全自动医用带线缝合针打孔机的设计与研究*

刘奎武，孙铁波，边 巍

（1.江苏食品药品职业技术学院，江苏淮安 223003；2.江苏财经职业技术学院，江苏淮安 223003）

全自动医用带线缝合针打孔机的设计与研究*

刘奎武1，孙铁波1，边 巍2

（1.江苏食品药品职业技术学院，江苏淮安 223003；2.江苏财经职业技术学院，江苏淮安 223003）

通过研究分析带线缝合针打孔加工工艺和现有打孔设备情况，对带线缝合针打孔工序进行集中，确立全自动化设计目标。通过对设备机械结构和控制系统的设计，使该医用带线缝合针打孔机能够跟上现代自动化的发展，使控制更简单，操作更方便。

医用缝合针；打孔机；自动送料机构；PLC

0 引言

目前，医用带线缝合针整个生产加工过程已经实现了半自动化，但是由于生产技术水平限制，医用带线缝合针生产的主要工序——“打尾孔”工序却由于缝合针尺寸微小而不能实现自动化，整个打尾孔工序需要工人手工上料、装夹、打孔及下料操作。本道工序极大地降低了整个医用带线缝合针的生产效率，且本道工序的工人劳动强度较大，废品率高，如何实现自动打尾孔已成为医用缝合针整个生产过程实现自动化的关键问题，这也是医疗器械生产企业摆脱劳动密集型生产，实现突破发展瓶颈的关键所在。

1 医用带线缝合针生产工艺

目前应用广泛的带线缝合针，原材料主要有碳钢和不锈钢两种，针径为ϕ0.4～2 mm，尾孔孔径为ϕ0.2～1.2 mm，针型根据实际需要可以在圆针基础上加工为圆针、角针、铲针、直针等，弧度有有1/4弧、3/8弧、1/2弧、5/8弧、3/4弧、半弯针、直针等[1]。其具体生产工艺流程图如图1所示。

图1 医用带线缝合针生产工艺流程

拗弯前的带线缝合针为针型圆柱体，尾部带线微孔设计技术要求如下：工件材料为3Cr13，针径D=ϕ0.4～ϕ2 mm，加工孔直径：d=ϕ0.2～ϕ1.2 mm，加工后孔的轴线与针的轴线应同轴，外形美观、无损伤。具体拗弯前的医用带线缝合针零件图如图2所示。

图2 医用带线缝合针零件图

医用带线缝合针尾孔加工孔径直径尺寸d与孔深尺寸l关系如下：

d=ϕ0.3～ϕ0.35mmd=ϕ0.2～ϕ0.25 mm，打孔孔深l=1.1～1.3 mm

d=ϕ0.3～ϕ0.35mm，打孔孔深l=1.5～1.8 mm

d=ϕ0.4～ϕ0.45mm，打孔孔深l=1.8～2.1 mm

d≥ ϕ0.5mm，打孔孔深l=2.0～2.5 mm

相对于其他工序的半自动化或批量化操作，带线缝合针生产中的“打孔”工序却都是在精密台钻上手工操作打孔，钻头通过钻夹头装在主轴上，工人手工将待打孔针装夹在工作台上的夹具中，手动实现钻头进给运动实现待打孔针的打孔操作[2]。打孔工序又分为两道工序，为提高孔位精度首先由工人使用中心孔钻头打定位中心孔，其操作步骤如图3所示。

图3 医用带线缝合针打中心孔操作流程图

完成打中心孔操作后，由下道工序工人使用打深孔钻头打深孔，其操作步骤如图4所示。

图4 医用带线缝合针钻深工序流程图

根据带线缝合针手动打孔工序特点，在全自动钻孔设备中可实现将以上两步工序合并为一步工序，本文所设计的全自动带线缝合针打孔机所要实现的功能及工序操作步骤如图5所示，其中止停定位即是实现送料机构在连续运转的过程中送料入位及打孔时间预留。

