【文章內容簡介】 變化。 通過對無針注射器的抽象化描述之后，可以把總功能描述為無針條件下進行噴 射注射，它的黑箱示意圖如圖 22 所示。它是以物料的轉換為主哈爾濱理工大學學士學位論文 7 的機械系統(tǒng)，也即物料流是主流，輸入物料是藥物和人體的某部位，輸出物料流是已完成注射的人體某部位。 能量信息 藥 物、人體系統(tǒng)對環(huán)境干擾系統(tǒng)對環(huán)境的影響注射藥物的人體無針注射系統(tǒng) 圖 22 無針注射器黑箱示意圖 由無針注射器的噴射流程分析可得，無針注射器由儲藥、加載、觸發(fā)、噴射、注射幾個步驟組成，其流程圖如 23 所示： 儲存藥物加載動力釋放能量撞擊儲藥箱噴射藥物注射藥物 圖 23 無針注射器動作流程圖 系統(tǒng)方案構思及比較 設計合理的機構，實現無針注射器的研發(fā)研究與開發(fā)，通過高壓液流使藥劑穿透皮膚給藥，形成不使用傳統(tǒng)注射器針頭的新劑型，不但為使用者提供了方便，而且抑制了傷口感染的可能。 無針注射系統(tǒng)的目的功能分解為動力、噴射兩大功能，每一個復雜的動作分解結果并不是唯一的，有多種方案可供選擇，不同的工藝動作分解方案在性能和價格方面有很大的差異需要進行評價和決策以確定分解方案。此時，需要考慮到方案的功效實用性、技術經濟性以及結構工藝性等方面的要求，實現無針注射，有三種較為合理的分解方案 ： 機械動力無針注射，動力源采用機械能； 高壓氣體動力無針注射，動力源為空氣動力 ； 電磁鐵動力無針注射，動力源為電磁能。 哈爾濱理工大學學士學位論文 8 方案 1 分析 設計 工作原理： 采用彈簧為動力源，將壓縮彈簧的勢能轉化為噴射藥液的動能。 工作過程： (1)手動壓縮彈簧； (2)安裝裝有藥液的安瓿； (3)注射 :被壓縮的彈簧被釋放后，壓迫連接桿向前推進，推動 裝有藥液的安瓿底部的活塞使藥液由安瓿前面的小孔 噴出 ,藥液釋放到體內，達到注射目的。 能量源形式 :這里是由直流微型電機來提供的，其體積較小，會使整體結 構較為 輕便，易于操作。 原理如 圖 24 所示： 圖 24 機械動力注射器原理圖 采用機械動力源，優(yōu)點如下： a) 較容易進行機械加工 ，制造成本較低； b) 安全性、可靠性較高，產品精度較高 ； c) 機構體積較小，易于操作。 從其工作原理及過程來看，存在如下缺點： a) 操作繁瑣，不能自動注射； b) 吸入藥液后，不能調節(jié)注射劑量； c) 不能連續(xù)注射； d) 會產生噪音，但不是很大。 方案 2 分析設計 工作原理 ：采用 高壓氣體 為動力源，將壓縮彈簧的勢能轉化為噴射藥液的動能，藥液被注射 到皮下或肌肉內發(fā)揮藥效。 工作過程 ： 運用氣壓推動彈簧壓縮 ，給定一定的大氣壓，彈簧就儲存相應 的勢能，從而實現調速功能，接下來 注射過程 和方案一過程相 同。 哈爾濱理工大學學士學位論文 9 能量源形式：采用氣泵作為能量源。 采用高壓氣體動力源，優(yōu)點如下： a) 遞送系統(tǒng)功能穩(wěn)定好 ； b) 安全性、可靠性較高，產品精度較高。 從其工作原理及過程來看，存在如下缺點： a) 對裝置的安全性要求高，密封性要求嚴格，較難加工，所以制造成本較高； b) 操作繁瑣，不能自動注射； c) 由于采用氣泵提供能量，其體積較大，操作不方便。 d) 吸入藥液后，不能調節(jié)注射劑量，不能連續(xù)注射； e) 產生噪 音大； 方案 3 分析設計 工作原理： 采用 電磁鐵 為動力源，壓縮彈簧的勢能轉化為噴射藥液的動能。 工作過程： (1)電磁鐵 壓縮彈簧； (2)安裝裝有藥液的安瓿； (3)注射 :被壓縮的彈簧被釋放后， 使撞擊軸推打擊錘，然后 壓 迫連接桿向前推進，推動裝有藥液的安瓿底部的活塞 使藥液由安瓿前面的小孔噴出 ,藥液釋放到體內，達 到注射目的。 電路設計： 電磁式無針注射器的電路設計采用整流橋連接電路，主要是把電磁線圈的電流轉化為能量。 原理如圖 25 所示： 圖 25 電磁式無針 注射器原理圖 哈爾濱理工大學學士學位論文 10 此機構的優(yōu)點 如下： a) 操作簡便，機構較為簡單，易于加工； b) 安全性、穩(wěn)定性較好； c) 噪音相對較小。 