49181

Принципиальная схема управляемого блока питания для двигателя в механизме подъёма хирургического стола

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Механический стол показанный на рисунок 1 уже устаревший но до сих пор успешно применяется в области медицинского приборостроения. Рисунок 1. Механический стол Гидроприводные столы рисунок 2 являются следующим этапом развития конструкции операционного стола. Рисунок 2.

Русский

2014-01-12

633.32 KB

27 чел.

АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Хирургический стол:

 Одной из составных частей медицинского автоматизированного комплекса (МАК), а точнее его центром, вокруг которого он располагается, является операционный стол. В целом все операционные столы представляют собой одну и туже конструкцию, но в тоже время каждая из моделей, отличается друг от друга по техническим характеристикам - конструкции, материалам, динамическим свойствам и конечно же ценой.

Итак, столы операционные можно разделить по областям применения:

  1.  общехирургический.
  2.  гинекологический.
  3.  для урологии и проктологии.
  4.  ортопедический.
  5.  нейрохирургический

По названию стола не трудно определить, для каких операций они предназначены. Как правило производители столов стараются сделать конструкцию такой, чтобы можно было получить любой из перечисленный столов, путем добавления дополнительных навесных приспособлений к основной конструкции. Это делает удобным такие столы в плане их доработки конечными потребителями без привлечения дополнительных специалистов. А также, с экономической точки зрения гораздо выгоднее докупать дополнительные принадлежности для столов, чем отдельный стол целиком.

По техническим характеристикам столы главным образом можно поделить на гидроприводные, механические и электроприводные.

Механический стол, показанный на рисунок 1, уже устаревший, но до сих пор успешно применяется в области медицинского приборостроения. Отличительной особенностью таких столов является их низкая стоимость, и, по мнению некоторых специалистов именно такие столы самые надежные в силу своей простоты конструкции. Недостатком является - неудобство работы с механикой и моральная устарелость изделия на фоне технического прогресса.

Тем не менее операционные механические столы успешно используются в полевых условиях, в мобильных госпиталях.

Рисунок 1. Механический стол

Гидроприводные столы (рисунок 2) - являются следующим этапом развития конструкции операционного стола. В данном случае основную работу по трансформации и перемещению частей выполняют гидравлические магистрали, с помощью высокого давления созданного в них. Управление гидравликой - ручное. Эта конструкция существенно облегчает работу на подъем горизонтальной плоскости стола на которой располагается пациент. Стоимость - выше предыдущего варианта (как правило в 1,5-2 раза).

Рисунок 2. Гидравлический стол

Электрогидропривод  (рисунок 3) - включает в себя все перечислен- ные выше механизмы, но вся механическая работа по трансформации стола совершается с помощью электродвигателей. Как правило такие хирургические столы бывают с выносными пультами дистанционного управления. Операционные столы с электроприводом очень удобны в работе, требуют минимум физических усилий от операторов и врачей. Но данная конструкция отличается большей стоимостью.

Рисунок 3. Стол с электроприводом

Естественное стремление к приобретению изделия самого высокого класса чаще всего ограничивается недостатком средств. Но даже при наличии необходимых средств стоит как следует подумать, надо ли приобретать сложную, дорогостоящую систему с избытком функциональных возможностей, которые на практике не будут использоваться. При выборе хирургического стола важно участие врача-хирурга, который будет проводить операции.

Помимо способа привода при выборе операционного стола следует обратить на следующие характеристики:

- грузоподъемность стола (кг)

- высота стола (мм) (в крайнем нижнем и верхнем положениях)

- размеры секций стола (мм)

- число секций

- привод подъема панели стола (указывается как первичный признак)

- привод изменения положений панели (часто отличается от привода подъема панели)

- углы наклона панели стола в различных плоскостях

- углы наклона отдельных секций

В настоящие время на рынке медицинского оборудования есть достаточное количество различных операционных столов с разными типами привода.

Гидравлические операционные столы (ОК - 01Р, ОК - 01РГ, ОК - 02Р, ОК - 02РО, ОК - 02РУ являются продукцией компании "Респект-Плюс" (р. Беларусь.))

Стол операционный универсальный (СОУР-1, ОУ-01К, стол перевязочный передвижной ПК-К-01 (операционный универсальный для малой хирургии) (р. Беларусь))

Электромеханические операционный столы (ОУЭ-01К, ОМ - 03М, Ор-Мп-02, ОУМ -1).


Лазерный хирургический скальпель:

В лазерной хирургии применяются достаточно мощные лазеры, работающие в непрерывном или импульсном режиме, которые способны сильно нагревать биоткань, что приводит к ее резанию или испарению.

Лазеры обычно именуются по типу активной среды, генерирующей лазерное излучение. Наиболее известны в лазерной хирургии неодимовый лазер и лазер на углекислом газе (или СО2-лазер).

Некоторые другие виды высокоэнергетичных лазеров, используемых в медицине, имеют, как правило, свои узкие области применения. Например, в офтальмологии для прецизионного испарения поверхности роговицы глаза применяются эксимерные лазеры.

В косметологии для устранения сосудистых и пигментных дефектов кожи используются КТР-лазеры, лазеры на красителе и на парах меди, для эпиляции - александритовые и рубиновые лазеры. 

Свойства хирургических лазеров

Для целей хирургии луч лазера должен быть достаточно мощным, чтобы нагревать биоткань выше 50 - 70 °С, что приводит к ее коагуляции, резанию или испарению. Поэтому в лазерной хирургии, говоря о мощности лазерного излучения того или иного аппарата, оперируют цифрами, обозначающими единицы, десятки и сотни Вт.

Хирургические лазеры бывают как непрерывные, так и импульсные, в зависимости от типа активной среды. Условно их можно разделить на три группы по уровню мощности:

  1.  Коагулирующие: 1 - 5 Вт,
  2.  Испаряющие и неглубоко режущие: 5 - 20 Вт,
  3.  Глубоко режущие: 20 - 100 Вт.

Конечно, это деление в значительной степени условно, т.к. длина волны излучения и режим работы очень сильно влияют на требования по выходной мощности хирургического лазера.

