醫(yī)用縫合針尾同軸裝線孔的四槽輪驅(qū)動夾持機械手設(shè)計

醫(yī)用縫合針尾同軸裝線孔的四槽輪驅(qū)動夾持機械手設(shè)計

0帶線縫合針生產(chǎn)縫合針主要用于顯微外科、心臟、胸、血管外科、皮膚科、內(nèi)臟軟組織等的縫合。由不銹鋼針體直接與縫合線銜接,針線一體。針型有圓形、三角形、鏟形,1/2弧、3/8弧等形式,針線根據(jù)彎直粗細分為各種規(guī)格,供不同手術(shù)使用。某公司是以生產(chǎn)醫(yī)療器械為主的企業(yè),企業(yè)的主要產(chǎn)品帶線縫合針90%出口。在帶線縫合針生產(chǎn)中有一道在縫合針尾部打同軸孔的工序,縫合針針徑為?0.75～1.5mm,待打孔孔徑為?0.25～0.75mm,自2000年初起,該廠醫(yī)用縫合針的縫合線安裝孔的加工由沖孔改為鉆孔,即在材料為3Cr13的縫合針的后端部上加工出裝線孔,手工裝夾縫合針,手工控制鉆頭的進給量。由于裝線孔尺寸很小,手工操作加工時裝線孔與縫合針不能保證較好的同軸度,鉆頭易折斷、生產(chǎn)效率低、勞動強度大,加工質(zhì)量無法保證。本文根據(jù)帶線縫合針生產(chǎn)工藝特點,提出一種四槽輪驅(qū)動間歇性帶線縫合針打孔夾持機械手,并應(yīng)用Pro/E軟件進行模擬仿真,以解決帶線縫合針自動打孔過程中的關(guān)鍵問題。1夾持機構(gòu)的選擇該廠帶線縫合針屬大批量生產(chǎn),給定的生產(chǎn)綱領(lǐng)超過1000萬件/年,因此,帶線縫合針自動打孔機選擇全自動機型,其中打孔機核心部分為待打孔縫合針的夾持以及定位操作。從縫合針打孔的工藝過程看,應(yīng)選擇回轉(zhuǎn)式工藝路線的多工位夾持機構(gòu)。根據(jù)打孔工藝路線分析,實際上需要三個工位:夾持工位、打孔工位和卸料工位,根據(jù)此特點夾持機械手采用四槽輪機構(gòu)進行工件步進傳送。夾持機構(gòu)機械原理如圖1所示。夾持機構(gòu)機械原理為:四個夾持機械手8均布于機械手固定圓盤11,送料盤1與夾持機械手8做同步間歇回轉(zhuǎn),夾持機械手8雙側(cè)手爪為聯(lián)動機構(gòu)。夾持機械手8的開合動作由機械手開合凸輪6控制,機械手開合凸輪6的廓線是由兩個不同半徑的圓弧組成,當夾持機械手8的從動滾輪10位于大半徑圓弧時,夾持機械手8閉合,位于小半徑圓弧時,夾持機械手8張開。2夾持機械手開口間距系統(tǒng)工作的兩個關(guān)鍵點如下。1)夾持機械手能夠在夾持工位順利實現(xiàn)對待打孔縫合針的夾持。2)夾持機械手在卸料工位須張開一定的角度并持續(xù)至夾持工位,保證已完成打孔的縫合針順利落入落料盤以及下一步的夾持準備。為實現(xiàn)第1)點,要求送料盤與夾持機械手無誤差同步間歇回轉(zhuǎn),并要求送料盤上待打孔縫合針軸線與待打孔縫合針被夾持端面交點和夾持機械手夾持孔中心線與夾持平齊表面交點重合。為使待打孔縫合針在打孔之后能由落料工位5順利落出,即夾持機械手張開間距大于縫合針針徑D,需進一步計算夾持機械手張開間距與凸輪大、小半徑的差及結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)系。夾持機械手模型與結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示。假設(shè)夾持機械手的從動滾輪由機械手開合凸輪大半徑過渡到小半徑時,狀態(tài)由閉合過渡到張開角度θ,且在此角度下夾持機械手張開間距為縫合針針徑D,即縫合針可以在此狀態(tài)下在落料位置落入落料盤,由于夾持機械手的兩個爪為聯(lián)動機構(gòu),所以夾持機械手單側(cè)爪張開的角度為θ/2。