從其工作原理及過程來看，存在如下缺點： a) 電路連接較為復雜，需要電工元件較多 b) 操作繁瑣，不能自動注射； c) 吸入藥液后，不能調節(jié)注射劑量； d) 不能連續(xù)注射； 通過對三種方案的分析和優(yōu)缺點的比較，我們從制造成本、可靠性、 制造難易程度等方面綜合評估后，我們選定方案 1，即電動式無針注射器，我們這里采用直流微型電機，它較電磁式注射器穩(wěn)定性要好，結構又較氣動式注射器簡單并且體積較小， 便于攜帶，所選機構較為簡單，這樣可 以減少制造和裝配難度、降低制造成本，使之可以更廣泛地適用于普通人群 ，滿足了設計要求。 電動式 無針美容注射器動作分析 電動無針美容注射器的工作過程可以分為兩個過程：壓縮彈簧蓄能過程和釋放彈性勢能注射過程。每個過程可以通過一種裝置來實現，如圖 26 所示： 圖 26 電動式 無針注射器工作原理圖 其工作原理為：采用彈簧為動力源，將壓縮彈簧的勢能轉化為噴射藥液的動能，藥液被注射到皮下或肌肉內發(fā)揮藥效。 其機械原理為：打開開關，電機自動蓄能，由齒輪和齒條傳動動力，來壓縮彈簧，被壓縮的彈簧被激發(fā) 后，壓迫活塞向其推進，撞擊撞針，撞針推動裝有藥液的安瓿瓶底部的活塞使藥液由安瓿前面的小孔噴出，藥液釋放到體內，達到無針注射的目的。 電動式無針注射器與傳統(tǒng)的注射器相比，皮膚對藥物吸收性較好，注哈爾濱理工大學學士學位論文 11 射到體內后藥物分布較均勻，所以吸收藥液能力較好，對比如圖 27 所示： 圖 27 無針注射與傳統(tǒng)注射方式對比圖 但是此種機構的最大問題是要想提高藥液傳低效率必須使用高強度彈簧，并且不可以調節(jié)注射速度，這樣不適合所有的人群使用。 系統(tǒng)方案設計 機械產品概念設計最終要實現機械運動方案設計，也就是執(zhí)行機構系統(tǒng)方案設計。 執(zhí)行機構設計的構思與設計是概念設計中非常重要的部分，主要是動力系統(tǒng)、傳動及執(zhí)行系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，其中傳動及執(zhí)行機構系統(tǒng)是執(zhí)行機構設計的核心。 本次設計的電動式無針美容注射器，機構設計方案是電機把能量傳遞給齒輪，靠齒輪傳遞能量給彈簧，彈簧作為主要的動力源，使壓縮彈簧的彈性勢能轉化為使藥液噴出的動能。所以，在設計傳動機構時，不僅要對彈簧進行設計還要進行齒輪設計，壓縮彈簧的力在下一章的實驗中介紹過，可以求出，我們這里來驗證，齒輪的能量傳到彈簧時的力是否滿足要求。此外，我們還會驗證噴射速度是否能足夠噴射到皮膚中。 結構設計 容納所有機械零件的 箱體結構 ， 在注射過程中， 其振動幅度較小，所以采用 尼龍 6 來加工 殼體 。 由于 尼龍 的重量較輕， 彈性較好且有較好的消振和消聲性， 也可以使整體結構更加輕便 。 箱體 內有一些溝槽是來固定內哈爾濱理工大學學士學位論文 12 部的零件， 箱體兩片有螺絲釘來固定， 我設計的波箱壁厚大約為 5mm。 軸承座 是波箱里面用來固定齒輪軸的 零件 ， 這里共有 6 個 軸承座 ，因為 箱體 里只有 3 組 齒輪。 由于注射器中軸的尺寸較小，軸的轉速不是很高我們這里采用 滑移軸承座 ，材料為 聚丙烯 (PP)，它 剛性好、 耐磨性強、耐腐蝕性好，而且 運行起來比較 安靜， 這是由于 摩擦力比較小， 所以 比一般的 結構鋼的軸承座 安靜許多 ， 此外， 較金屬的 軸承座 其造價較低 ，其結構如圖 28 所示： 圖 28 軸承座 結構圖 此外，我們采用安瓿瓶 裝藥液， 它最多能裝 液體，而且 要保證其密封性要 好， 三維造型 結構如下圖 29 所示： 圖 29 安瓿 瓶三維造型 調節(jié)結構設計 調節(jié)結構的設計主要目的是為了調節(jié)注射劑量，由于設計的無針注射器每次注射后，不能自動給藥，所以需要通過此機構來調節(jié)， 整個機構是由五個零件裝配而成的，調節(jié)桿和調節(jié)環(huán)內部都有梯形螺紋。