学位论文-—同位素胶囊生产机系统设计说明书.doc

毕业设计说明书题 目: 同位素胶囊生产机 系统设计(A) 学院(直属系): 机械工程与自动化学院 年级、 专业: 机械设计制造及其自动化 姓 名: 学 号: 指 导 教 师: 完 成 时 间: 2011年6 月5日 西华大学毕业设计说明书 目 录摘要 1前言 11 同位素胶囊生产机可行性方案论证 2 1.1 同位素胶囊生产机的目的和意义 2 1.2 碘131放射行同位素概况及发展应用 2 1.3 同位素胶囊生产机的市场需求分析 4 1.4 同位素胶囊生产机的原理方案及关键技术 4 1.5 碘131胶囊生产机的技术发展和市场前景分析 8 1.6 该产品的成本与社会经济效益分析 92 同位素胶囊生产机功能原理设计 102.1 总体分析 10 2.2 胶囊生产机功能分解 11 2.3 功能结构图 12 2.4 分功能求解 14 2.5 功能元求解 153 同位素胶囊生产机总体设计 173.1 总体布局设计 17 3.2 总体方案设计 18 3.2.1 控制系统的设计 18 3.2.2 传动系统的设计 19 3.2.3 执行系统和操作系统的设计 20 3.3 驱动电机的选择 21 3.3.1 工作循环图的确定 21 3.3.2 运动学与动力学分析 22 3.4 步进电机型号的确定 284 同位素胶囊生产机结构设计 29 4.1 合模装置结构设计 29 4.2 出药、收集结构设计 31 4.3 其他零部件结构设计 33 4.4 整机的装配设计 345 零件的结构设计 375.1 胶囊帽压盖的设计 37 5.2 滴液架的设计 38 5.3 顶杆的设计 40设计总结 42心得体会 43致谢词 44参考文献 45II摘 要本次毕业设计是完成高放射性碘131胶囊分装系统的机械装置设计，它能生产出不同放射性剂量的同位素胶囊供给患者服用，避免了患者服用同位素放射性液体对人体所带来的副作用。通过市场调查、收集资料，进行了可行性论证。该设计是采用微机操作，单片机控制各电机完成相应工艺步骤的技术系统。采用的机械装置由驱动系统控制定位保证了准确的灌装位置，同时保证了产品的可靠性，稳定性，精确性。放射性液体稀释、高精度微量分装机械的机械系统设计包括：机械系统的总体设计、机械原理方案设计，对各运动执行部件的结构设计以及用Solidworks对各零件进行三维建模及造型设计，最后根据三维模型进行了总装、部装、部分零件的工程图设计。设备安装、维修及操作简单方便，符合生产设备的特殊要求，具有良好的经济效益。通过对本机的开发解决了同位素人工分源长期存在的劳动强度大、放射性照射量大、同位素污染、 体积测量不准确等问题。【关键词】放射性 碘131胶囊 自动分装AbstractThe graduation project is the completion of highly radioactive iodine 131 capsule repacking system mechanical design of the device ，It can produce different radioactive dose of isotope capsule supply patients take，avoid patients take isotopes of human brings radioactive liquid of side effects. Through market research, collect data, the feasibility study. The design is the use of computer operation, the MCU control