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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，簡單抽樣檢測已不能滿足藥品質(zhì)量的要求，關(guān)于藥品重量、成分的檢測辦法需要不斷地提高，如何設(shè)計符合現(xiàn)代藥品生產(chǎn)質(zhì)量和效率要求的稱重檢測系統(tǒng)就成了一個亟待解決的問題。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，目前的國內(nèi)藥品生產(chǎn)系統(tǒng)中，對成品膠囊的精確稱重處于空白，開展關(guān)于微量稱重系統(tǒng)的研發(fā),對于某些貴重藥品的充填和達到國際藥典的要求，具有重要的經(jīng)濟意義和社會意義。

傳統(tǒng)的膠囊藥物生產(chǎn)由膠囊填充機填充藥粉，采用機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，進而影響藥物的實際療效?，F(xiàn)有的藥品稱重檢測設(shè)備存在的主要問題是提供了獨立功能模塊,但不能實現(xiàn)整體的藥品稱重檢測過程,機械結(jié)構(gòu)對不利于藥品單元的總質(zhì)量情況為標(biāo)準(zhǔn)，因此不能精確測量藥品單元的最小單位，造成不合格率的升高I。文獻［5］提出了膠囊成分與劑量控制關(guān)系的解決辦法，但關(guān)鍵功能單元的機械機構(gòu)未能設(shè)計實現(xiàn)。

針對以上問題，本文提出一種微量藥品單元稱重系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一種能適應(yīng)生產(chǎn)流水線的快速微量動態(tài)稱重檢測技術(shù)。微量藥品稱重系統(tǒng)實現(xiàn)了藥品單元的傳送、分撥，將藥品單元依次進行快速稱重,對其進行統(tǒng)計并及時地反饋充填效果，按需求對藥品充填機做出調(diào)整，完成了藥品檢測的整體功能。同時，該系統(tǒng)利用單點式稱重傳感器對單個藥品單元進行測量，克服了批量藥品測量過程中出現(xiàn)的藥品劑量不均問題，從而為微量藥品檢測工作提供了一種切實可行的方法。

2微量藥品動態(tài)稱重系統(tǒng)設(shè)計

藥品稱重系統(tǒng)設(shè)計的要求是實現(xiàn)藥品單元傳送功能、稱重功能及分撥功能為整體的機電系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以連續(xù)快速地對藥品單元進行微量稱重。該系統(tǒng)設(shè)計的主要問題有：1)該系統(tǒng)中稱重功能的實現(xiàn)需要適合藥品單元傳送的稱重平臺和高精度稱重傳感器組成的稱重機構(gòu)，同時考慮到藥品單元的動態(tài)稱重過程,需要設(shè)計一套完整的測控平臺及軟件算法，從而克服稱重傳感器所需靜態(tài)稱重的特性;2)該系統(tǒng)中傳送功能和分撥功能的實現(xiàn)需要提供該系統(tǒng)的傳動機構(gòu)設(shè)計，此傳動機構(gòu)需保證藥品單元在傳送過程中連續(xù)地向稱重機構(gòu)傳輸藥品單元，并使藥品單元的傳送頻率維持在藥品稱重系統(tǒng)的檢測范圍內(nèi)，為藥品單元的稱重過程提供基礎(chǔ)。因此，傳動機構(gòu)的傳動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稱重機構(gòu)的沖擊引起的測量值波動;3)藥品稱重系統(tǒng)的設(shè)計作為獨立的藥品單元檢測裝置，包括傳送機構(gòu)的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計及測控平臺設(shè)計，系統(tǒng)設(shè)計的工程量較大，因此采用SolidWorks軟件對該系統(tǒng)的傳送機構(gòu)、稱重平臺等零部件進行仿真建模。同時，利用設(shè)計零部件組裝藥品稱重系統(tǒng)的虛擬樣機來實現(xiàn)運動仿真過程，為驗證系統(tǒng)設(shè)計的準(zhǔn)確性提供保證。微量藥品稱重系統(tǒng)的設(shè)計流程如圖1所示。

 

圖1微量藥品動態(tài)稱重系統(tǒng)的設(shè)計流程圖

Fig.1Designflowofthemicroscalecapsuledynamicweighingsystem

 

2.1稱重機構(gòu)設(shè)計

2.1.1傳感器的選型

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

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

C=K₀K_tK₂K₃(W^+W)/N (1)

式中:C為單個傳感器的額定量程;密為稱重平臺自重;W幡為待測物體凈重的最大值;N為秤體所采用的支撐點數(shù)，即傳感器的個數(shù);&為保險系數(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)。

在實際應(yīng)用中，作為一般規(guī)則，可簡化為：

中或+呼WC/Vx70% (2)

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

2.1.2藥粒稱重運動過程及控制參數(shù)的設(shè)置

藥粒通過導(dǎo)藥管進入到稱重系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)中靠電機控制的轉(zhuǎn)塊裝于導(dǎo)藥管的末端。

1. 滑槽上運動分析：

假設(shè)單一藥品單元進入稱重系統(tǒng)，無系統(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程：

■ywV/²=Ep+E_t=mgR_l-u_tmgR_tcos(3)式中頃為單個藥品單元的質(zhì)量;S為滑槽上的摩擦系數(shù)；匕為藥品單元在角度。時的末速度;E,為藥品單元的機械能;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所成角度。

2.  

