手術縫合線涂層工藝中張力自穩定系統的設計

文 靜 何永義

上海大學機電工程與自動化學院，上海，200444

手術縫合線涂層工藝中張力自穩定系統的設計

文 靜 何永義

上海大學機電工程與自動化學院，上海，200444

為保持手術縫合線涂層工藝過程中絲線張力的穩定性，通過分析傳統張力的控制方式及其局限性，提出了一種基于速度跟隨原理的張力自穩定系統。該系統采用主動放線方式，從動力學角度建立放線系統張力控制模型，設計彈簧-張力桿機構。通過實時檢測走線過程中張力的波動，改變主動放線速度，從而減小走線過程中絲線張力的波動幅度，提高系統穩定性。構建了虛擬樣機，在ADAMS中進行動力學仿真，仿真結果表明該彈簧-張力桿機構能將張力的波動幅度減小70%。最終以與強生(中國)醫療器材有限公司共同研制的四頭上蠟機作為測試對象，與傳統設備相比，該方案可將張力的波動幅度減小53%。

手術縫合線；速度跟隨；張力穩定系統；動力學仿真

0 引言

理想的手術縫合線應滿足線強度高、纖維柔性好、生物相容性良好、質量穩定、安全無毒等要求[1-3]。對于多股不可吸收手術縫合線，要求其必須有涂層。涂層處理是為了提高縫合線的直線均勻性和平滑性，減少組織反應性毛細血管效應?？p合線涂層不僅改善了縫合線的表面性能，而且提高了原料的性能。大部分的涂層能夠起到潤滑劑的作用。此外，涂層不僅在縫合線的表面形成薄膜，而且滲透并分布到絲線的內部；因而提高了縫合線的柔韌性和打結性能，但又不影響縫合線的使用和物理性能[4]。

手術縫合線上蠟機屬于醫療器械，是用于手術縫合線涂層工藝的機械產品。上蠟機在放線和收線部分過程中，除了蠟液的溫度外，縫合線的張力也是直接決定涂層質量和線品質的關鍵因素。工序中縫合線張力波動的大小對線的質量和線筒的形成均有很大影響。如果張力過大，將使縫合線受到過度的拉伸，從而損傷縫合線的物理機械性能，減少線中的蠟含量；如果張力過小，則會造成線筒松軟，影響下道工序，使縫合線蠟含量增加，造成直徑不均等后果。

1 涂層工藝過程

圖1是與強生(中國)醫療器材有限公司共同研發設計的一臺手術縫合線上蠟機的機械機構等效示意圖。該上蠟機主要用于直徑為0.20 mm和0.25 mm的不可吸收手術縫合線涂層上蠟。

圖1 上蠟機機械結構等效示意圖Fig.1 Waxing machine mechanical structure equivalent diagram

涂層工藝一般采用液體蜂蠟作為涂層用劑，即將固體蜂蠟加熱至200 ℃左右，將線經過蠟池后達到涂層上蠟的目的。工藝過程主要包括4個過程：放線部分、上蠟部分、測線長部分和收線部分。先將縫合線穿過主動放線裝置，繞過兩組導線輪進入蠟池；然后通過兩塊壓板吸收縫合線上多余的蠟液，經過一段距離的冷卻后，繞過編碼器測量縫合線長度；最后由排線器從左到右，再從右到左依次循環進行排線，由伺服電機驅動線筒旋轉，將涂層后的縫合線收卷。

2 傳統張力控制方式

在實際生產過程中，一臺設備需能生產不同型號的線，但不同的線需要對應不同的張力值。強生(中國)醫療器材有限公司上蠟機的傳統張力產生方式如圖2所示，這是一種被動放線方式。用兩個氧化鋁陶瓷夾爪夾住絲線，通過增減砝碼改變絲線與夾爪之間的摩擦力f，從而調整絲線的張力值T，即T=f=μmg，原理如圖3所示。實際操作中不同型號線需要更換不同的砝碼。文獻[5]中陶瓷磨損實驗結果表明：絲線與陶瓷之間的速度變化導致摩擦因數μ發生變化，從而導致摩擦力的上升，絲線張力T也發生改變。這樣的張力產生方式不僅不能保持張力的恒定，而且使絲線容易磨損。此外走線過程中張力設定完成后，張力不能實現自我調節，易產生波動。

