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.江蘇財經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇淮安 223003）

全自動醫(yī)用帶線縫合針打孔機的設(shè)計與研究*

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.江蘇財經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇淮安 223003）

通過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，對帶線縫合針打孔工序進行集中，確立全自動化設(shè)計目標(biāo)。通過對設(shè)備機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的設(shè)計，使該醫(yī)用帶線縫合針打孔機能夠跟上現(xiàn)代自動化的發(fā)展，使控制更簡單，操作更方便。

醫(yī)用縫合針；打孔機；自動送料機構(gòu)；PLC

0 引言

目前，醫(yī)用帶線縫合針整個生產(chǎn)加工過程已經(jīng)實現(xiàn)了半自動化，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現(xiàn)自動化，整個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醫(yī)用帶線縫合針的生產(chǎn)效率，且本道工序的工人勞動強度較大，廢品率高，如何實現(xiàn)自動打尾孔已成為醫(yī)用縫合針整個生產(chǎn)過程實現(xiàn)自動化的關(guān)鍵問題，這也是醫(yī)療器械生產(chǎn)企業(yè)擺脫勞動密集型生產(chǎn)，實現(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

相對于其他工序的半自動化或批量化操作，帶線縫合針生產(chǎn)中的“打孔”工序卻都是在精密臺鉆上手工操作打孔，鉆頭通過鉆夾頭裝在主軸上，工人手工將待打孔針裝夾在工作臺上的夾具中，手動實現(xiàn)鉆頭進給運動實現(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)帶線縫合針手動打孔工序特點，在全自動鉆孔設(shè)備中可實現(xiàn)將以上兩步工序合并為一步工序，本文所設(shè)計的全自動帶線縫合針打孔機所要實現(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現(xiàn)送料機構(gòu)在連續(xù)運轉(zhuǎn)的過程中送料入位及打孔時間預(yù)留。

2 縫合針打孔機機械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計

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

對打孔機機械結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，主要包括主軸的設(shè)計、高速電主軸的選型、超聲振動裝置的設(shè)計以及送料機構(gòu)的設(shè)計。其中主軸的進給由伺服電機驅(qū)動，包括伺服驅(qū)動器和伺服電機的選擇。打孔機主軸的設(shè)計，包括軸向振動裝置的設(shè)計，超聲振動加工的原理及超聲發(fā)生器的選用，主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計和主軸尺寸的確定，打孔機的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 全自動醫(yī)用帶線縫合針打孔機功能圖

3 帶線縫合針自動打孔送料機構(gòu)方案設(shè)計

根據(jù)生產(chǎn)要求，帶線縫合針屬于流水式批量生產(chǎn)，所以自動打孔送料機構(gòu)應(yīng)為全自動化。自動打孔送料機構(gòu)應(yīng)具備的功能：自動排料—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料斗，實現(xiàn)待加工縫合針排序操作。上料機構(gòu)應(yīng)選擇回轉(zhuǎn)式運行的間歇性多工位夾持機構(gòu)。進一步根據(jù)帶線縫合針打孔工藝流程可知，機構(gòu)需有四個工位：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，自動打孔送料機構(gòu)選用四槽輪間歇機構(gòu)作為驅(qū)動元件[3-5]。自動打孔送料機構(gòu)原理如圖7所示。

自動打孔送料機構(gòu)的工作原理為：機構(gòu)由送料盤和夾持機構(gòu)固定盤兩大部分組成，四對夾持機構(gòu)均布于夾持機構(gòu)固定盤，夾持機構(gòu)固定盤與送料盤在四槽輪機構(gòu)驅(qū)動下同步間歇回轉(zhuǎn)運行，夾持機構(gòu)在實現(xiàn)對送料盤上的待打孔縫合針準(zhǔn)確夾持后，首先進入第一個間歇工位，即打中心孔工位，打孔電機在間歇時間完成進給打中心孔動作，之后當(dāng)前夾持機構(gòu)再進入第二個間歇工位，打孔電機同樣在間歇時間完成進給打深孔動作，之后再到落料工位落料完成整個打孔過程。其中夾持機構(gòu)開合凸輪與彈簧控制夾持機構(gòu)的張開與閉合動作，當(dāng)夾持機構(gòu)的滾輪在凸輪的大半徑上運行時，夾持機構(gòu)閉合實現(xiàn)夾持，當(dāng)夾持機構(gòu)的滾輪在凸輪的小半徑上運行時，夾持機構(gòu)被彈簧彈開實現(xiàn)落料。

圖6 全自動醫(yī)用帶線縫合針打孔機簡圖

圖7 自動打孔送料機構(gòu)原理圖

4 超聲軸向振動鉆削加工系統(tǒng)的構(gòu)成

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

（1）可以延長鉆頭壽命；

（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)計利用刀柄旋轉(zhuǎn)軸向超聲振動鉆削裝置，通過刀柄把振動裝置直接連接在打孔機上，結(jié)構(gòu)緊湊，使用方便，如圖8所示即為超聲波振動主軸結(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]，用來向系統(tǒng)提供振動能量，超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的勵振流通過碳刷傳到集流環(huán)上，再通過釬焊在集流環(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)生的高頻振動信號轉(zhuǎn)換成高頻機械振動，此機械振動經(jīng)軸向振動變幅桿將振幅放大后有效地傳遞給工具系統(tǒng)，這樣只須將振動加工系統(tǒng)通過刀柄直接裝在搖臂鉆床的主軸上就可進行超聲軸向振動鉆孔了[8]。