Поглощение в биоткани

Каждый тип лазера в первую очередь характеризуется длиной волны излучения. Длина волны определяет степень поглощения лазерного излучения биотканью, а, значит, и глубину проникновения, и степень нагрева как области хирургического вмешательства, так и окружающей ткани. 
Учитывая, что вода содержится практически во всех типах биоткани, можно сказать, что для хирургии предпочтительно использовать такой тип лазера, излучение которого имеет коэффициент поглощения в воде более 10 см
-1или, что то же самое, глубина проникновения которого не превышает 1 мм.


Другие важные характеристики хирургических лазеров, 
определяющие их применение в медицине:

  1.  мощность излучения;
  2.  непрерывный или импульсный режим работы;
  3.  способность коагулировать кровенасыщенную биоткань;
  4.  возможность передачи излучения по оптическому волокну.


При воздействии лазерного излучения на биоткань сначала происходит ее нагрев, а затем уже испарение. Для эффективного разрезания биоткани нужно быстрое испарение в месте разреза с одной стороны, и минимальный сопутствующий нагрев окружающих тканей с другой стороны. 
Ясно, что при одинаковой средней мощности излучения короткий импульс нагревает ткань быстрее, чем непрерывное излучение, и при этом распространение тепла к окружающим тканям минимально. 
Но, если импульсы имеют низкую частоту повторения (менее 5 Гц), то непрерывный разрез провести сложно, это больше похоже на перфорацию. Следовательно, лазер предпочтительно должен иметь импульсный режим работы с частотой повторения импульсов более 10 Гц, а длительность импульса - минимально возможную для получения высокой пиковой мощности.

Что же касается средней мощности лазера, то на практике оптимальная выходная мощность для хирургии находится в диапазоне от 15 до 60 Вт в зависимости от длины волны лазерного излучения и области применения.

Коагуляция

Важное для хирургии свойство лазерного излучения - способность коагулировать кровенасыщенную (васкуляризованную) биоткань.

В основном, коагуляция происходит за счет поглощения кровью лазерного излучения, ее сильного нагрева до вскипания и образования тромбов. 
Таким образом, поглощающей мишенью при коагуляции могут быть гемоглобин или водная составляющая крови. 
Это означает, что хорошо коагулировать биоткань будет излучение лазеров в области оранжево-зеленого спектра (КТР-лазер, на парах меди) и инфракрасных лазеров (неодимовый, гольмиевый, эрбиевый в стекле, СО
2-лазер).

Однако, при очень высоком поглощении в биоткани, как, например, у эрбиевого гранатового лазера с длиной волны 2,94 мкм, лазерное излучение поглощается на глубине 5 - 10 мкм и может вообще не достигнуть объекта воздействия - капилляра.

Оптическое волокно - удобный способ доставки излучения

В настоящее время хирургия все более становится эндоскопической и малоинвазивной. Полостные операции с открытым доступом уступают место эндоскопическим и лапароскопическим через естественные каналы или проколы.

В лазерной технике наилучшим для хирургии является использование тонкого кварцевого оптического волокна для доставки лазерного излучения к объекту воздействия. Оптическое волокно для хирургических лазеров хорошо сопрягается с существующими эндоскопами, имеющими для этого специальные каналы.

Главными характеристиками оптического волокна являются его оптическая прозрачность, стойкость и минимальный радиус изгиба (обычно 25 - 50 мм).

Известно, что прозрачность кварцевого стекла резко уменьшается при увеличении длины волны более 2,5 мкм, что не позволяет его использовать для таких инфракрасных лазеров, как эрбиевый (2,94 мкм) и СО2-лазер (10,6 мкм). 
Для этих длин волн предлагались другие типы оптоволокна на основе сапфира, халькогенидов и др., но либо они были химически и механически непрочными, либо токсичными, что пока представляет проблему для их практического использования.

Стойкость кварцевого волокна очень высока: оно выдерживает среднюю мощность излучения до 1 - 2 кВт. Однако пиковая мощность не может превышать 2 - 5 МВт, что не позволяет его широко использовать для доставки излучения мощных наносекундных импульсов лазеров с модуляцией добротности (Q-switched).

СО2 – лазер [8]

Лазер на углекислом газе - это первый хирургический лазер, который активно используется с 1970-х годов по настоящее время.
Высокое поглощение в воде и органических соединениях (типичная глубина проникновения 0,1 мм) делает СО
2-лазер подходящим для широкого спектра хирургических вмешательств, в том числе для гинекологии, оториноларингологии, общей хирургии, дерматологии, кожно-пластической и косметической хирургии.

Поверхностное воздействие лазера позволяет иссекать биоткань без глубокого ожога. Это также делает CO2-лазер не опасным для глаз, т.к. излучение не проходит сквозь роговицу и хрусталик. 
Конечно, мощный направленный луч может повредить роговицу, но для защиты достаточно иметь обычные стеклянные или пластиковые очки.

Недостаток длины волны 10 мкм состоит в том, что очень трудно изготовить подходящее оптическое волокно с хорошим пропусканием. И до сих пор наилучшим решением является зеркальный шарнирный манипулятор, хотя это достаточно дорогое устройство, сложное в юстировке и чувствительное к ударам и вибрации.

Другим недостатком CO2-лазера - это его непрерывный режим работы. В хирургии для эффективного резания необходимо быстро испарять биоткань без нагрева окружающих тканей, для чего нужна высокая пиковая мощность, т.е. импульсный режим. Сегодня в CO2-лазерах для этих целей применяют так называемый "суперимпульсный" режим (superpulse), при котором лазерное излучение имеет вид пачки коротких, но в 2 - 3 раза более мощных импульсов, по сравнению со средней мощностью непрерывного лазера.

 Неодимовый лазер [8]

Неодимовый лазер - это самый распространенный тип твердотельного лазера и в промышленности, и в медицине. Его активная среда - кристалл алюмоиттриевого граната, активированного ионами неодима Nd:YAG, - позволяет получить мощное излучение в ближнем ИК-диапазоне на длине волны 1,06 мкм практически в любом режиме работы с высоким КПД и с возможностью волоконного выхода излучения. Поэтому вслед за CO2-лазерами в медицину пришли неодимовые как для целей хирургии, так и терапии.