of the motor steps to complete the process of technology systems. The use of mechanical devices controlled by the drive system ensures accurate positioning of filling positions, while ensuring product reliability, stability and accuracy. Dilution of radioactive liquid, high-precision machinery with the micro-mechanical systems design, including: the mechanical system design, mechanical design principles, the implementation of parts of the movements and the structural design of the parts used Solidworks 3D modeling and design, final According to the three-dimensional model of the General Armament Department, the Ministry of equipment, some parts of the project design plans.Equipment installation, maintenance and operation of simple, in line with the special requirements of production equipment, with good economic returns. Through the development of the machine to solve the isotopic source of the long-standing labor intensity, and a large quantity of radioactive exposure, the isotope pollution, volume measurement is not accurate, and other issues.【 keywords 】 Radioactive Iodine 131 capsule Automatic repacking 45前 言 随着科学技术的发展，现代临床医疗不仅要求快速、准确的诊治效果，而且要更多采用无创、低痛苦的治疗手段，以提高治疗后的康复和生存质量。临床上越来越多的无创性或低创性诊治技术的迅速发展，带动了大量相关新型医疗器械的开发与应用。例如：应用介入式导管技术不需开胸，即可实施心脏起搏异常的射频消融手术、冠脉狭窄扩张手术、动脉栓塞血管导通成形手术等。运用立体精确定位放射治疗系统，在不开颅的条件下，对某些其他外科手术难以治疗的脑肿瘤及脑神经、脑血管类疾病进行放射治疗，这类技术还将应用到全身其他部位的肿瘤放射治疗中。迅速发展的介入医学技术，必将推动临床医学新的飞跃。而介入医学技术水平的提高更依赖于新型先进的医疗仪器设备的开发应用。如各类医用导管、医学影像设备及治疗仪器、器具及相关材料。放射性同位素(又称放射性核素)已广泛用于医学临床诊断和治疗。核素的应用领域几乎涉及所有脏器组织的功能检查和形态观察，在许多疾病的早期诊断和治疗中，往往起到其它方法无法取代的作用，它把形态和功能代谢密切结合，动态而又定量地了解观察心、脑、肾、肿瘤等的病变情况，同时利用浓聚在病变部位的放射性药物所发射出的射线来消灭那些病变的细胞，可以达到治疗疾病的目的。