医用缝合针尾同轴装线孔的四槽轮驱动夹持机械手设计

医用缝合针尾同轴装线孔的四槽轮驱动夹持机械手设计

0带线缝合针生产缝合针主要用于显微外科、心脏、胸、血管外科、皮肤科、内脏软组织等的缝合。由不锈钢针体直接与缝合线衔接,针线一体。针型有圆形、三角形、铲形,1/2弧、3/8弧等形式,针线根据弯直粗细分为各种规格,供不同手术使用。某公司是以生产医疗器械为主的企业,企业的主要产品带线缝合针90%出口。在带线缝合针生产中有一道在缝合针尾部打同轴孔的工序,缝合针针径为ϕ0.75～1.5mm,待打孔孔径为ϕ0.25～0.75mm,自2000年初起,该厂医用缝合针的缝合线安装孔的加工由冲孔改为钻孔,即在材料为3Cr13的缝合针的后端部上加工出装线孔,手工装夹缝合针,手工控制钻头的进给量。由于装线孔尺寸很小,手工操作加工时装线孔与缝合针不能保证较好的同轴度,钻头易折断、生产效率低、劳动强度大,加工质量无法保证。本文根据带线缝合针生产工艺特点,提出一种四槽轮驱动间歇性带线缝合针打孔夹持机械手,并应用Pro/E软件进行模拟仿真,以解决带线缝合针自动打孔过程中的关键问题。1夹持机构的选择该厂带线缝合针属大批量生产,给定的生产纲领超过1000万件/年,因此,带线缝合针自动打孔机选择全自动机型,其中打孔机核心部分为待打孔缝合针的夹持以及定位操作。从缝合针打孔的工艺过程看,应选择回转式工艺路线的多工位夹持机构。根据打孔工艺路线分析,实际上需要三个工位:夹持工位、打孔工位和卸料工位,根据此特点夹持机械手采用四槽轮机构进行工件步进传送。夹持机构机械原理如图1所示。夹持机构机械原理为:四个夹持机械手8均布于机械手固定圆盘11,送料盘1与夹持机械手8做同步间歇回转,夹持机械手8双侧手爪为联动机构。夹持机械手8的开合动作由机械手开合凸轮6控制,机械手开合凸轮6的廓线是由两个不同半径的圆弧组成,当夹持机械手8的从动滚轮10位于大半径圆弧时,夹持机械手8闭合,位于小半径圆弧时,夹持机械手8张开。2夹持机械手开口间距系统工作的两个关键点如下。1)夹持机械手能够在夹持工位顺利实现对待打孔缝合针的夹持。2)夹持机械手在卸料工位须张开一定的角度并持续至夹持工位,保证已完成打孔的缝合针顺利落入落料盘以及下一步的夹持准备。为实现第1)点,要求送料盘与夹持机械手无误差同步间歇回转,并要求送料盘上待打孔缝合针轴线与待打孔缝合针被夹持端面交点和夹持机械手夹持孔中心线与夹持平齐表面交点重合。为使待打孔缝合针在打孔之后能由落料工位5顺利落出,即夹持机械手张开间距大于缝合针针径D,需进一步计算夹持机械手张开间距与凸轮大、小半径的差及结构尺寸的关系。夹持机械手模型与结构尺寸如图2所示。假设夹持机械手的从动滚轮由机械手开合凸轮大半径过渡到小半径时,状态由闭合过渡到张开角度θ,且在此角度下夹持机械手张开间距为缝合针针径D,即缝合针可以在此状态下在落料位置落入落料盘,由于夹持机械手的两个爪为联动机构,所以夹持机械手单侧爪张开的角度为θ/2。其中点O为夹持机械手开合转轴,OA与OA′的夹角为夹持机械手单侧爪的张角θ/2,设OA的长度为L,则可得:2Lsinθ2=D22Lsinθ2=D2即:θ=2arcsinD4Lθ=2arcsinD4L过点O做水平线与BC的延长线交于E,假设OC与OE的夹角为α,OC长为l,EC长为m,E′C′长为n,则有:m=lsinαn=lsin(α+θ/2)m=lsinαn=lsin(α+θ/2)机械手开合凸轮大、小半径的差为:R-r=n-m机械手开合凸轮大、小半径的差与缝合针针径D及机构的尺寸关系如下:R−r=lsin(α+arcsinD4L)−lsinαR-r=lsin(α+arcsinD4L)-lsinα式中:R为机械手开合凸轮的大半径;r为机械手开合凸轮的小半径。3pro/e仿真流程在该机构中,零件结构相对较为简单,故有关零件模型创建过程不再赘述。零件的准确装配是进行机构运动仿真的前提,装配关系的正确与否直接影响整个机构运动仿真能否正确实现。用Pro/E实现机构运动仿真的流程如图3所示。该机构中除了机械手开合凸轮,其他部件都处于运动状态,所以零件间的装配关系采用Pro/E提供的仿真方式。Pro/E仿真装配方式主要有销钉、滑动杆、圆柱、球、平面和轴承等。在该机构仿真装配过程中还要注意以下三个问题。1电子表格在Pro/E仿真模式下需要指定虚拟的动力源,即驱动电动机,本系统设置驱动电动机位置为四槽轮驱动盘轴心,电动机旋转方向为逆时针方向。2轴的安装Pro/E定义转动副为销轴关系装配。在该系统中四槽轮机构从动盘、同步齿轮、机械手固定圆盘、送料盘与轴之间装配关系都为销轴方式。3夹持机械手与送料盘的配合分析根据系统特性,本系统中四槽轮驱动杆与槽之间需设置为凸轮关系,夹持机械手的从动滚轮与机械手开合凸轮之间设置为凸轮关系,夹持机械手与待打孔缝合针之间设置为凸轮关系。根据计算零件尺寸关系并考虑尺寸圆整,最终得到夹持机构三维模型并进行虚拟装配,夹持机构仿真装配图如图4所示。Pro/E软件的机构分析功能,不仅可以很方便地根据虚拟装配对机构进行运动分析,还可以对机构进行干涉检查,也可以定义特殊点,并输出特殊点的位移、速度和加速度曲线。在本机构中需重点考察夹持机械手与送料盘的配合情况,即在夹持工位夹持机械手能否顺利夹持送料盘上的待打孔缝合针。在夹持机械手夹持待打孔缝合针端面平面,选取待打孔缝合针轴线与待打孔缝合针被夹持端面交点(简称待打孔缝合针中心点)以及夹持机械手夹持孔中心线与夹持平齐表面交点(简称机械手中心)输出相对系统世界坐标系位置曲线,待打孔缝合针中心点位置曲线如图5所示,夹持机械手中心位置曲线如图6所示。由以上分析结果可知,在选定坐标系下待打孔缝合针中心点与夹持机械手中心点在36s附近重合,说明夹持机械手能够顺利夹持送料盘上的待打孔缝合针,图5、图6所示曲线呈直线的位置为四槽轮驱动的间歇位置。针对本系统针径及打孔孔径小,对误差要求高的特点,利用Pro/E输出曲线数据的功能输出曲线数据作为进一步考察系统可靠性依据,选取重合段附近输出数据如表1所示。从表1所示可以看出,机构运行38.5s之后数据完全重合,说明夹持机械手与送料盘配合良好,且设计无误差。4机械手合作机构的确定本文根据带线缝合针针尾打孔生产工艺特点,设计了可以应用于自动打孔