醫(yī)用縫合針尾同軸裝線孔的四槽輪驅(qū)動(dòng)夾持機(jī)械手設(shè)計(jì)

醫(yī)用縫合針尾同軸裝線孔的四槽輪驅(qū)動(dòng)夾持機(jī)械手設(shè)計(jì)

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(xì)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(jìn)給量。由于裝線孔尺寸很小,手工操作加工時(shí)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(dòng)強(qiáng)度大,加工質(zhì)量無(wú)法保證。本文根據(jù)帶線縫合針生產(chǎn)工藝特點(diǎn),提出一種四槽輪驅(qū)動(dòng)間歇性帶線縫合針打孔夾持機(jī)械手,并應(yīng)用Pro/E軟件進(jìn)行模擬仿真,以解決帶線縫合針自動(dòng)打孔過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題。1夾持機(jī)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(guò)1000萬(wàn)件/年,因此,帶線縫合針自動(dòng)打孔機(jī)選擇全自動(dòng)機(jī)型,其中打孔機(jī)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(guò)程看,應(yīng)選擇回轉(zhuǎn)式工藝路線的多工位夾持機(jī)構(gòu)。根據(jù)打孔工藝路線分析,實(shí)際上需要三個(gè)工位:夾持工位、打孔工位和卸料工位,根據(jù)此特點(diǎn)夾持機(jī)械手采用四槽輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行工件步進(jìn)傳送。夾持機(jī)構(gòu)機(jī)械原理如圖1所示。夾持機(jī)構(gòu)機(jī)械原理為:四個(gè)夾持機(jī)械手8均布于機(jī)械手固定圓盤(pán)11,送料盤(pán)1與夾持機(jī)械手8做同步間歇回轉(zhuǎn),夾持機(jī)械手8雙側(cè)手爪為聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)。夾持機(jī)械手8的開(kāi)合動(dòng)作由機(jī)械手開(kāi)合凸輪6控制,機(jī)械手開(kāi)合凸輪6的廓線是由兩個(gè)不同半徑的圓弧組成,當(dāng)夾持機(jī)械手8的從動(dòng)滾輪10位于大半徑圓弧時(shí),夾持機(jī)械手8閉合,位于小半徑圓弧時(shí),夾持機(jī)械手8張開(kāi)。2夾持機(jī)械手開(kāi)口間距系統(tǒng)工作的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)如下。1)夾持機(jī)械手能夠在夾持工位順利實(shí)現(xiàn)對(duì)待打孔縫合針的夾持。2)夾持機(jī)械手在卸料工位須張開(kāi)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(pán)以及下一步的夾持準(zhǔn)備。為實(shí)現(xiàn)第1)點(diǎn),要求送料盤(pán)與夾持機(jī)械手無(wú)誤差同步間歇回轉(zhuǎn),并要求送料盤(pán)上待打孔縫合針軸線與待打孔縫合針被夾持端面交點(diǎn)和夾持機(jī)械手夾持孔中心線與夾持平齊表面交點(diǎn)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(jī)械手張開(kāi)間距大于縫合針針徑D,需進(jìn)一步計(jì)算夾持機(jī)械手張開(kāi)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(jī)械手模型與結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示。假設(shè)夾持機(jī)械手的從動(dòng)滾輪由機(jī)械手開(kāi)合凸輪大半徑過(guò)渡到小半徑時(shí),狀態(tài)由閉合過(guò)渡到張開(kāi)角度θ,且在此角度下夾持機(jī)械手張開(kāi)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(pán),由于夾持機(jī)械手的兩個(gè)爪為聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu),所以?shī)A持機(jī)械手單側(cè)爪張開(kāi)的角度為θ/2。其中點(diǎn)O為夾持機(jī)械手開(kāi)合轉(zhuǎn)軸,OA與OA′的夾角為夾持機(jī)械手單側(cè)爪的張角θ/2,設(shè)OA的長(zhǎng)度為L(zhǎng),則可得:2Lsinθ2=D22Lsinθ2=D2即:θ=2arcsinD4Lθ=2arcsinD4L過(guò)點(diǎn)O做水平線與BC的延長(zhǎng)線交于E,假設(shè)OC與OE的夾角為α,OC長(zhǎng)為l,EC長(zhǎng)為m,E′C′長(zhǎng)為n,則有:m=lsinαn=lsin(α+θ/2)m=lsinαn=lsin(α+θ/2)機(jī)械手開(kāi)合凸輪大、小半徑的差為:R-r=n-m機(jī)械手開(kāi)合凸輪大、小半徑的差與縫合針針徑D及機(jī)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(jī)械手開(kāi)合凸輪的大半徑;r為機(jī)械手開(kāi)合凸輪的小半徑。