甲亢是一种自身免疫性疾病，在治疗上有两种选择一是服用抗甲状腺药物，干扰甲状腺激素的产生，期待免疫学问题的自行决解；二是采用手术或者碘131治疗，去除甲状腺激素产生的来源。这两种选择均可减少甲状腺激素的合成，但都不是针对病因的疗法，不能纠正免疫功能紊乱，具有一定局限性。哪一种选择更适合患者呢?围绕这个问题，国内外专家曾展开长时间的讨论，近年来，随着大量治疗实践与理论研究的进步，碘131治疗甲亢的观点发生了变化，治疗特征有逐渐放宽的趋势基本否定了致癌、白血病、遗传效应的潜在危险，从而为进一步认识，碘131治疗甲亢的研究又成为新的热点之一。迄今，使用放射性核素可以对100多种疾病进行诊断和治疗。尽管放射性同位素诊断和治疗技术已广泛应用于医学临床，但目前国内外放射性同位素胶囊的稀释和活度量仍然主要靠人工完成。这一方面会造成同位素稀释和分源的精度不高，影响诊断或治疗效果，同时，也可能对患者造成不必要的损害。另一方面，从事放射性同位素胶囊生产的医护人员长期受到放射性照射，身体会造成极大伤害。因此，急需开发一种能够代替医护人员操作的同位素胶囊生产机。1 同位素胶囊生产机可行性方案论证1.1 同位素胶囊生产机的目的和意义同位素胶囊生产机一种新研制开发的用于医疗行业的医疗机械。该设备能够按照要求生产出不同放射性剂量的同位素胶囊,供给患者服用。在生产过程中，能够对每粒胶囊实施实时检测控制，并能实现生产过程的自动管理记录。该机的研发避免了患者服用同位素放射性液体对人体所带来的副作用。同位素胶囊生产机系统设计是医疗行业用于生产甲亢病人按照病人病情所需要的服用计量的口服碘131胶囊的设备。特种胶囊生产机设计总体设计原则是在满足口服碘131胶囊的工艺前提下，生产出满足甲亢病人需要的口服碘131胶囊，并提高胶囊计量精度，减少操作人员的被辐射的可能，保证胶囊服用后甲亢病人可靠性。尽可能配药简单、操作维护方便。1.2 碘131放射行同位素概况及发展应用在元素周期表中，一个元素占据一个位置。后来，科学家又进一步发现，同一位元素的原子并不完全一样，有的原子重些，有的原子轻些；有的原子很稳定，不会变，有的原子有放射性，会变化，衰变后成了另一种元素的原子。我们把这些处于同一位的元素但有不同性质的原子称为同位素。放射性同位素的应用是沿着以下两个方向展开的，一是利用它的射线，放射性同位素也能放出射线、射线和r射线。二是作为示踪原子。放射性同位素有三个主要来源：加速器中带电粒子的产物、反应堆中的中子轰击产物和分离出的裂变产物。使用放射性同位素的主要优点是可以通过测定它们发射的粒子和鉴定其特有的半衰期和辐射性质，探测它们的存在。放射性同位素在能源、工业、农业、医疗、环境、考古等诸多方面都有着广泛的应用。 而碘131则是典型的一种医疗放射行同位素， 碘131在医疗事业中治疗甲亢已有60年历史，经大量的、长期的临床调查研究，证明该方法具有简便、安全、治愈率高、复发率低的优点。人体甲状腺的工作需要碘。碘被吸收后会聚集在甲状腺内。给人注射碘的放射性同位素碘131，然后定时用探测器测量甲状腺及邻近组织的放射强度，有助于诊断甲状腺的器质性和功能性疾病。口服碘131经胃肠道吸收进入血液中，并随血液循环迅速被甲状腺组织摄取，碘131发射的射线可杀伤一部分甲状腺细胞，使甲状腺缩小，导致甲状腺合成的甲状腺激素减少，使甲亢表现消失。甲状腺癌碘131治疗分化好的甲状腺癌（DTC）已有50年的历史，我国采用碘131治疗甲状腺癌也有50余年的历史。其疗效已被国内外临床工作者公认。