調節(jié)機構 的哈爾濱理工大學學士學位論文 13 材料是 45 號鋼，經過調質處理，表面較為光滑 ，其三維造型結構 如圖 210 所示： 圖 210 調節(jié) 機構三維 造型圖 活塞設計 活塞 的動力來自半齒輪，是有半齒輪 來帶動活塞內的齒條，然后活塞向后退，壓縮彈簧，當半齒輪的最后一個齒脫離活塞上齒條上的齒的時候，活塞就會因為彈簧的壓力向前沖，壓縮汽缸中的空氣擊打擊錘，最后 通過連接桿是要也噴射出去。活塞中鑲有齒條的結構。 總之， 活塞在整個傳動機構中起著必不可少的作用 ,這里它的材料選用 HT2040。 其 三維 造型如圖 211 所示： 圖 211 活塞 三維 造型圖 彈簧設計 彈簧是在設計最初就確定的機構，它是作為主要的動力源，藥液穿透哈爾濱理工大學學士學位論文 14 皮膚的速度完全有壓縮彈簧的勢能來提供，安瓿 瓶 口的初速度大約有100 ~ 200 /ms左右，這是長期從事無針注射的研究者們得出的結論，我們這里只是用它來驗證 ，由于初始速度很高，說以要求彈簧的倔強系數很大。一般的彈簧，承受負荷的能力很低，所以我們這里用的彈簧倔強系數很大，經實驗其倔強系數： k=2300N/m,后面我們會對其驗證是否滿足強度要求 ， 其造型如圖 212 所示 ： 圖 212 彈簧 三維 造型圖 彈簧中經 2 10D mm? ； 彈 簧 絲 直 徑 mm? ； 彈簧指數2/ 10C D d??,彈簧指數 C 越大，說明彈簧剛度越大 。 彈簧材料選擇 合金 彈簧 鋼絲 YB/T 53182021,牌號為 60Si2MnA，其強度高，彈性較好 傳動機構設計 齒輪在整個機構中的作用是傳遞動力。 齒論設計這一部分是依據玩具手槍模型設計的， 我們在波箱中裝三個 齒輪 來傳遞動力，當電機上的錐形齒輪深入波箱內工作時侯，與另一個錐形齒輪嚙合帶動一個大小齒輪 傳動 ，大小齒輪再與另一個大小齒輪嚙合，然后半齒輪拉動齒條，之后齒條帶動彈簧使彈簧受壓縮，這個過程就是齒輪傳動的整個過程 。其結構 簡圖如圖 213 示： I I I II I0123456 圖 213 齒輪傳動簡圖 1. 選定齒輪類型、精度等級、材料、齒數 及初定齒輪 5 分度圓直徑 (1) 類型選擇 哈爾濱理工大學學士學位論文 15 按圖 29 所示的傳動簡圖，選用齒輪 6 為直齒圓柱齒輪，其中齒輪 6 為半齒輪，齒輪 6 與齒條嚙合傳動；齒輪 0、 1 為 直齒 圓錐齒輪 ，其中齒輪 0 與電動機相連 (2) 精度選擇 齒輪精度為 8 級 (3) 材料選擇 為了使設計的無針注射器使用更加輕便，并且造價低，我們采用塑料齒輪， 其塑料品 種我們選用 ABS,它具有良好的綜合性能，即高的沖擊韌度和良好的機械強度；優(yōu)良的耐熱性，尺寸穩(wěn)定，易加工 。塑料齒輪 較金屬齒輪其 質輕、 噪聲低、吸振性好、 不腐蝕， 耐磨損且傳動效率較高， 并具有自潤滑特性。 (4) 初定齒數 半齒輪 6 的齒數 Z6=20；直齒圓柱齒輪齒數 Z5=54,Z4=24,Z3=48,Z2=12； 直齒圓錐齒輪的齒數 Z1=32,Z0=10 (5) 齒輪 6 分度圓直徑 前面已經提到，齒輪傳動機構是依據玩具手槍設計改造的，所以初定齒輪 6 的分度圓直徑 40d mm? 2. 傳動比的計算和分配過程 (1) 分配傳動比 01 32 ? ?? 23 48 412i ? ?? 45 54 ? ?? 齒輪 6 與齒條傳動比 ： ? 所以 0 1 2 3 4 5 32i i i i??? ? ? ?總 = (2) 各軸轉速 0 4 0 0 0 / m inn n r?? In =01ni?4000 1 2 5 0 / m in3 .2 r?? 2 3 0 1 2 34000 2 3 8 .1 / m in3 .2 4III nnnri i i? ? ?? ? ? ?? 哈爾濱理工大學學士學位論文 16 4 5 0 1 2 3 4 54000 1 1 3 . 1 / m in3 . 2 4 2 . 6 5IIIII nnnri i i i? ? ? ?? ? ? ??? (3) 各軸扭矩 0 0 20 . 0 49 5 5 0 9 5