CN111504687B - 参数可实时调节的振动切削装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种参数可实时调节的振动切削装置，包括：弹簧质量系统，弹簧质量系统包括单平行四边形柔性机构及与单平行四边形柔性机构相连接的刀片夹具；驱动组件，用于给弹簧质量系统提供驱动力；驱动组件与弹簧质量系统相连；频率调节组件，用于实时改变弹簧质量系统的固有频率。本发明的目的在于解决现有的振动切削装置的参数调节范围小、无法实时调节或实时调节时无法工作在共振模式下以保证切削质量的技术问题。本发明还提供一种参数可实时调节的振动切削方法，用于上述参数可实时调节的振动切削装置对样本的切削。

Description

参数可实时调节的振动切削装置及方法
技术领域
本发明属于医疗器械领域，更具体地，涉及一种参数可实时调节的振动切削装置。
背景技术
振动切片机是利用一定的装置驱动刀片做往复直线运动的切片机，可将新鲜组织或固定处理的组织或使用弹性材料(水凝胶、明胶、琼脂糖等)包埋处理的组织切成数微米至数百微米厚的薄切片。为适应不同类型的生物组织或同一生物组织性能不同部位解剖结构差异，需要振动参数可调的振动切削装置。现有实现振动参数调节的方式主要有两种，一是通过改变振动切削装置中弹簧质量系统中柔性板簧的尺寸来改变频率，但这种方式由于涉及拆卸与装配，调节过程繁琐、耗时，难以保证重复性和精度，而且需要预留冗余空间或者准备不同尺寸的柔性板簧，使得整体设计臃肿，最重要的是这种方式无法实现实时调节。二是利用受迫振动，先通过电机提供特定频率的驱动力，然后电机强行驱动弹簧质量系统做特定频率的振动，虽然这种方式可以实时调节，但由于这种方式的驱动力频率与弹簧质量系统的固有频率不匹配，与共振驱动相比，强迫振动的振幅会急剧衰减，进而影响切削质量；而且当需要的振动频率大于弹簧质量系统的固有频率且相差较大时，利用强迫振动的方式需要电机提供更大的推力才有可能满足振幅的要求；在电机推力受限时，为满足可用的振幅条件，利用强迫振动会极大地缩小频率调节范围。目前，一般的可实时调节的振动切削装置，其振动频率变化范围一般为0～100Hz，调节范围较小。因此，需要提供一种不仅能进行参数实时调节且能实现共振驱动的振动切削装置。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种参数可实时调节的振动切削装置，其目的在于解决现有的振动切削装置的参数无法实时调节或实时调节时无法达到共振驱动以保证切削质量或调节范围小的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种参数可实时调节的振动切削装置，包括弹簧质量系统，所述弹簧质量系统包括单平行四边形柔性机构及与所述单平行四边形柔性机构相连接的刀片夹具；
驱动组件，用于给弹簧质量系统提供驱动力；所述驱动组件与所述弹簧质量系统相连；
频率调节组件，用于实时改变弹簧质量系统的固有频率；所述频率调节组件包括预载荷施加模块、预载荷引导模块，所述预载荷引导模块与所述单平行四边形柔性机构相连，所述预载荷施加模块与所述预载荷引导模块相配合，以改变所述弹簧质量系统的刚度。
优选地，所述单平行四边形柔性机构为一对，且对称分布于所述刀片夹具两侧，所述单平行四边形柔性机构包括两片平行的柔性板簧。
优选地，所述驱动组件位于所述单平行四边形柔性机构的中心对称线上，所述频率调节组件设置于所述弹簧质量系统的两侧，且沿所述中心对称线对称。
