Обработка запястных суставов хирургическим роботом: отверстия и допуски

Запястье хирургического инструмента может содержать детали, которые прошли проверку, но все еще застревают, чувствуют себя свободными или двигаются непоследовательно после сборки. Часто проблема заключается не в отдельном размере, а в соотношении между шарнирным пальцем, двумя противоположными отверстиями и звеном, которое они поддерживают.

Таким образом , для OEM-инженеров медицинского оборудования обработка запястных суставов хирургическим роботом  означает контроль сопряжения, выравнивания осей вращения и совокупных отклонений собранного механизма. В этом руководстве основное внимание уделяется шарнирным соединениям, штифтам и звеньям, обработанным на станках с ЧПУ, а не каждому типу запястья хирургического робота.

Быстрый ответ:  точные диаметры отверстий сами по себе не гарантируют работоспособность лучезапястного сустава. Производители должны контролировать общую ось поворота, рассчитывать минимальный и максимальный зазор штифта, анализировать осевой люфт и проверять окончательную геометрию после обработки. Проверка размеров и проверка сборки служат разным целям; оба могут потребоваться.

Почему важны допуски на уровне суставов

Дистальное запястье роботизированного хирургического инструмента передает движение в небольшой рабочей зоне. В зависимости от конструкции шарнирное соединение может включать штифты, жесткие звенья, шкивы с тросовым приводом или податливые механизмы. В этой статье рассматриваются штифтовые соединения с обработанными сопрягаемыми поверхностями.

Три механических взаимосвязи определяют производственные решения. Выравнивание оси  определяет, проходит ли штифт через противоположные отверстия вилки без непреднамеренного воздействия. Зазор при движении  обеспечивает запланированное относительное движение, ограничивая при этом нежелательный люфт. Набор допусков  определяет, как изменения в нескольких деталях сочетаются в готовой сборке.

Это связанные, но не идентичные проблемы. Механический зазор может способствовать потере движения, а растяжение, трение и изменение натяжения троса также могут вызвать гистерезис. Улучшение допусков ЧПУ не может устранить все источники ошибок движения. Цель состоит в том, чтобы изготовить размеры, которые OEM-производитель определил как критически важные для функционирования.

Что дает обработка с ЧПУ в хирургическом запястье

Прецизионная обработка с ЧПУ  позволяет изготавливать рычаги с шарнирами с противоположными отверстиями для шарниров, миниатюрные звенья с точно расположенными отверстиями, цилиндрические шарнирные пальцы и монтажные интерфейсы. Фрезерование с ЧПУ полезно для профилей и звеньев скоб; токарные костюмы для шпилек и втулок. Для кабельной направляющей также может потребоваться контролируемый профиль канавок и гладкие контактные кромки.

Не все эти функции требуют одинаковой толерантности. Контроллеры размера отверстия подходят, положение отверстия определяет ось поворота, расстояние между центрами отверстий влияет на геометрию звена, а расстояние между рычагами определяет осевой зазор. Рассмотрение их как отдельных функциональных требований повышает ясность чертежей и планирование проверок.

ЧПУ можно комбинировать с прецизионным шлифованием, электроэрозионной обработкой или другим процессом, где этого требуют геометрия, материал и отделка. Правильный маршрут зависит от фактической сборки, а не просто от наличия пятиосного станка.

Почему детали, соответствующие чертежам, все равно могут не собраться

Неправильно расположенные отверстия.  В вилке два отверстия могут соответствовать своим ограничениям по диаметру, но при этом быть направлены по несколько разным осям. В этом случае общий штифт может соприкасаться с одной кромкой отверстия, сопротивляться вставке или испытывать неравномерную нагрузку. Отдельные проверки диаметра не позволят выявить полную проблему соосности.