圖2 傳統張力產生方式 Fig.2 Tradition method

圖3 傳統張力產生原理Fig.3 The principle of the tradition method

在一般紡織業中，張力裝置控制類型通常分為被動放線式、主動放線式和力矩式[6]。

(1)被動放線式結構。在被動放線式結構中，紗線是由線繞電機牽引出來的，放線輪在紗線被拉出的同時跟隨收線輪轉動，其結構原理如圖4所示。收線輪在電機控制下轉動，將紗線從放線輪中拉出，放線輪被動地跟隨收線電機轉動。運行過程中，在紗線上下表面安裝壓力輪，通過調節電磁鐵電流調節壓力輪施加在紗線上的壓力，進而調節壓力輪與紗線之間的摩擦力，從而實現紗線張力的調節[7]。被動放線式結構簡單，控制系統易實現，但是控制精度低，并且由于存在摩擦，紗線會受到磨損，破壞織物的質量；因此不能實現紗線張力的精確控制。

圖4 被動放線式結構Fig.4 Passive unreeling structure

(2)反向力矩式結構。反向力矩式結構通過對放線輪施加阻力矩，在放線輪放線過程中對輪子產生阻力，使紗線與放線輪做相反方向的運動，這樣紗線就相當于被拉伸，形成張力。反向力矩式結構原理如圖5所示。在反向力矩式結構中，放線輪與紗線的運行方向是相反的，由于控制系統存在一定的延時，如果紗線中的張力較大時突然停機，放線輪不能立刻停止，那么紗線的斷頭很可能會被卷進設備內部，不利于重新穿線，降低工作效率。

圖5 反向力矩式結構Fig.5 Reverse torque structure

(3)主動放線式結構。主動放線式張力控制結構根據張力傳感器檢測的紗線實時張力值，主動調節放線電機轉速，控制收線電機和放線電機之間的轉速差實現張力的控制。這種方式不僅可以保證張力恒定，而且還可以實現具體張力設定值的控制。主動放線式結構有利于提高紗線張力的穩定性，并且可以使紗線張力值保持在某一設定值。這種結構實時性好，控制精確，避免了摩擦力對紗線性能的影響[8]。

3 速度跟隨原理張力控制方式

3.1 主動放線原理

在手術縫合線涂層工藝過程中，張力控制方式采用主動放線式，具體如圖6所示。

圖6 主動放線方式原理圖Fig.6 The principle of the active unreeling

線由主動放線端送出，放線端的線速度為v1，收線由伺服電機驅動，收線端的線速度為v2，角速度為ω2,T為線的張力。設線的彈性模量為E，橫截面積為A，從放線端到收線端的長度為l，t(t=l/v1) 為線由放線端到收線端的時間，由胡克定律得運動學方程[9]：

(1)

式中，ε為線的應變，ε=Δl/l。

由此可知，當收線端與放線端之間的速度差，即v2-v1保持恒定時，可控制線張力保持恒定。收線端的角速度ω2是恒定不變的，剛開始收線時v20=ω2r2，由于收線過程中線筒直徑的不斷增加，線速度v2(v2=ω2(r2+d))在不斷地增大，相應v1也要增大才能保持張力的恒定?？梢姡瑥埩Φ目刂葡到y實際上也是線速度跟蹤系統,因此，可將以前的被動放線方式更改為主動放線方式，利用速度的跟隨原理，保持走線過程中絲線的張力穩定。

在不考慮中間環節及其他環境因素的理想狀態下，張力、收線速度、放線速度之間的關系可以近似表示為圖7所示狀況。

圖7 張力、收放線速度關系圖Fig.7 Tension, winding speed, and feed speed relation

在實際狀況中，張力會受到很多不定因素的影響，如蠟液溫度、原始絲線質量等，會使絲線的張力在一定范圍內產生波動，這樣會對絲線的涂層質量產生影響，因此在保證整體上絲線的張力穩定后，需要在一定程度上消除或減小張力的波動。根據速度的跟隨原理，如圖8所示，若能在張力產生波動時，放線速度也能隨之產生相應的波動，則放線速度的變化會相應地使絲線張力產生變化，這樣一正一負的疊加，能在一定程度上將張力的波動減小或消除。

圖8 速度跟隨原理圖Fig.8 Speed-following principle

3.2 張力控制機械結構

根據上述原理，設計的張力穩定機械系統的結構主要由張力桿、主動輪、彈簧、張力設定桿、角度傳感器和驅動電機組成，如圖9所示。主動輪由電機驅動，在張力桿末端裝有一個角度傳感器，張力設定桿固定于機架上，與張力桿之間通過彈簧連接。使用時可通過旋轉張力桿調整彈簧預張力，即設定絲線的張力值。

