劉奎武，孫鐵波，邊 巍

（1.江蘇食品藥品職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇淮安 223003；2.江蘇財(cái)經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇淮安 223003）

全自動(dòng)醫(yī)用帶線縫合針打孔機(jī)的設(shè)計(jì)與研究*

劉奎武1，孫鐵波1，邊 巍2

（1.江蘇食品藥品職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇淮安 223003；2.江蘇財(cái)經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇淮安 223003）

通過(guò)研究分析帶線縫合針打孔加工工藝和現(xiàn)有打孔設(shè)備情況，對(duì)帶線縫合針打孔工序進(jìn)行集中，確立全自動(dòng)化設(shè)計(jì)目標(biāo)。通過(guò)對(duì)設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使該醫(yī)用帶線縫合針打孔機(jī)能夠跟上現(xiàn)代自動(dòng)化的發(fā)展，使控制更簡(jiǎn)單，操作更方便。

醫(yī)用縫合針；打孔機(jī)；自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)；PLC

0 引言

目前，醫(yī)用帶線縫合針整個(gè)生產(chǎn)加工過(guò)程已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了半自動(dòng)化，但是由于生產(chǎn)技術(shù)水平限制，醫(yī)用帶線縫合針生產(chǎn)的主要工序——“打尾孔”工序卻由于縫合針尺寸微小而不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，整個(gè)打尾孔工序需要工人手工上料、裝夾、打孔及下料操作。本道工序極大地降低了整個(gè)醫(yī)用帶線縫合針的生產(chǎn)效率，且本道工序的工人勞動(dòng)強(qiáng)度較大，廢品率高，如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)打尾孔已成為醫(yī)用縫合針整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的關(guān)鍵問(wèn)題，這也是醫(yī)療器械生產(chǎn)企業(yè)擺脫勞動(dòng)密集型生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)突破發(fā)展瓶頸的關(guān)鍵所在。

1 醫(yī)用帶線縫合針生產(chǎn)工藝

目前應(yīng)用廣泛的帶線縫合針，原材料主要有碳鋼和不銹鋼兩種，針徑為?0.4～2 mm，尾孔孔徑為?0.2～1.2 mm，針型根據(jù)實(shí)際需要可以在圓針基礎(chǔ)上加工為圓針、角針、鏟針、直針等，弧度有有1/4弧、3/8弧、1/2弧、5/8弧、3/4弧、半彎針、直針等[1]。其具體生產(chǎn)工藝流程圖如圖1所示。

圖1 醫(yī)用帶線縫合針生產(chǎn)工藝流程

拗彎前的帶線縫合針為針型圓柱體，尾部帶線微孔設(shè)計(jì)技術(shù)要求如下：工件材料為3Cr13，針徑D=?0.4～?2 mm，加工孔直徑：d=?0.2～?1.2 mm，加工后孔的軸線與針的軸線應(yīng)同軸，外形美觀、無(wú)損傷。具體拗彎前的醫(yī)用帶線縫合針零件圖如圖2所示。

圖2 醫(yī)用帶線縫合針零件圖

醫(yī)用帶線縫合針尾孔加工孔徑直徑尺寸d與孔深尺寸l關(guān)系如下：

d=?0.3～?0.35mmd=?0.2～?0.25 mm，打孔孔深l=1.1～1.3 mm

d=?0.3～?0.35mm，打孔孔深l=1.5～1.8 mm

d=?0.4～?0.45mm，打孔孔深l=1.8～2.1 mm

d≥ ?0.5mm，打孔孔深l=2.0～2.5 mm

相對(duì)于其他工序的半自動(dòng)化或批量化操作，帶線縫合針生產(chǎn)中的“打孔”工序卻都是在精密臺(tái)鉆上手工操作打孔，鉆頭通過(guò)鉆夾頭裝在主軸上，工人手工將待打孔針裝夾在工作臺(tái)上的夾具中，手動(dòng)實(shí)現(xiàn)鉆頭進(jìn)給運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)待打孔針的打孔操作[2]。打孔工序又分為兩道工序，為提高孔位精度首先由工人使用中心孔鉆頭打定位中心孔，其操作步驟如圖3所示。

圖3 醫(yī)用帶線縫合針打中心孔操作流程圖

完成打中心孔操作后，由下道工序工人使用打深孔鉆頭打深孔，其操作步驟如圖4所示。

圖4 醫(yī)用帶線縫合針鉆深工序流程圖

根據(jù)帶線縫合針手動(dòng)打孔工序特點(diǎn)，在全自動(dòng)鉆孔設(shè)備中可實(shí)現(xiàn)將以上兩步工序合并為一步工序，本文所設(shè)計(jì)的全自動(dòng)帶線縫合針打孔機(jī)所要實(shí)現(xiàn)的功能及工序操作步驟如圖5所示，其中止停定位即是實(shí)現(xiàn)送料機(jī)構(gòu)在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中送料入位及打孔時(shí)間預(yù)留。

