全自動醫用帶線縫合針打孔機的設計與研究*

劉奎武，孫鐵波，邊 巍

（1.江蘇食品藥品職業技術學院，江蘇淮安 223003；2.江蘇財經職業技術學院，江蘇淮安 223003）

全自動醫用帶線縫合針打孔機的設計與研究*

劉奎武1，孫鐵波1，邊 巍2

（1.江蘇食品藥品職業技術學院，江蘇淮安 223003；2.江蘇財經職業技術學院，江蘇淮安 223003）

通過研究分析帶線縫合針打孔加工工藝和現有打孔設備情況，對帶線縫合針打孔工序進行集中，確立全自動化設計目標。通過對設備機械結構和控制系統的設計，使該醫用帶線縫合針打孔機能夠跟上現代自動化的發展，使控制更簡單，操作更方便。

醫用縫合針；打孔機；自動送料機構；PLC

0 引言

目前，醫用帶線縫合針整個生產加工過程已經實現了半自動化，但是由于生產技術水平限制，醫用帶線縫合針生產的主要工序——“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用帶線縫合針的生產效率，且本道工序的工人勞動強度較大，廢品率高，如何實現自動打尾孔已成為醫用縫合針整個生產過程實現自動化的關鍵問題，這也是醫療器械生產企業擺脫勞動密集型生產，實現突破發展瓶頸的關鍵所在。

1 醫用帶線縫合針生產工藝

目前應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，針型根據實際需要可以在圓針基礎上加工為圓針、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]。其具體生產工藝流程圖如圖1所示。

圖1 醫用帶線縫合針生產工藝流程

拗彎前的帶線縫合針為針型圓柱體，尾部帶線微孔設計技術要求如下：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同軸，外形美觀、無損傷。具體拗彎前的醫用帶線縫合針零件圖如圖2所示。

圖2 醫用帶線縫合針零件圖

醫用帶線縫合針尾孔加工孔徑直徑尺寸d與孔深尺寸l關系如下：

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，手動實現鉆頭進給運動實現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 醫用帶線縫合針鉆深工序流程圖

根據帶線縫合針手動打孔工序特點，在全自動鉆孔設備中可實現將以上兩步工序合并為一步工序，本文所設計的全自動帶線縫合針打孔機所要實現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送料機構在連續運轉的過程中送料入位及打孔時間預留。

2 縫合針打孔機機械結構總體設計

根據帶線縫合針生產工藝，設計新型全自動縫合針打孔機。將原有立式結構改成臥式結構，打孔加工過程選用高速電主軸產生高速旋轉運動，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生振動，提高鉆孔質量和減小鉆頭的磨損。

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

圖5 全自動醫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方案設計

根據生產要求，帶線縫合針屬于流水式批量生產，所以自動打孔送料機構應為全自動化。自動打孔送料機構應具備的功能：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，實現待加工縫合針排序操作。上料機構應選擇回轉式運行的間歇性多工位夾持機構。進一步根據帶線縫合針打孔工藝流程可知，機構需有四個工位：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，自動打孔送料機構選用四槽輪間歇機構作為驅動元件[3-5]。自動打孔送料機構原理如圖7所示。

自動打孔送料機構的工作原理為：機構由送料盤和夾持機構固定盤兩大部分組成，四對夾持機構均布于夾持機構固定盤，夾持機構固定盤與送料盤在四槽輪機構驅動下同步間歇回轉運行，夾持機構在實現對送料盤上的待打孔縫合針準確夾持后，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，之后當前夾持機構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。其中夾持機構開合凸輪與彈簧控制夾持機構的張開與閉合動作，當夾持機構的滾輪在凸輪的大半徑上運行時，夾持機構閉合實現夾持，當夾持機構的滾輪在凸輪的小半徑上運行時，夾持機構被彈簧彈開實現落料。

圖6 全自動醫用帶線縫合針打孔機簡圖

圖7 自動打孔送料機構原理圖

4 超聲軸向振動鉆削加工系統的構成

超聲振動鉆削工藝因具有特殊動力學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構。超聲振動鉆削加工系統由超聲發生器、換能器、變幅桿和工具系統組成。振動加工系統機械結構設計包括軸向超聲波振動打孔機主軸設計和主軸各部分結構尺寸確定、換能器和變幅桿設計原理[6]。用軸向超聲波振動鉆削技術加工微小孔（0.5 mm以下），具有如下優點：

（1）可以延長鉆頭壽命；

（2）提高孔的精度和孔壁表面質量，減小鉆削出口毛刺，具有優良的工藝效果。

在這里設計利用刀柄旋轉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，結構緊湊，使用方便，如圖8所示即為超聲波振動主軸結構。

其工作原理為：超聲波發生器將220 V、50 Hz的交流電轉換成高頻電源[7]，用來向系統提供振動能量，超聲波發生器產生的勵振流通過碳刷傳到集流環上，再通過釬焊在集流環上的導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生的高頻振動信號轉換成高頻機械振動，此機械振動經軸向振動變幅桿將振幅放大后有效地傳遞給工具系統，這樣只須將振動加工系統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 超聲波振動主軸結構

5 全自動醫用帶線縫合針打孔機控制系統

全自動醫用帶線縫合針打孔機控制系統設計應能對整個機器的實時情況進行監測，并對報警情況做出相應的處理，具有很好的人機界面，能夠保證系統運行穩定，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可能發生的故障，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系統統一協調與控制[9]，它是一種全自動化設備，用于醫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 主電路設計

全自動醫用帶線縫合針打孔機控制系統結構如圖9所示?？刂葡到y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，接著啟動送料機構電機，送料機構機械手抓取待打孔縫合針夾緊，旋轉進入中心孔加工工位，該工位設置一個接近開關用來檢測機械手旋轉到位，啟動鉆中心孔軸旋轉電機和進給電機完成中心孔加工操作，送料機構旋轉進入深孔加工工位，該工位同樣設置一個接近開關用來檢測機械手旋轉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，整個控制過程結束。系統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速系統和伺服驅動系統，包括變頻器、高速電主軸、伺服驅動器、伺服電機，控制部分包括可編程控制器、按鈕開關和觸摸屏。

5.2 PLC選型及輸入輸出端子分配

醫用帶線縫合針打孔機系統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、送料機構和振動鉆削裝置。中心孔和深孔主軸零點開關占用2個輸入點，深孔鉆削主軸的兩個極限位置設置兩個極限開關使用2個輸入點，2個接近開關用來檢測中心孔和深孔加工工位占用2個輸入點，2個光電開關分別檢測料斗物料和輸送帶上無聊的，另外有啟動、停止、復位、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結構

根據系統的控制要求，設置如表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，當系統準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

本設備已在淮陰醫療器械有限公司投入使用，全自動醫用帶線縫合針打孔機系統采用PLC進行控制。送料機構能夠在較高輸入轉速下基本保持平穩運行，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，系統穩定可靠。與其他控制進行比較，節約了不少成本，并且穩定性提高了很多。該全自動帶線縫合針打孔機是一款低成本的經濟型設備，通過對設備機械結構和控制系統的設計，使該醫用帶線縫合針打孔機能夠跟上現代自動化的發展，使控制更簡單，操作更方便。

圖10 縫合針孔加工流程圖

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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。研究領域：機電控制。

(編輯：王智圣)

*淮安市工業支撐項目（編號：HAG2011014）

2014－06－18