CN114986268A - 一种精密磨削装置以及微刀刃磨方法 - Google Patents

一种精密磨削装置以及微刀刃磨方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种精密磨削装置以及微刀刃磨方法，包括：基座；连杆组件，架设于所述基座上；动力组件，为曲柄机构提供整周回转的动力；磨削组件，根据显微外科手术刀刃磨轨迹推导计算出连杆上的一点的运动轨迹与之吻合，在该点上增设磨削动力组件以及连接所述磨削组件的夹持机构。采用本申请的一种精密磨削装置以及微刀刃磨方法，能够实现尺寸较小的手术刀片的自动刃磨，提高生产效率，安全性能好。

Description

一种精密磨削装置以及微刀刃磨方法
技术领域
本申请属于精密磨床加工技术领域，具体涉及一种精密磨削装置以及微刀刃磨方法。
背景技术
手术器械是医疗器械的重要组成部分，它不仅是外科手术医生治疗病患的工具，更是衡量一个国家医疗水平的重要因素。
众所周知，手术刀由刀柄和刀片组成，两者之间可以自由拆装，刀柄装配对应的刀片可重复使用，但是刀片是一次性的，因此刀片属于消耗品。
20世纪初，作为外科手术的核心器械手术刀的生产及规格逐渐系列化、标准化，促使了手术刀的大量生产。同时，手术刀片直接作用于人体或动物组织，对刀片的锋利度、刃宽、刃倾角都有着很高的要求，合格的刀片必须满足高精度、高标准、高质量的要求。
手术刀片的生产被认为是劳动密集型加工领域，特别是刀片的尺寸较小，刀口一致性要求高，传统的纯手工磨削不能满足高精度和稳定的刀具产品质量要求。现有的自动化微刀刃磨机床体积庞大，价格昂贵，在一定程度上已无法适应于尺寸小的微刀刃磨现状。
因此，针对上述问题及结合目前国内显微外科手术刀的刃型曲线多为直线、圆弧或者直线圆弧的集合的特性，有必要根据此特征提供一种新的微刀刃磨机构的方法。
发明内容
本申请的目的在于提供一种精密磨削装置，以解决现有技术中的问题。
本申请的另一目的在于提供一种利用四连杆机构的运动轨迹与磨削轨迹相吻合的特点来实现微刀刃磨过程的方法，以解决现有磨削中的一些问题。
本申请解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种精密磨削装置，包括：
基座；
连杆组件，架设于所述基座上；所述连杆组件包括第一连杆，第二连杆，第三连杆，第一连杆的第一端部铰接在基座上、第一连杆的第二端部与第二连杆的第一端部铰接、第二连杆的第二端部与第三连杆的第一端部铰接,第三年连杆的第二端部铰接在基座上；
动力组件，为连杆组件提供整周回转的动力；所述动力组件与第一连杆的第一端部固接；
磨削组件，根据显微外科手术刀刃磨轨迹推导计算出连杆上的一点的运动轨迹与之吻合，在该点上增设磨削动力组件以及连接所述磨削组件的夹持机构。
一种微刀刃磨方法，包括如下步骤：
S1，通过解析法推导计算出机构的各尺度参数与连杆上的描点M(预定连杆位置可通过为连杆上的任一点的M点坐标和连杆的方位角θ2来表达，也即描点是参考点)的坐标(xM，yM)之间的关系式；
S2，再根据给定轨迹上各选定点Mi的坐标(xMi，yMi)求解机构的各尺度参数；
S3，在该轨迹上选定M点设置旋转动力结构，该机构可实现对磨削动力机构的周转运动；
S4，在该轨迹上选定M点的旋转动力结构上设置磨削动力夹持结构，通过连杆机构和旋转动力机构的运动，连杆上M的轨迹正好作为磨削动力的磨削轨迹，对微刀进行定轨迹曲线磨削。
进一步，所述步骤S1中，以第一连杆的第一端部的铰接点作为原点，水平方向为X轴，竖直向上为Y轴建立xy坐标系；
机构的各尺度参数与连杆上的描点M的坐标(xMi，yMi)之间的关系式为：
(xM-xD)2+(yM-yD)2+e2-L3 2-2e[(xM-xD)cos(α+θ2)+(yM-yD)sin(α+θ2)]＝0
(xD，yD)为第三年连杆的第二端部铰接点的坐标；
e表示不同位置时的连杆上的M点与C点之间的长度，为已知量；
L3表示第三连杆的长度，为已知量；
α表示不同位置时的连杆上的M点与C点的连线与连杆起始位置的夹角，为已知量；
θ2表示连杆的转角(即不同位置时连杆与X轴正向的夹角)，为已知量。
进一步，所述步骤S2中，根据给定轨迹上各选定点Mi的坐标(xMi，yMi)求解机构的各尺度参数的方法是：
L1 2-xM 2-yM 2-2L4 2+2L4[xMcos(θ2+β)+yMsin(θ2+β)]＝0
(xM-xD)2+(yM-yD)2+e2-L3 2-2e[(xM-xD)cos(α+θ2)+(yM-yD)sin(α+θ2)]＝0
L4sin(β)＝esin(180°-α)
联立上述三个式子，能够求解出xD,yD,L1,L3,e,L4,β七个独立的待定参数；