圖9 彈簧張力桿結構示意圖Fig.9 Spring-tension rod structure

在使用過程中，絲線繞過主動輪，再穿過張力桿，通過拉動張力桿產生角位移，張力桿末端的角度傳感器將角度信號轉化為電脈沖信號驅動電機自動運行，即電機的轉速可根據角度的變化而產生相應的調整。主動輪上套有醫療行業可用的食品級橡膠圈，使絲線與主動輪不發生相對滑動，主動輪的線速度即為系統的放線速度。

在走線初始狀態，通過張力設定桿給定彈簧一個初始拉力，設定絲線的張力值；走線穩定后，張力桿處于受力平衡狀態，受力分析如圖10所示。

圖10 張力桿受力分析Fig.10 Tension rod force analysis

設平衡狀態時彈簧拉力為F0，彈簧與張力桿之間的角度為φ0。絲線張力為T，一端與張力桿的夾角為β，另一端與水平方向的夾角為α。桿長為L，彈簧連接點與桿的固定點之間的距離為l0。以張力桿為研究對象，其平衡方程為

F0l0sinφ0=TLsinβ+TLsin(α+φ0)

(2)

所以絲線張力T可寫成

(3)

在絲線走線過程中，由于張力的波動，張力桿也具有微小波動，所以在此假設彈簧拉力F方向保持不變，忽略β、α的微小變化，設為常數。則在任意時刻彈簧拉力F和夾角φ之間的關系可表示為

F=k(x+Δx)=F0+kl0Δφ

(4)

式中,k為彈簧彈性模量；Δφ為張力桿的角度變化量。

在放線初始平衡狀態時，放線端初始速度為v0，收線端角速度恒為ω2，初始線速度為ω2r，忽略中間環節，僅考慮收線與放線兩個狀態，結合式(1)、式(4)，在t0時刻有：

(5)

走線過程中，在t1時刻時，張力產生了波動，導致張力桿產生一定的偏角Δφ，此時張力值為T′，產生的張力波動為ΔT，則

(6)

此時傳感器能及時地檢測到張力桿角度的變化，并將信號傳給電機，使主動輪能迅速地響應，最后使速度產生Δv的變化。放線端速度的變化則能導致張力產生ΔT′的變化，根據式(1)可得

(7)

理論上，若能實現|ΔT′|=|ΔT|，并且控制系統響應迅速，則能基本消除張力的波動。即

(8)

由式(8)可得，假設(t1-t0)為一單位時間，則Δv與Δφ之間的關系可表示為

(9)

式(9)中各物理參數及其數值見表1。

表1 上蠟機設備各物理參數Tab.1 The physical parameters of the waxing machine

將參數代入式(9)中，在MATLAB中繪制出Δv與Δφ的關系圖，如圖11所示，Δφ取值在±10°時，二者間可近似為一次函數的關系。

圖11 直線擬合Fig.11 Linear fitting

將曲線擬合成直線后得到Δv與Δφ的近似一次函數關系式:

Δv=0.22Δφ+0.163

(10)

將Δv與Δφ的映射關系輸入控制系統，能將實時張力桿的轉動轉化成主動輪的旋轉，實現張力穩定系統中的速度跟隨。

3.3 張力控制系統

在走線過程中，手術縫合線從主動輪出發，繞過張力桿，走到收線輪。為了控制張力穩定，則要求放線速度能跟隨張力的波動而產生相應的調整。當彈簧預緊力設定好后，張力桿擺動的位置范圍反映的就是跟隨系統的調節能力，張力桿的旋轉角度反映的是主動送線輪的轉速，通過角位移傳感器，將張力桿的角度變化轉換為模擬信號，驅動電機運轉。為了保證張力桿轉角與阻力輪速度之間信號反饋的及時性與準確性，整個電氣控制系統見圖12。

圖12 張力自穩定系統電氣控制框圖Fig.12 Electrical control diagram of self-stable system

由傳統的被動送線方式改變成主動送線方式，張力更加穩定，自帶的張力穩定系統能減小張力的波動幅度。電機的轉速根據角度的變化而產生相應的調整，張力切換響應迅速，輸出張力穩定，波動減小，從而可保證上蠟機系統有效、可靠地運行。

4 ADAMS建模仿真

用三維軟件SolidWorks建立張力自穩定系統機械系統三維模型，為了便于仿真、減少約束，簡化了模型。模型中省略了螺栓、螺母和墊圈等緊固件，僅建立框架、主動輪、張力桿、小導輪、彈簧等關鍵部件的模型。

