基于多凸輪協(xié)同的醫(yī)用水刀傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡浩然

摘要：通過(guò)對(duì)已有樣機(jī)工作性能的分析，采用三凸輪對(duì)心滾子盤(pán)形凸輪傳動(dòng)，設(shè)計(jì)了一種以多凸輪協(xié)同工作為傳動(dòng)系統(tǒng)的裝置。通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的疊加分析，理論上滿足恒壓射流產(chǎn)生條件的同時(shí)，較于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，受制造精度和安裝精度的影響更小，所需轉(zhuǎn)速更低，對(duì)凸輪的磨損更少，提高了恒壓射流產(chǎn)生的可靠性，增強(qiáng)了凸輪的耐用性。

關(guān)鍵詞：多凸輪協(xié)同；傳動(dòng)系統(tǒng)；恒壓射流

0 引言

醫(yī)用水刀是專(zhuān)用于臨床使用的水刀設(shè)備，工作原理是通過(guò)高壓水射流利用不同韌性和彈性組織之間的壓力差進(jìn)行選擇性解剖。影響水刀性能的主要因素是射流恒壓的產(chǎn)生，傳動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)菌化，高響應(yīng)。國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行了絲杠傳動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1*，雙凸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)2*，醫(yī)用水刀傳動(dòng)系統(tǒng)及其一次性自動(dòng)脫合裝置的相關(guān)研究3*，他們的設(shè)計(jì)主要缺點(diǎn)是傳動(dòng)效率不高，系統(tǒng)不夠穩(wěn)定，受制造精度和安裝精度影響較大，本文基于雙凸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提出了多凸輪協(xié)同的醫(yī)用水刀傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，可以達(dá)到響應(yīng)快，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和耐用性的效果。

1 醫(yī)用水刀控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

通過(guò)電機(jī)控制系統(tǒng)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)相連，向醫(yī)用泵注入水流，增加或減小醫(yī)用泵的水壓。醫(yī)用泵通過(guò)低壓管路吸取無(wú)菌生理鹽水，通過(guò)高壓管路經(jīng)特制噴嘴噴出，形成高壓水射流。此外，加入壓力傳感器反饋系統(tǒng)，經(jīng)電機(jī)控制系統(tǒng)反饋調(diào)節(jié)，使輸出為特定壓力。加入蓄能器，在一個(gè)脈動(dòng)周期內(nèi)，吸收高于平均流量的脈動(dòng)部分，供給低于平均流量的脈動(dòng)部分，實(shí)現(xiàn)壓力脈動(dòng)的消減。

醫(yī)用水刀產(chǎn)生壓力的機(jī)械結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)三套錯(cuò)位安裝的對(duì)心滾子盤(pán)形凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)卡槽裝置帶動(dòng)推桿按特定規(guī)律做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，在缸體內(nèi)形成高低壓腔，實(shí)現(xiàn)高壓噴射，負(fù)壓吸水的功能。

2 凸輪的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

2.1推桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律的設(shè)計(jì)

2.2凸輪輪廓繪制

據(jù)各階段運(yùn)動(dòng)方程，選取基圓半徑和推桿推程2*，用繪制凸輪外輪廓。如圖2-1所示

在各分段運(yùn)動(dòng)方程，據(jù)推桿位移與凸輪轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系，做出單個(gè)推桿隨凸輪轉(zhuǎn)角的位移曲線圖2-2。在推程階段：時(shí)，推桿做勻加速運(yùn)動(dòng)，時(shí)，做勻速運(yùn)動(dòng)，時(shí)，做勻減速運(yùn)動(dòng)。在回程階段：時(shí)，推桿做勻加速運(yùn)動(dòng)，時(shí)，做勻速運(yùn)動(dòng)，時(shí)，做勻減速運(yùn)動(dòng)。

2.3多凸輪協(xié)同工作推桿運(yùn)動(dòng)疊加速度的研究

據(jù)運(yùn)動(dòng)方程，以正半軸表示推程運(yùn)動(dòng)，負(fù)半軸表示回程運(yùn)動(dòng)，按實(shí)際工作位置相互相差安裝，取一周期的速度值進(jìn)行分析，畫(huà)出推桿運(yùn)動(dòng)速度變化如圖2-3。推桿1和推桿2和推桿3在各運(yùn)動(dòng)階段上的速度疊加值始終保持恒定，使此機(jī)械結(jié)構(gòu)在理論上實(shí)現(xiàn)了水壓恒定。

考慮到實(shí)際因制造精度與安裝精度的誤差使三個(gè)推桿之間相差的安裝角度不為準(zhǔn)確的。當(dāng)三推桿速度疊加，兩推桿運(yùn)動(dòng)方向理論上同時(shí)改變時(shí)，由于存在著第三條運(yùn)動(dòng)方向短時(shí)間內(nèi)不改變且速度恒定的基流，因此可以減小其速度換向時(shí)的相對(duì)誤差。較傳統(tǒng)雙凸輪機(jī)構(gòu)而言，滿足理論上恒壓射流產(chǎn)生條件的同時(shí)，在一定程度上提高了傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生恒壓的穩(wěn)定性。在需要傳輸相同的壓力值時(shí)，由于三凸輪的速度疊加效果為雙凸輪的兩倍，所需電機(jī)的轉(zhuǎn)速更低，亦減少了凸輪的磨損程度，提高了機(jī)器的耐用性。

3 結(jié)論

凸輪機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，相應(yīng)速度快，工作穩(wěn)定可靠。多凸輪協(xié)同的傳動(dòng)系統(tǒng)在實(shí)際工作中受制造精度和安裝精度的影響更小，相較于雙凸輪傳動(dòng)系統(tǒng)更能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和耐用性。

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