2 縫合針打孔機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)帶線縫合針生產(chǎn)工藝，設(shè)計(jì)新型全自動(dòng)縫合針打孔機(jī)。將原有立式結(jié)構(gòu)改成臥式結(jié)構(gòu)，打孔加工過(guò)程選用高速電主軸產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由伺服電機(jī)控制鉆頭橫向進(jìn)給，打孔加工過(guò)程利用超聲波振動(dòng)裝置產(chǎn)生振動(dòng)，提高鉆孔質(zhì)量和減小鉆頭的磨損。

對(duì)打孔機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括主軸的設(shè)計(jì)、高速電主軸的選型、超聲振動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)以及送料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。其中主軸的進(jìn)給由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，包括伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)的選擇。打孔機(jī)主軸的設(shè)計(jì)，包括軸向振動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)，超聲振動(dòng)加工的原理及超聲發(fā)生器的選用，主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和主軸尺寸的確定，打孔機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 全自動(dòng)醫(yī)用帶線縫合針打孔機(jī)功能圖

3 帶線縫合針自動(dòng)打孔送料機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)生產(chǎn)要求，帶線縫合針屬于流水式批量生產(chǎn)，所以自動(dòng)打孔送料機(jī)構(gòu)應(yīng)為全自動(dòng)化。自動(dòng)打孔送料機(jī)構(gòu)應(yīng)具備的功能：自動(dòng)排料—裝夾—止停定位—打中心孔—止停定位—打深孔—下料，圖6中輸送帶前端連接振動(dòng)料斗，實(shí)現(xiàn)待加工縫合針排序操作。上料機(jī)構(gòu)應(yīng)選擇回轉(zhuǎn)式運(yùn)行的間歇性多工位夾持機(jī)構(gòu)。進(jìn)一步根據(jù)帶線縫合針打孔工藝流程可知，機(jī)構(gòu)需有四個(gè)工位：夾持工位、打中心孔工位、打深孔工位和下料工位。綜合以上要求，自動(dòng)打孔送料機(jī)構(gòu)選用四槽輪間歇機(jī)構(gòu)作為驅(qū)動(dòng)元件[3-5]。自動(dòng)打孔送料機(jī)構(gòu)原理如圖7所示。

自動(dòng)打孔送料機(jī)構(gòu)的工作原理為：機(jī)構(gòu)由送料盤(pán)和夾持機(jī)構(gòu)固定盤(pán)兩大部分組成，四對(duì)夾持機(jī)構(gòu)均布于夾持機(jī)構(gòu)固定盤(pán)，夾持機(jī)構(gòu)固定盤(pán)與送料盤(pán)在四槽輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)下同步間歇回轉(zhuǎn)運(yùn)行，夾持機(jī)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)對(duì)送料盤(pán)上的待打孔縫合針準(zhǔn)確夾持后，首先進(jìn)入第一個(gè)間歇工位，即打中心孔工位，打孔電機(jī)在間歇時(shí)間完成進(jìn)給打中心孔動(dòng)作，之后當(dāng)前夾持機(jī)構(gòu)再進(jìn)入第二個(gè)間歇工位，打孔電機(jī)同樣在間歇時(shí)間完成進(jìn)給打深孔動(dòng)作，之后再到落料工位落料完成整個(gè)打孔過(guò)程。其中夾持機(jī)構(gòu)開(kāi)合凸輪與彈簧控制夾持機(jī)構(gòu)的張開(kāi)與閉合動(dòng)作，當(dāng)夾持機(jī)構(gòu)的滾輪在凸輪的大半徑上運(yùn)行時(shí)，夾持機(jī)構(gòu)閉合實(shí)現(xiàn)夾持，當(dāng)夾持機(jī)構(gòu)的滾輪在凸輪的小半徑上運(yùn)行時(shí)，夾持機(jī)構(gòu)被彈簧彈開(kāi)實(shí)現(xiàn)落料。

