CN102139415B - 一种血管支架切割设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于医疗器械加工设备技术领域的一种血管支架切割设备及方法。血管支架切割设备包括：X-X工作台，其是由可沿X轴水平移动的X轴直线电机和可绕X轴旋转的X轴旋转电机构成的二维运动进给平台，在所述X轴旋转电机上设置工件夹具；与所述X-X工作台配重的平台；激光切割头系统，其包括激光发生器和Z工作台，所述Z工作台是由可在垂直方向移动的Z轴伺服电机构成的运动平台；以及控制系统。本发明提供的生产血管支架的加工切割设备，实现血管支架生产的高效，低成本，可方便有效的加工各种形状的血管支架。本发明解决了血管支架加工设备不够小型化，加工精度不高，切割缓慢，热影响区较大，使用寿命短，生产成本高等缺陷。

Description

一种血管支架切割设备及方法

技术领域

本发明属于医疗器械加工设备技术领域，特别涉及不同材料支架和管状薄壁类材料的微加工领域，具体来说涉及一种血管支架切割设备及方法。

背景技术

目前血管支架技术用于血管狭窄治疗的有效性、安全性在临床应用中得到了广泛的认可，已经成为一种新的治疗技术，形成了广阔的市场需求。国际上一些较大的医疗器械公司纷纷推出了自己的血管支架产品，如Cordis、Medtronic、Boston、Scientific和Guidant等，这些大公司的支架产品占据了国际上的大部分市场。国内如微创医疗器械(上海)有限公司自主开发了Mustang冠脉支架和Firebird药物支架，取得了很好的经济和社会效益。国内的民族介入器械产业正快速发展，也带动了相关学术研究日趋活跃。

血管支架加工是一项涉及材料学、光学、机械、医学等各学科领域的精细生产技术，它是将直径极小的管由激光切割成为非常精细的管网结构，其中激光切割是血管支架生产的一个重要环节，它将直接影响血管支架的性能。

光纤激光切割技术是应用激光聚焦后产生的高功率密度能量来实现的。控制系统通过脉冲使激光器放电，从而输出受控的重复高频率的脉冲激光，形成一定脉冲、一定脉宽的光束，该脉冲激光束经过光路传导及反射并通过聚焦透镜组聚焦在加工物体即工件的表面，形成一个个细微的、高能量密度光斑，光斑位于待加工面附近，以瞬间高温熔化或气化工件材料。激光切割头的每个高能量的激光脉冲瞬间在工件表面溅射加工，将工件切割成想要的形状。现有的血管支架切割设备大多采用Nd:YAG激光器，存在灯管寿命短、转换效率低、消耗能量大、系统不够小型化，精度不高，切割缓慢，热影响区较大，生产成本高等缺陷。

我国血管支架加工发展较晚，技术比较落后，加工精度和质量跟国外有较大的差距，医用血管支架主要依赖于进口，费用之高非普通大众所能承受，如何研发出一种血管支架加工设备能加工出低成本、高精度和高质量的血管支架是我国科研人员面临的重大课题。

发明内容

本发明的目的是提供一种血管支架切割设备及方法。

一种血管支架切割设备，该设备包括：

X-X工作台，其是由可沿X轴水平移动的X轴直线电机和可绕X轴旋转的X轴旋转电机构成的二维运动进给平台，在所述X轴旋转电机上设置工件夹具；

与所述X-X工作台配重的平台，其可采用花岗岩平台；

激光切割头系统，其包括激光发生器和Z工作台，所述Z工作台是由可在垂直方向移动的Z轴伺服电机构成的运动平台，所述激光发生器安装于Z工作台上；所述激光发生器随Z工作台一起移动；

控制系统，其包括用于控制X-X工作台与Z工作台的运动控制部件、激光发生器控制部件和系统控制器，所述系统控制器分别与所述运动控制部件和激光发生器控制部件相连，所述系统控制器与计算机相连。

所述运动控制部件包括X轴直线电机驱动器、X轴旋转电机驱动器和Z轴伺服电机驱动器，所述X轴直线电机驱动器、X轴旋转电机驱动器和Z轴伺服电机驱动器分别通过各自相应的编码器与X轴直线电机、X轴旋转电机、Z轴伺服电机相连接。上述驱动器都使用火线与系统控制器连接。

