Nghiên cứu phương pháp tạo hình lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong nhằm cải thiện chất lượng làm việc của kéo tt

- Phương pháp gia công tạo hình lưỡi cắt của kéo bằng công nghệ cao như robot, máy CNC.. Phương pháp nghiên cứu Kết hợp giữa lý thuyết, mô hình hóa, mô phỏng và thực nghi

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Kéo mổ y tế đầu cong (gọi tắt là kéo) là dụng cụ phẫu thuật dùng để cắt các mô như: Cân, cơ, màng phổi, màng tim, mạch máu… hoặc một số bộ phận của cơ thể Kéo có cấu tạo phức tạp, lưỡi cắt cong 3 chiều, lưỡi cắt phải sắc và là đường cong trơn liên tục

Do điều kiện làm việc đặc biệt, yêu cầu chất lượng cao, hình dạng lưỡi cắt của kéo phức tạp, việc tính toán, thiết kế, gia công tạo hình lưỡi kéo khó khăn; Cơ sở tính toán, thiết kế và công nghệ chế tạo kéo ít được công bố Do vậy với điều kiện trong nước càng khó tìm kiếm tài liệu tham khảo cũng như tiếp cận tài nguyên dữ liệu phục vụ việc nghiên cứu

Kéo mổ y tế đầu cong được sản xuất và bán rộng rãi trên thế giới, nhưng kéo mổ y tế đầu cong sử dụng trong nước hầu hết phải nhập ngoại, giá đắt Kéo chế tạo ở trong nước có chất lượng thấp chủ yếu tập trung ở chất lượng lưỡi cắt (do được mài bằng tay) Vì vậy:

“Nghiên cứu phương pháp tạo hình lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong nhằm cải thiện

chất lượng làm việc của kéo” để làm chủ tính toán, thiết kế, chế tạo kéo là một nhiệm vụ

cần thiết có tầm quan trọng và ý nghĩa khoa học, kinh tế, xã hội rất lớn

- Phương pháp gia công tạo hình lưỡi kéo để đạt được các thông số thiết kế, với việc sử dụng công nghệ tiên tiến như: robot, máy CNC;

- Phương pháp thực nghiệm đo TSHH, mài tạo hình và đo lực cắt của lưỡi kéo Từ đó, lựa chọn được thông số thiết kế cho kéo mẫu thí nghiệm, mài được lưỡi kéo, so sánh được lực cắt của kéo mẫu thí nghiệm với một số kéo ngoại nhập từ đó đánh giá sự cải thiện tính cắt của kéo mẫu;

- Phương pháp điều chỉnh các TSHH của lưỡi kéo trong quá trình gia công tạo hình, nhằm cải thiện tính cắt sắc, hướng tới cải thiện chất lượng làm việc của kéo

3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

a Đối tượng : Lưỡi cắt của kéo mổ y tế đầu cong

b Phạm vi nghiên cứu:

- Lý thuyết tạo hình bề mặt cong phức tạp để tạo hình lưỡi cắt của kéo mổ y tế đầu cong

- Phương pháp gia công tạo hình lưỡi cắt của kéo bằng công nghệ cao như robot, máy CNC

- Biện pháp thay đổi TSHH của lưỡi cắt nhằm cải thiện tính cắt sắc hướng đến cải thiện chất lượng làm việc của kéo

- Phương pháp thực nghiệm mài lưỡi cắt, xác định thông số hình học, đo lực cắt của kéo

c Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp giữa lý thuyết, mô hình hóa, mô phỏng và thực nghiệm trong điều kiện cho phép tại Việt Nam

5 Những đóng góp mới, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

+ Những đóng góp mới của luận án: Luận án đã đưa ra được:

1) Phương pháp toán học mô hình hóa lưỡi cắt của kéo mổ y tế đầu cong bao gồm các phương trình xác định đường cong lưỡi cắt, các phương trình biểu diễn góc trước, góc sau, mặt trước và mặt sau của lưỡi cắt

2) Phương pháp gia công tạo hình lưỡi cắt trên thiết bị công nghệ cao như các robot, các máy CNC

3) Phương pháp điều chỉnh các thông số hình học của lưỡi cắt, đặc biệt là góc trước của lưỡi cắt của kéo trong quá trình mài tạo hình nhằm tối ưu tính cắt sắc của kéo

4) Giải thuật và chương trình máy tính cho phép tính toán xác định thông số hình học của lưỡi cắt của kéo; mô phỏng quá trình mài tự động mặt trước, mặt sau lưỡi kéo trên các thiết bị công nghệ tiên tiến như robot và máy CNC; cho phép điều khiển linh hoạt để mài tạo hình lưỡi kéo với thông số hình học mong muốn