其中點O為夾持機械手開合轉(zhuǎn)軸,OA與OA′的夾角為夾持機械手單側(cè)爪的張角θ/2,設(shè)OA的長度為L,則可得:2Lsinθ2=D22Lsinθ2=D2即:θ=2arcsinD4Lθ=2arcsinD4L過點O做水平線與BC的延長線交于E,假設(shè)OC與OE的夾角為α,OC長為l,EC長為m,E′C′長為n,則有:m=lsinαn=lsin(α+θ/2)m=lsinαn=lsin(α+θ/2)機械手開合凸輪大、小半徑的差為:R-r=n-m機械手開合凸輪大、小半徑的差與縫合針針徑D及機構(gòu)的尺寸關(guān)系如下:R?r=lsin(α+arcsinD4L)?lsinαR-r=lsin(α+arcsinD4L)-lsinα式中:R為機械手開合凸輪的大半徑;r為機械手開合凸輪的小半徑。3pro/e仿真流程在該機構(gòu)中,零件結(jié)構(gòu)相對較為簡單,故有關(guān)零件模型創(chuàng)建過程不再贅述。零件的準確裝配是進行機構(gòu)運動仿真的前提,裝配關(guān)系的正確與否直接影響整個機構(gòu)運動仿真能否正確實現(xiàn)。用Pro/E實現(xiàn)機構(gòu)運動仿真的流程如圖3所示。該機構(gòu)中除了機械手開合凸輪,其他部件都處于運動狀態(tài),所以零件間的裝配關(guān)系采用Pro/E提供的仿真方式。Pro/E仿真裝配方式主要有銷釘、滑動桿、圓柱、球、平面和軸承等。在該機構(gòu)仿真裝配過程中還要注意以下三個問題。1電子表格在Pro/E仿真模式下需要指定虛擬的動力源,即驅(qū)動電動機,本系統(tǒng)設(shè)置驅(qū)動電動機位置為四槽輪驅(qū)動盤軸心,電動機旋轉(zhuǎn)方向為逆時針方向。2軸的安裝Pro/E定義轉(zhuǎn)動副為銷軸關(guān)系裝配。在該系統(tǒng)中四槽輪機構(gòu)從動盤、同步齒輪、機械手固定圓盤、送料盤與軸之間裝配關(guān)系都為銷軸方式。3夾持機械手與送料盤的配合分析根據(jù)系統(tǒng)特性,本系統(tǒng)中四槽輪驅(qū)動桿與槽之間需設(shè)置為凸輪關(guān)系,夾持機械手的從動滾輪與機械手開合凸輪之間設(shè)置為凸輪關(guān)系,夾持機械手與待打孔縫合針之間設(shè)置為凸輪關(guān)系。根據(jù)計算零件尺寸關(guān)系并考慮尺寸圓整,最終得到夾持機構(gòu)三維模型并進行虛擬裝配,夾持機構(gòu)仿真裝配圖如圖4所示。Pro/E軟件的機構(gòu)分析功能,不僅可以很方便地根據(jù)虛擬裝配對機構(gòu)進行運動分析,還可以對機構(gòu)進行干涉檢查,也可以定義特殊點,并輸出特殊點的位移、速度和加速度曲線。在本機構(gòu)中需重點考察夾持機械手與送料盤的配合情況,即在夾持工位夾持機械手能否順利夾持送料盤上的待打孔縫合針。在夾持機械手夾持待打孔縫合針端面平面,選取待打孔縫合針軸線與待打孔縫合針被夾持端面交點(簡稱待打孔縫合針中心點)以及夾持機械手夾持孔中心線與夾持平齊表面交點(簡稱機械手中心)輸出相對系統(tǒng)世界坐標系位置曲線,待打孔縫合針中心點位置曲線如圖5所示,夾持機械手中心位置曲線如圖6所示。由以上分析結(jié)果可知,在選定坐標系下待打孔縫合針中心點與夾持機械手中心點在36s附近重合,說明夾持機械手能夠順利夾持送料盤上的待打孔縫合針,圖5、圖6所示曲線呈直線的位置為四槽輪驅(qū)動的間歇位置。針對本系統(tǒng)針徑及打孔孔徑小,對誤差要求高的特點,利用Pro/E輸出曲線數(shù)據(jù)的功能輸出曲線數(shù)據(jù)作為進一步考察系統(tǒng)可靠性依據(jù),選取重合段附近輸出數(shù)據(jù)如表1所示。從表1所示可以看出,機構(gòu)運行38.5s之后數(shù)據(jù)完全重合,說明夾持機械手與送料盤配合良好,且設(shè)計無誤差。4機械手合作機構(gòu)的確定本文根據(jù)帶線縫合針針尾打孔生產(chǎn)工藝特點,設(shè)計了可以應(yīng)用于自動打孔