所述系统控制器分别与X轴直线电机传感器、X轴旋转电机传感器和Z轴伺服电机传感器相连接。

所述激光切割头系统还可设置包括CCD摄像头的影像光学系统用于提高检查切割质量。

所述激光切割头系统还包括位于激光束周边的高压氧气喷头，切割时激光束与氧气流由切割头基本同轴喷出，增加将熔化或气化的渣材由切口吹出的效率，与工件材料产生热效反应，提供切割所需的附加能源，使切割处加速燃烧，切面平整，氧气流还有冷却已切割面，减少热影响区，使切割品质稳定且产品热量变型小。还可保证导光镜组和CCD摄像头不受污染的作用，进一步节约成本及提高切割效率。

所述激光发生器是光纤激光发生器。优选掺镱双包层光纤激光发生器，本发明使用光纤激光发生器，波长为1.06μm，输出功率为50w或100w，脉宽为0.1ms～0.5ms可调，重复频率为0～3000Hz可调，最大水平移动速度达到40mm/s，位置精度达到8μm/30mm。

本发明采用无刷直线电机驱动，其行程为200mm，分辨率为5nm，重复精度为±0.5μm，最大速度为2m/s，最大加速度为30m/s2。旋转电机的精度为±25.0arc-sec，重复精度为±4.0arc-sec，最高速度为2000rpm。

所述的激光切割头系统的激光发生器与Z工作台之间设有将激光导达工件表面的可调焦导光镜组。

采用本发明的设备切割血管支架的方法：将待加工的管料固定在工件夹具上，由激光发生器产生脉冲激光，垂直入射到待加工细管表面，由计算机控制直线电机沿X轴的移动和旋转电机绕X轴的转动，通过调节输出激光的频率、脉冲宽度、激光功率、切割速度来实现血管支架的加工。

可通过光学系统的扩束、聚焦使得脉冲激光垂直入射到待加工细管表面。

可在计算机上打开控制软件，调节激光发生器焦距的位置正好位于待加工管料的表面，设置设备参数；再打开所需加工的血管支架形状的CAD图(支持多种图形文件格式)，确定切入点和切出点的位置和偏移补偿，直接生成本设备可执行的G代码程序；最后运行加工程序，就可直接进行血管支架的加工。

其工作原理为由光纤激光发生器产生一定功率和能量的脉冲激光，通过扩束、聚焦等光学系统垂直入射到待加工细管表面，由微机控制直线电机沿x轴的移动和旋转电机绕x轴的转动，通过调节输出激光的频率、脉冲宽度、激光功率、切割速度等参数来实现血管支架的最佳加工工艺。

本发明使用的系统控制器，是一种纯软体的控制，该控制器不需要PCI插槽，并将高水准运动引擎与视觉，PLC，机器人，与I/O结合于一个整合性的编程环境(可用本地G代码或者basic命令集，C，C++，vb，或LabVIEW)，集成激光发射的高速位置同步输出或位置锁定应用，其使用工业标准的火线(IEEE1394)来进行驱动器和控制器之间的通信，提供1到32轴同步运动控制，运动性能不随轴数上升而下降。将多种常用的自动化控制工具整合到一个单一平台，让使用者有能力能够较快速与较低成本整合，研发，与维护系统，举例而言，将视觉系统，运动系统与切割过程整合，提供系统可以找到工件并定位工件的位置，然后调整工件的位置。接着传送讯号到切具，全部的动作都整合到同一系统内，这种整合可以大幅减少接线与必须的元件数量，因此不只减少整合与装配成本，还可以增加可信赖度。

所述控制系统采用PID闭环控制，运用临界比例度法对PID参数进行整定。它是首先将控制器的积分作用和微分作用全部除去，按比例增益(Kc)由小到大的变化规律，对应于某一Kc值作小幅度的设定值阶跃扰动，以获得临界情况下的等幅振荡。此时获得临界振荡周期(设为Tk)和控制器临界比例增益Kcmax值，然后根据Ziegler-Nichols经验公式求取PID的三个最佳参数。

本发明的有益效果为：本发明提供的生产血管支架的加工切割设备，实现血管支架生产的高效，低成本，可方便有效的加工各种形状的血管支架。

本发明方案，较大的解决了血管支架加工设备不够小型化，加工精度不高，切割缓慢，热影响区较大，使用寿命短，生产成本高等缺陷。本发明的出现可扭转高质量的血管支架依赖进口的局面，对推动我国血管支架加工制造业的发展具有重大的意义，并具有极大的实际应用价值。

附图说明

图1是血管支架激光切割系统示意图；

图2是血管支架激光切割原理图；

图3是血管支架激光切割具体实施方式的组成方框图。

具体实施方式

下面的实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

如附图所示的血管支架光纤激光切割设备，包括激光切割头系统，可以沿X轴水平移动的绕X轴旋转的X-X工作台及其配重的花岗岩平台2、设置在旋转电机上的工件夹具5，所述激光切割头系统包括光纤激光发生器1、可以在垂直方向移动的Z工作台6，Z工作台6是由可在垂直方向移动的Z轴伺服电机17构成的运动平台，所述激光发生器1安装于Z工作台6上；所述激光发生器随Z工作台一起移动，还包括设有X-X工作台与Z工作台的运动控制部件、激光发生器控制部件及系统控制器16的控制柜15。