由于DTC癌细胞分化较好，故有吸收和利用碘131的能力，有报道DTC在去除原发灶和全部甲状腺组织或用TSH刺激后，其转移灶80%以上有摄取碘131的功能，因此可利用碘131放射出的射线来破坏甲状腺癌及其转移，以达到治疗的目的，DTC转移的发生率较高，特别是远出转移者，有报道5年死亡率达75%以上。碘131对DTC转移灶有较高的清除作用，且很少有严重并发症。我院核医学科已开展甲状腺癌碘131治疗根治术。 由于碘131能被高度选择性摄取（碘131几乎只被甲状腺所摄取）和浓聚于甲状腺组织内，而且碘131发射的射线最大射程仅为3.63mm，平均射程为0.48mm，所以射线对甲状腺的治疗作用强，而对甲状腺周围组织及其他器官的影响极小，所以碘131治疗甲亢是一种非常有效且异常安全的方法（又俗称为“不开刀的手术治疗”）。国内外学者对采用碘131治疗甲亢的病人进行了长达半个多世纪的跟踪调查研究，并与一般人群癌症自然发生率相比较，未见白血病、癌症、畸胎的发生率增高，而且甲状腺癌的发生率明显低于一般人群的自然发生率。无论从理论上，还是从实践上都证明：碘131治疗甲亢是一种异常安全的治疗方法。 通过甲状腺摄碘功能检查、甲状腺大小的准确测定以及根据甲亢病人的病情，可对病人的治疗剂量进行个体化和最优化给药，提高了一次性治愈率，少数病人需进行2次治疗，极个别病人需进行3-4次治疗。所以治愈率高。由于功能亢进和增生的甲状腺细胞已被破坏，因此不易再复发率（其复发率仅4%）。内科治疗甲亢仅仅是抑制甲状腺细胞合成甲状腺激素的功能，而甲状腺细胞并没有被破坏，因此一旦停止服药，功能亢进和增生的甲状腺细胞又可很快恢复合成甲状腺激素的功能，其复发率必然很高，大多数病人需长期治疗。 在欧美等国家碘131已成为治疗甲亢的主要方法，但该方法需在有相当技术和设备条件的医院方可进行。其治疗的关键在于确定合适的治疗剂量，以提高治愈率，降低早发性甲亢的发生率。1.3 同位素胶囊生产机的市场需求分析在以上分析中可以得知，碘131对治疗甲亢病人有非常显著的效果，国内外因此也对放射性元素碘131的用途和发展很重视。在使用上也很普遍。我国自1958年开始应用碘131治疗甲亢，但由于当时科技发展的局限性，对放射性会导致癌症发病率上升或治疗后出现生育畸形甚至不育尚有担心，其主 要原因就是对碘131的稀释和分装达不到要求。虽然国外尽管已经有了放射性胶囊生产机装置，且功能比较强大，能够自动完成整个生产过程，但是价格昂贵，在国内使用并不普遍。目前放射性液体在临床治疗甲亢患者时都是采用直接服用经过稀释的碘13l液体。从碘13l生产单位到患者服用要经过生产单位的稀释分装和医院的二次稀释分装之后才能给患者进行服用。由于放射性液体在保存和运输方面很不方便，具有局限性，同时也容易对病人的食道等非病灶部位造成伤害，因此提出了一种碘13l生产单位直接生产碘131胶囊提供给患者服用的方法。并提出设计开发放射性碘13l胶囊生产机，以减少碘131用于医疗临床的中间环节。解决了直接服用碘131液体而带来的副作用。它是一种既经济、精度又高的放射性胶囊生产机系统，不仅可以避免患者受到不必要的伤害，也可以保障制药工作人员的安全。基于此，我们研究了放射性同位素胶囊自动生产装装置。1.4 同位素胶囊生产机的原理方案及关键技术该设备能够按照要求生产出不同放射性剂量的同位素胶囊,供给患者服用。因此该设备在生产过程中不需要求产品的产量，而要求保证产品含放射性元素的剂量与产品的质量，根据每克甲状腺重量及最高摄入碘131率推算药剂量，利用超生测量甲状腺体量，每克甲状腺重量一次给予碘131含量2.63.7 MBq，碘131治疗(原称放射性碘治疗),属于损伤性措施的一种,治愈率较高,但是缺点较多,尤其是永久性甲状腺功能减退，需要永久服用左旋甲状腺素，因此在生产过程中，设备能够对每粒胶囊实施实时检测控制，并能实现生产过程的自动管理记录。