预灌封注射器作为一种新型的注射器， 药液直接灌装在注射器中，使用十分方便。它的生产流程一般是注射器针管成型、 退火、插针、清洗硅化、装巢、消毒灭菌、成品库等几个工序。 目前， 预灌封注射器生产线主要由 BD 公司、INOVA 公司、 博世集团、 Groninger 公司等几大公司生产[1]，但是他们供应的生产线中注射器针管成型机、 装针机、 清洗灭菌机、 灌装机都是独立的， 这就造成在注射器针管成型、清洗硅化工序完成以后需要工人首先对自己双手以及夹持注射器针管的夹具进行严格的消毒与灭菌，然后人工把无菌的注射器半成品放到蜂窝状的托盘中，效率较低， 工人的劳动强度较大。

针对注射器装巢工序中存在的问题与不足， 开发注射器针管自动装巢机就变得十分的必要与迫切，为了实现玻璃注射器自动装入蜂窝状托盘中，笔者设计了注射器针管数控装巢机， 它能够提高注射器针管摆放效率、降低人工劳动强度， 满足注射器安全、 高效、 无污染的生产。

1 工作原理与参数计算

1.1 工作原理

数控装巢机主要包括以下几个部分： 机床床身、 落料机构、 工作台运行机构、 数控系统、 动力源等。数控装巢机的工作原理是装巢机的伺服机构在数控系统的控制下带动工作台按照程序预定轨迹运行到落料机构的出料口，然后落料机构再把注射器针管从进料口送到出料口下放到蜂窝状托盘的巢孔中，然后工作台与落料机构重复上述动作实现自动装巢，X 、Y工作台采用脉冲加方向的控制方式。

1.2 参数计算

数控装巢机的技术指标：

(1)X 轴工台行程 380mm;

(2)Y 轴工作台行程 350mm;

(3)机床运行速度 3m/min， 加速度不小于 0.3 m/s2。针对上面的技术要求， 对于电机的控制我们采用位置控制模式，我们知道在伺服电机控制中方向和转角的控制较简单， 但是速度控制是很复杂的，在设计时需要计算发送脉冲的频率。

为了使电机在运行中不出现失步或超步的现象，控制脉冲的频率一般要小于(或等于)电机的响应频 [2]。 一个静止的电机不可能一下子稳定到较高的工作频率， 一般来说， 升频的时间约为0.1~1s 之间。同样， 在降速时也不可能马上就停下来。因此，在控制的过程中运行速度我们采用 T 型曲线模式即升速—恒速—降速—停止模式。由于托盘 X 方向相邻两个巢孔的间距为 18.5mm， Y 方向相邻两个巢孔的间距为16.5mm，这就要求精确计算装巢机每走一个工步 PLC 定位模块发送脉冲的数量、最高速度下发送脉冲的频率以及加速度计算。

选用 DVP12SC11T型号的PLC作为控制核心，该型号PLC内部集成定位模块，该定位模块速度走梯形曲线，加速和减速时是同样斜率，加速和减速阶段分成十段来完成，通过分析上面计算结果与 PLC 定位模块的性能， 我们可以绘制速度 T 型曲线图如图 1 所示， 由图 1我们可以得到加速度和减速时间都是 0.1s，脉冲最高发送频率为 100000Hz。

2 设计方案

设计方案采用 PLC 为数控系统的核心控制器件， 机械部分采用龙门式结构与 X 、 Y 工作台的形式实现注射器针管的自动装巢。为了实现托盘与落料机构的相对直线往返运动，将落料机构固定在龙门上，托盘放置在工作台上， 由工作台带动托盘作直线往返运动; 落料机构采用旋转电磁铁带动旋转机构旋转， 实现注射器针管下放。

3 机械部分设计

数控装巢机所要实现的是将送料机构送来的注射器针管逐个装入托盘巢孔中。其机械结构装配图如图 3 所示。X 轴电机 5 通过联轴器带动 X 轴丝杠运动， 然后带动X 轴工作台 2 运动， 由于 X 、 Y 轴组成一个十字滑台机构，所以它们一起运动，当需要 Y 轴运动时 Y 轴电机 6 通过联轴器带动 Y 轴丝杠运动， 从而使 Y 轴工作台运动， 由于托盘是固定在 Y 工作台 3 上， 所以工作台的运动使托盘的巢孔到达落料机构出料口下方， 实现巢孔准确运动到落料机构出料口。 落料机构1是通过旋转电磁铁带动落料桶中的旋转架旋转拨动注射器针管使其从落料口落下。