X-X工作台是由可沿X轴水平移动的直线电机3和可绕X轴旋转的旋转电机4组成精密的二维运动平台；

激光切割头系统还包括位于激光束周边的高压氧气喷头，切割时与激光束和来自氧气钢瓶8的氧气流都由切割头基本同轴喷出。

所述控制器16分别与X轴直线电机传感器18、X轴旋转电机传感器19、Z轴伺服电机传感器20相连接。

激光切割头系统的光纤激光发生器1与Z工作台6之间设有包括激光导达工件表面的可调焦导光镜组，其包括反射镜和聚焦透镜，还设有包括CCD摄像头7的影像光学系统。

运动控制部件包括X轴直线电机驱动器12、X轴旋转电机驱动器13、Z轴伺服电机驱动器14，他们分别通过各自相应的编码器9、10、11与X轴直线电机3、X轴旋转电机4、Z轴伺服电机17相连接，并都跟控制器16相连。

计算机通过控制器16对X轴直线电机驱动器12、X轴旋转电机驱动器13、Z轴伺服电机17发出运动指令，X轴直线电机传感器18、X轴旋转电机传感器19、Z轴旋转电机传感器20将各自电机的实际位置反馈给控制器，组成了一个大的闭环控制系统，整个系统采用PID控制。本发明运用临界比例度法对PID参数进行整定，具体做法如下：

(1)被控系统稳定后，把控制器的积分时间放到最，微分时间放到零(相当如切除了积分和微分作用，只使用比例作用)；

(2)通过外界干扰或使控制器设定值作一阶跃变化，观察由此引起的测量值振荡；

(3)从大到小逐步把控制器的比例增益(Kc)减小，看测量值振荡的变化时发散的还是衰减的，如是衰减的则应把Kc继续减小，如是发散的则应把Kc放大；

(4)连续重复(2)、(3)步骤，直至测量值按恒定幅度和周期发生振荡，即持续4～5次等幅振荡为止。此时的的比例增益即为临界比例Kcmax；

(5)从振荡波形图来看，来回振荡1次的时间就是临界周期Tk，即从振荡波的第一个波的顶点到第二个波的顶点的时间。

得到临界比例增益Kcmax和临界振荡周期Tk就可以根据Ziegler-Nichols经验公式求取PID的三个最佳参数值。

控制器16通过火线(IEEE1394)与计算机相连接，通过软件系统对控制器进行控制，实现对血管支架的切割加工。

如附图所示的用于血管支架切割的光纤激光切割设备，用于加工血管支架的方法如下：将待加工的管料固定在工件夹具上，由激光发生器产生一定功率和能量的脉冲激光，通过扩束、聚焦等光学系统垂直入射到待加工细管表面，由计算机控制X轴直线电机沿x轴的移动和X轴旋转电机绕x轴的转动，通过调节输出激光的频率、脉冲宽度、激光功率、切割速度等参数来实现血管支架的加工。

以上实施说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (1)

1.一种血管支架切割设备，其特征在于该设备包括X-X工作台，其是由可沿X轴水平移动的X轴直线电机(3)和可绕X轴旋转的X轴旋转电机(4)构成的二维运动进给平台，在所述X轴旋转电机(4)上设置工件夹具(5)；

与所述X-X工作台配重的平台；

激光切割头系统，其包括激光发生器(1)和Z工作台(6)，所述Z工作台(6)是由可在垂直方向移动的Z轴伺服电机(17)构成的运动平台，所述激光发生器(1)安装于Z工作台(6)上；在激光发生器(1)与Z工作台(6)之间设有将激光导达工件表面的可调焦导光镜组；

控制系统，其包括用于控制X-X工作台与Z工作台的运动控制部件、激光发生器控制部件和系统控制器(16)，所述系统控制器(16)分别与所述运动控制部件和激光发生器控制部件相连，所述系统控制器(16)与计算机相连；所述运动控制部件包括X轴直线电机驱动器、X轴旋转电机驱动器和Z轴伺服电机驱动器，所述X轴直线电机驱动器、X轴旋转电机驱动器和Z轴伺服电机驱动器分别通过各自相应的编码器与X轴直线电机(3)、X轴旋转电机(4)、Z轴伺服电机(17)相连接，所述激光切割头系统还设有包括CCD摄像头的影像光学系统。