Глубина проникновения такого излучения в биоткани равна 6 - 8 мм и довольно сильно зависит от ее типа. Это означает, что для достижения такого же режущего или испаряющего эффекта, как у CO2-лазера, для неодимового требуется в несколько раз более высокая мощность излучения. А во-вторых, происходит значительное повреждение подлежащих и окружающих лазерную рану тканей, что отрицательно сказывается на послеоперационном ее заживлении, вызывая различные осложнения, типичные для ожоговой реакции - рубцевание, стеноз, стриктура и т.п.

Предпочтительная сфера хирургического применения неодимового лазера - это объемная и глубокая коагуляция в урологии, гинекологии, онкологические опухоли, внутренние кровотечения и т. п. как в открытых, так и в эндоскопических операциях.

Важно помнить, что излучение неодимового лазера невидимо и опасно для глаз даже в малых дозах рассеянного излучения.


ПАТЕНТНЫЙ ОБЗОР

Что касается патентов, то я нашёл патент 2338500, тексты которых представлены ниже.

Патент 2338500:

Изобретение относится к медицинской технике. Операционный стол (рисунок 4) содержит колонну с основанием и головкой и опорную поверхность для пациента. Опорная поверхность для пациента соединена с головкой (16) колонны и установлена с возможностью поворота относительно колонны стола вокруг, по меньшей мере, одной параллельной своей плоскости оси. На головке колонны предусмотрена непрерывно искривленная вокруг оси кривизны направляющая. На направляющей установлено седло, соединяемое с опорной поверхностью, которое имеет возможность продольного перемещения посредством седельного привода. Технический результат - операционный стол обеспечивает большой простор при регулировании (перемещении) опорной поверхности вокруг ее оси наклона и/или оси кантовки и в вертикальном направлении.

Рисунок 4. Операционный стол

Изобретение относится к операционному столу, содержащему колонну стола с основанием и головкой, а также соединяемую с головкой колонны опорную поверхность для пациента, установленную с возможностью поворота относительно колонны стола вокруг, по меньшей мере, одной параллельной своей плоскости оси.

Операционные столы описанного выше рода установлены на головке колонны с возможностью поворота, как правило, как вокруг оси, направленной поперек продольного направления опорной поверхности (ось наклона), так и вокруг оси, направленной параллельно продольному направлению опорной поверхности (ось кантовки).

Опорная поверхность должна иметь относительно большое расстояние до своих осей поворота, чтобы она могла совершать достаточно большое движение поворота в направлении кантовки или в направлении наклона, прежде чем оно упрется в головку колонны. Если оси поворота расположены над подъемной направляющей для достижения достаточного свободного положения для движений поворота в направлениях кантовки и наклона, то опускание операционного стола на низкий уровень сильно ограничено. Если, с другой стороны, оси поворота расположены так, что они проходят через подъемную направляющую, то это вызывает сильные ограничения, по меньшей мере, одного движения поворота. Причина этого в том, что вместе с поворотом опорной поверхности вокруг первой, установленной на головке колонны оси поворота поворачивается опора второй оси поворота. В таком случае она быстро сталкивается с подъемной направляющей.

В основе изобретения лежит задача создания операционного стола описанного выше рода, который обеспечивал бы больший простор при регулировании (перемещении) опорной поверхности вокруг ее оси наклона и/или оси кантовки и в вертикальном направлении.

Для решения этой задачи, согласно изобретению, предложено, что у операционного стола описанного выше рода на головке колонны предусмотрена непрерывно искривленная вокруг оси кривизны направляющая, на которой соединяемое с опорной поверхностью седло установлено с возможностью перемещения вдоль направляющей посредством седельного привода. Преимущественно ось кривизны направляющей лежит при этом внутри колонны стола, так что направляющая искривлена выпукло вверх.

За счет того, что соединенное с опорной поверхностью седло скользит снаружи по искривленной направляющей, отпадает необходимость в проходящей через головку колонны опоре оси поворота. За счет этого внутри головки колонны создается свободное пространство, которое имеется в распоряжении для регулирования по высоте и обеспечивает больший ход высотного привода. В частности, эта конструкция обеспечивает также более сильное опускание головки колонны с опорной поверхностью для пациента. За счет того, что, по меньшей мере, у одной выпукло искривленной направляющей седло может быть перемещено до конца соответствующей направляющей, угол наклона опорной поверхности может быть сделан также очень большим в соответствии с кривизной направляющей без упора опорной поверхности в головку колонны.


  1.  КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ
  2.  Разработка структурно-функциональной  схемы механизированного автоматизированного комплекса (МАК).
  3.  На рисунке 5 представлена разработанная структурно – функциональная схема механизированного автоматизированного комплекса (МАК). Также она представлена на чертеже КФБН 2013.2801.01.000.

Рисунок 5. Структурно - функциональная схема МАК

  1.  Спецификация на структурно - функциональную  схему (МАК) представлена в таблице 1.

Табл.1. Спецификация

Наименование

Расшифровка

Составные элементы

Назначение

  1.  ПМП

Подвесной механизм перемещения

МСО, МСВ, МСЛ, МП1

Перемещает камеру и фонарь по кабинету

  1.  МСО

Манипулятор с освещением

КЗ2, КЗ3, КЗ4, Им2, Им3, Им4, Д2, Д3, Д4

Освещает хирургу место операции

  1.  МСВ

Манипулятор с видеонаблюдением

КЗ5, КЗ6, КЗ7, Им5, Им6, Им7, Д5, Д6, Д7

Помогает наблюдать хирургу за местом операции

  1.  МСЛ

Манипулятор с лазерным скальпелем

КЗ17, КЗ18, КЗ19, КЗ20, Им15, Им12, Им13, Им14, Д15, Д12, Д13, Д14

Помогает хирургу делать разрезы

  1.  МП1

Механизм передвижения

КЗ1, КЗ8, Им1, Д1, Им11, Д11

Обеспечивают передвижение конструкции

  1.  ХС

Хирургический стол

ПМ, ПОДГ, ПОДН

Служит для удобного расположения пациента

  1.  МП

Механизм подъёма

КЗ12, КЗ13, КЗ14, КЗ10, КЗ15, КЗ16, Им10, Д16

Обеспечивает подъём пациента на нужную высоту

  1.  ПОДГ

Подголовник

КЗ9, Им8, Д8

Обеспечивают удобное положение тела

  1.  ПОДН

Подножник

КЗ11, Им9, Д9

  1.  КВ

Кабинет врача

КрВ, ПУ

Место прибывания врача

  1.   ПУ

Пульт управления

Монитор, устройство управления

Осуществление контроля врача за операцией

  1.   КрВ

Кресло врача

КЗ21, КЗ22, КЗ23, КЗ24, КЗ25, Им21, Им22, Им23, Им24, Им25, Д21,  Д22,  Д23,  Д24,  Д25

  1.  Словесное описание работы МАК:

Наименование элементов, использующихся для словесного описания кинематической схемы, приведены в таблице 2.