5) Các phương pháp thực nghiệm: Quy trình mài lưỡi cắt kéo mẫu thí nghiệm trên robot 6 trục; Phương pháp xác định thông số hình học của lưỡi cắt của kéo thực bằng kỹ thuật ngược; Phương pháp đo lực cắt theo 3 phương x, y, z bằng đồ gá chuyên dùng, tích hợp các cảm biến đo lực

+ Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Luận án đã xây dựng được phương trình lưỡi cắt, trên cơ sở đó đã dùng công nghệ tiên tiến và các thiết bị hiện đại hiện có tại Việt Nam để mài và kiểm tra quá trình tạo hình lưỡi cắt của kéo Kết quả thực nghiệm phù hợp với các kết quả nghiên cứu lý thuyết và số liệu

đo lường gắn với kéo mẫu của nước ngoài Vì vậy luận án mang ý nghĩa khoa học và là tài liệu tham khảo tốt cho các nhà công nghệ nên nó cũng mang ý nghĩa thực tiễn

6 Bố cục và nội dung của luận án

Phần mở đầu

Phần nội dung:

Chương 1 Tổng quan về phương pháp tạo hình lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong

Chương 2 Mô hình hóa lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong

Chương 3 Nghiên cứu phương pháp mài tạo hình lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong

Chương 4 Thực nghiệm tạo hình lưỡi cắt, đo lực cắt kéo mổ y tế đầu cong

Phần kết luận và kiến nghị

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TẠO HÌNH LƯỠI CẮT KÉO MỔ Y

TẾ ĐẦU CONG 1.1 Giới thiệu kéo mổ y tế đầu cong

1.1.1 Khái niệm, công dụng của kéo mổ y tế đầu

cong

- Kéo là một loại dụng cụ dùng để cắt, gồm hai

phần trái và phải, ta gọi là vế trái và vế phải, được làm

bằng thép các bon hoặc thép hợp kim

- Kéo mổ y tế đầu cong thường được sử dụng để

cắt các mô của cơ thể ngoài ra kéo còn được dùng để

cắt chỉ, vải, gạc, băng, sợi kim loại chuẩn bị, phục

vụ cho phẫu thuật

1.1.2 Cấu tạo kéo mổ y tế đầu cong

Các loại kéo mổ đầu cong dùng trong y tế đều có hình dáng kết cấu phức tạp [4, 8] và chia thành 3 phần: Đầu mang và chân kéo (hình 1.2)

Hình 1 2 Cấu tạo kéo mổ y tế đầu cong

Đầu Kéo

Mang Kéo

Chân Kéo

Hình 1.4, 1.6 cho biết cấu tạo đầu kéo Các ký hiệu RCL, RCR, RXL, RXR trên các hình 1.4 lần lượt tương ứng là bán kính cong của đường cong lưỡi cắt trái, phải, trong các mặt phẳng Oxy, Oyz và Rs là bán kính cong của đường cong Bc trong tiết diện pháp tuyến A-

A

1.1.3 Yêu cầu kỹ thuật của kéo mổ y tế đầu cong

Kéo phải sắc, khi cắt nhẹ nhàng, không nhay trượt (theo Tiêu chuẩn quốc tế & TCVN)

Từ hình dạng hình học của kéo cùng với yêu cầu kỹ thuật khi chế tạo cho thấy cần phải nghiên cứu tính toán, thiết kế và phương pháp tạo hình lưỡi cắt của kéo như một dụng cụ cắt phức tạp với yêu cầu kỹ thuật cao

1.2 Tổng quan về phương pháp tạo hình các bề mặt chi tiết

1.2.1 Đặc trưng hình học của bề mặt chi tiết

1.2.1.1 Biểu diễn đường cong và mặt cong trong không gian

 Đường cong trong không gian và các đặc trưng hình học

Trong hệ tọa độ ba trục vuông góc của không gian R3, phương trình đường cong L có thể cho dưới dạng tham số:

( )( )

 Mặt cong trong không gian và các đặc trưng hình học

Trong hệ tọa độ ba trục vuông góc của không gian R3, phương trình bề mặt S có thể biểu diễn trong dạng:

( , )

z= f x y (1.9) Hoặc f (x y z =, , ) 0 (1.10) Xét tại điểm M0 của S, giả thiết cả ba đạo hàm f x(x y z, , ), f y(x y z, , ), f z(x y z, , ) của (1.10) đều tồn tại, liên tục và không đồng thời triệt tiêu