2 缝合针打孔机机械结构总体设计

根据带线缝合针生产工艺，设计新型全自动缝合针打孔机。将原有立式结构改成卧式结构，打孔加工过程选用高速电主轴产生高速旋转运动，由伺服电机控制钻头横向进给，打孔加工过程利用超声波振动装置产生振动，提高钻孔质量和减小钻头的磨损。

对打孔机机械结构进行设计，主要包括主轴的设计、高速电主轴的选型、超声振动装置的设计以及送料机构的设计。其中主轴的进给由伺服电机驱动，包括伺服驱动器和伺服电机的选择。打孔机主轴的设计，包括轴向振动装置的设计，超声振动加工的原理及超声发生器的选用，主轴结构设计和主轴尺寸的确定，打孔机的结构如图6所示。

图5 全自动医用带线缝合针打孔机功能图

3 带线缝合针自动打孔送料机构方案设计

根据生产要求，带线缝合针属于流水式批量生产，所以自动打孔送料机构应为全自动化。自动打孔送料机构应具备的功能：自动排料—装夹—止停定位—打中心孔—止停定位—打深孔—下料，图6中输送带前端连接振动料斗，实现待加工缝合针排序操作。上料机构应选择回转式运行的间歇性多工位夹持机构。进一步根据带线缝合针打孔工艺流程可知，机构需有四个工位：夹持工位、打中心孔工位、打深孔工位和下料工位。综合以上要求，自动打孔送料机构选用四槽轮间歇机构作为驱动元件[3-5]。自动打孔送料机构原理如图7所示。

自动打孔送料机构的工作原理为：机构由送料盘和夹持机构固定盘两大部分组成，四对夹持机构均布于夹持机构固定盘，夹持机构固定盘与送料盘在四槽轮机构驱动下同步间歇回转运行，夹持机构在实现对送料盘上的待打孔缝合针准确夹持后，首先进入第一个间歇工位，即打中心孔工位，打孔电机在间歇时间完成进给打中心孔动作，之后当前夹持机构再进入第二个间歇工位，打孔电机同样在间歇时间完成进给打深孔动作，之后再到落料工位落料完成整个打孔过程。其中夹持机构开合凸轮与弹簧控制夹持机构的张开与闭合动作，当夹持机构的滚轮在凸轮的大半径上运行时，夹持机构闭合实现夹持，当夹持机构的滚轮在凸轮的小半径上运行时，夹持机构被弹簧弹开实现落料。

图6 全自动医用带线缝合针打孔机简图

图7 自动打孔送料机构原理图

4 超声轴向振动钻削加工系统的构成

超声振动钻削工艺因具有特殊动力学机理而可获得良好的加工效果，振动钻削效果的好坏，在很大程度上取决于振动钻削加工的结构。超声振动钻削加工系统由超声发生器、换能器、变幅杆和工具系统组成。振动加工系统机械结构设计包括轴向超声波振动打孔机主轴设计和主轴各部分结构尺寸确定、换能器和变幅杆设计原理[6]。用轴向超声波振动钻削技术加工微小孔（0.5 mm以下），具有如下优点：

（1）可以延长钻头寿命；

（2）提高孔的精度和孔壁表面质量，减小钻削出口毛刺，具有优良的工艺效果。

在这里设计利用刀柄旋转轴向超声振动钻削装置，通过刀柄把振动装置直接连接在打孔机上，结构紧凑，使用方便，如图8所示即为超声波振动主轴结构。

其工作原理为：超声波发生器将220 V、50 Hz的交流电转换成高频电源[7]，用来向系统提供振动能量，超声波发生器产生的励振流通过碳刷传到集流环上，再通过钎焊在集流环上的导线传递到压电陶瓷换能器上，换能器的作用是将高频电源产生的高频振动信号转换成高频机械振动，此机械振动经轴向振动变幅杆将振幅放大后有效地传递给工具系统，这样只须将振动加工系统通过刀柄直接装在摇臂钻床的主轴上就可进行超声轴向振动钻孔了[8]。