优选地，还包括机架与传力杆，所述传力杆一端与所述预载荷施加模块相连，另一端与所述预载荷引导模块配合；所述预载荷引导模块包括一对双平行四边形柔性机构，所述双平行四边形柔性机构连接在所述单平行四边形柔性机构两侧，所述双平行四边形柔性机构包括支撑板与内外嵌套的四块平行的柔性板，所述柔性板与所述单平行四边形柔性机构相垂直；其中，外侧两块柔性板一端与所述支撑板相连，另一端与所述机架相连，内侧两块柔性板一端与所述支撑板相连，另一端与同侧的另一个所述双平行四边形柔性机构相连。
优选地，所述预载荷引导模块还包括定向块，所述定向块设置在同侧的一对所述双平行四边形柔性机构之间，与内侧的柔性板相连，所述传力杆另一端与所述定向块配合。
优选地，所述定向块的内外侧均设有V型槽，且所述定向块中设有连通内外侧V型槽的通孔，所述传力杆的另一端可穿过所述通孔。
优选地，还包括可套接在所述传力杆外的球形块，所述球形块与所述V型槽配合使用。
优选地，所述弹簧质量系统还包括质量平衡块、振动质量块，所述振动质量块与所述单平行四边形柔性机构相连，所述质量平衡块设置于所述振动质量块上部，所述刀片夹具设置于所述振动质量块下部。
优选地，所述预载荷引导模块、所述单平行四边形柔性机构及机架一体成型。
优选地，所述驱动组件包括音圈电机，所述预载荷施加模块包括气缸或压电陶瓷驱动器。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明提出了一种参数可实时调节的振动切削装置，通过频率调节组件可以实时改变弹簧质量系统的固有频率，同时使驱动组件提供的驱动力频率与弹簧质量系统的固有频率相同，即使得该装置工作在共振模式下，进而使得振动切削装置在实时调节频率的过程中其振幅不会因频率不匹配而急剧下降，能够保证振幅始终满足使用要求，增大了振动频率的调节范围，可达到0～300Hz，同时避免了振幅急剧衰减对切削质量的不良影响。
本发明还提供一种参数可实时调节的振动切削方法，具体为：驱动组件给弹簧质量系统提供驱动力，该驱动力通过单平行四边形柔性机构传送给刀片夹具以完成对样本的切削；
其中，由于驱动组件提供的驱动力频率与弹簧质量系统的固有频率相同，因此，弹簧质量系统频率改变，则驱动组件的驱动力频率也随之改变；
频率调节组件根据样本需求调整预载荷施加模块对弹簧质量系统的轴向预载荷力，利用弹簧质量系统中的单平行四边形柔性机构的应力刚化效应，从而改变弹簧质量系统的刚度K，然后结合固有频率计算公式
Figure BDA0002469933220000041
通过改变系统的刚度来改变其固有频率；预载荷力引导模块用于消除预载荷力方向以外的误差运动。
该参数可实时调节的振动切削方法用于上述参数可实时调节的振动切削装置对样本的切削。
附图说明
图1是本发明提出的参数可实时调节的振动切削装置的立体结构示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
101-预载荷施加模块；102-传力杆；103-双平行四边形柔性机构；104-定向块；201-驱动组件；301-单平行四边形柔性机构；302-质量平衡块；303-刀片夹具。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明提出一种参数可实时调节的振动切削装置，包括：弹簧质量系统，弹簧质量系统包括单平行四边形柔性机构301及与单平行四边形柔性机构301相连接的刀片夹具303；驱动组件201，用于给弹簧质量系统提供周期性的驱动力；驱动组件201与弹簧质量系统相连；频率调节组件，用于实时改变弹簧质量系统的固有频率；频率调节组件包括预载荷施加模块101、预载荷引导模块，预载荷引导模块与单平行四边形柔性机构301相连，预载荷施加模块101与预载荷引导模块相配合，以改变弹簧质量系统的刚度。