Таблица 2. Наименование элементов

Наименование

Расшифровка

Д1…Д25

Пьезодатчики силы

Им1…Им25

Двигатели постоянного тока, обеспечивающие движение КЗ

КЗ1, КЗ8

Кинематические звенья, обеспечивающие поступательное движение вдоль Z

КЗ2, КЗ5, КЗ12, КЗ16, КЗ17

Кинематические звенья, обеспечивающие поступательное движение вдоль Х

КЗ3,  КЗ6,  КЗ19, КЗ25

Кинематические звенья, обеспечивающие вращательное движение вдоль У

КЗ4, КЗ7, КЗ9, КЗ10, КЗ13, КЗ20, КЗ21, КЗ22, КЗ23, КЗ4, КЗ7

Кинематические звенья, обеспечивающие вращательное движение вдоль Z

КЗ14

Редуктор, понижающий обороты двигателя и увеличивающий его мощность вдоль Х

КЗ15

Винт-гайка, поступательное движение вдоль Х

КЗ18, КЗ24

Кинематические звенья, обеспечивающие поступательное движение вдоль У

МАК предназначен для проведения операций на сердце. Пациент размещается на хирургическом столе (ХС) и может перемещаться в вертикальном направление, в диапазоне от 0 до 0.5 метра включительно, при помощи механизма подъёма (МП), состоящего из следующих кинематических звеньев КЗ12, КЗ13, КЗ14, КЗ10, КЗ15, КЗ16, исполнительного механизма Им10 и датчика Д10. При помощи механизма подголовника (ПОДГ) и подножника (ПОДН), состоящих из кинематических звеньев КЗ9 и КЗ11, а также, исполнительных механизмов ИМ8 и ИМ9 и датчиков Д8 и Д9, пациенту придаётся удобное положение. На потолке закреплён подвесной механизм перемещения (ПМП), состоящий из механизма перемещения (МП1), манипулятор с освещением (МСО), манипулятор с видеонаблюдением (МСВ) и манипулятора с лазерным скальпелем (МСЛ), которая может перемещаться по хирургическому кабинету вдоль оси Z. Механизм перемещения состоит из кинематических звеньев КЗ1, КЗ8, исполнительных механизмов Им1, Им11 и датчиков  Д1, Д11. Манипулятор с освещением состоит из кинематических звеньев КЗ2, КЗ3, КЗ4, исполнительных механизмов Им2, Им3, Им4 и датчиков Д2, Д3, Д4. Манипулятор с видеонаблюдением состоит из кинематических звеньев КЗ5, КЗ6, КЗ7, исполнительных механизмов Им5, Им6, Им7 и датчиков Д5, Д6, Д7. Манипулятор с лазерным скальпелем состоит из кинематических звеньев КЗ17, КЗ18, КЗ19, КЗ20, исполнительных механизмов Им12, Им13, Им14, Им15 и датчиков Д12, Д13, Д14, Д15. Манипуляторы с освещением, видеонаблюдением и лазерным скальпелем могут перемещаться вдоль оси Х при помощи кинематических звеньев КЗ2, КЗ5, КЗ17, исполнительных механизмов ИМ2, ИМ5, ИМ15 и датчиков Д2, Д5, Д15. Манипулятор с лазерным скальпелем может перемещаться вдоль оси У при помощи кинематического звена КЗ18, исполнительного механизма Им14 и датчика Д14. Лазерное излучение попадает к нему через оптоволокно из «Тело лазера». «АИК» предназначен для поддержания жизнедеятельности организма во время операции на сердце. Контроль за операцией осуществляется из кабинета врача (КВ), состоящего из пульта управления (ПУ), состоящего из монитора (М) и устройства управления (УУ), и кресла врача (КрВ), состоящего из кинематических звеньев КЗ21, КЗ22, КЗ23, КЗ24, КЗ25, исполнительных механизмов Им21, Им22, Им23, Им24, Им25 и датчиков Д21, Д22, Д23, Д24, Д25, связанного со всеми манипуляторами по средствам компьютерной системы правления, состоящей из электронного блока, устройства сопряжения с объектом (УСО) и компьютера (ЭВМ).


  1. Разработка структурно-функциональной схемы хирургического лазерного скальпеля.

На рисунке 6 представлена структурно-функциональная схема хирургического лазерного скальпеля. Также она представлена на чертеже КФБН 2013.2801.04.000.

Рисунок 6. Структурно-функциональная схема лазерного скальпеля

Описание конструкции:

1 – лазер визуализации; 2 – лазер воздействия; 3, 14 – источник питания;              4 – полупрозрачное зеркало; 5 – регулятор мощности излучения; 6 – зеркало; 7 – оптическое устройство; 8 – световод; 9 – устройство фокусировки;           10 – объект воздействия; 11 -  ЭВМ; 12 – АЦП; 13 – ЦАП.

Принцип действия:

Хирургический скальпель предназначен для бескровного разрезания мягких тканей при хирургических вмешательствах. Он разделён на две структурные единицы: тело лазера и МСЛ. Тело лазера имеет в своём составе два лазера: лазера визуализации (1) и лазера воздействия (2), которые запитываются от источника питания (3). Лазер визуализации излучает электромагнитные волны с длинной волны, которая видима для человеческого глаза. Он служит для указания места, где будет происходить разрез. Лазер воздействия излучает электромагнитные волны в инфракрасном (ИК) диапазоне. Именно он и производит разрез. Глубина разреза изменяется при помощи регулятора мощности излучения (5). Единый луч, из двух лазеров, формируется при помощи зеркала (6), полупрозрачного зеркала (4) и оптического устройства (7). Сформированный луч направляют в световод (8), который на втором конце имеет устройство фокусировки (9), входящее в состав МСЛ, рассмотренный ранее в таблице 1. Оно предназначено для вывода из световода, фокусировки и направления луча непосредственно на объект воздействия (10). Питание на все двигатели МСЛ поступает с источника питания (14), контролируемый ЭВМ (11) и связанный с ней через ЦАП (13). ЭВМ (11), в свою очередь, получает информацию о работе двигателей с датчиков через АЦП (12). Таким образом осуществляется контроль и управление МСЛ.