此次研制的放射性同位素胶囊生产机是由计算机控制的能够自动进行胶囊的在线分配、定量分液、胶囊装配及放射性活度量在线检测和控制的装置。该胶囊自动分装系统总体控制方案如图1-1所示，它主要由3个部分组成，即计算机数据管理系统、单片机控制系统和胶囊分装及活度检测系统。其中，计算机数据管理系统的主控计算机主要承担工单制作、数据处理、系统管理以及人机接口的功能。实现管控一体化。单片机控制系统负责接收主控计算机发送的信号指令，来控制实现胶囊的定量分液、合囊、脱囊和收集等功能，同时通过采集各传感器信号来安全保护系统的正常工作，提高系统的可靠性，并实时掌握系统的工作状态。胶囊分装及活度检测系统则执行单片机控制信号，完成分装的各机械运动功能，同时在分装过程中进行活度检测控制。操作人员可以远程控制同位素胶囊的自动分装与生产过程。通过已完成的配套软件，向计算机输入必要的信息指令，经主控计算机进行数据处理后，通过USB接口发送到单片机，控制相应的电机启停，开始胶囊分装过程。 图1-1系统总体控制方案框图对于本机的控制系统，如果完全依靠Pc机通过程序软件控制，但是Pc机本身属于多任务执行系统，在对步进电机脉冲信号的控制上容易出现时间延迟，且控制信号易受到干扰；如果完全依靠单片机控制全机，但是单片机控制功能单一不灵活且无法实现生产报表与标签的打印。因此设计上采用Pc机加单片机联合控制，Pc机向单片机发出操作指令，单片机对各功能机构进行控制。这样便解决了单独依靠PC机或单片机对整机进行控制的不足。Pc机一方面向单片机作出相应的操作指令，同时对胶囊装药过程的实时检测结果进行管理。打印胶囊的生产报表与标签。单片机通过事先写定的程序发送脉冲信号以开环控制形式来控制各个用于实现机构移动功能的步进电机的启动、停止和正反转。对于蠕动泵电机的控制是由单片机以闭环控制形式向继电器发送控制信号来实现。采用PC机与单片机联合控制放射性胶囊生产机，其全部动作操作实现过程控制。各种动作过程指示和计量参数显示达到直观模拟化和全数字化。它使操作人员能够遥控操作分装机，实现了对同位素稀释分装的全自动化，既提高了稀释分装计量精度和工作效率，又改善了工人的劳动条件，避免同位素辐射对人体的影响，工作安全可靠。 图1-2 胶囊生产机原理方案图1合模电机；2同步带轮；3丝杆；4胶囊帽压盖；5导向杆；6弹簧；7胶囊帽合座；8上模具；9下模具；10下模座；11丝杆；12下模座移动电机13出药工作台移动电机；14丝杆；15出药工作台；16顶杆导向杆；17顶杆支座；18顶杆；19丝杆；20顶杆电机；21检测装置；22滴药装置；23胶囊压板下限位保护行程开关；24胶囊压板上限位保护行程开关；25压板蚀头；26模具底孔该胶囊生产机原理方案如图1-2，该设备中模具机构中上、下模具的胶囊孔尺寸依据胶囊的尺寸来确定，上下模具每次可以装加粒。为确保胶囊帽压盖、上模具、下模具的准确合实，防止因受到阻力而发生轨迹偏斜，保证上模具及胶囊帽压盖往复直线运动的准确、可靠，因此在精密丝杠的两侧设计两根直线移动导轨，作为胶囊帽压盖相对支架作直线运动时的线性滑轨，胶囊帽压盖与导轨通过滑块连接。 在下模具和中模具的20个囊孔各置入20粒胶囊座和胶囊盖，并相应作1到20编号，且胶囊座内放有可食用填充粉状物。按照主控计算机发出的当前需分装的胶囊编号，启动横向工作台运动电机，使下模具向左运动到输液针架下，且针头对准待分装的胶囊座，接着根据发送的液体分装体积指令，启动灌装蠕动泵定量分液，并进行活度检测控制，当活度未达到工单的要求时，由检测值与给定值之差折算出需补偿的脉冲数，再驱动蠕动泵补偿，直到活度值满足要求。分液结束后，下模板回位等待合模。