Gọi L là một đường cong thuộc S đi qua M0 có phương trình tham số dạng (1.1) Trường hợp điểm M0 và đường cong L đồng thời nằm trên hai mặt cong, tức L là giao tuyến của hai mặt cong, thì hệ phương trình xác định L là:

, , 0 , , 0

Hình 1 6 Mặt cắt ngang của lưỡi cắt Hình 1 4 Cấu tạo phần đầu kéo [4,8]

Các đường cong trên bề mặt ứng với u, v không đổi được gọi là các đường cong tọa độ

1.2.1.2 Đường cong và mặt cong của chi tiết

Trong hình học vi phân các đường cong là trơn, liên tục, không có kích thước ngang, có thể truy cập từ nhiều phía; còn mặt cong cũng là trơn, liên tục không có chiều dày, truy cập từ hai phía của bề mặt Các đường cong trên bề mặt các chi tiết thường biểu diễn biên dạng, hoặc giới hạn bề mặt chi tiết, hoặc biểu diễn vị trí và hướng làm việc của chi tiết Khảo sát đặc trưng hình học bề mặt dựa trên hình học vi phân và sự hình thành của chúng sẽ là cơ sở để tìm ra phương pháp tạo hình bề mặt chi tiết

Từ lưới bề mặt trên hình 1.9, một đường cong tọa độ, chẳng hạn ứng với (u), được gọi là đường sinh, đường cong thứ hai (v) sẽ gọi là đường hướng Từ lý thuyết tạo hình bề mặt [38], có những dạng bề mặt có thể được tạo thành khi trượt đường sinh u theo đường hướng v Điều này có thể làm được nếu bề mặt có đường sinh có dạng không đổi Hoặc nếu bề mặt cong có đường hướng v không đổi, có thể tạo thành bề mặt khi trượt đường hướng v theo đường sinh u Có thể gọi đường cong đó đường sinh hay là đường hướng và ngược lại

Theo khả năng tạo hình, người ta phân loại bề mặt thành : Bề mặt tự trượt (hình 1.9.a – c); bề mặt “tự trượt” theo đường hướng v (hình 1.9.d– f); bề mặt có đường sinh (u) hoặc đường hướng (v) không đổi(hình 1.9.g); bề mặt có đường u, v thay đổi liên tục (hình 1.9.k)

Công nghệ tạo hình các bề mặt tự trượt được thực hiện bằng việc phối hợp các chuyển động của chi tiết và dụng cụ bao gồm các chuyển động quay quanh và tịnh tiến

Thực tế kỹ thuật cho thấy có nhiều loại bề mặt chi tiết không thể cho trực tiếp ở dạng phương trình toán học như trên Trên cơ sở phương pháp tạo hình, và từ tính toán thiết kế hoặc thực nghiệm có thể xác định một lưới điểm của bề mặt cần tạo hình, tức xác định được giá trị tọa độ các điểm thuộc bề mặt nằm trên một lưới Từ đó có nhiều phương pháp nội suy bề mặt để xây dựng được dạng giải tích gần đúng của bề mặt cần gia công

Hình 1 9 Các dạng bề mặt [38]

1.2.2 Nguyên lý tạo hình bề mặt bằng dụng cụ cắt

1.2.2.1 Động học tạo hình bề mặt

Trong quá trình gia công tạo hình, dụng cụ cắt và chi tiết chuyển động tương đối với nhau, kết quả cắt gọt tạo thành bề mặt gia công Khi thực hiện chuyển động tạo hình, phần lưỡi cắt của dụng cụ tiếp xúc bề mặt gia công và tạo hình bề mặt, được gọi là biên dạng của lưỡi cắt (prophin)

Để tạo hình bề mặt chi tiết, phần prophin lưỡi cắt của dụng cụ cần phân bố trên bề mặt nào đó mà trong quá trình gia công tạo hình, prophin lưỡi cắt tiếp xúc với bề mặt chi tiết

Bề mặt đó được gọi là bề mặt khởi thủy của dụng cụ Bề mặt khởi thủy của dụng cụ có thể tiếp xúc với chi tiết theo 3 khả năng [39]

(1) Bề mặt khởi thủy của dụng cụ trùng với bề mặt chi tiết;

(2) Bề mặt khởi thủy của dụng cụ tiếp xúc với bề mặt chi tiết theo đường sinh (hoặc đường hướng);