  1.  Разработка конструкции узла генерации лазерного излучения воздействия хирургического скальпеля.

На рисунке 7 представлена конструкция узла генерации лазерного излучения воздействия хирургического скальпеля. Также она представлена на чертеже КФБН 2013.2801.05.000 со спецификацией КФБН 2012.2801.05.001.

Рисунок 7. Конструкция узла генерации лазерного излучения воздействия хирургического лазера

Описание конструкции:

1 – корпус; 2 – кристалл неодима; 3 – импульсная лампа накачки;                    4 – держатель; 5 – отражатель; 6, 7, 10 – втулка; 8 – герметик; 9 – резиновая прокладка; 11 -  насадка; 12 – лейкосапфировые пластины; 13 – стопорная гайка.

Принцип действия:

Узел генерации лазерного излучения воздействия хирургического скальпеля представляет из себя твердотельный лазер на неодимовом стекле, состоящий из механизмов генерации и фокусировки. Под освещением импульсной лампой накачки (3) кристалл неодима (2), зафиксированный при помощи втулки (6) и внутренней втулки (7) для закрепления кристалла, генерирует излучение, длина волны которого 1.06 мкм. При помощи отражателя (5), закреплённого держателем (4), создаётся большая интенсивность света на неодимовом стекле. Весь механизм генерации  при помощи втулок (6) и (10), герметика (8) и резиновой прокладки (9) в корпусе (1). Механизм фокусировки находится в насадке (11) и состоит из двух лейкосапфировых пластин (12) и фиксируется при помощи стопорной гайки (13).

  1.  Разработка конструкции пьезодатчика.

На рисунке 8 представлена конструкция пьезодатчика. Также она представлена на чертеже КФБН 2013.2801.06.000 со спецификацией КФБН 2012.2801.06.001.

Рисунок 8. Конструкция пьезодатчика

Описание конструкции:

1 – кнопка; 2 – электрод; 3 – пьезопластина; 4 – диэлектрическая пластина;     5 – корпус; 6 - провод, 7 – диэлектрическая гайка.

Принцип действия:

Разработанная конструкция пьезодатчика применяется в МАК для прекращения работы двигателей, а следовательно, и перемещения манипуляторов и подъёмного механизма хирургического стола. Когда подъёмный механизм доходит до своей крайней точки перемещения, он нажимает на кнопку (1). Она деформирует пьезопластину (3). При деформации пьезопластин возникает электрический импульс, величина которого пропорциональна силе нажатия. Этот импульс передаётся в компьютер (ЭВМ) при помощи электрода (2) и провода (6). ЭВМ, согласно заложенной программе, плавно уменьшает обороты двигателя до полной его остановки. Диэлектрические пластины (4) и диэлектрические гайки (7) служат для изоляции пластин, электрода и кнопки от корпуса (5).


  1.  Разработка электрической схемы управляемого блока питания.

На рисунке 9 представлена электрическая схема управляемого блока питания на тиристорах (двухфазная схема выпрямления с Г-образным сглаживающим фильтром). Также она представлена на чертеже КФБН 2013.2801.11.000.

Рисунок 9. Электрическая схема управляемого блока питания

Описание конструкции:

ТР1 – трансформатор; Т1, Т2, Т3, Т4 – тиристор; ОВ – обмотка возбуждения. Через тиристоры Т1, Т4 ток проходит в первый полупериод и поступает на двигатель с положительным потенциалом. Через тиристоры Т2, Т3 ток проходит во второй полупериод и поступает на двигатель с отрицательным потенциалом. Таким образом на двигателе образуется разность потенциалов.

Принцип действия:

С трансформатора (ТР1) переменное напряжение из сети уменьшается до нужного нам значения.

Данная схема была выбрана для этой курсовой работы поскольку она является типовой, простой в исполнение, а, следовательно, надёжна. Она будет применяться для выпрямления напряжения сети (220В, 50Гц) и подпитывания двигателя постоянного тока (ДПТ), стоящего в механизме подъёма (МП) хирургического стола (ХС), которые были рассмотрены ранее и раскрыты в таблице 1.

  1.  Разработка  структурной схемы компьютерной системы управления МАК.

Разработанная схема компьютерной системы управления служит для управления двигателями постоянно тока (ДПТ) в МАК, которые управляют скоростью подъёма и опускания хирургического стола, вращают и перемещают манипуляторы в пространстве. На рисунке 10 представлена схема управления ДПТ  с реверсом. Также структурная схема компьютерной системы управления представлена на чертеже КФБН 2013.2801.11.000.

Рисунок 10. Схема управления ДПТ

ДПТ управляется 4-мя тиристорами, на которые сигналы поступают с СИФУ (системы импульсно фазового управления). В свою очередь, СИФУ управляется микропроцессором (рисунок 11).

Рисунок 11. Структурная схема микропроцессорной системы управления

Для работы этой системы нужен датчик, который, в нашем случае, будет считать число оборотов в минуту – тахогенератор, который связан непосредственно с валом двигателя и ЭВМ (Рисунок 12). Принцип его работы – изменение сопротивления при изменение числа оборотов.

Рисунок 12. Тахогенератор

При помощи этого датчика образуется обратная связь, которая поддерживает постоянное число оборотов ДПТ.

Построим зависимость числа оборотов от времени на протяжении всей работы двигателя (рисунок 13).

Рисунок 13. График зависимости числа оборотов от времени

На этом графику .

