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

胡浩然

摘要：通過對已有樣機(jī)工作性能的分析，采用三凸輪對心滾子盤形凸輪傳動，設(shè)計了一種以多凸輪協(xié)同工作為傳動系統(tǒng)的裝置。通過對運(yùn)動速度的疊加分析，理論上滿足恒壓射流產(chǎn)生條件的同時，較于傳統(tǒng)設(shè)計，受制造精度和安裝精度的影響更小，所需轉(zhuǎn)速更低，對凸輪的磨損更少，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；傳動系統(tǒng)；恒壓射流

0 引言

醫(yī)用水刀是專用于臨床使用的水刀設(shè)備，工作原理是通過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，傳動平穩(wěn)，無菌化，高響應(yīng)。國內(nèi)學(xué)者針對這些問題進(jìn)行了絲杠傳動控制系統(tǒng)的設(shè)計1*，雙凸輪傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計2*，醫(yī)用水刀傳動系統(tǒng)及其一次性自動脫合裝置的相關(guān)研究3*，他們的設(shè)計主要缺點是傳動效率不高，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機(jī)構(gòu)提出了多凸輪協(xié)同的醫(yī)用水刀傳動系統(tǒng)的設(shè)計思想，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

通過電機(jī)控制系統(tǒng)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，電機(jī)與傳動系統(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)用泵通過低壓管路吸取無菌生理鹽水，通過高壓管路經(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，在一個脈動周期內(nèi)，吸收高于平均流量的脈動部分，供給低于平均流量的脈動部分，實現(xiàn)壓力脈動的消減。

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)動電機(jī)帶動三套錯位安裝的對心滾子盤形凸輪軸轉(zhuǎn)動，通過卡槽裝置帶動推桿按特定規(guī)律做往復(fù)直線運(yùn)動，在缸體內(nèi)形成高低壓腔，實現(xiàn)高壓噴射，負(fù)壓吸水的功能。

2 凸輪的設(shè)計及驗證

2.1推桿運(yùn)動規(guī)律的設(shè)計

2.2凸輪輪廓繪制

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

2.3多凸輪協(xié)同工作推桿運(yùn)動疊加速度的研究

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

考慮到實際因制造精度與安裝精度的誤差使三個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)動方向理論上同時改變時，由于存在著第三條運(yùn)動方向短時間內(nèi)不改變且速度恒定的基流，因此可以減小其速度換向時的相對誤差。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，在一定程度上提高了傳動系統(tǒng)產(chǎn)生恒壓的穩(wěn)定性。在需要傳輸相同的壓力值時，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)同的傳動系統(tǒng)在實際工作中受制造精度和安裝精度的影響更小，相較于雙凸輪傳動系統(tǒng)更能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和耐用性。

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