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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(jì)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(gè)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(dá)到國際藥典的要求，具有重要的經(jīng)濟(jì)意義和社會意義。

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)有的藥品稱重檢測設(shè)備存在的主要問題是提供了獨(dú)立功能模塊,但不能實(shí)現(xiàn)整體的藥品稱重檢測過程,機(jī)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(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(shí)現(xiàn)了藥品單元的傳送、分撥，將藥品單元依次進(jìn)行快速稱重,對其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并及時(shí)地反饋充填效果，按需求對藥品充填機(jī)做出調(diào)整，完成了藥品檢測的整體功能。同時(shí)，該系統(tǒng)利用單點(diǎn)式稱重傳感器對單個(gè)藥品單元進(jìn)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(shí)可行的方法。

2微量藥品動態(tài)稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)

藥品稱重系統(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)快速地對藥品單元進(jìn)行微量稱重。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要問題有：1)該系統(tǒng)中稱重功能的實(shí)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(jī)構(gòu)，同時(shí)考慮到藥品單元的動態(tài)稱重過程,需要設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)需要提供該系統(tǒng)的傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，此傳動機(jī)構(gòu)需保證藥品單元在傳送過程中連續(xù)地向稱重機(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(jī)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(jī)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(jì)作為獨(dú)立的藥品單元檢測裝置，包括傳送機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及測控平臺設(shè)計(jì)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工程量較大，因此采用SolidWorks軟件對該系統(tǒng)的傳送機(jī)構(gòu)、稱重平臺等零部件進(jìn)行仿真建模。同時(shí)，利用設(shè)計(jì)零部件組裝藥品稱重系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動仿真過程，為驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性提供保證。微量藥品稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jì)流程圖

Fig.1Designflowofthemicroscalecapsuledynamicweighingsystem

 

2.1稱重機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(jī)械傳遞系統(tǒng)。傳力機(jī)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(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(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(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(yùn)算得到。同時(shí),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(diǎn)式稱重傳感器。

2.1.2藥粒稱重運(yùn)動過程及控制參數(shù)的設(shè)置

藥粒通過導(dǎo)藥管進(jìn)入到稱重系統(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)動分析：

假設(shè)單一藥品單元進(jìn)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(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(gè)藥品單元的質(zhì)量;。為藥品單元運(yùn)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(yùn)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(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程中，角度0在較短時(shí)間內(nèi)的變化近似勻速變化。可知：

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(jìn)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(shí)間t的關(guān)系式:利用MATLAB對傳感器電壓信號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)快速稱重過程中傳感器電壓信號與時(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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

藥品稱重系統(tǒng)中傳動機(jī)構(gòu)的功能是實(shí)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(shí)序連續(xù)傳送，同時(shí)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(diǎn)，傳動裝置設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)、撥藥機(jī)構(gòu)和分藥機(jī)構(gòu)組成。藥品稱重系統(tǒng)的傳送過程是成品藥品單元進(jìn)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(shí)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(jìn)行稱重。藥品單元完成稱重過程后，由撥藥機(jī)構(gòu)中的撥藥桿裝置撥下稱重平臺并進(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)量情況對分藥機(jī)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(shí)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(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(jìn)行藥品單元分隔;撥藥電機(jī)負(fù)責(zé)帶動撥藥桿的轉(zhuǎn)動,通過撥藥桿一定時(shí)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(jìn)入分藥機(jī)構(gòu);分藥電機(jī)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(jì)藥品稱重系統(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)作過程。SolidWorfcs仿真中不涉及漏藥機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真。藥品稱重系統(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，電機(jī)的運(yùn)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(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測控平臺設(shè)計(jì)

藥品稱重系統(tǒng)的測控平臺主要由2個(gè)部分來實(shí)現(xiàn)。1是基于ARM(advancedrisemachines)處理器的主控平臺;2是基于單片機(jī)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(jī)處理器的從控平臺,再由單片機(jī)處理器對傳動機(jī)構(gòu)發(fā)送控制信號。同時(shí)，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(jì)?；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(jī)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(jī)構(gòu)中的步進(jìn)式電機(jī)發(fā)送中斷信號，控制傳送機(jī)構(gòu)的工作過程m,單片機(jī)從控平臺的工作流程如圖9所示。

 

圖9單片機(jī)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(jì)

藥品稱重系統(tǒng)的人機(jī)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(shí)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(yùn)行執(zhí)行文件。人機(jī)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(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

由于藥品稱重系統(tǒng)中人機(jī)交互界面功能只需開啟藥品稱重系統(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，主界面提供了開啟功能的接口，點(diǎn)擊主界面的開啟功能按鈕將跳轉(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。