圖8 超聲波振動主軸結(jié)構(gòu)

5 全自動醫(yī)用帶線縫合針打孔機控制系統(tǒng)

全自動醫(yī)用帶線縫合針打孔機控制系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)能對整個機器的實時情況進行監(jiān)測，并對報警情況做出相應(yīng)的處理，具有很好的人機界面，能夠保證系統(tǒng)運行穩(wěn)定，具有自檢測功能。工作方式能進行手動和自動之間相互切換；能夠顯示整個電氣控制系統(tǒng)可能發(fā)生的故障，通過觸摸屏畫面，操作人員和維護人員能夠清楚掌控整個運動的狀況。

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

5.1 主電路設(shè)計

全自動醫(yī)用帶線縫合針打孔機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9所示?？刂葡到y(tǒng)功能在于控制啟動振動料斗電機對待加工縫合針進行排序進入輸送帶，接著啟動送料機構(gòu)電機，送料機構(gòu)機械手抓取待打孔縫合針夾緊，旋轉(zhuǎn)進入中心孔加工工位，該工位設(shè)置一個接近開關(guān)用來檢測機械手旋轉(zhuǎn)到位，啟動鉆中心孔軸旋轉(zhuǎn)電機和進給電機完成中心孔加工操作，送料機構(gòu)旋轉(zhuǎn)進入深孔加工工位，該工位同樣設(shè)置一個接近開關(guān)用來檢測機械手旋轉(zhuǎn)到位后控制伺服電機啟動，精確控制進給距離和各段速度，然后控制超聲波振動裝置起振進行深孔加工，深孔孔加工完成后進入落料工位落料到落料盤，整個控制過程結(jié)束。系統(tǒng)包括控制部分和主動拖動部分，其中主動拖動部分采用交流變頻調(diào)速系統(tǒng)和伺服驅(qū)動系統(tǒng)，包括變頻器、高速電主軸、伺服驅(qū)動器、伺服電機，控制部分包括可編程控制器、按鈕開關(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系統(tǒng)的工作對象分別是中心孔控制電機、深孔控制電機、振動料斗、送料機構(gòu)和振動鉆削裝置。中心孔和深孔主軸零點開關(guān)占用2個輸入點，深孔鉆削主軸的兩個極限位置設(shè)置兩個極限開關(guān)使用2個輸入點，2個接近開關(guān)用來檢測中心孔和深孔加工工位占用2個輸入點，2個光電開關(guān)分別檢測料斗物料和輸送帶上無聊的，另外有啟動、停止、復(fù)位、急停4個按鈕功能，1個伺服報警和1個變頻器報警，共需要14點輸入。還有一些指示燈如準(zhǔn)備就緒、開始工作、停止、伺服故障信號，缺料報警報警、物料不足報警等報警輸出共需4個指示燈。伺服電機、電主軸等電機控制共需要12個輸出點[10]。

圖9 縫合針打孔機控制系統(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脈沖時被置位。

表1 帶線縫合針打孔機PLC的I/O信號表

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，全自動醫(yī)用帶線縫合針打孔機系統(tǒng)采用PLC進行控制。送料機構(gòu)能夠在較高輸入轉(zhuǎn)速下基本保持平穩(wěn)運行，完全達到要求；主軸定位精度能夠達達到要求，而且主軸轉(zhuǎn)速可達12 000 r/min，鉆孔直徑范圍為0.2～1 mm，并且在加工過程中實現(xiàn)刀具的頻率振動，振動頻率為0～300 Hz，振動幅度為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。該全自動帶線縫合針打孔機是一款低成本的經(jīng)濟型設(shè)備，通過對設(shè)備機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的設(shè)計，使該醫(yī)用帶線縫合針打孔機能夠跟上現(xiàn)代自動化的發(fā)展，使控制更簡單，操作更方便。

圖10 縫合針孔加工流程圖

［1］張仲義，聶德品.帶線縫合針智能綜合測試［J］.皖西學(xué)院學(xué)報，2010（2）：22-25.

［2］張書第，安成強，趙平，等.醫(yī)用手術(shù)縫合針化學(xué)拋光工藝的研究［J］.電鍍與精飾，2011（02）：57-60.

［3］楊芙蓮，楊妮，葛正浩，等.直動型弧面凸輪機構(gòu)與結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］.機械傳動，2006（1）：82-83.

［4］梁金生，曹巨.凸輪式提升轉(zhuǎn)位機械手的傳動［J］.機械工程師，2004（5）：63-65.

［5］徐祥和，韓良，王興松.電子精密機械設(shè)計［M］.南京：東南大學(xué)出版社，2000.

［6］高本河，熊鎮(zhèn)芹，吳序堂，等.振動鉆削技術(shù)綜［J］.機械制造，2001，39（1）：16-18.

［7］王立平，楊叔子，趙宏偉，等.變參數(shù)振動鉆削提高為小孔加工精度的研究［J］.工具技術(shù)，2008（11）：3-5.

［8］王天琦，劉戰(zhàn)鋒.軸向超聲振動鉆削加工系統(tǒng)設(shè)計［J］.機械設(shè)計與制造，2009（5）：17-19.

［9］譚愛國.可編程邏輯控制器編程方法研究［J］.實驗室研究與探索，2005（24）：283-284.

［10］呂景泉.可自動化生產(chǎn)線安裝與調(diào)試［M］.北京：

中國鐵道出版社，2009.

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：機電控制。

(編輯：王智圣)

*淮安市工業(yè)支撐項目（編號：HAG2011014）

2014－06－18