L1表示第一连杆的长度，为已知量；
L4表示不同位置时连杆上的M点与B点之间的长度；
β表示不同位置时的连杆上的M点与B点的连线与连杆起始位置的夹角。
进一步，所述步骤S3中，经过推导计算出机构的各尺度参数后，在给定运行轨迹的连杆点上设置旋转动力结构。
进一步，所述步骤S4中，在给定运行轨迹的连杆点上设置磨削动力夹持结构。该夹持机构可抱紧电主轴，电主轴装载的氮化硅砂轮在连杆机构和旋转动力机构的运动下运行预定的轨迹曲线，从而对微刀进行固定轨迹的磨削作业。
本申请的有益效果：
本申请提供出一种利用四连杆机构的运动轨迹与磨削轨迹相吻合的特点来实现微刀刃磨过程的方法，能实现尺寸较小的手术刀片的自动刃磨，提高生产效率，安全性能好。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为基于四连杆机构的显微外科手术刀的精密磨削装置的立体图
图2为基于四连杆机构的显微外科手术刀的精密磨削装置的主视图。
图3为基于四连杆机构的显微外科手术刀的精密磨削装置的俯视图。
图4为基于四连杆机构的显微外科手术刀的精密磨削装置的侧视图。
图5为四连杆机构的力学原理图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅为本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例一的技术方案如下(参考图1所示)：
一种基于四连杆机构的显微外科手术刀的精密磨削装置，包括：
基座0；防护壳1；
连杆组件：架设于所述基座0上；所述连杆组件包括主动杆，连杆，从动杆，主动杆9的第一端部与电机12连接在一起(A点)，通过电机的作用，完成主动杆的回转动作、主动杆9的第二端部与连杆7的第一端部铰接(B点)、连杆7的第二端部与从动杆11的第一端部铰接(C点),从动杆11的第二端部铰接在基座0上(D点)；
动力组件：电机12工作转动，控制主动杆9作回转运动，通过特定杆长和电主轴夹持机构8位置的计算设定，电主轴6按照预定轨迹进行运动，安装在电主轴6上的砂轮4便作同样轨迹的运动，如此便将安装在微刀夹具3上的微刀进行特定轨迹的磨削加工。微刀夹具3安装在手术刀夹具支柱2上。另外，伺服电机10可以控制转台8的转动，以便及时根据刃口调整砂轮4的姿态。
磨削组件：根据显微外科手术刀刃磨轨迹推导计算出连杆上的一点的运动轨迹与之吻合，在该点上增设磨削动力组件(电主轴6、砂轮5、转台8、伺服电机10)以及连接所述磨削组件的夹持机构6。
采用所述的精密磨削装置进行磨削的方法，包括如下步骤：
步骤(1)：通过解析法推导计算出机构的各尺度参数与连杆上的描点M的坐标(xM，yM)之间的关系式：
所述步骤(1)中：连杆作平面运动，可以用在连杆任选一个基点M的坐标(xM，yM)和连杆的方位角β来表示连杆的位置(如图4所示)。
建立坐标系Axy，将四连杆机构分为左右侧两个双杆组加以讨论。建立左侧双杆组的矢量封闭图，可得：
Figure BDA0003644710190000041
其在x、y轴上投影，得：
Figure BDA0003644710190000042
将式子(1)中的θ1消去，并经整理可得：
L1 2-xM 2-yM 2-2L4 2+2L4[xMcos(θ2+β)+yMsin(θ2+β)]＝0 (2)
同理，将右侧的双杆组进行矢量分解：
Figure BDA0003644710190000043
其在x，y轴的投影得：
Figure BDA0003644710190000044
将式子(3)中的θ3消去，并经整理可得：
(xM-xD)2+(yM-yD)2+e2-L3 2-2e[(xM-xD)cos(α+θ2)+(yM-yD)sin(α+θ2)]＝0 (4)
步骤(2)：再根据给定轨迹上各选定点Mi的坐标(xMi，yMi)求解机构的各尺度参数。
所述步骤(2)中：
此时连杆的转角θ2为未知量，故将式(2)和式(4)联立求解。
又由图(1)可知：
L4sin(β)＝esin(180°-α)
故联立式中有xD,yD,L1,L3,e,L4和β七个独立的待定参数，所以最多按给定轨迹的七个预定点位进行精确设计。
式(2)和式(4)是二阶非线性方程组，求解困难，需要数值解法。且随着定位点的增加，方程个数成倍增加，求解更加困难，而且往往没有实解或者即使有解，也可能因为杆长比、传动角等指标不能满足要求而无实用价值。所以一般取4～6精确点设计，这时会有N0＝7-N个参数可预选，因而会有无限个解，这有利于结构的多目标优化设计，从而达到综合优化的目的。当需要获得多精确点的轨迹时，最好采用多杆机构或组合机构。
步骤(3)：在该轨迹上选定M点设置旋转动力结构，该机构可实现对磨削动力机构的周转运动.