3pro/e仿真流程在該機(jī)構(gòu)中,零件結(jié)構(gòu)相對(duì)較為簡(jiǎn)單,故有關(guān)零件模型創(chuàng)建過(guò)程不再贅述。零件的準(zhǔn)確裝配是進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真的前提,裝配關(guān)系的正確與否直接影響整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真能否正確實(shí)現(xiàn)。用Pro/E實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真的流程如圖3所示。該機(jī)構(gòu)中除了機(jī)械手開(kāi)合凸輪,其他部件都處于運(yùn)動(dòng)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(dòng)桿、圓柱、球、平面和軸承等。在該機(jī)構(gòu)仿真裝配過(guò)程中還要注意以下三個(gè)問(wèn)題。1電子表格在Pro/E仿真模式下需要指定虛擬的動(dòng)力源,即驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī),本系統(tǒng)設(shè)置驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)位置為四槽輪驅(qū)動(dòng)盤(pán)軸心,電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较颉?軸的安裝Pro/E定義轉(zhuǎn)動(dòng)副為銷軸關(guān)系裝配。在該系統(tǒng)中四槽輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)盤(pán)、同步齒輪、機(jī)械手固定圓盤(pán)、送料盤(pán)與軸之間裝配關(guān)系都為銷軸方式。3夾持機(jī)械手與送料盤(pán)的配合分析根據(jù)系統(tǒng)特性,本系統(tǒng)中四槽輪驅(qū)動(dòng)桿與槽之間需設(shè)置為凸輪關(guān)系,夾持機(jī)械手的從動(dòng)滾輪與機(jī)械手開(kāi)合凸輪之間設(shè)置為凸輪關(guān)系,夾持機(jī)械手與待打孔縫合針之間設(shè)置為凸輪關(guān)系。根據(jù)計(jì)算零件尺寸關(guān)系并考慮尺寸圓整,最終得到夾持機(jī)構(gòu)三維模型并進(jìn)行虛擬裝配,夾持機(jī)構(gòu)仿真裝配圖如圖4所示。Pro/E軟件的機(jī)構(gòu)分析功能,不僅可以很方便地根據(jù)虛擬裝配對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析,還可以對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行干涉檢查,也可以定義特殊點(diǎn),并輸出特殊點(diǎn)的位移、速度和加速度曲線。在本機(jī)構(gòu)中需重點(diǎn)考察夾持機(jī)械手與送料盤(pán)的配合情況,即在夾持工位夾持機(jī)械手能否順利夾持送料盤(pán)上的待打孔縫合針。在夾持機(jī)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(diǎn)(簡(jiǎn)稱待打孔縫合針中心點(diǎn))以及夾持機(jī)械手夾持孔中心線與夾持平齊表面交點(diǎn)(簡(jiǎn)稱機(jī)械手中心)輸出相對(duì)系統(tǒng)世界坐標(biāo)系位置曲線,待打孔縫合針中心點(diǎn)位置曲線如圖5所示,夾持機(jī)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(biāo)系下待打孔縫合針中心點(diǎn)與夾持機(jī)械手中心點(diǎn)在36s附近重合,說(shuō)明夾持機(jī)械手能夠順利夾持送料盤(pán)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(dòng)的間歇位置。針對(duì)本系統(tǒng)針徑及打孔孔徑小,對(duì)誤差要求高的特點(diǎn),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(jìn)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(jī)構(gòu)運(yùn)行38.5s之后數(shù)據(jù)完全重合,說(shuō)明夾持機(jī)械手與送料盤(pán)配合良好,且設(shè)計(jì)無(wú)誤差。4機(jī)械手合作機(jī)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(diǎn),設(shè)計(jì)了可以應(yīng)用于自動(dòng)打孔