(3) Bề mặt khởi thủy của dụng cụ tiếp xúc với bề mặt

chi tiết theo điểm: để tạo hình, dụng cụ vừa thực hiện

chuyển động ăn dao, vừa thực hiện hai chuyển động tạo

hình theo đường hướng hoặc đường sinh, hình 1.10.c

Khi đó, dụng cụ phải thực hiện chuyển động tạo hình

phức tạp gồm các chuyển động quay (3) và tịnh tiến (3),

xem hình 1.11

Đây là cơ sở để những phần tiếp sau của luận án phân

tích bề mặt lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong và nghiên cứu

phương pháp tạo hình lưỡi cắt của kéo

1.2.2.2 Các phương pháp tạo hình bề mặt

* Nguyên lý chép hình

* Nguyên lý bao hình

* Nguyên lý bao hình các bề mặt tự do

Với các bề mặt tự do thường là bề mặt phức tạp, tiếp xúc của bề mặt khởi thủy của dụng cụ với bề mặt chi tiết thường là theo điểm Chuyển động tạo hình được tích hợp từ các chuyển động thành phần tịnh tiến và quay quanh một trục Khi tạo hình các bề mặt phức tạp, cần thực hiện bằng các máy, thiết bị nhiều bậc tự do để phối hợp nhiều chuyển động thành phần

1.2.2.3 Phương pháp xác định bề mặt khởi thủy bề mặt dụng cụ

Theo [1,2,5] chỉ rõ: mỗi loại bề mặt chi tiết và sơ đồ động học tạo hình cần có dụng cụ với biên dạng lưỡi cắt, bề mặt khởi thủy, tương ứng để thực hiện quá trình tạo hình Từ phương pháp biểu diễn bề mặt và xác định đặc trưng hình học của bề mặt đã trình bày, có thể áp dụng để xác định bề mặt khởi thủy của dụng cụ bằng 3 phương pháp sau:

a Phương pháp xác định bề mặt khởi thủy bằng đồ thị

b Phương pháp xác định bề mặt khởi thủy bằng giải tích

c Phương pháp động học xác định bề mặt khởi thủy:

1.2.3 Khái quát về cấu tạo dụng cụ cắt

Kéo mổ y tế đầu cong là một dụng cụ cắt Vì vậy, kéo có phần thân kéo, phần làm việc; có mặt trước, mặt sau, lưỡi cắt, góc trước, góc sau … tương tự dao tiện

- Lưỡi cắt là giao tuyến của mặt trước và mặt sau

- Góc trước : là góc tạo thành giữa vết mặt trước và vết mặt đáy của dao đo trong tiết diện chính N – N

Hình 1 11 Các chuyển động tạo hình bề mặt chi tiết phức tạp [39]

- Góc sau chính : là góc tạo thành giữa vết của mặt sau và vết mặt phẳng cắt gọt đo trong tiết diện chính

- N-N - là tiết diện chính vuông góc với hình chiếu của lưỡi cắt chính trên mặt đáy Các trình bày trên là cơ sở để áp dụng cho việc mô tả chi tiết các góc độ của kéo mổ y tế đầu cong cũng như xác định các TSHH của kéo để phục vụ cho nghiên cứu tạo hình lưỡi cắt của kéo

1.3 Khái quát về tạo hình lưỡi cắt, và công nghệ chế tạo kéo mổ y tế đầu cong

1.3.1 Khái quát về tạo hình lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong

Việc chế tạo kéo cũng như tạo hình lưỡi cắt gồm nhiều công đoạn Luận án chỉ tập trung nghiên cứu quá trình gia công tinh bằng mài tạo hình lưỡi cắt của kéo

Chuyển động tạo hình của đá khi mài lưỡi kéo cần đảm bảo bề mặt đá tiếp xúc bề mặt lưỡi kéo khi di chuyển dọc theo đường cong lưỡi kéo Tùy thuộc loại đá mài được sử dụng, sẽ có các chuyển động của đá một cách phù hợp

Mài mặt trước bằng đá mài hình trụ, hình côn: (hình 1.18)

Mài mặt trước bằng đá mài hình đĩa, hình cầu, hình xuyến: chuyển động tạo hình của

đá cần đảm bảo đá vừa di chuyển dọc theo đường cong lưỡi cắt của kéo, đồng thời di chuyển dọc theo đường biên dạng Fc trong tiết diện pháp tuyến (hình 1.18, 1.19);

Mài mặt sau bằng đá mài hình cầu, hình xuyến: tiếp xúc giữa bề mặt đá mài và bề

mặt sau lưỡi kéo theo điểm; chuyển động tạo hình của đá cần đảm bảo đá vừa di chuyển dọc theo đường cong lưỡi cắt của kéo, đồng thời di chuyển dọc theo đường biên dạng Bctrong tiết diện pháp tuyến (hình 1.20, 1.21);