Словесный алгоритм управления двигателем:

  1.  Установить входное напряжение 200В;
  2.  Включить  (таймеры);
  3.  Проверить показания тахогенератора. Если напряжение датчика меньше 200В, то продолжать проверку датчика (стоять на флаге). Если напряжение датчика больше или равно 200В, то перейти на шаг 4.
  4.  Уменьшить напряжение на 10В.
  5.  Проверить :

Если , то вернуться на шаг 3;

Если , то перейти на шаг 6;

  1.  Проверить показания тахогенератора:

Если напряжение 200В, то стоять на флаге;

Если напряжение меньше 180В, то перейти на шаг 7;

Если напряжение больше 220 вольт, то перейти на шаг 8;

  1.  Увеличить напряжение на 10В и перейти на шаг 9;
  2.  Уменьшить напряжение на 10В и перейти на шаг 9;
  3.  Проверить таймер :

Если , то вернуться на шаг 6;

Если , то перейти на шаг 10;

  1.  Установить входное напряжение 0В.

На рисунке 14 представлен алгоритм работы программы:

Рисунок 14. Алгоритм работы программы


  1.  Расчёт параметров одноступенчатого косозубого редуктора.
    1.  Выполнить кинематический расчет механического узла подъёма хирургического стола.

На рисунке 15 представлен разработанная схема механизма подъёма хирургического стола относительно пола на основе передачи винт-гайка.

Рисунок 15. Кинематическая схема подъёмного механизма Стола

Словесное описание работы подъёмного механизма хирургического стола:

Двигатель (Им10), соединённый при помощи муфты с ведущим валом редуктора, приводит в движение весь редуктор (КЗ14). При помощи этого редуктора мы достигаем уменьшения числа оборотов и увеличения мощности всего механизма. В свою очередь, ведомый вал редуктора (КЗ14) соединён, при помощи муфты, и вращает винт КЗ15. Вращение винта приводит в движение гайку, закреплённую на ролике КЗ16, на котором жёстко закреплён один из концов Х-образного подъёмного механизма. Таким образом, Х-образная конструкция либо съезжается и стол поднимается, либо Х-образная конструкция разъезжается и стол опускается.


  1.  Силовой расчет механического узла подъёма хирургического стола.
    1.   Расчёт двигателя (Рисунок 16).

Исходные данные: .

Расчётные данные: мощность (Р), частота вращения валов (, ), угловая скорость валов (,), передаточные отношения (, ), крутящих моментов на валах (, ).

Рисунок 16. Кинематическая схеме узла подъёма хирургического стола.

  1.  Расчёт мощности двигателя.

 Этот расчёт выполняется по следующей формуле [2]:

,

где  – сила тяги (3000 Н);

       – скорость перемещения (0.07м/с);

       η – КПД передач ().

  1.  Синхронная частота вращения рассчитывается по формуле [2]:

где f – частота тока (50 Гц);

      р – число пар полюсов (2).

  1.  Угловая скорость вычисляется по формуле [2]:

При возрастание нагрузки частота вращения вала двигателя уменьшается   вследствие скольжения S, определяемого по формуле [2]:

откуда

При пуске двигателя S = 1, n = 0: при номинальном режиме S = 0.35, ; при отсутствие нагрузки S = 0, n = .

Для операционного стола, согласно расчётам, берем двигатель постоянного тока (ДПТ) мощностью 1100 Вт и максимальной частотой вращения вала 1500 об./мин.

Передаточное отношение привода

  1.  Определяем  частоту вращения:

,

где: v – скорость перемещения (0.07м/с);

      D – диаметр вала (0.02м).

  1.  Определим передаточное отношение привода:

  1.  Проведём разбивку общего передаточного отношения:

где: - передаточное отношение редуктора (рис. 16);

       - передаточное отношение передачи винт-гайка.

  1.  Определим частоту вращения ведомого вала

  1.  Определим угловую скорость

  1.  Определим крутящих моментов на валах


  1.  Проектирование редуктора
    1.   Расчет зубчатой передачи редуктора:

Исходные данные:

Расчётные данные: Межосевое расстояние (), модуль зацепления (m), угол наклона зубьев (𝛽), число зубьев шестерни и колеса (, ).

В курсовой работе представлены расчёты одноступенчатой косозубой передачи (рисунок 17), одним и самым главным преимуществом, на мой взгляд, является его тихая работа. В данной разработке редуктор должен понижать число оборотов и увеличивать крутящий момент в 4 раза. Так же чертёж одноступенчатого косозубого приведён на чертеже КФБН 2012.2801.02.000 со спецификацией КФБН 2012.2801.02.001.

Рисунок 17. Схема цилиндрической косозубой передачи

  1.  Выбор материала зубчатых колес и вида термической обработки

При выборе материала для шестерни и колеса следует ориентироваться на определение одной и той же марки стали.

Примем следующие механические характеристики сталей для колеса и шестерни, согласно  ГОСТ 4543-71, указаны в таблице 3[3]. 

Таблица 3

Тип зубчатого колеса

Марка стали

Вид термической обработки

Предельный диаметр заготовки шестерни, мм

Предельная толщина или ширина обода колеса, мм

σВ,

МПа

σТ,

МПа

σ-1,

МПа

Твердость поверхности, НВ

Колесо

40Х

Закалка + отпуск

120

60

710

580

310

267

  1.  Определение допускаемых контактных напряжений  регламентируется ГОСТ 21354–75:

где:предел контактной выносливости при базовом числе циклов нагружения;

– коэффициент безопасности;  

– коэффициент долговечности.

  1.  Вычислим  для шестерни и колеса по формуле [3]:

где:  – значение базового числа циклов нагружения;

– эквивалентное число циклов нагружения за весь срок службы передачи.

