广州市威恒电子有限公司WEF-R-MHZ2-20A-10-2N旋转电动夹爪在实验室自动化设备中旋盖的应用案例

一、客户行业介绍

随着生物医药产业的快速发展，实验室自动化已成为提升研发效率的关键手段。客户所属行业为生物制药与临床诊断领域，主要从事体外诊断试剂研发、基因测序样本前处理以及药物筛选等实验工作。这类实验室通常面临样本量大、操作重复性高、对操作精度和洁净度要求严苛的特点，传统的纯手工或半自动操作方式已难以满足日益增长的通量需求和质量控制标准

二、具象的设备名称

在该客户的实验室自动化解决方案中，核心设备为全自动试管/离心管开盖灌装旋盖一体机。该设备集成了样本管输送、扫码识别、自动开盖、液体灌装、自动旋盖、出料归档等多个功能模块，能够实现对15ml、50ml离心管以及2ml冻存管的高通量处理 。其中，负责抓取管盖并执行旋转开闭盖动作的执行单元，正是我们本次方案的核心部件

三、当前设备的困境

客户原先使用的自动化设备采用的是气动夹爪+外置旋转气缸的分离式方案。在长达两年的运行中，该方案暴露出了诸多问题：

1. 结构臃肿，空间受限

气动夹爪与旋转气缸通过复杂的连接件组合，整个执行头体积庞大。在设备狭小的生物安全柜或超净台内，多个工位之间极易发生干涉，导致设备无法布置双通道并行处理结构，整体通量被限制在每小时300-400支样本，远未达到设计预期的600支/小时 。

2. 扭矩输出不稳定，频繁卡顿

在针对长期储存后管盖结晶或拧紧力矩较大的样本管（通常需要0.3-0.6N·m的扭矩）时，气动系统受气压波动影响，旋转扭矩输出不稳定。统计数据显示，平均每处理200个样本就会出现一次因扭矩不足导致的“滑盖”或“卡死”故障，严重时甚至造成试管破裂，导致样本报废。

3. 行程不可调，兼容性差

面对实验室中多种规格的管盖（直径11mm至40mm不等），气动夹爪无法自适应调整夹持行程，每次更换样本规格都需要人工干预调整机械限位，严重影响了实验流程的自动化连续性

四、问题的损失与新产品方案的必要性

这些设备困境直接转化为可量化的经济损失和实验风险：

经济与效率损失：单次卡机停机处理平均耗时15分钟，导致整条自动化产线效率下降20%；因夹持力过大或旋转卡滞造成的样本管破损率约为0.5%，考虑到单支高价值样本（如基因测序文库）成本高达数百元，年损失金额超过10万元。

数据安全与合规风险：在临床诊断实验室中，样本处理过程的追溯性至关重要。老方案无法提供实时的夹持力反馈和位置信号，一旦出现漏盖或未旋紧的情况，后续样本在离心或运输过程中会发生泄漏，造成交叉污染，这直接违反了ISO 15189医学实验室质量管理要求 。

因此，引入一种集成度高、扭矩可控、具备自适应能力且能提供过程反馈的智能电动夹爪已成为解决上述问题的必然选择。

五、老方案产品检测原理及故障分析

老方案的检测原理较为原始：依赖磁性开关检测气动夹爪的开闭极限位置，依靠旋转气缸上的接近传感器检测是否旋转到位。

故障原因分析：

1.气源波动：实验室空压机供气压力不稳定（±0.1MPa），导致夹持力变化。

2.机械磨损：复杂的连杆传动机构在长期高频往复运动后产生机械间隙。

3.缺乏力控反馈：当夹爪夹住圆形管盖时，由于无法感知实际接触力，只能依靠硬限位停止。在管盖变形或歪斜时，系统依然输出最大力，导致过冲损坏 。

排除故障的代价：每月需对气路进行维护校准，每季度需更换磨损的传动部件。单次故障排查的人工工时成本约300元，且维修期间设备停机造成的产线闲置成本更是难以估量

六、新产品方案详情

产品名称与型号

产品名称：步进电机旋转电动夹爪

产品型号：WEF-R-MHZ2-20A-10-2N

专利号：ZL 2019 1 1023529.4

详细参数：

行程：10MM

夹持力范围： 30N

旋转扭矩： 2.5 Nm

旋转角度： 360度无限旋转

控制方式： IO、脉冲（Pulse/Dir）

防护等级： IP40（可定制IP65）

供电电压： DC24V ±10%

产品原理与特点

原理：该产品采用一体化设计，内置42步进电机作为动力源，通过精密减速机将动力分流至夹持机构和旋转机构。利用闭环步进驱动技术，实时监测电流变化以感知夹持力，形成闭环控制 。