Hình 1 20 Mài mặt sau bằng đá cầu, xuyến

Vì các chuyển động tạo hình này là phức tạp nên với các máy mài thông thường sẽ không thực hiện được Việc thực hiện bằng tay sẽ khó đảm bảo độ chính xác các TSHH của kéo, chất lượng không ổn định, năng suất thấp

1.3.2 Công nghệ chế tạo kéo mổ y tế đầu cong

Thế giới và Việt Nam đều có chế tạo kéo mổ y tế đầu cong, các công đoạn tóm tắt như sau: Dập tạo hình → Gia công thô → Nhiệt luyện → Mài tinh lưỡi cắt → Gia công tinh các bề mặt còn lại

Khi mài tinh lưỡi cắt bằng tay, chất lượng lưỡi cắt không ổn định (xem hình 1.23)

Hình 1.21 Tiếp xúc giữa bề mặt đá mài và mặt sau lưỡi cắt của kéo trong mặt phẳng pháp tuyến

Hình 1 18 Mài tạo hình mặt trước bằng các loại đá

Hình 1 19 Tiếp xúc giữa bề mặt đá mài và mặt trước lưỡi cắt của kéo trong mặt phẳng pháp tuyến

Bề mặt lòng mo không đều, lưỡi cắt không trơn (tại B)

→ khi là việc làm việc kéo cắt không trơn, dễ bị nhay

Vì vậy, luận án sẽ nghiên cứu phương pháp sử dụng các

thiết bị công nghệ cao như robot, các máy CNC để thực

hiện gia công mài tạo hình lưỡi cắt của kéo theo yêu cầu,

hướng tới cải thiện chất lượng làm việc của kéo

1.4 Một số phương pháp đo lực cắt của kéo

1.4.1 Nghiên cứu của nhóm tác giả Mohsen Mahvash;

Liming M Voo, Diana Kim, Kristin Jeung (nhóm 1), Modeling the Forces of Cutting with Scissors , 2008, tài liệu [26]

Các nhà khoa học trên đã sử dụng cảm biến ATI Nano-17 để đo lực cắt của kéo thẳng

(hình 1.25), kết quả đo lực khi cắt xem hình 1.26

Họ đã sử dụng lý thuyết bảo toàn năng lượng để đưa ra được công thức tính toán lực tác động của tay người fx khi cắt;

Nghiên cứu đã khẳng định quá trình biến dạng (BD) khi cắt cũng gồm 3 gia đoạn: BD đàn hồi, BD dẻo và phá hủy

1.4.2 Nghiên cứu của nhóm tác giả D J Callaghan1, G Rajan, M M McGrath , E

Coyle, Y Semenova and G Farrell, (nhóm 2)

Investigation and experimental measurement of scissor blade cutting forces using fiber Bragg grating sensors (FBG), (nguồn: [20]

Nhóm 2 đã sử dụng cảm biến sợi quang (FBG) để đo lực cắt của kéo thẳng Quá trình nghiên cứu đo lực cắt của kéo chia thành 2 giai đoạn (cắt tự do và cắt có vật liệu cắt) Kết quả đo được lực cắt theo cả 3 phương x, y, z

1.4.3 Một số mô hình đo lực khác

Từ phân tích các mô hình đo lực cắt ở trên nhận thấy các mô hình này chưa đo được lực cắt của kéo mổ y tế đầu cong Vì thế, đòi hỏi phải nghiên cứu để tìm ra một mô hình

đo kéo mổ y tế đầu cong phù hợp tại Việt Nam

Kết luận chương 1

Chương một đã nghiên cứu tổng quan về kéo mổ y tế đầu cong, giới thiệu công dụng, cấu tạo, yêu cầu kỹ thuật của kéo mổ y tế đầu cong; Tổng quan về về lý thuyết tạo hình bề

Hình 1.31 Dữ liệu thực nghiệm khi cắt giấy [20]

Hình 1.25 Robot đo lực với cảm biến

ATI Nano-17 [26]

Hình 4 29 Hình ảnh đo lực cắt với cảm biến FBG [20]

Hình 1 23 Lòng mo không đều, lưỡi cắt không đều [8]

Hình 1.26 Quan hệ giữa lực cắt và góc

mở của kéo [26]

B

mặt các chi tiết, khái quát về phương pháp chế tạo, đo lực cắt của kéo mổ y tế đầu cong, từ đó xác định phạm vi, nội dung nghiên cứu của đề tài luận án:

- Phân tích và xác định đối tượng nghiên cứu, nhận dạng yêu cầu đối với tạo hình lưỡi cắt của kéo

- Dẫn ra cơ sở khoa học cho phép áp dụng mô hình hóa lưỡi cắt, phục vụ tính toán thiết kế, đó là phương pháp biểu diễn đường cong, mặt cong trong không gian và xác định các đặc trưng hình học