4 硬件电路设计

装巢机的控制部分主要是 PLC 控制伺服电机带动工作台运动，以及控制旋转电磁铁带动落料机构运动实现落料。在装巢机电路 设计中定位控制是关键，我们选用台达公司DVP12SC11T 型号的 PLC 作为控制核心， DVP12SC11T 型号的 PLC 为 12 点 (8 输入点、 4 输出点)PLC 主机并具有高速脉冲输入 (X10、 X11)及输出 (Y10、 Y11)， 单一输入或输出最高可达 100KHz，提供定位控制及原点复归指令[3]。根据装巢机的硬件连线图我们可知道 PLC 主机的输入输出点数不够用， 我们扩展一个 I/O 模块 DVP16SP11R， 该模块具有 8 输入点 8 输出点,PLC 的 I/O 地址分配表如表 1所示。由于工作台上只放蜂窝状的塑料托盘， 负载很小，我们就选用松下 A4 系列 MADDT1205 型号的驱动器与松下的 MSMD022P1 型号的交流伺服电机。在伺服控制器的控制模式我们选择位置控制模式， 接线如图 4 所示， 主要控制信号线有伺服使能 SRV- ON、 伺服报警 ALM+、 报警清除 A- CLR、 指令脉冲 PULSE+、 PULSE- 、 指令方向 SIGN+、SIGN- 等信号线[4]。上位机我们采用台达的 DOP- B07S201型号的上位机触摸屏， 它支持多种厂家的 PLC 控制器、 支持 Windows 风格的界面编辑、 支持 USB 上下载、 便利的配方功能等， 使用十分方便。

5 软件设计

装巢机的控制我们采用 PLC 程序与上位机触摸屏联合控制， 上位机触摸屏主要是命令按钮操作、 显示操作信息等， PLC 程序主要是控制工作台的运动与旋转电磁铁的运动。

5.1 主程序设计

装巢机程序流程图。机床通电以后首先进行初始化，主要包括设定 X 、 Y 轴的加减速时间X 、Y轴电机最小启动频率、上位机组态界面初始化等。然后判断机床是否回原点，当回原点时执行回原点程序，当不需要回原点时，直接跳到下一个流程，然后再判断程序执行，当需要执行装巢时，就会运行装巢程序实现装巢机自动把注射器针管装入托盘巢孔中，然后再判断程序是否执行完毕， 当程序执行完毕， 程序流程结束; 当不需要装巢时， 直接程序结束。

5.2 主加工程序设计

装巢机的托盘是一种拥有10*10 的巢孔的托盘， 巢孔直径为 10mm。由于 X 、Y 方向上各有 10 个巢孔， 在程序执行时我们先控制 X 轴电机带动工作台在 X 轴方向运动十步， 然后 Y 轴再运动一步， 接着X 轴再运动十步，依次按照 S型曲线运动，直到程序完成。

主加工程序中我们利用了台达PLC的循环控制指令 FOR 与 NEXT 指令，用它来实现X、Y轴的循环控制。在工作台的每走一工步控制中我们利用 DDRVI相对定位指令，它的四个主要参数是 S1、 S2、 D1、 D2。参数 S1 是脉冲输出数量， 根据公式 (1)计算的结果， 我们在设 置 DDRVI 指 令 参 数 S1 时 在 X 轴 方 向 上 设 定 S1 为 37000， Y 轴方向上设定 S1 为 33000;参数 S2 是脉冲输出频率， 同样根据公式 (3)计算的结果， 我们设置输出频率为 100000 (3m/min ); 参数 D1 是脉冲输出装置地址， 根据硬件电路连线我们可知， X 轴的输出地址是 Y10,Y 轴的输出地址是 Y11;参数 D2 是电机旋转方向输出地址， 根据硬件电路连线我们可知， X 轴方向输出地址是 Y20,Y轴方向输出地址是 Y22; 根据运行的设定， 工作台每走一工步大概需要 0.5s 的时间，装巢机构的运动时间大概是0.2s， 这样就完成一次动作的时间是 0.7s 左右， 所以装巢机装巢的速度大约是 100 支 / 分钟。在编写程序时我们采用辅助开关控制程序的起停， M31 用来控制程序的启动，M32、 M33 是 X 、 Y 轴的辅助开关， T5、 T6、 T9 是 X 轴用的定时器， T8、 T7、 T10 轴用的定时器， D0 是总的循环次数寄存器， D1 是 X 轴向负方向运动步数寄存器， D2 是 X 轴向正方向运动步数寄存器。

5.3 上位机组态屏界面设计

上位机我们采用台达 DOP- B07S201 型号的触摸屏， 采用台达 Screen Edit DOP- B 组态软件进行上位机界面设计，上位机通过 RS232 串口线与 PLC 进行数据交换[6]， 开发的上位机界面图如图 8 所示。我们采用 100 个指示灯指示装巢机的每一个巢孔，当装巢机把注射器针管装到巢孔时相应的指示灯点亮，指示针管的状态， 当装满一个托盘时是图中满巢指示灯点亮， 同时蜂鸣器发出声音提示。

6 结论

通过对预灌封注射器装巢动作分析，阐述了数控装巢机的工作原理，计算了工作台运动每一步 PLC 发送脉冲的数量、 速度、 加速度， 根据装巢机的动作要求设计了装巢机的工作台与落料机构;控制部分设计了 PLC 与伺服驱动的硬件电路以及与上位机触摸屏的连接电路;编写装巢机下位机程序以及上位机界面设计， 开发了装巢机数控系统。数控装巢机装巢速度能够达到 100 支 / 分钟，定位精度达到 0.01mm，实现了注射器针管自动装入托盘巢孔的功能,大大减轻了工人的劳动强度， 提高了生产效率。