然后启动立柱电机，使上模具与中模具通过弹簧压缩下移，从而实现与下模板合模，最后经脱药机构的顶杆完成胶囊合囊，合囊后仍由顶杆机构把胶囊顶出，从而完成脱囊。各执行机构运动的极限位置通过行程开关控制。整机工作过程比较复杂，相应的机械系统和控制系统也比较复杂。在整机的研发过程中，有些关键部分必须重视，它们是合模装置、滴液装置、出药收集装置以及解决控制系统的实时性问题。 定量滴药及检测考虑到胶囊体积小，容量小，滴药量小而且精度要求高，故在此选用医疗用泵中的蠕动泵对液体进行输送和控制。选用步进电机来带动蠕动泵，电机和蠕动泵之间根据传动的回转精度选用十字滑块联轴器。选择内径为1咖的专用型硅胶管作为输送管路。在向胶囊体内滴药时，选择放射性元素活度计对胶囊体内的药量进行实时检测，反馈回控制系统，形成闭环控制。单片机向步进电机发出控制指令，使药液滴人胶囊体内的滴人量得到控制。由于该控制系统应用于放射性环境和远程控制场合，对控制系统工作的可靠性和稳定性要求较高，因此在设计过程中对系统的抗干扰和安全保护采取了必要的措施。(1)为避免地线串人干扰，将单片机控制器与被控设备分别进行了接地，而且保护地和信号地严格分开。单片机控制器装有足够厚度的屏蔽罩，屏蔽罩与保护地相连，与信号地保持足够的接地距离。屏蔽罩也可以防止电磁干扰。(2)为避免IO口的干扰和保护控制器，在开关量信号输入输出电路中，采用了光电隔离措施。同位素胶囊生产机属于医疗机械设备，因此对设备本身外观要求要整洁、卫生。对产品的清洁要求相当高。而对该设备的选材应该要谨慎，要选择不易被氧化和腐蚀的材料，如不锈钢、铝等材料。而这些材料其实很常见，因此不需花很大的成本，但是此设备的精度要求较高，所以对材料零件的加工要求高，加工费用也就很高。1.5 碘131胶囊生产机的技术发展和市场前景分析 至西部大开发以后，各行各业正在飞速的发展，人们的生活水平大大提高，而城市污染严重，国内外对核武器生产加大，所以核污染、核泄漏严重，自然界中则包含了很多有害的放射性物质，人体一旦被这些放射性物质辐射，甲亢的得病就会率越来越高。医疗行业对此也很重视。而放射性同位素元素碘131在医疗事业中治疗甲亢则有了很久的历史，然而该方法具有简便、安全、治愈率高、复发率低的优点。国内外学者对采用碘-131治疗甲亢的病人进行了长达半个多世纪的跟踪调查研究，并与一般人群癌症自然发生率相比较，未见白血病、癌症、畸胎的发生率增高，而且甲状腺癌的发生率明显低于一般人群的自然发生率。无论从理论上，还是从实践上都证明：碘-131治疗甲亢是一种异常安全的治疗方法。而碘131也是一种放射性元素，所以在制药过程中要有必要制药设备，且要保证药的完全性与稳定性。由于病人的病情不同，对胶囊中碘131的剂量也就要求不一样，而普通的胶囊填充机却不能达到此要求，而同位素胶囊生产机在生产过程中，能够对每粒胶囊实施实时检测控制，并能实现生产过程的自动管理记录，能对胶囊中碘131的剂量达到所需量。因此我们需要这套比较精准与安全的胶囊生产机。放射性同位素胶囊生产机的技术发展呈现：全自动化、高速化和多样化。这就是当前放射性同位素胶囊生产机的技术发展趋势。该设备已经由机械式发展到半自动化式再到全自动化式，发展极为迅速。放射性同位素胶囊生产机的优点十分显著：既省时有省力，工作效率高，稀释精度高，节省劳动力，最重要的就是尽可能的避免了放射性物质对人身造成的辐射。有利于碘131药品的运输。虽然本产品主要用于医疗事业中，但是由于现在国内情况，许多的医疗机构都需大量的这样的装置。来生产碘131胶囊这种既简单有安全治疗甲亢的药品。因此本产品在市场的前景也是相当乐观的。也会受到广大医疗机构的支持。也对社会做出了贡献。1.6 该产品的成本与社会经济效益分析由于对生产机的原理分析可以知道，在横向工作台、垂直工作台、胶囊滴装置与脱粒机构中的均采用步进电机作为原动力，而这种步进电机在生产市场很易购得。