- Phân tích cơ sở khoa học và phương pháp tạo hình bề mặt làm cơ sở để tìm ra phương pháp tạo hình lưỡi cắt kéo mổ ý tế đầu cong Đó là các phương pháp tạo hình bề mặt, phương pháp thiết lập chuyển động tạo hình, xác định bề mặt khởi thủy của dụng cụ cắt

- Phân tích phương pháp xác định yếu tố đặc trưng chất lượng làm việc của kéo là lực cắt, tạo cơ sở xây dựng phương pháp đo lực kiểm tra mẫu kéo thử nghiệm

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HÓA LƯỠI CẮT KÉO MỔ Y TẾ ĐẦU CONG

Bằng việc khảo sát hình dạng hình học lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong (gọi tắt là lưỡi kéo), tiến hành mô hình hóa toán học lưỡi cắt; thiết lập hệ phương trình toán học xác định đường cong lưỡi cắt; xác định biên dạng mặt trước, mặt sau của lưỡi cắt

Tiếp theo trình bày giải thuật tính toán và mô phỏng số được thực hiện bằng việc lập trình Áp dụng kỹ thuật thiết kế ngược để khảo sát một số mẫu kéo phổ biến, làm cơ sở phân tích, lựa chọn TSHH cho kéo được thiết kế

2.1 Phương trình đường cong lưỡi cắt của kéo mổ y tế

đầu cong

2.1.1 Hệ tọa độ khảo sát

Trên hình 2.1 dẫn ra hệ tọa độ khảo sát Oxyz

- Trục x, y nằm trong mặt phẳng cơ sở của kéo, việc

xác định phương chiều trục x, y sẽ được xác định bằng PP

tam diện thuận

- Trục z nằm dọc theo trục chốt kéo, hướng chiều

dương sao cho mũi kéo nằm trên phần dương của trục z

Hệ tọa độ Oxyz được gọi là hệ tọa độ cơ sở của kéo, được sử dụng để tính toán TSHH của kéo và thiết kế kéo; tính toán, thiết kế quỹ đạo chuyển động cho thiết bị gia công khi dẫn dụng cụ thực hiện chuyển động mài tạo hình lưỡi cắt

2.1.2 Hình dạng đường cong lưỡi cắt của kéo trên các mặt phẳng tọa độ

Hình 2.2 biểu diễn các hình chiếu Lxy, LyZ của đường cong lưỡi cắt của vế phải kéo trên các mặt phẳng tọa độ Oxy và Oyz tương ứng

Từ phân tích hình dạng các bề mặt tạo nên đường cong lưỡi cắt đã xác định: Lưỡi cắt là giao của mặt trụ với mặt xuyến (hình 2.3 và hình 2.5) Vì vậy ta chọn cách biểu diễn

Hình 2 2 Hình chiếu đường cong lưỡi cắt của kéo trên các mặt phẳng tọa độ

Hình 2 1 Hệ trục tọa độ tính toán

của kéo

mặt xuyến trong hệ tọa độ Oxyz như sau Đối với cả hai vế của kéo, trục tâm của mặt xuyến song song với trục x, tức là mặt phẳng chứa vòng tâm xuyến trùng với mặt phẳng Oyz Vị trí giao điểm của trục tâm mặt xuyến với mặt phẳng Oyz, ký hiệu Ox, được xác định tùy theo kéo được thiết kế

Lưỡi kéo được tạo thành bởi đường cong lưỡi cắt của kéo, mặt sau của lưỡi cắt sẽ là mặt trong của vòng xuyến có dạng lòng mo (gọi là lòng mo), hình 2.4

Hình 2 3 Mặt trụ và mặt xuyến chứa đường cong lưỡi

cắt của kéo

2.1.3 Thiết lập phương trình đường cong lưỡi cắt của kéo mổ y tế đầu cong

- Gọi bán kính của mặt trụ là rc, tổng quát bán kính mặt trụ không phải là hằng số, song ở đây ta giới hạn xét bán kính mặt trụ là hằng số, điều này cũng phù hợp với các kéo sẵn có hiện nay được khảo sát, đo đạc

- Tọa độ của trục tâm mặt trụ theo phương x, y của hệ tọa độ cơ sở ta ký hiệu là xc,

yc

- re: là bán kính vòng tâm mặt xuyến, rs là bán kính vòng tròn tiết diện trong mặt phẳng hướng tâm của vòng xuyến, hình 2.6, 2.7