其中，预载荷施加模块101用于对弹簧质量系统的轴向施加一定的预载荷力，利用单平行四边形柔性机构301的应力刚化效应，从而改变弹簧质量系统的刚度K，然后结合固有频率计算公式
Figure BDA0002469933220000051
通过改变系统的刚度来改变其固有频率。其中，f0为振动切削装置的固有/工作频率，m为弹簧质量系统振动部分的总质量。工作时，预载荷力的方向指向弹簧质量系统时，与无预载荷相比，系统刚度变小，并且随着预载荷力的增加，其刚度随之减小，固有频率减小；预载荷力的方向背离弹簧质量系统时，系统刚度增大，随着预载荷力的增加，其刚度随之增大，固有频率增大。
进一步地，单平行四边形柔性机构301为一对，且对称分布于刀片夹具303两侧，单平行四边形柔性机构301包括两片平行的柔性板簧。
柔性板簧的作用是：利用其不同方向具有不同刚度的特性，即在刚度最小的方向实现振动方向的运动，在刚度大的两个方向约束非振动方向的运动，从而实现引导弹簧质量系统振动方向的功能；作为产生运动的变形部件；作为弹簧质量系统的弹簧部分为系统提供刚度；同时还可以引导刀片夹具303上夹持的刀片作直线运动。
本发明通过频率调节组件可以实时改变弹簧质量系统的固有频率，同时保证驱动组件提供的驱动力频率与弹簧质量系统的固有频率相同，即系统工作在共振模式下，进而使得振动切削装置在实时调节频率的过程中其振幅不会因频率不匹配而急剧下降，能够保证振幅始终满足使用要求，增了振动频率的调节范围，同时避免了振幅急剧衰减对切削质量的不良影响。
作为另一个实施例，驱动组件201位于单平行四边形柔性机构301的中心对称线上，频率调节组件设置于弹簧质量系统的两侧，且沿中心对称线对称。驱动组件201位于单平行四边形柔性机构301的中心对称线上可保证驱动组件201提供的驱动力作用线通过弹簧质量系统的中心，避免因驱动力方向偏移或偏转对刀片夹具中的刀片造成地额外的旋转运动误差，提升刀片往复直线运动的精度。频率调节组件对称设置于弹簧质量系统的两侧可以保证预载荷对称地作用于单平行四边形柔性机构301，避免了因预载荷不对称造成弹簧质量系统整体沿预载荷作用力方向产生偏移，使驱动组件201偏离单平行四边形柔性机构301的理想中心对称线，造成刀片产生沿预载荷作用力方向的平移误差，降低刀片往复直线运动的精度。
作为另一个实施例，还包括机架与传力杆102，传力杆102一端与预载荷施加模块101相连，另一端与预载荷引导模块配合；预载荷引导模块包括一对双平行四边形柔性机构103，双平行四边形柔性机构103对称地布置在单平行四边形柔性机构301两侧，双平行四边形柔性机构103包括支撑板与内外嵌套的四块平行的柔性板，柔性板与单平行四边形柔性机构301相垂直；其中，外侧两块柔性板一端与所述支撑板相连，另一端与机架相连，内侧两块柔性板一端与支撑板相连，另一端与同侧的另一个双平行四边形柔性机构103相连。本实施例的传力杆102可以为螺栓。通过该一对双平行四边形柔性机构103可以滤除传力杆102在预载荷作用线方向以外的误差运动，消除预载荷施加模块101的误差对弹簧质量系统运动精度的影响。
进一步地，作为另一个实施例，预载荷施加模块101还包括定向块104，定向块104设置在同侧的一对双平行四边形柔性机构103之间，与内侧的柔性板相连，传力杆102另一端与定向块104配合，以实现将预载荷力传递到预载荷引导模块上。
进一步地，定向块104的内外侧均设有V型槽，且定向块104中设有连通内外侧V型槽的通孔，传力杆102的另一端可穿过该通孔，V型槽的两斜面交线与传力杆102的中心线垂直，且传力杆102中心线重合于V型槽的对称面，以保证预载荷在拉压两个方向的施加精度。