图8 超声波振动主轴结构

5 全自动医用带线缝合针打孔机控制系统

全自动医用带线缝合针打孔机控制系统设计应能对整个机器的实时情况进行监测，并对报警情况做出相应的处理，具有很好的人机界面，能够保证系统运行稳定，具有自检测功能。工作方式能进行手动和自动之间相互切换；能够显示整个电气控制系统可能发生的故障，通过触摸屏画面，操作人员和维护人员能够清楚掌控整个运动的状况。

带线缝合针打孔机由PLC系统统一协调与控制[9]，它是一种全自动化设备，用于医用带线缝合针的自动打孔，自动完成从上料，零件装夹，超声波振动打孔，到落料等整个过程。

5.1 主电路设计

全自动医用带线缝合针打孔机控制系统结构如图9所示。控制系统功能在于控制启动振动料斗电机对待加工缝合针进行排序进入输送带，接着启动送料机构电机，送料机构机械手抓取待打孔缝合针夹紧，旋转进入中心孔加工工位，该工位设置一个接近开关用来检测机械手旋转到位，启动钻中心孔轴旋转电机和进给电机完成中心孔加工操作，送料机构旋转进入深孔加工工位，该工位同样设置一个接近开关用来检测机械手旋转到位后控制伺服电机启动，精确控制进给距离和各段速度，然后控制超声波振动装置起振进行深孔加工，深孔孔加工完成后进入落料工位落料到落料盘，整个控制过程结束。系统包括控制部分和主动拖动部分，其中主动拖动部分采用交流变频调速系统和伺服驱动系统，包括变频器、高速电主轴、伺服驱动器、伺服电机，控制部分包括可编程控制器、按钮开关和触摸屏。

5.2 PLC选型及输入输出端子分配

医用带线缝合针打孔机系统的工作对象分别是中心孔控制电机、深孔控制电机、振动料斗、送料机构和振动钻削装置。中心孔和深孔主轴零点开关占用2个输入点，深孔钻削主轴的两个极限位置设置两个极限开关使用2个输入点，2个接近开关用来检测中心孔和深孔加工工位占用2个输入点，2个光电开关分别检测料斗物料和输送带上无聊的，另外有启动、停止、复位、急停4个按钮功能，1个伺服报警和1个变频器报警，共需要14点输入。还有一些指示灯如准备就绪、开始工作、停止、伺服故障信号，缺料报警报警、物料不足报警等报警输出共需4个指示灯。伺服电机、电主轴等电机控制共需要12个输出点[10]。

图9 缝合针打孔机控制系统结构

根据系统的控制要求，设置如表1所示为输入输出表。

5.3 缝合针孔加工子程序

缝合针孔加工子程序的步进顺序流程如图10所示。其中，初始步S0.0在主程序中，当系统准备就绪且接收到启动脉冲时被置位。

表1 带线缝合针打孔机PLC的I/O信号表

6 总结

本设备已在淮阴医疗器械有限公司投入使用，全自动医用带线缝合针打孔机系统采用PLC进行控制。送料机构能够在较高输入转速下基本保持平稳运行，完全达到要求；主轴定位精度能够达达到要求，而且主轴转速可达12 000 r/min，钻孔直径范围为0.2～1 mm，并且在加工过程中实现刀具的频率振动，振动频率为0～300 Hz，振动幅度为3～5 μm，钻孔频率可到30次/分钟，系统稳定可靠。与其他控制进行比较，节约了不少成本，并且稳定性提高了很多。该全自动带线缝合针打孔机是一款低成本的经济型设备，通过对设备机械结构和控制系统的设计，使该医用带线缝合针打孔机能够跟上现代自动化的发展，使控制更简单，操作更方便。

图10 缝合针孔加工流程图

［1］张仲义，聂德品.带线缝合针智能综合测试［J］.皖西学院学报，2010（2）：22-25.

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［3］杨芙莲，杨妮，葛正浩，等.直动型弧面凸轮机构与结构设计［J］.机械传动，2006（1）：82-83.

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中国铁道出版社，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

刘奎武，男，1980年生，吉林蛟河人，硕士，讲师。研究领域：机电控制。

(编辑：王智圣)

*淮安市工业支撑项目（编号：HAG2011014）

2014－06－18