稱重器上的動態(tài)稱重過程的動力學(xué)模型：

藥品單元經(jīng)過滑槽后，落入稱重臺，假設(shè)滑槽末端與稱重臺連接部分相切，如圖3所示。得到藥品單元在稱重臺上的受力過程：

0-Ej=u₂FS=-u₂mg(1+sin²0)R₂d0 (6)

式中:礦為由藥品單元落入稱重臺前的動能;炎為稱重臺上稱重系數(shù);F為稱重臺對藥品單元的系統(tǒng)內(nèi)力;S為藥品單元在稱重臺的位移;m為單個藥品單元的質(zhì)量;。為藥品單元運動加速度與重力的夾角;&為假定稱重臺圓周半徑。

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方向與水平線所成角度;8為稱重臺的傾斜角度。最終得出：

3.  

稱重信號模型

由式(8)中知，藥品單元在稱重臺上的位移為:

 

如圖4所示,藥品單元在稱重臺上的位移需滿足SWL(其中心為傳感器稱重部分的規(guī)格長度)。

 

傳感器

 

圖4藥品單元稱重平臺運動過程

Fig.4Themovingprocessofthecapsuleweighingplatform

由式(7)知,稱重臺對藥粒的作用力為：

F=mg(1+sin²0) (10)

由于藥品單元在滑槽上下滑時間在0.5s左右，同時滑槽的弧度近似于90。,假設(shè)藥品單元在滑槽上下滑過程中，角度0在較短時間內(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與時間[的關(guān)系,傳感器提供的電壓信號應(yīng)正比于作用力尸信號,為了得到電壓信號V與作用力的關(guān)系式，利用定量蟲碼作為待測物體,采集了相應(yīng)的傳感器輸出信號，并利用MATLAB對電壓V與作用力F的函數(shù)關(guān)系進行擬合，如圖5所示結(jié)果。

 

圖5電壓信號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V和時間t的關(guān)系式:利用MATLAB對傳感器電壓信號V隨時間t變化的關(guān)系式進行仿真，如圖6所示。

 

圖6連續(xù)快速稱重過程中傳感器電壓信號與時間關(guān)系(理論)

Fig.6FunctionalrelationbetweenvoltagesignalVandtimetduringcontinuouscapsuleweighingprocess

 

4. 傳感器閾值的選取

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

A=如”+^dh,+九 (13)

式中:A為傳感器接收信號的最大誤差;％”為傳感器的線性檢測誤差;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。

稱重傳感器型號為SP4C3-MR,量程為3kg,根據(jù)相關(guān)技術(shù)手冊可知：

冉=±0.015V

d_hy=±0.015V (14)

T_lc=±0.017V

2.2傳動機構(gòu)設(shè)計

藥品稱重系統(tǒng)中傳動機構(gòu)的功能是實現(xiàn)藥品單元的傳送、稱重和分撥過程。保證藥品單元以設(shè)定時序連續(xù)傳送，同時避免產(chǎn)生的振動沖擊，保證藥品稱重過程的準(zhǔn)確性，從而提高藥品稱重系統(tǒng)的檢測精度。根據(jù)藥品稱重系統(tǒng)的功能特點，傳動裝置設(shè)計如圖7所示。

 

圖7稱重系統(tǒng)傳動裝置

Fig.7Transmissiondeviceofthecapsuleweighingsystem

 

2.2.1藥品稱重系統(tǒng)傳送單元

藥品稱重系統(tǒng)的傳送單元主要由漏藥機構(gòu)、撥藥機構(gòu)和分藥機構(gòu)組成。藥品稱重系統(tǒng)的傳送過程是成品藥品單元進入儲藥管后，由安裝于儲藥管邊緣的轉(zhuǎn)塊裝置控制，使藥粒按時序漏入滑槽裝置,滑槽末端連接稱重平臺，藥品單元在稱重平臺進行稱重。藥品單元完成稱重過程后，由撥藥機構(gòu)中的撥藥桿裝置撥下稱重平臺并進入分藥機構(gòu)。藥品單元進入分藥機構(gòu)中的分藥框裝置后，主控板根據(jù)藥品單元的質(zhì)量情況對分藥機構(gòu)發(fā)出控制信號，通過控制分藥框的轉(zhuǎn)動方向，完成藥品分撥過程，從而實現(xiàn)藥品單元檢測工作。