进一步地，还包括可套接在传力杆102外的球形块，球形块与V型槽配合使用，以实现V型槽的自动定心功能，保证单侧预载荷作用力方向水平穿过单平行四边形柔性机构301的对称中心，最后通过预载荷引导模块的对称设计，实现弹簧质量系统两侧的预载荷作用线水平共轴且穿过所述对称中心。具体地：定向块104上有4个V型槽，相对应地有4个球形块，其中两个离弹簧质量系统较远的球形块中间开设有完全贯穿的孔，两个离弹簧质量系统较近的球形块中间开设有部分贯穿的孔。4个球形块与传力杆102(螺栓)螺纹连接，工作时，传力杆102穿过定位块104上的通孔，4个球形块套接在传力杆102上，通过V型槽与球形块的共同配合实现预载荷作用力方向垂直于定位块104。
作为另一个实施例，弹簧质量系统还包括质量平衡块302、振动质量块，振动质量块与单平行四边形柔性机构301相连，质量平衡块302设置于振动质量块上部，刀片夹具303设置于振动质量块下部。质量平衡块302的作用是：使振动部分的质量中心与刚度中心重合，保证驱动组件201提供的驱动力作用线能够穿过质量与刚度中心，即实现质心、刚心及驱动力作用线重合，消除刀刃沿竖直面的旋转运动误差。如果不设置质量平衡块，由于刀片安装架和刀片夹具质量的影响，质量中心会向下偏离单平行四边形柔性机构的对称中心，在刀片安装架和刀片夹具的反方向增加额外的质量后，质量中心会向上移动，与刚度中心重合。这个过程中，刚度中心位置保持不变。
作为另一个实施例，预载荷引导模块与单平行四边形柔性机构301及机架一体成型，使得结构紧凑，无装配误差。
作为另一个实施例，驱动组件201包括音圈电机，用于给弹簧-质量系统提供驱动力。预载荷施加模块101包括气缸或压电陶瓷驱动器，本实施例采用气缸作为预载荷施加模块101，其提供的往复预载荷作用力值较大且稳定性好。
作为另一个实施例，振动切削装置还包括力传感器或位移传感器，力传感器与所述预载荷施加模块连接，用于监测弹簧质量系统两边提供的预载荷力大小是否相同；位移传感器在改变频率时用于监测平衡质量块沿预载荷作用力方向的移动，通过探测到的位移值判断两侧的预载荷施加模块提供的预载荷力大小是否相同。
本发明还提供一种参数可实时调节的振动切削方法，用于上述任一参数可实时调节的振动切削装置对样本的切削，具体为：
驱动组件给弹簧质量系统提供驱动力，该驱动力通过单平行四边形柔性机构传送给刀片夹具以完成对样本的切削；
其中，由于驱动组件提供的驱动力频率与弹簧质量系统的固有频率相同，因此，弹簧质量系统频率改变，则驱动组件的驱动力频率也随之改变；
频率调节组件根据样本需求调整预载荷施加模块对弹簧质量系统的轴向预载荷力，利用弹簧质量系统中的单平行四边形柔性机构的应力刚化效应，从而改变弹簧质量系统的刚度K，然后结合固有频率计算公式
Figure BDA0002469933220000081
通过改变系统的刚度来改变其固有频率；预载荷力引导模块用于消除预载荷力方向以外的误差运动。
本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种参数可实时调节的振动切削装置，其特征在于，包括：
弹簧质量系统，所述弹簧质量系统包括单平行四边形柔性机构及与所述单平行四边形柔性机构相连接的刀片夹具，所述单平行四边形柔性机构为一对且对称分布于刀片夹具的左右两侧；
驱动组件，用于给弹簧质量系统提供驱动力；所述驱动组件与所述弹簧质量系统相连；
频率调节组件，位于所述弹簧质量系统的左右两侧，且沿所述弹簧质量系统的中心对称线对称，用于实时改变弹簧质量系统的固有频率；单侧的所述频率调节组件包括预载荷施加模块、预载荷引导模块，所述预载荷引导模块与该侧的所述单平行四边形柔性机构相连，所述预载荷施加模块与所述预载荷引导模块相配合，以改变所述弹簧质量系统的刚度；