Неправильный зазор для сопряжения.  Штифт, закрепленный в одном элементе, может нуждаться в посадке с натягом, в то время как его интерфейс с подвижным звеном требует рабочего зазора. Применение одинаковой посадки в обоих местах может привести к заеданию или ослаблению крепления. Инженеры должны определить, какие поверхности вращаются, прежде чем назначать пределы.

Накопленный осевой люфт.  Внутренняя ширина вилки и толщина звеньев варьируются в пределах своих допусков. Самая свободная комбинация может создать нежелательное боковое движение; самые тугие могут ограничивать артикуляцию. Приемка отдельных деталей не является приемкой собранного соединения.

Обработка парных шарнирных отверстий без потери соосности

Начните с предполагаемой оси поворота и опорных точек крепления узла. Решите, на каких поверхностях находится вилка в инструменте, а затем последовательно используйте эти ссылки при обработке и проверке. Выбор исходной точки должен отражать функцию соединения, а не просто поверхности, которые легче всего зажимать.

Если позволяет геометрия, обработайте оба противоположных отверстия за один установ. Сквозное растачивание или соответствующим образом квалифицированная чистовая операция может сохранить взаимное расположение их осей более надежно, чем независимое позиционирование двух отверстий. Если для доступа требуется две настройки, определите схему вторичного местоположения и проверьте повторяемость приспособления, а не предполагайте, что первая точка отсчета передается идеально.

Пятиосевая обработка с ЧПУ  может улучшить доступ к наклонным граням и уменьшить необходимость повторного позиционирования. Однако для особенно маленьких отверстий шарниров жесткое трехосное крепление или специальный процесс отделки могут обеспечить лучшую стабильность. Выбор должен проводиться после испытания возможностей фактической функции.

Тонкие рычаги вилки добавляют еще одно ограничение: чрезмерная сила зажима может изменить расстояние между ними и сместить отверстия. Практический маршрут — это подготовка исходной точки, черновая обработка с поддержкой, получистовая обработка, чистовая обработка критического отверстия, удаление заусенцев и проверка после разжима. Специальные гнезда и временный вспомогательный материал могут помочь контролировать искажения. Соответствующие принципы обсуждаются в статье Даванга о контроль деформации тонкостенных стенок.

Посадка пальца на отверстие: расчет крайностей

Номинальный диаметр сам по себе не описывает свободу подвижного соединения. Рассмотрим гипотетический скользящий шарнир  следующих разрешенных размеров:

Минимальный диаметральный зазор  достигается при наименьшем отверстии и наибольшем штифте:

1,005–1,000 = 0,005 мм (5 мкм).

Максимальный диаметральный зазор  достигается при наибольшем отверстии и наименьшем штифте:

1,015–0,995 = 0,020 мм (20 мкм).

Таким образом, теоретический диаметральный зазор составляет 5–20 мкм . Для центрированного штифта соответствующий идеальный радиальный зазор составляет половину диаметрального зазора, но реальный контакт зависит от нагрузки, формы отверстия, текстуры поверхности и выравнивания.

Эти цифры иллюстрируют арифметику наихудшего случая; это не результаты производства Dawang или рекомендуемые хирургические приспособления . Приемлемый ли зазор зависит от критериев нагрузки, сочленения, износа и расположения OEM-производителя. Затяжка только до предела отверстия может мало что дать, если в сборке преобладает изменение штифта или погрешность оси.

Стек осевых допусков: вторая проблема с подгонкой

Радиальный зазор не определяет поперечное перемещение. Рассмотрим гипотетическую вилку и ссылку:

В самой тугой разрешенной комбинации зазор вилки составляет 2,97 мм, а толщина звена — 2,96 мм:

Минимальный осевой зазор = 2,97 − 2,96 = 0,01 мм.

При самой свободной комбинации зазор составляет 3,03 мм, а толщина звена 2,92 мм:

Максимальный осевой зазор = 3,03 − 2,92 = 0,11 мм.