Hình 2.6, 2.7 Mặt trụ và mặt xuyến tạo lưỡi cắt của kéo

- Tọa độ của tâm mặt xuyến trong hệ tọa độ cơ sở ký hiệu là xe, ye, ze Ta chọn tâm mặt xuyến nằm trong mặt phẳng Oyz nên xe sẽ bằng không

Với: re là bán kính vòng tâm mặt xuyến, rs là bán kính vòng tròn tiết diện pháp tuyến của mặt xuyến (Tâm vòng tròn mặt xuyến),

Gọi góc  là góc giữa đường thẳng nối tâm mặt xuyến với tâm vòng xuyến và mặt phẳng cơ sở của kéo; còn  là góc giữa đường thẳng nối tâm mặt xuyến với tâm vòng xuyến và đường thẳng nối tâm vòng xuyến với điểm trên đường cong lưỡi cắt của kéo

0   2 , 0   2 (2.3) Hệ phương trình xác định đường cong lưỡi cắt của kéo (2.4) :

Hình 2 4 Mặt sau - lòng mo của lưỡi cắt

của kéo

tọa độ tâm trụ và xuyến sẽ có giá trị tương ứng Trước hết ta giả thiết các tham số nói trên là hằng số với mỗi loại kéo để dẫn ra hệ phương trình toán học biểu diễn đường cong lưỡi cắt của kéo

2.1.4 Phương pháp giải hệ phương trình và vẽ đường cong lưỡi cắt

Để giải hệ phương trình (2.4) ta lấy hai phương trình đầu thế vào phương trình cuối ta được một phương trình của hai biến  , Ta giải phương trình vừa thu được theo

Ta nhận được nghiệm có dạng:

  = ( ) (2.5) Thế nghiệm trên vào ba phương trình đầu ta thu được phương trình đường cong lưỡi cắt ở dạng tham số (2.6):

( ) ( ) ( )

2.2 Đặc trưng hình học mặt trước và mặt sau của lưỡi cắt

Hình dạng hình học của lưỡi cắt của kéo mổ y tế đầu cong được giới hạn bởi đường cong lưỡi cắt của kéo, mặt trước và mặt sau của lưỡi cắt

2.2.1 Biểu diễn mặt trước của lưỡi cắt của kéo

Mặt trước của lưỡi cắt của kéo được xác định bởi góc trước của lưỡi cắt Thực tế vật cắt là mỏng, có thể coi ở thời điểm cắt, các điểm của hai vế kéo gặp nhau tại một điểm nằm trong mặt phẳng tọa độ Oyz

- Pr: mặt phẳng đáy

- PF: mặt phẳng tiếp xúc với mặt trước

lưỡi cắt tại điểm khảo sát

- k: vector tiếp tuyến của đường cong lưỡi

cắt

- d: hình chiếu của vector tiếp tuyến của

đường cong lưỡi cắt trên mặt đáy Pr

- C: mặt phẳng chứa tiết diện chính đi qua

điểm khảo sát và vuông góc với d

- Giao tuyến mặt phẳng C với mặt phẳng

PF là đường thẳng DE, với mặt đáy là đường

thẳng GH

- Góc trước là góc giữa các đường thẳng

DE và GH hay góc giữa 2 véc tơ , η

Để tính toán, xác định góc trước  ta áp dụng phép tính vector Ta giả sử có thể dựng được hệ tọa độ ba trục vuông góc Okkbknk tại mỗi điểm khảo sát trên đường cong lưỡi cắt như hình 2.9, trong đó:

- Trục k tiếp tuyến với đường cong lưỡi cắt, chiều dương hướng về phía mũi kéo

- Trục nk pháp tuyến với mặt trước của lưỡi cắt, chiều dương hướng ra ngoài

- Trục bk tạo thành hệ tọa độ thuận, bk tiếp tuyến với mặt trước Mặt phẳng Okbknk sẽ là pháp diện của lưỡi cắt tại điểm khảo sát

Hình 2 9 Biểu diễn góc trước lưỡi cắt

Các bước tính toán được thực hiện như sau:

- Các phương trình từ (2.8) đến (2.13) cho phép tính được các vector chỉ phương của các trục k, d,η, nk, bk

- Vì  vuông góc với d ta nhận được hệ phương trình xác định  có dạng:

- Khi thiết kế góc trước  được chọn và hệ (2.13) giải ra vector đơn vị chỉ phương  Hệ tọa độ Okkbknk đã nêu trên xác định đặc trưng hình học của bề mặt tại mỗi điểm trên đường cong lưỡi cắt, có vector tiếp tuyến d xác định theo (2.8), (2.9) Vector chỉ phương nk, pháp tuyến với mặt trước, được xác định như sau:

là mặt cong số

2.2.2 Biểu diễn mặt sau của lưỡi cắt của kéo

Mặt sau của lưỡi cắt của kéo là mặt trong của

vòng xuyến và ta còn gọi là mặt có dạng lòng mo Để

biểu diễn được góc sau ta sẽ tìm hai đường thẳng

Đường thẳng thứ nhất đi qua điểm khảo sát trên

đường cong lưỡi cắt và là giao tuyến giữa mặt phẳng

cắt t và mặt phẳng đi qua điểm khảo sát và pháp

tuyến với hình chiếu của đường cong lưỡi cắt trên

mặt phẳng đáy Oyz

Đường thẳng thứ hai đi qua điểm khảo sát và là

giao tuyến giữa mặt phẳng tiếp xúc với bề mặt vòng

xuyến tại điểm khảo sát và mặt phẳng đi qua điểm khảo sát và pháp tuyến với hình chiếu của đường cong lưỡi cắt trên mặt phẳng đáy Oyz Điểm khảo sát của đường cong lưỡi cắt được xác định như đã trình bày ở trên (hình 2.11), ta hãy tìm các vector chỉ phương của hai đường thẳng này

Từ các phương trình (2.22), (2.24) ta tính được vector chỉ phương bd Cuối cùng ta tính được góc sau của lưỡi cắt của kéo mổ y tế đầu cong từ phương trình:

2.2.3 Tính toán và lựa chọn TSHH thiết kế kéo mổ y tế đầu cong

Các thông số cần thiết để giải hệ phương trình (2.4) và nhận được biên dạng đường cong của lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong là rc, xc, yc, re, rs, xe, ye, ze Mặt sau của lưỡi cắt được xác định và biểu diễn bởi bán kính vòng tròn trong tiết diện ngang của vòng xuyến Góc trước , góc sau  của lưỡi cắt xác định cho biểu diễn mặt trước và tìm mối liên hệ giữa các thông số ,  với các thông số chế tạo là góc trước n xác định trong mặt phẳng pháp tuyến với đường cong lưỡi cắt và bán kính lòng mo rs Các thông số nói trên chính là các thông số thiết kế kéo Bằng việc khảo sát các thông số này và lựa chọn hợp lý ta sẽ thiết kế và chế tạo được kéo với yêu cầu kỹ thuật mong muốn

2.3 Xác định TSHH của kéo bằng kỹ thuật ngược

2.3.1 Khảo sát bản vẽ thiết kế kéo mổ y tế đầu cong

2.3.2 Quét kéo mẫu và thiết kế ngược

2.3.2.1 Chọn kéo mẫu

Khảo sát thực tế một số (5) kéo mẫu

nhập ngoại (Đức và Pakistan) và sản xuất

trong nước đang sử dụng phổ biến trên thị

trường

2.3.2.2 Ứng dụng máy Scan ATOS-I-2M

và phần mềm GOM để quét đo kéo mẫu

Bằng phương pháp quét và thiết kế

ngược (Scan ATOS-I-2M và phần mềm

Atos) đã khẳng định: Hệ phương trình mà tác

giả đưa ra hoàn toàn có thể áp dụng chung

cho các loại kéo, vì có thể xác định được các

thông số ban đầu của kéo phù hợp với HPT

(2.4)

Sau khi thiết kế có thể so sánh ngược lại với đám mây điểm đã quét thấy độ lệch giữa

mô hình CAD và đám mây điểm rất bé Sai lệch của mô hình trong khoảng 0.05 mm ( màu xanh lá cây) Xem hình 2.22

Tác giả đã dùng kỹ thuật ngược để khảo sát 05 mẫu kéo mổ y tế đầu cong phổ biến trên thị trường

Bằng cách sử dụng phần mềm quét và thiết kế ngược chuyên dụng để khảo sát, tác giả đã xác định và chỉ ra được sự biến đổi thực tế của các TSHH của kéo mổ y tế đầu cong trong hệ phương trình đường cong lưỡi cắt (2.4) Các TSHH của chúng luôn biến đổi trên suốt chiều dài lưỡi cắt Tuy nhiên cùng với vị trí trên vòng xuyến ta có thể xác định được cung cong giới hạn lớn nhất, nhỏ nhất cho sự biến đổi đó

Biểu đồ biểu diễn thông số lưỡi cắt vế phải kéo 3 như hình 2.24, 2.25

Hình 2 22 Hình ảnh đám mây điểm và thiết kế ngược, so sánh kết quả thiết kế.

Hình 2.16 Sơ đồ quét kéo trên máy quét Scan

ATOS-I-2M