还包括机架与传力杆，所述传力杆一端与所述预载荷施加模块相连，另一端与所述预载荷引导模块配合，单侧的所述预载荷引导模块包括一对双平行四边形柔性机构，该一对所述双平行四边形柔性机构连接在该侧的所述单平行四边形柔性机构前后两侧，所述双平行四边形柔性机构包括支撑板与内外嵌套的四块平行的柔性板，所述柔性板与所述单平行四边形柔性机构相垂直；其中，外侧两块柔性板一端与所述支撑板相连，另一端与所述机架相连，内侧两块柔性板一端与所述支撑板相连，另一端与同侧的另一个所述双平行四边形柔性机构相连；所述预载荷施加模块还包括定向块，所述定向块设置在同侧的一对所述双平行四边形柔性机构之间，与内侧的柔性板相连，所述传力杆另一端与所述定向块配合，所述预载荷引导模块与所述单平行四边形柔性机构及机架一体成型。
2.如权利要求1所述的参数可实时调节的振动切削装置，其特征在于，所述单平行四边形柔性机构包括两片平行的柔性板簧。
3.如权利要求2所述的参数可实时调节的振动切削装置，其特征在于，所述驱动组件位于一对所述单平行四边形柔性机构的中心对称线上。
4.如权利要求3所述的参数可实时调节的振动切削装置，其特征在于，所述定向块的内外侧均设有V型槽，且所述定向块中设有连通内外侧V型槽的通孔，所述传力杆的另一端可穿过所述通孔。
5.如权利要求4所述的参数可实时调节的振动切削装置，其特征在于，还包括可套接在所述传力杆外的球形块，所述球形块与所述V型槽配合使用。
6.如权利要求1~5任一项所述的参数可实时调节的振动切削装置，其特征在于，所述弹簧质量系统还包括质量平衡块、振动质量块，所述振动质量块与所述单平行四边形柔性机构相连，所述质量平衡块设置于所述振动质量块上部，所述刀片夹具设置于所述振动质量块下部。
7.一种参数可实时调节的振动切削方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的振动切削装置，所述振动切削方法具体为：驱动组件给弹簧质量系统提供驱动力，该驱动力通过单平行四边形柔性机构传送给刀片夹具以完成对样本的切削；
其中，由于驱动组件提供的驱动力频率与弹簧质量系统的固有频率相同，因此，弹簧质量系统频率改变，则驱动组件的驱动力频率也随之改变；
频率调节组件根据样本需求调整预载荷施加模块对弹簧质量系统的轴向预载荷力，利用弹簧质量系统中的单平行四边形柔性机构的应力刚化效应，从而改变弹簧质量系统的刚度K，然后结合固有频率计算公式
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，f 0 为振动切削装置的固有频率，m为弹簧质量系统振动部分的总质量，通过改变系统的刚度来改变其固有频率；预载荷引导模块包括一对双平行四边形柔性机构，双平行四边形柔性机构连接在单平行四边形柔性机构前后两侧，双平行四边形柔性机构包括支撑板与内外嵌套的四块平行的柔性板，柔性板与单平行四边形柔性机构相垂直；其中，外侧两块柔性板一端与支撑板相连，另一端与机架相连，内侧两块柔性板一端与支撑板相连，另一端与同侧的另一个双平行四边形柔性机构相连；预载荷施加模块还包括定向块，定向块设置在同侧的一对双平行四边形柔性机构之间，与内侧的柔性板相连，传力杆一端与预载荷施加模块相连，另一端与定向块配合用于消除预载荷力方向以外的误差运动，所述预载荷引导模块与所述单平行四边形柔性机构及机架一体成型。
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