圖6 全自動(dòng)醫(yī)用帶線縫合針打孔機(jī)簡(jiǎn)圖

圖7 自動(dòng)打孔送料機(jī)構(gòu)原理圖

4 超聲軸向振動(dòng)鉆削加工系統(tǒng)的構(gòu)成

超聲振動(dòng)鉆削工藝因具有特殊動(dòng)力學(xué)機(jī)理而可獲得良好的加工效果，振動(dòng)鉆削效果的好壞，在很大程度上取決于振動(dòng)鉆削加工的結(jié)構(gòu)。超聲振動(dòng)鉆削加工系統(tǒng)由超聲發(fā)生器、換能器、變幅桿和工具系統(tǒng)組成。振動(dòng)加工系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括軸向超聲波振動(dòng)打孔機(jī)主軸設(shè)計(jì)和主軸各部分結(jié)構(gòu)尺寸確定、換能器和變幅桿設(shè)計(jì)原理[6]。用軸向超聲波振動(dòng)鉆削技術(shù)加工微小孔（0.5 mm以下），具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）可以延長(zhǎng)鉆頭壽命；

（2）提高孔的精度和孔壁表面質(zhì)量，減小鉆削出口毛刺，具有優(yōu)良的工藝效果。

在這里設(shè)計(jì)利用刀柄旋轉(zhuǎn)軸向超聲振動(dòng)鉆削裝置，通過(guò)刀柄把振動(dòng)裝置直接連接在打孔機(jī)上，結(jié)構(gòu)緊湊，使用方便，如圖8所示即為超聲波振動(dòng)主軸結(jié)構(gòu)。

其工作原理為：超聲波發(fā)生器將220 V、50 Hz的交流電轉(zhuǎn)換成高頻電源[7]，用來(lái)向系統(tǒng)提供振動(dòng)能量，超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的勵(lì)振流通過(guò)碳刷傳到集流環(huán)上，再通過(guò)釬焊在集流環(huán)上的導(dǎo)線傳遞到壓電陶瓷換能器上，換能器的作用是將高頻電源產(chǎn)生的高頻振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)，此機(jī)械振動(dòng)經(jīng)軸向振動(dòng)變幅桿將振幅放大后有效地傳遞給工具系統(tǒng)，這樣只須將振動(dòng)加工系統(tǒng)通過(guò)刀柄直接裝在搖臂鉆床的主軸上就可進(jìn)行超聲軸向振動(dòng)鉆孔了[8]。

圖8 超聲波振動(dòng)主軸結(jié)構(gòu)

5 全自動(dòng)醫(yī)用帶線縫合針打孔機(jī)控制系統(tǒng)

全自動(dòng)醫(yī)用帶線縫合針打孔機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)能對(duì)整個(gè)機(jī)器的實(shí)時(shí)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)報(bào)警情況做出相應(yīng)的處理，具有很好的人機(jī)界面，能夠保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，具有自檢測(cè)功能。工作方式能進(jìn)行手動(dòng)和自動(dòng)之間相互切換；能夠顯示整個(gè)電氣控制系統(tǒng)可能發(fā)生的故障，通過(guò)觸摸屏畫(huà)面，操作人員和維護(hù)人員能夠清楚掌控整個(gè)運(yùn)動(dòng)的狀況。

帶線縫合針打孔機(jī)由PLC系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)與控制[9]，它是一種全自動(dòng)化設(shè)備，用于醫(yī)用帶線縫合針的自動(dòng)打孔，自動(dòng)完成從上料，零件裝夾，超聲波振動(dòng)打孔，到落料等整個(gè)過(guò)程。

5.1 主電路設(shè)計(jì)

全自動(dòng)醫(yī)用帶線縫合針打孔機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9所示?？刂葡到y(tǒng)功能在于控制啟動(dòng)振動(dòng)料斗電機(jī)對(duì)待加工縫合針進(jìn)行排序進(jìn)入輸送帶，接著啟動(dòng)送料機(jī)構(gòu)電機(jī)，送料機(jī)構(gòu)機(jī)械手抓取待打孔縫合針夾緊，旋轉(zhuǎn)進(jìn)入中心孔加工工位，該工位設(shè)置一個(gè)接近開(kāi)關(guān)用來(lái)檢測(cè)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)到位，啟動(dòng)鉆中心孔軸旋轉(zhuǎn)電機(jī)和進(jìn)給電機(jī)完成中心孔加工操作，送料機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)進(jìn)入深孔加工工位，該工位同樣設(shè)置一個(gè)接近開(kāi)關(guān)用來(lái)檢測(cè)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)到位后控制伺服電機(jī)啟動(dòng)，精確控制進(jìn)給距離和各段速度，然后控制超聲波振動(dòng)裝置起振進(jìn)行深孔加工，深孔孔加工完成后進(jìn)入落料工位落料到落料盤(pán)，整個(gè)控制過(guò)程結(jié)束。系統(tǒng)包括控制部分和主動(dòng)拖動(dòng)部分，其中主動(dòng)拖動(dòng)部分采用交流變頻調(diào)速系統(tǒng)和伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括變頻器、高速電主軸、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)，控制部分包括可編程控制器、按鈕開(kāi)關(guān)和觸摸屏。