所述步骤(3)中：经过推导计算出机构的各尺度参数后，在给定运行轨迹的连杆点上设置旋转动力结构。该旋转动力结构紧固在连杆点上，通过伺服电机的驱动，便可将步骤(4)中的磨削动力机构旋转一定角度，以满足微刀刃磨的轨迹规划要求。
步骤(4)：在该轨迹上选定M点的旋转动力结构上设置磨削动力夹持结构，通过连杆机构和旋转动力机构的运动，连杆上M的轨迹正好作为磨削动力的磨削轨迹，对微刀进行定轨迹曲线磨削。
所述步骤(4)中：在给定运行轨迹的连杆点上设置磨削动力夹持结构。该夹持机构可抱紧电主轴，电主轴装载的氮化硅砂轮在连杆机构和旋转动力机构的运动下运行预定的轨迹曲线，从而对微刀进行固定轨迹的磨削作业。
对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (6)

1.一种精密磨削装置，其特征在于，包括：
基座；
连杆组件，架设于所述基座上；所述连杆组件包括第一连杆，第二连杆，第三连杆，第一连杆的第一端部铰接在基座上、第一连杆的第二端部与第二连杆的第一端部铰接、第二连杆的第二端部与第三连杆的第一端部铰接,第三连杆的第二端部铰接在基座上；
动力组件，为连杆组件提供整周回转的动力；所述动力组件与第一连杆的第一端部固接；
磨削组件，根据显微外科手术刀刃磨轨迹推导计算出连杆上的一点的运动轨迹与之吻合，在该点上增设磨削动力组件以及连接所述磨削组件的夹持机构。
2.一种微刀刃磨方法，其采用权利要求1所述的精密磨削装置对手术刀进行磨削，其特征在于，包括如下步骤：
S1，通过解析法推导计算出机构的各尺度参数与连杆上的描点M的坐标(xM，yM)之间的关系式；
S2，再根据给定轨迹上各选定点Mi的坐标(xMi，yMi)求解机构的各尺度参数；
S3，在该轨迹上选定M点设置旋转动力结构，该机构可实现对磨削动力机构的周转运动；
S4，在该轨迹上选定M点的旋转动力结构上设置磨削动力夹持结构，通过连杆机构和旋转动力机构的运动，连杆上M的轨迹正好作为磨削动力的磨削轨迹，对微刀进行定轨迹曲线磨削。
3.根据权利要求2所述的微刀刃磨方法，其特征在于，所述步骤S1中，以第一连杆的第一端部的铰接点作为原点，水平方向为X轴，竖直向上为Y轴建立xy坐标系；
机构的各尺度参数与连杆上的描点M的坐标(xMi，yMi)之间的关系式为：
(xM-xD)2+(yM-yD)2+e2-L3 2-2e[(xM-xD)cos(α+θ2)+(yM-yD)sin(α+θ2)]＝0
(xD，yD)为第三年连杆的第二端部铰接点的坐标；
e表示不同位置时的连杆上的M点与C点之间的长度，为已知量；
L3表示第三连杆的长度，为已知量；
α表示不同位置时的连杆上的M点与C点的连线与连杆起始位置的夹角，为已知量；
θ2表示连杆的转角，即不同位置时连杆与X轴正向的夹角，为已知量。
4.根据权利要求2或3所述的微刀刃磨方法，其特征在于，所述步骤S2中，根据给定轨迹上各选定点Mi的坐标(xMi，yMi)求解机构的各尺度参数的方法是：
L1 2-xM 2-yM 2-2L4 2+2L4[xMcos(θ2+β)+yMsin(θ2+β)]＝0
(xM-xD)2+(yM-yD)2+e2-L3 2-2e[(xM-xD)cos(α+θ2)+(yM-yD)sin(α+θ2)]＝0
L4sin(β)＝esin(180°-α)
联立上述三个式子，能够求解出xD,yD,L1,L3,e,L4,β七个独立的待定参数；
L1表示第一连杆的长度，为已知量；
L4表示不同位置时连杆上的M点与B点之间的长度；
β表示不同位置时的连杆上的M点与B点的连线与连杆起始位置的夹角。
5.根据权利要求2或3所述的微刀刃磨方法，其特征在于，所述步骤S3中，经过推导计算出机构的各尺度参数后，在给定运行轨迹的连杆点上设置旋转动力结构。
6.根据权利要求2或3所述的微刀刃磨方法，其特征在于，所述步骤S4中，在给定运行轨迹的连杆点上设置磨削动力夹持结构；
该夹持机构能够抱紧电主轴，电主轴装载的氮化硅砂轮在连杆机构和旋转动力机构的运动下运行预定的轨迹曲线，从而对微刀进行固定轨迹的磨削作业。
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