而控制碘131的活度量的蠕动泵也容易买到。其余原材料都很简单，大部分都是铝或者不锈钢所制成。都很普遍。包括机械中所需的零件、标准件，在生产市场都容易购买到。只是这些原材料在加工时要求较高，因此加工费用很高。 而该设备基本上都是全自动的，操作人员只需控制计算机数据管理系统，这样只消耗了极小的人力成本。因此，可以看出，胶囊生产机的运行成本并不是很高的。 从社会效益分析角度分析，胶囊生产机在医疗事业中也有很大的立足空间。在国内碘131胶囊的生产技术没有得到完善，而该设备却能对胶囊中碘131的稀释和分装达到一定的要求，虽然这是一台放射性同位素的生产机，但在生产过程中却没有危险，不会对环境造成污染，也不会对操作人员有所伤害。使生产过程得到完善。这样就不用花巨大的本钱去进口国外的同类设备了。该设备的研发有利于同位素元素在制药方面的发展，对医疗事业的发展有了很大的帮助。同时也使甲亢病在人民的生活中得到了很好的控制，对人民生活作出了贡献。因此该设备对国家经济与社会效益都有很大的帮助与提高。从另一方面讲，放射性同位素胶囊生产机美观实用、造型美观大方，采用宜人化设计，操作简便。安全环保，操作绝对安全。质量稳定，故障率低。有利于防止放射性物质对人身造成的辐射。既省时又省力，又节省了大量人力、物力和才力，稀释精度高，工作效率大大提高，从而也大大提高了其经济效益。2 同位素胶囊生产机功能原理设计2.1 总体分析 总体分析是设计中的一项重要工作。总体分析不同于一般的技术经济分析，它是从系统的整体出发，采用各种工具和方法，对系统进行定性与定量的分析。还要分析内、外系统及系统内部各子系统之间的联系因素，并作出评价，为得到最优系统方案提供依据。在进行胶囊生产机的开发设计的时候，同样要像其他产品的开发设计一样，要按照机械设计的一般规则进行设计。首先要从胶囊生产机机的总体功能出发，对它要有一个整体的认识，然后就要确定它的总功能，完成黑箱图，进行功能分解，功能组合，确定设计的结构方案，求解，得出形态学矩阵，最终要得到几种较好的设计方案，进行比较、选优。最后要得到一种相对最好的设计方案。机械设计的总体步骤在以前的机械设计学、机械系统设计、机械结构设计、设计方法学等课程中都要学到。就是先要从整体出发，先把握产品的总体功能，然后就要对产品的功能进行分析和分解、求解等。而此胶囊生产机的总功能则是在一定的时间内将药物稀释后，分装到各胶囊中，最后收集分装好的胶囊。而且每粒胶囊要保证一定药物的活度量。此次的胶囊生产机的开发设计的总体步骤如下的流程图：确定产品的总共能 黑箱图 分功能 分功能组合确定总功能的方案 作出功能结构图 功能求解 求出形态学矩阵 选出几种总体的原理方案 评价 得出最优方案。在系统学中用“黑箱”（Black Box）来描述功能，任何一个技术系统都有输入和输出，把技术系统看成一个黑箱，其输入用物料流M、信息流S和能量流E来描述；其输出用相应的M、S和E来描述。所以，黑箱图就是用来描述一个系统的输入和输出的关系的，即用黑箱图来描述一个系统的功能，它可以帮助我们在进行系统设计的时候更好的把握整个系统的布局和各个分功能的关系。设计过程就是逐步打开黑箱，确定其内部结构，实现由输入量转化为输出量的过程。在设计前，将机器只要的输入和输出进行分析，更具构想，其中机器的控制可以转换，一种模式有机器自动完成，另一种模式有人通过按钮一步一步完成。这样在机器有故障时便于分析排除。此次研发的同位素胶囊生产机的黑箱图如图2-1所示：描述 优选 热量 噪声、振动同位素胶囊生产机 黑箱 胶囊壳、药剂 胶囊药剂动力、能量控制信号 显示信号 人力 图2-1 胶囊生产机的黑箱图2.2 胶囊生产机功能分解在设计中，功能分解就是把复杂的系统分解为若干个相连的、想对比较简单的子系统，可使设计和分析比较简便。