2.2.2藥品稱重系統(tǒng)動力傳輸單元

藥品稱重系統(tǒng)的動力傳輸單元由3個步進電機組成,分別是控制轉(zhuǎn)塊的漏藥電機、控制撥藥桿的撥藥電機以及控制分藥框的分藥電機。漏藥電機負(fù)責(zé)帶動轉(zhuǎn)塊的旋轉(zhuǎn),通過轉(zhuǎn)塊轉(zhuǎn)動一定角度來調(diào)節(jié)對膠囊的擠壓程度，并以轉(zhuǎn)動方向的不同來進行藥品單元分隔;撥藥電機負(fù)責(zé)帶動撥藥桿的轉(zhuǎn)動,通過撥藥桿一定時間間隔轉(zhuǎn)動固定的角度，使稱重后的藥品單元撥下稱臺并進入分藥機構(gòu);分藥電機負(fù)責(zé)帶動分藥框的轉(zhuǎn)動，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)動方向，從而將藥品單元分離。

2.3SoUdWorks仿真建模

利用SolidWorics設(shè)計藥品稱重系統(tǒng)功能需求的零部件，組裝成設(shè)計的機械系統(tǒng),配置相應(yīng)的仿真參數(shù)，模擬裝置的運作過程。SolidWorfcs仿真中不涉及漏藥機構(gòu)的運動仿真。藥品稱重系統(tǒng)的撥藥機構(gòu)和分藥機構(gòu)的控制電機是間歇運動，電機的運動形式中選擇插值算例方式，并以位移為控制變量，插值類型為線性，兩個電機的插值算例如表1所示：

表1控制電機的插值算例

Table1Interpolationexampleofcontrollingmotor

	時間/s	位移(°)	時間/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測控平臺設(shè)計

藥品稱重系統(tǒng)的測控平臺主要由2個部分來實現(xiàn)。1是基于ARM(advancedrisemachines)處理器的主控平臺;2是基于單片機的從控平臺。測控模塊的工作流程是基于ARM處理器的主控平臺通過I/O接口接收數(shù)據(jù),并對接收數(shù)據(jù)判斷,利用串口通信將控制信號發(fā)送到基于單片機處理器的從控平臺,再由單片機處理器對傳動機構(gòu)發(fā)送控制信號。同時，基于ARM處理器的交互界面調(diào)用開發(fā)的應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計?；贏RM處理器主控平臺的工作流程圖如圖8所示。

 

圖8ARM主控平臺的工作流程圖

Fig.8WorkflowchartoftheARMhostcontrolplatform

 

基于單片機處理器的從控平臺與基于ARM處理器的主控平臺以串口通信方式連接,用于接收由主控平臺發(fā)送的控制信號，從而向藥品稱重系統(tǒng)的傳送機構(gòu)中的步進式電機發(fā)送中斷信號，控制傳送機構(gòu)的工作過程m,單片機從控平臺的工作流程如圖9所示。

 

圖9單片機從控平臺的工作流程圖

Fig.9Workflowchartofmicrocontrolunitsubordinatecontrolplatform

 

2.5MiniGUI開發(fā)環(huán)境搭建及界面設(shè)計

藥品稱重系統(tǒng)的人機交互界面采用輕量級界面開發(fā)系統(tǒng)MiniGUI,克服了主控平臺資源有限的問題。用戶界面的開發(fā)步驟是在PC端搭建Linux開發(fā)環(huán)境,將實現(xiàn)藥品稱重系統(tǒng)界面程序交叉編譯生成的執(zhí)行文件下載到基于ARM處理器的主控平臺上，并運行執(zhí)行文件。人機交互界面開發(fā)流程如圖10所示。

圖10嵌入式開發(fā)流程圖

Fig.10Thedevelopmentworkflowchartofthe
embeddedsystem

MiniGUI用戶界面設(shè)計系統(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)計架構(gòu)圖

Fig.11FrameworkofGUIdesign

由于藥品稱重系統(tǒng)中人機交互界面功能只需開啟藥品稱重系統(tǒng)和統(tǒng)計藥品單元質(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，主界面提供了開啟功能的接口，點擊主界面的開啟功能按鈕將跳轉(zhuǎn)到用于統(tǒng)計藥品單元質(zhì)量情況的子界面，可以實時顯示藥品單元的數(shù)量、合格率等信息。