  1.  Вычислим  для шестерни и колеса [3]:

Вычислим  для шестерни и колеса по формуле [3]:

где:

частота вращения шестерни (колеса), ;

– срок службы передачи под нагрузкой, ч;

– число зацеплений (1);

α1=0,6

α2=0,3

β2=0,7

β3=0,5

β*=1,2

  1.  Вычислим  для шестерни и колеса:

Принимаем    [3]

Определим допускаемые контактные напряжения  для шестерни и колеса:

  1.  Определение допускаемых напряжений при расчете зубьев на изгиб

Допускаемые напряжения изгиба принимают [3]:

  1.  Определение предельно допускаемое контактное напряжение

При кратковременных нагрузках (расчет на пиковые нагрузки) предельно допускаемое напряжение определяется по эмпирической зависимости [3]:

  1.  Определение предельно допускаемых напряжений изгиба

При кратковременных нагрузках (расчет на пиковые нагрузки) предельно допускаемого напряжения определяется по эмпирической зависимости [3]:

  1.   Определение межосевого расстояния определяется по формуле [3]:

где: -передаточное отношение ступени редуктора (4);

– численный коэффициент; для косозубых редукторов (270);

– вращающий момент на валу колеса, ;

– коэффициент ширины зубчатого венца (0.4);

– коэффициент нагрузки:

где: – коэффициент, учитывающий неравномерность распределения нагрузки между зубьями,  примем   [3]

– коэффициент, учитывающий неравномерность распределения нагрузки по ширине зубчатого венца, ;  [3]

 – коэффициент динамической нагрузки,  

Вычисляем межосевое расстояние:

Примем

  1.  Выбор модуля зацепления

При твердости зубьев шестерни и колеса 350НВ:

По ГОСТ 9563-60 (мм) принимаем ближайшее стандартное значение модуля: .

 Определение основных геометрических параметров зубчатых колес.

  1.  Определение суммарного числа зубьев.

Для косозубых редукторов . Принимаем      [3].

Принимаем . Тогда число зубьев шестерни [3]:

  1.  Вычислим число зубьев колеса [3]:

  1.  Уточним передаточное число [3]:

Расхождение с принятым ранее номинальным передаточным отношением не превышает 5%.

Проверим межосевого расстояния.

Для косозубых передач межосевое расстояние  определяется по формуле:

Проверим принятое значение 

угол наклона :

  1.  Расчёт конструктивных размеров шестерни и колеса:

делительные диаметры шестерни и колеса (,), диаметр вершин шестерни и колеса (,), диаметр впадин шестерни и колеса (,), ширина зубчатого венца шестерни и колеса (,).

(Рисунок 18)

Рисунок 18. Конструктивные размеры шестерни

  1.  Вычислим делительные диаметры  и  по формулам [3]:

.

  1.  Диаметры вершин зубьев находим по формулам [3]:

  1.  Диаметры впадин:

  1.  Проверяем межосевое расстояние:

мм

 Определение окружной скорости в зацеплении

  1.  Окружная скорость в зацеплении определяется по формуле [3]:

 Проверка значения коэффициента ширины зубчатого венца

  1.  Ширина зубчатого венца колеса [3]:

  1.  Проверка величины расчетного контактного напряжения [3]:

Определение и сведение в таблицу 3 основных параметров зубчатой передачи.

Таблица 4. Основные параметры зубчатого колеса

Параметры зубчатой передачи

Значение

Вращающий момент на ведомом валу, Н*м

6

Угловые скорости валов, рад/с

Межосевое расстояние, мм

Модуль зацепления, мм

m = 3.705

Угол наклона зубьев, град

𝛽 = 18

Число зубьев: шестерни, колеса

Диаметр делительный шестерни, колеса, мм

Диаметр вершин шестерни, колеса, мм

Диаметр впадин шестерни, колеса, мм

Ширина зубчатого венца шестерни, колеса, мм:

Шестерня представлена на чертеже КФБН 2012.2801.03.000.


  1.  Ориентировочный расчет валов редуктора (рисунок 19).

Исходные данные:  

Расчётные данные: диаметры выходных концов валов (, ), диаметры валов под подшипники (, ), диаметр  под зубчатое колесо ().

Рисунок 19. Конструктивные размеры валов

Проектирование валов

На первом этапе расчета известен лишь крутящий момент, численно равный передаваемому на вал вращающему моменту, определенному при кинематическом расчете привода. Величину изгибающего момента определяют после разработки конструкции вала по результатам компоновки редуктора. Поэтому проектный расчет вала выполняют для определения диаметров его выходного конца, посадочных поверхностей под ступицу колеса и подшипники. Также чертёж ведомого вала представлен на чертеже КФБН 2012.2801.01.000.

 Расчет диаметров выходных концов валов ():

  1.  Находим  из условия прочности на кручение [4]:

где  – крутящий момент, H*мм;

– допускаемое напряжение при кручении, МПа. Для валов из стали 40Х принимают .

  1.  Рассчитаем диаметр выходного конца ведущего вала  согласно п.1:

Принимаем  из стандартного ряда.

  1.  Рассчитаем диаметр выходного конца второго (ведомого) вала  согласно п.1:

Примем  из стандартного ряда. [4]

Расчет диаметров валов под подшипники и под зубчатые колеса

  1.  Диаметр вала  под подшипники определяется по соотношению [4]:

Выберем диаметр  из стандартного ряда внутренних диаметров подшипников качения  ГОСТ 3478-79:

  1.  Диаметр  под зубчатое колесо определяют по следующему соотношению [4]:

 

Выберем диаметр  согласно ГОСТ 9563-60.

Согласно конструкторским соображениям, диаметр  под зубчатое колесо примем равным 25 мм.

  1.  Выбор типа и размеров подшипников качения

При проектировании машин подшипники качения не конструируют, а подбирают из числа стандартных. Прежде, чем приступить к подбору подшипника, необходимо определить его тип в зависимости от вида передачи.

Для косозубой зубчатой передачи и числа оборотов 1500 минˉ¹ подбираем роликоподшипники конические однорядные (ГОСТ 27365-87).

  1.  Выбор шпонок

Для соединения вала с деталями, передающими вращение, применяем призматические шпонки (ГОСТ 23360-78):

Таблица 4

Диаметр вала, d, мм

Сечение шпонки, b x h (h9xh11), мм

Глубина паза вала,

Глубина паза втулки,

Длина шпонки, 

25

12 x 8

4,5

3,5

28

  1.  Проверка шпоночных соединений

Напряжение смятия и условие прочности:

Допускаемое напряжение сжатия при стальной ступице .

Проверка шпонки под шестерню ведомого вала:


  1.   Расчёт параметров управляемого блока питания.

Рисунок 20. Принципиальная схема управляемого блока питания

Принципиальная схема управляемого блока питания для двигателя в механизме подъёма хирургического стола показана на рисунке 20. Для работы двигателя постоянного тока требуется  постоянно тока. Рассчитаем управляемый тиристорный выпрямитель с напряжением , при активной нагрузке  и допустимом коэффициенте пульсации напряжения на нагрузке  Напряжение сети 220 В, частота тока  Поскольку мы применяем двухфазно выпрямление, то , .