根据需要各子系统还可以分解为更小、更简洁的子系统，依次逐级分解，直至能进行适宜的设计和分析为止。我们在做任何一个系统的设计都是从总功能出发，然后分清主要功能和次要功能，接下来的工作就是对总共能的分解。功能的分解主要就是为了方便我们在以后的系统设计，可以保证以后的设计过程中理清思路、能够把握住设计的重点。从系统的观点看，一个系统可以分解成一些子系统，那么一个系统的总共能也因该可以分解成一分功能。有一些学者因此提出一些设想：是否可以把机器中的复杂动作分解为一些基本动作，并把这些基本动作理解为“功能元素”，由这些功能元素可以构成任何技术系统复杂的总功能。另一种方式是不把功能过分细分，而只是分解到“功能单元”的层次上。这样的功能单元式既有一定的独立性，又有一定的复杂程度。在此我们首先的对胶囊生产机的总功能了解。该生产机的工艺流程图如图2-2所示：下模板移至滴药处人工灌装药剂 安装固定胶囊上、下壳 上、下模板合模 下模板回位 检测定量 合囊 实时监控 脱囊 图2-2胶囊生产机的工艺流程图 液体分装 根据胶囊生产机的生产工艺流程我们可以将该生产机的各个功能做出划分，得出胶囊生产机的功能分解图，如图2-3：胶囊分装 胶囊合囊 完成胶囊 生产 活度检测 胶囊脱囊 定位 控制 收集 动力供应 传动系统转换 联接与支撑 图2-3胶囊生产机功能分解图由分解图可以对胶囊生产机的功能结构有所认识，从而可以进一步对此进行分析与设计。2.3 功能结构图上一节中由胶囊生产机的功能分解图只能清楚的看出所有的分功能但不能从分的表达各分功能之间的相互配合的关系。所以，我们就有必要用一种很一目了然的方式来表示各个分功能之间的一些相互配合关系，从而就引出了“功能结构图”这一概念。它可以比功能分解图更好的反应出各分功能之间的相互关系。由总功能分解为分功能，最后做出功能结构图的这一过程，称为“功能分析”，也可称为“系统分析”。功能分析是设计人员初步酝酿功能原理设计总体方案的过程，这个过程往往不是一次性完成，而是随设计工作的逐步深入而不断修改、不断完善的。功能结构也不是只能有一种形式，它可以有多种不同的组成形式。为了设计可以实现同一种功能而设计的两种或多种不同的功能结构形式，可以通过并联、串联关系的变化得到其他形式的功能结构图。对此作出了胶囊生产机的功能结构图，如图2-4所示：胶囊合囊传动系统胶囊脱囊出药、收集机构合模机构步进电机灌装蠕动泵活度检测液体分装 驱动器横向工作台机构胶囊收集定位控制电控器连接与支撑 图2-4 胶囊生产机功能结构图2.4 分功能求解在以上的功能分解和功能结构图都已经具备以后，就必须对已经分解出来的各个分功能找到相应的解。通过前面进行的各个工作步骤，已经弄清楚了该胶囊生产机的总功能、分功能、功能元之间的关系。这种功能关系说明系统的输入和输出以及内部的转换，然而就要通过分功能求解来实现这些功能。在对胶囊生产机进行功能分解时，其主要包括以下几部分：液体分装、胶囊合囊、胶囊脱药与收集。分析各部分之间的运动关系、功能。对实现这些功能的动作进行求解。（1）、液体分装 胶囊生产机在进行液体分装时有几个动作，先是启动横向工作台电机，用丝杆转动事托板带动下模板向左运动，使下模板向左运动到输液针架下，且针头对准待分装的胶囊座，接着根据发送的液体分装体积指令，启动灌装蠕动泵定量分液，并进行活度检测控制，当活度未达到工单的要求时，由检测值与给定值之差折算出需补偿的脉冲数，再驱动蠕动泵补偿，直到活度值满足要求。分液结束后，横向电机启动，使下模板向右运动回位等待合模。功能分解图如图2-5所示：活度检测灌装蠕动泵滴液液体分装下模板左移横向工作电机检测