核心特点：

1.自适应行程：无需人工调节，通过电流反馈自动适应11-40mm直径的管盖 。

2.夹爪到位信号：实时输出“夹紧到位”、“旋转到位”及“夹持力反馈”信号，实现过程可追溯 。

3.替代气动：无需气源，彻底摆脱气压波动困扰。

4.驱动一体：驱动电路集成于本体，缩小安装空间。

5.断电自锁：失电状态下自动保持夹持状态，防止试管掉落。

6.IO/脉冲控制：兼容各类PLC及运动控制器，接线简单。

7.360度无限旋转：无需复位，支持连续旋转开盖。

七、应用案例详情

1. 客户信息

客户名称：上海思路迪生物医学科技有限公司

地域：中国上海

行业地位：国内肿瘤精准医疗诊断领域的头部企业，专注于NGS测序伴随诊断。

2. 客户要求

客户要求对其自主研发的全自动核酸提取建库仪进行升级。核心诉求是：在无需更换夹具的前提下，同时兼容2ml冻存管（外旋盖） 和 50ml离心管（内旋盖） 的开盖与关盖操作。要求开关盖成功率>99.9%，且能够记录每一管盖的旋紧扭矩，确保样本密封性。

3. 匹配原因与选型依据

选择WEF-R-MHZ2-20A-10-2N型号主要基于以下考量：

材质要求：客户涉及有机溶剂接触，要求夹爪材质具备耐腐蚀性。本型号标准配置为SUS304不锈钢夹指，配合表面阳极氧化处理的铝合金主体，耐酒精、耐稀释后的酸碱试剂。

环境适应性：设备置于生物安全柜内，环境温度为22℃±2℃，无特殊高压或强粉尘，IP40等级即可满足。

精度与性能：客户要求的扭矩精度为±5%。本产品通过步进电机细分控制，输出扭矩分辨率远高于此标准。

4.使用操作说明

零点校准：上电后，PLC发出回原点指令，夹爪自动张开至最大行程，旋转轴自动寻找机械原点。

夹取：设备下降至管盖位置，发出“夹紧”信号。夹爪根据管盖尺寸自适应闭合，待“夹紧到位”信号反馈后停止。

开盖：发出“正转”脉冲，夹爪带动管盖旋转，利用试管与管盖的相对运动完成旋松。

关盖：灌装完成后，发出“反转”脉冲，系统根据存储的扭矩阈值进行拧紧。当反馈扭矩达到设定值时，自动停止旋转并发出“完成”信号

八、产品使用情况与前后对比优势

使用情况：该夹爪已在思路迪的15台自动化建库仪上连续运行超过6个月，累计完成超过50万次开关盖操作。

前后对比优势

九、总结经验

1. 选择合适的执行元件是关键：在实验室自动化领域，设备的核心竞争力在于稳定性和柔性。旋转电动夹爪通过“驱动-控制-执行”一体化设计，从根本上解决了传统气动方案“无力反馈、无扭矩闭环、无自适应”的三大痛点。

2. 力矩反馈是开盖质量的保障：针对螺旋盖的开合，仅靠位置控制是不够的。通过本案例验证了利用步进电机电流监测实现扭矩反馈的有效性，确保了每一管盖都能旋紧到密封状态，避免了因过松导致的挥发或过紧导致的样本损伤。

威恒电子公司介绍：

威恒电子电动夹爪通过其精确的力控能力和智能化反馈，完美解决了食品行业软质、易变形物件的自动化抓取难题。其一体化、电气化的设计代表了工业自动化执行器的发展方向，是替代传统气动方案的理想选择。

特长与实力：在微型伺服驱动、运动控制算法、精密机械设计等领域拥有深厚的技术积累和多项核心专利。具备从核心部件到整体解决方案的全链条研发能力。

供稿人：威恒电子自动化事业部，高级应用工程师 - 余工

索要技术资料：如需了解更多关于WEF-MHZ2系列电动夹爪的详细技术参数、3D模型及手册，请联系我司销售人员或访问官网。

联系人：余工 （13825159505）

个人微创新：在本案例中，为客户定制化开发了轻触模式，将初始闭合速度加快以提升效率，在接近预设力值时自动切换为低速柔顺模式，进一步优化了抓取的成功率和体验。

本案例证明，通过技术创新，一个核心部件的升级，能够为整个自动化设备带来质的飞跃。威恒电子，致力于成为您最可靠的自动化核心部件伙伴。