5.2 PLC選型及輸入輸出端子分配

醫(yī)用帶線縫合針打孔機(jī)系統(tǒng)的工作對(duì)象分別是中心孔控制電機(jī)、深孔控制電機(jī)、振動(dòng)料斗、送料機(jī)構(gòu)和振動(dòng)鉆削裝置。中心孔和深孔主軸零點(diǎn)開(kāi)關(guān)占用2個(gè)輸入點(diǎn)，深孔鉆削主軸的兩個(gè)極限位置設(shè)置兩個(gè)極限開(kāi)關(guān)使用2個(gè)輸入點(diǎn)，2個(gè)接近開(kāi)關(guān)用來(lái)檢測(cè)中心孔和深孔加工工位占用2個(gè)輸入點(diǎn)，2個(gè)光電開(kāi)關(guān)分別檢測(cè)料斗物料和輸送帶上無(wú)聊的，另外有啟動(dòng)、停止、復(fù)位、急停4個(gè)按鈕功能，1個(gè)伺服報(bào)警和1個(gè)變頻器報(bào)警，共需要14點(diǎn)輸入。還有一些指示燈如準(zhǔn)備就緒、開(kāi)始工作、停止、伺服故障信號(hào)，缺料報(bào)警報(bào)警、物料不足報(bào)警等報(bào)警輸出共需4個(gè)指示燈。伺服電機(jī)、電主軸等電機(jī)控制共需要12個(gè)輸出點(diǎn)[10]。

圖9 縫合針打孔機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，設(shè)置如表1所示為輸入輸出表。

5.3 縫合針孔加工子程序

縫合針孔加工子程序的步進(jìn)順序流程如圖10所示。其中，初始步S0.0在主程序中，當(dāng)系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒且接收到啟動(dòng)脈沖時(shí)被置位。

表1 帶線縫合針打孔機(jī)PLC的I/O信號(hào)表

6 總結(jié)

本設(shè)備已在淮陰醫(yī)療器械有限公司投入使用，全自動(dòng)醫(yī)用帶線縫合針打孔機(jī)系統(tǒng)采用PLC進(jìn)行控制。送料機(jī)構(gòu)能夠在較高輸入轉(zhuǎn)速下基本保持平穩(wěn)運(yùn)行，完全達(dá)到要求；主軸定位精度能夠達(dá)達(dá)到要求，而且主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)12 000 r/min，鉆孔直徑范圍為0.2～1 mm，并且在加工過(guò)程中實(shí)現(xiàn)刀具的頻率振動(dòng)，振動(dòng)頻率為0～300 Hz，振動(dòng)幅度為3～5 μm，鉆孔頻率可到30次/分鐘，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。與其他控制進(jìn)行比較，節(jié)約了不少成本，并且穩(wěn)定性提高了很多。該全自動(dòng)帶線縫合針打孔機(jī)是一款低成本的經(jīng)濟(jì)型設(shè)備，通過(guò)對(duì)設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使該醫(yī)用帶線縫合針打孔機(jī)能夠跟上現(xiàn)代自動(dòng)化的發(fā)展，使控制更簡(jiǎn)單，操作更方便。

圖10 縫合針孔加工流程圖

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Design and Research of Automatic Medical Suture Needle with Punch

LIU Kui-wu1，SUN Tie-bo1，BIAN Wei2
（1.Jiangsu Food&Pharmaceutical Science College，Huai’an223003，China；2.Jiangsu Finance and Technical College，Huai'an223003，China）

This paper analyzed the suture with needle punching process and the existing drilling equipments through research,established the design goals of full automation of the suture with needle punching process.Through the design of mechanical structure and control system，the medical suture needle with punch can keep up with the development of modern automation control,the control is simpler,and operation is more convenient.

medical suture needle；drilling；automatic feeding mechanism；PLC

TH69

：B

：1009－9492(2014)12－0197－05

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.12.051

劉奎武，男，1980年生，吉林蛟河人，碩士，講師。研究領(lǐng)域：機(jī)電控制。

(編輯：王智圣)

*淮安市工業(yè)支撐項(xiàng)目（編號(hào)：HAG2011014）

2014－06－18