Номинальный зазор составляет 0,06 мм, но наихудший диапазон составляет 0,01–0,11 мм . Оба компонента могут пройти проверку, хотя их зазор в сборе сильно различается. OEM-производителю может потребоваться другое распределение допусков, выбранная прокладка или стратегия регулировки. Только функциональные требования и тестирование сборки могут определить, какой вариант подходит.

GD&T и проверка: проверка взаимосвязей сборок

На чертежах должна быть указана функциональная базовая система отсчета и четко проконтролирована требуемая взаимосвязь между парными отверстиями. Диаметр отверстия, расположение оси, расстояние между отверстиями, расстояние между рычагами и ориентация сопрягаемой поверхности являются отличительными характеристиками. Там, где имеет значение общая ось поворота, указанный геометрический контроль должен быть измеримым и соответствовать фактической схеме отсчета.

Выбирайте методы проверки по характеристикам. КИМ может проверять доступные исходные данные и соотношения отверстий, если позволяет размер зонда. Оптические методы могут подойти для миниатюрных профилей; калиброванные датчики могут проверить подходящие размеры, но сам по себе штифтовый датчик не может подтвердить положение оси отверстия. С помощью микроскопа можно проверить заусенцы и тонкие контактные кромки. Для очень маленьких или недоступных пар может потребоваться квалифицированный измеритель центровки или специализированная измерительная система.

Проверьте критические размеры после снятия заготовки с крепления,  если деформация вызывает беспокойство. OEM-производитель может также указать силу вставки штифта, диапазон шарнирного сочленения, трение в суставах или потерю движения в качестве критериев функциональной приемки. Эти испытания дополняют, а не заменяют проверку на основе чертежей.

Вопросы DFM перед выпуском проекта

Полезный обзор DFM начинается со сборки , а не просто с изолированной STEP-модели. OEM-производитель должен определить, какие интерфейсы штифтов являются фиксированными или вращающимися, предоставить чертежи сопрягаемых деталей и определить необходимые условия движения и нагрузки.

Затем проверка должна подтвердить доступ и глубину отверстия, требования к общей оси, минимальные и максимальные радиальные и осевые зазоры, поддержку скобы во время обработки и реалистичный доступ для проверки. Материалы и контактные поверхности также должны соответствовать предполагаемым требованиям к износу, очистке и стерилизации. Например, нержавеющая сталь 316L, 17-4 PH, титан и некоторые конструкционные полимеры требуют различных требований к обработке и обслуживанию; ни один материал не является универсальным.

Рано прототипирование медицинского устройства  может выявить проблемы сборки перед повторным производством, особенно когда расчеты допусков требуют функциональной проверки.

Dawang Precision: от проверки чертежей до планирования контроля

Dawang Precision имеет 27-летний опыт производства и более 400 современных станков, включая оборудование Röders и Mazak. Его услуги включают фрезерную, токарную, многоосную обработку с ЧПУ, электроэрозионную обработку и прецизионный контроль.

Работа Даванга над роботизированные компоненты  дают соответствующий опыт работы с механическими интерфейсами, в то время как Возможности медицинского производства  включают работу в рамках применимой области управления качеством ISO 13485. Это связанные возможности, а не доказательство завершенного хирургического проекта лучезапястного сустава..

Для новой детали осуществимость должна быть подтверждена на основе ее чертежей: критических отверстий, стыковочных посадок, стратегии исходных данных, доступа к приспособлениям и измеримых критериев приемки. Любые гарантированные допуски или документация, специфичная для проекта, должны быть согласованы после инженерной экспертизы.

Запросить бесплатную проверку DFM

Разрабатываете хирургическую вилку для запястья, шарнирный штифт или миниатюрное соединительное звено? Отправьте свои модели STEP, чертежи в формате PDF и требования к сборке  на бесплатную проверку DFM. Команда инженеров Даванга может оценить обработку отверстий, пределы зазоров, совокупность допусков и планирование контроля.

Получите первоначальный инженерный ответ в течение 24 часов.

Запросите бесплатный обзор DFM