品稱(chēng)重系統(tǒng)動(dòng)力傳輸單元

藥品稱(chēng)重系統(tǒng)的動(dòng)力傳輸單元由3個(gè)步進(jìn)電機(jī)組成,分別是控制轉(zhuǎn)塊的漏藥電機(jī)、控制撥藥桿的撥藥電機(jī)以及控制分藥框的分藥電機(jī)。漏藥電機(jī)負(fù)責(zé)帶動(dòng)轉(zhuǎn)塊的旋轉(zhuǎn),通過(guò)轉(zhuǎn)塊轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度來(lái)調(diào)節(jié)對(duì)膠囊的擠壓程度，并以轉(zhuǎn)動(dòng)方向的不同來(lái)進(jìn)行藥品單元分隔;撥藥電機(jī)負(fù)責(zé)帶動(dòng)撥藥桿的轉(zhuǎn)動(dòng),通過(guò)撥藥桿一定時(shí)間間隔轉(zhuǎn)動(dòng)固定的角度，使稱(chēng)重后的藥品單元撥下稱(chēng)臺(tái)并進(jìn)入分藥機(jī)構(gòu);分藥電機(jī)負(fù)責(zé)帶動(dòng)分藥框的轉(zhuǎn)動(dòng)，接收主控板的指令，根據(jù)藥粒的重量信息,判斷分藥框的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，從而將藥品單元分離。

2.3SoUdWorks仿真建模

利用SolidWorics設(shè)計(jì)藥品稱(chēng)重系統(tǒng)功能需求的零部件，組裝成設(shè)計(jì)的機(jī)械系統(tǒng),配置相應(yīng)的仿真參數(shù)，模擬裝置的運(yùn)作過(guò)程。SolidWorfcs仿真中不涉及漏藥機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真。藥品稱(chēng)重系統(tǒng)的撥藥機(jī)構(gòu)和分藥機(jī)構(gòu)的控制電機(jī)是間歇運(yùn)動(dòng)，電機(jī)的運(yùn)動(dòng)形式中選擇插值算例方式，并以位移為控制變量，插值類(lèi)型為線(xiàn)性，兩個(gè)電機(jī)的插值算例如表1所示：

表1控制電機(jī)的插值算例

Table1Interpolationexampleofcontrollingmotor

	時(shí)間/s	位移(°)	時(shí)間/s	位移(°)
1	0.20	90	0.00	0
2	0,40	90	0.30	0
3	0.60	180	0.50	90
4	0.80	180	0.70	90
5	1.00	270	0.90	180

 

2.4測(cè)控平臺(tái)設(shè)計(jì)

藥品稱(chēng)重系統(tǒng)的測(cè)控平臺(tái)主要由2個(gè)部分來(lái)實(shí)現(xiàn)。1是基于ARM(advancedrisemachines)處理器的主控平臺(tái);2是基于單片機(jī)的從控平臺(tái)。測(cè)控模塊的工作流程是基于ARM處理器的主控平臺(tái)通過(guò)I/O接口接收數(shù)據(jù),并對(duì)接收數(shù)據(jù)判斷,利用串口通信將控制信號(hào)發(fā)送到基于單片機(jī)處理器的從控平臺(tái),再由單片機(jī)處理器對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)送控制信號(hào)。同時(shí)，基于ARM處理器的交互界面調(diào)用開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。基于ARM處理器主控平臺(tái)的工作流程圖如圖8所示。

 

圖8ARM主控平臺(tái)的工作流程圖

Fig.8WorkflowchartoftheARMhostcontrolplatform

 

基于單片機(jī)處理器的從控平臺(tái)與基于ARM處理器的主控平臺(tái)以串口通信方式連接,用于接收由主控平臺(tái)發(fā)送的控制信號(hào)，從而向藥品稱(chēng)重系統(tǒng)的傳送機(jī)構(gòu)中的步進(jìn)式電機(jī)發(fā)送中斷信號(hào)，控制傳送機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程m,單片機(jī)從控平臺(tái)的工作流程如圖9所示。

 

圖9單片機(jī)從控平臺(tái)的工作流程圖

Fig.9Workflowchartofmicrocontrolunitsubordinatecontrolplatform

 

2.5MiniGUI開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建及界面設(shè)計(jì)

藥品稱(chēng)重系統(tǒng)的人機(jī)交互界面采用輕量級(jí)界面開(kāi)發(fā)系統(tǒng)MiniGUI,克服了主控平臺(tái)資源有限的問(wèn)題。用戶(hù)界面的開(kāi)發(fā)步驟是在PC端搭建Linux開(kāi)發(fā)環(huán)境,將實(shí)現(xiàn)藥品稱(chēng)重系統(tǒng)界面程序交叉編譯生成的執(zhí)行文件下載到基于ARM處理器的主控平臺(tái)上，并運(yùn)行執(zhí)行文件。人機(jī)交互界面開(kāi)發(fā)流程如圖10所示。

圖10嵌入式開(kāi)發(fā)流程圖

Fig.10Thedevelopmentworkflowchartofthe
embeddedsystem

MiniGUI用戶(hù)界面設(shè)計(jì)系統(tǒng)的架構(gòu)如圖11所示。

MiniGUI應(yīng)用程序

 

底層硬件

 

圖11界面設(shè)計(jì)架構(gòu)圖

Fig.11FrameworkofGUIdesign

由于藥品稱(chēng)重系統(tǒng)中人機(jī)交互界面功能只需開(kāi)啟藥品稱(chēng)重系統(tǒng)和統(tǒng)計(jì)藥品單元質(zhì)量情況，因此界面結(jié)構(gòu)采

用主界面和單層子界面的形式，如圖12所示。其中，主界面提供了開(kāi)啟功能的接口，點(diǎn)擊主界面的開(kāi)啟功能按鈕將跳轉(zhuǎn)到用于統(tǒng)計(jì)藥品單元質(zhì)量情況的子界面，可以實(shí)時(shí)顯示藥品單元的數(shù)量、合格率等信息。