將建好的模型導出xt格式，再通過ADAMS/Exchange模塊，將建立的張力控制機械系統導入ADAMS 中構建虛擬樣機模型，完成SolidWorks和ADAMS之間的圖形數據轉換[10]。如圖13所示，模型中，張力桿、主動輪、小導輪與框架之間的相對運動用旋轉副進行模擬。簡化繩子模型，在張力桿末端添加等效力。通過設置模型參數，添加約束和驅動，實現在ADAMS/View 環境下的運動仿真。

圖13 虛擬樣機模型Fig.13 The virtual prototype model

在張力桿前端添加一個正弦波動的力，模擬實際運行張力受到環境影響而產生的波動ΔT。將式(10)中得出的Δv與Δφ之間的關系輸入到模型中，經過ADAMS動力學仿真，得出由于張力的波動而產生的張力桿角度波動和主動輪角速度波動，分別如圖14～圖16所示。由于ADAMS仿真輸出的是主動輪的角速度，故需將得到的角速度轉換成線速度，再減去仿真時的平衡狀態值，最終可以得到主動輪Δv與時間t之間的關系。利用式(1)將速度波動Δv轉為張力的波動ΔT′，即為系統張力的修正值。將修正值疊加到張力波動的原始值中，得到修正后的張力波動最終值，如圖17所示。由仿真結果得到，通過主動輪Δv的變化，可將ΔT的波動幅度減小70%。沒能將張力波動完全消除的原因主要有兩個方面：一是在張力桿受力分析時，有許多微小變量作了常量的假設；另一個方面是，曲線擬合時存在一定的誤差。

圖14 張力波動Fig.14 Tension fluctuation

圖15 張力桿角度波動Fig.15 Tension rod angle fluctuation

圖16 主動輪速度波動Fig.16 Driving wheel speed fluctuation

圖17 張力波動修正結果Fig.17 Tension fluctuation correction results

5 樣機測試結果

將與強生(中國)醫療器材有限公司共同研制的四頭上蠟機作為測試樣機。主要配置為：主控制器采用ALEENBRADLEY的PLC及觸摸屏系統；電機采用安川750W伺服電機；張力測量儀為德國SCHMID測量儀。上蠟機的整體模型和實物見圖18。

圖18 仿真圖與實物Fig.18 Simulation and real diagram

將新舊機器置于相同環境中，在相同條件下進行測試。測試的非吸收性縫合線直徑為0.25mm，其所需張力為4N(400g)[11]。在機器運行穩定后，取中間連續的500s時間進行對比。圖19所示為新設備測量結果，張力波動最大值為4.08N(408g)，最小值為3.92N(392g)。圖20為舊設備測量結果，張力波動最大值為4.17N(417g)，最小值為3.82N(382g)。

圖19 新設備張力測量結果Fig.19 New equipment tension measurement results

圖20 舊設備張力測量結果Fig.20 Old equipment tension measurement results

由測量結果得到，采用彈簧-張力桿自穩定系統的新設備，最多可將張力波動減小53%。由于現實環境的影響，以及控制系統的延時性，使得實際測量結果達不到仿真所得到的減小幅值(70%)。該系統對于減小手術縫合線涂層工藝中的絲線張力波動具現實意義。

6 結束語

在手術線涂層工藝過程中，采用主動送線方式代替傳統依靠摩擦力的被動送線方式，不僅提高張力的穩定性，而且避免了摩擦導致的絲線磨損。根據速度跟隨原理提出的彈簧-張力桿自穩定系統，能將實際設備中張力的波動幅度減小53%，將張力控制在±0.1N(±10g)以內，可見該方案能很好地減小絲線張力的波動，提高系統穩定性，具有很好的應用前景。

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(編輯 袁興玲)

Design of Tension Self-stabilization System for Surgical Suture Coating Processes

WEN Jing HE Yongyi

School of Mechatronic Engineering and Automation,Shanghai University,Shanghai,200444

In the coating processes of surgical sutures, to stabilize the tension, a self-stable system was raised depending on the speed-following principles, and was aimed to solve the limitation of traditional tensions through analyzing the control mode. The tension-controlling system was designed on dynamics and feeds the suture actively. Meanwhile, a spring, served as a tension rod to change the feed speeds through testing the undulation of the tension in the processes, thereby, the undulation ranges might be decreased, in like manner, the stability was improved. With a virtual model, dynamics simulation may draw the spring through ADAMS. This tension rod mechanism may decrease the undulation ranges by 70%. Finally, a waxing machine was used as a test object which was developed with Johnson & Johnson medical(China) Ltd.. Comparing with the traditional equipment, this one proves to decrease the undulation ranges by 53%.

surgical suture; speed track; tension stable system; dynamics simulation

2016-05-20

TP23

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.07.007