  1.  Выбираем схему выпрямителя, учитывая необходимый малый коэффициент пульсации, выбираем двухфазную схему выпрямления с Г-образным сглаживающим фильтром.
  2.  Определим данные режима работы:
  3.  Максимальное напряжение холостого хода выпрямителя:

  1.  Ток нагрузки:

  1.  Ток на тиристорах:

  1.  Обратное напряжение:

  1.  Ток и напряжение на вторичной обмотке трансформатора:

  1.  Мощность трансформатора:

  1.  Коэффициент трансформатора:

  1.  Ток на первичной обмотке трансформатора:

  1.  Выберем тиристоры на основании вычисленных данных режимов работы: токов , напряжения . Пользуясь справочными данными, выбираем тиристоры Д235.
  2.  Определим максимальный угол регулирования:
  3.  Коэффициент регулировки:

  1.  Максимальный угол регулировки, в предположение, что индуктивность фильтра достаточна для обеспечения режима непрерывного тока, равен

,

Откуда

  1.  Коэффициент пульсации при максимальном коэффициенте регулирования по первой гармонике  пульсации:

  1.  Необходимый коэффициент сглаживания фильтра:

Для сглаживания пульсации придётся брать два звена Г-образного фильтра, причём каждое звено должно обладать коэффициентом сглаживания .

  1.  Определим индуктивность и ёмкость каждого звена фильтра:

Выберем  (в каждом звене фильтра), получим необходимую индуктивность дросселя в каждом звене фильтра


Литература:

  1.  Дунаев П.Ф., Леликов О.П. Курсовое проектирование. М.: Высшая школа,-1984.-336с.
  2.  Чернавский С.А. и др. Курсовое проектирование деталей машин. - М.: Машиностроение. - 1988.- 416с.
  3.  БаранцовВ.Я., Зайцева Т.Г. Методика расчета зубчатых и червячных редукторов в курсовом проектировании. Кафедра ПМ, Липецк. –1991.
  4.  Зайцева Т.Г., Халеев В.И. Методические указания к курсовому проектированию по курсу «Прикладная механика» для студентов немеханических специальностей вечерней и дневной форм обучения. Кафедра ПМ.- Липецк. – 1991.
  5.  Баранцов В.Я., Зайцева Т.Г. Методические указания к разработке и оформлению курсового проекта по прикладной механике. Кафедра ПМ.- Липецк. – 2002.
  6.  Таран В.М., Лясникова А.В. Технические устройства и системы медицинской аппаратуры. – Саратов. – 2008.
  7.  Бойдородин Ю.В., Криксунов Л.З. Справочник по лазерной технике.
  8.  Чекмирёв А.А. Справочник по машиностроительному черчению.
  9.  http://www.femto.com.ua/articles/part_2/2466.html.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

32418. Законодательная база по ЗИ 20.04 KB
  Требуется лицензирование на деятельность по разработке производству распространению техническому обслуживанию какихлибо средств Оказание услуг в области шифрования на разработку средств защиты информации и т. Лицензию на разработку средств защиты информации выдает ФСТЭК федеральная служба по техническому и экспертному контролю. это совокупность официальных взгядов на цели задачии основные направления обеспечения информационной безопасности в который включены привлечение работы по ЗИ фирм не имеющих соответствующих лицензий по...
32419. Классификация угроз, меры и принципы защиты 17.86 KB
  Снятие информации с компьютерной техники за счет электромагнитных излучений. несанкционированное уничтожение информации. По признаку воздействия на ОС: используется легальный канал получения информации. используется скрытый канал получения информации.
32420. Общие методы шифрования 25.42 KB
  Выделяют 2 направления: Криптография – занимается поиском и исследованием математических методов преобразования информации. Криптоанализ – исследует возможности расшифровки информации без знания ключа. Криптография используется для безопасного хранения и передачи информации а также для установления подлинности передаваемой информации. Все криптопреобразования выполняются над блоками информации определенной длины 32 или 64 бит.
32421. ГОСТ 28147-89 96.08 KB
  При этом одинаковые блоки открытого текста дают при шифровании разные блоки шифротекста. Изменение бита шифротекста на противоположное значение приводит к аналогичному изменению расшифрованного текста что даёт возможность злоумышленнику проводить целенаправленное изменение шифрованного текста без знания ключа. Каждый блок шифротекста зависит от соответствующего предыдущего блока шифротекста гаммирование с зацеплением блоков. При изменении одного бита в шифрованном тексте в соответствующем блоке открытого текста исказится соответствующий...
32422. Семейство «Криптон» 22.41 KB
  Плата КРИПТОН не использует прерываний и каналов прямого доступа используется прерывание ЧС. В КРИПТОН имеет 2 режима работы: Режим начальной загрузки – соответствует включению компьютера. Совместно с аппаратным криптонзамком может работать программная система защиты Cryptonщит которая имеет сертификаты: 3 классСВТ 2 HDB.
32423. Понятие Key Recovery 16.75 KB
  Key Recovery – технология восстановления ключей. Требование восстановления ключей является одним из важных для случая корпоративных сетей. В её качестве может служить центр перераспределения ключей который генерирует сеансовые ключи. Копии этих ключей могут сохраняться.
32424. Понятие ассиметричной криптографии, схемы её практического использования 103.05 KB
  2 При использовании АК каждый пользователь обладает парой ключей дополняющих друг друга ключей – открытым и личным. Каждый из входящих в пару ключей подходит для расшифровки сообщений зашифрованных с помощью другого ключа из пары.
32425. Алгоритм Диффи-Хэлмана, RSA 17.9 KB
  Основан на односторонней криптографической функции: P – простое число – тоже простое число. Пользователь А выбирает число Х B число Y. Число N опубликовывается P и Q держатся в тайне. Число целых чисел меньших N и взаимно простых по отношению к N.
32426. Контроль целостности, хэш-функции, российский стандарт хэш-функции 18.11 KB
  Поэтому на практике для контроля используется хэшфункция. Хэшфункция делится на 2 класса: с ключом и без ключа. Значение хэшфункции с ключом может вычислить лишь тот кто знает ключ.