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電動(dòng)無(wú)針注射器設(shè)計(jì)
摘 要
無(wú)針注射不同于傳統(tǒng)的皮下注射，它是一種全新的注射方式，具有痛苦小、藥物吸收好、操作方便、消除了交叉感染等諸多優(yōu)點(diǎn)。我國(guó)對(duì)無(wú)針注射器的研究起步較晚，在技術(shù)層面和國(guó)外先進(jìn)水平存在不小差距，目前尚處于研發(fā)階段。本文在分析無(wú)針注射器原理及結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了電磁式無(wú)針注射器，主要研究工作如下：
1． 對(duì)國(guó)內(nèi)外無(wú)針注射技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行研究，分析了無(wú)針注射的注射機(jī)理，運(yùn)用工程設(shè)計(jì)學(xué)方法分析了無(wú)針注射器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，制定了無(wú)針注射器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。
2． 設(shè)計(jì)的電磁驅(qū)動(dòng)式無(wú)針注射器機(jī)構(gòu)，來(lái)完成計(jì)量可控的給要注射，詳細(xì)設(shè)計(jì)了由鐵錘、彈簧和電磁鐵所組成的撞擊系統(tǒng)，以及安瓿頭安裝裝置，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性強(qiáng)。
3． 設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)和控制裝置，完成交流電變直流和控制電磁鐵通斷電等功能。
4． 根據(jù)以上設(shè)計(jì)，進(jìn)行了三位建模，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性，并為樣機(jī)制作打下基礎(chǔ)。
所設(shè)計(jì)的電動(dòng)無(wú)針注射器，沖擊力大，注射效果好，注射計(jì)量可控，有很好的商業(yè)價(jià)值，值得推廣應(yīng)用。
關(guān)鍵詞 無(wú)針注射器；電磁鐵；安瓿頭
Design of Electric Syringe Without Needle
Abstract
Compared to conventional subcutaneous injection, the needle-free injection is a new way, with a painless, drug absorption, easy to operate, eliminating cross-infection and many other advantages. Domestic syringe without a needle of a late start, lagging behind foreign technology, is still in the research and development stage. In this paper, based on the analysis of a syringe without a needle structural characteristics, design the electric syringe without a needle, the main research work are as follows:
1． Needle-free injection technology development status at home and abroad, needle-free injection mechanism, use of engineering science analysis of the structural characteristics of needle syringe, developed a syringe without a needle system structure design.
2． Design of electromagnetic drive type syringe without needle agencies, to complete the measurement control for injection, the detailed design of the hammer, springs and electromagnet impact system, as well as ampoule head installation, simple structure, strong stability.
3． Drive and control device design, complete the ac and dc control electromagnet power tong, and other functions.
4． According to the above design, the three modeling, verify the feasibility of the design, prototype production and to lay the foundation.
The designed electric syringe without needle, huge impact, injection effect is good, the injection metering control, have good commercial value, worthy of popularization and application.
Keywords Syringe without needle，electromagnet，ampoule head
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- II -
目錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 無(wú)針注射器簡(jiǎn)介 1
1.1.1 無(wú)針注射的概念 1
1.1.2 無(wú)針注射的原理 2
1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 2
1.3 課題研究的目的及意義 3
1.4 本課題研究?jī)?nèi)容 4
1.5 本章小結(jié) 4
第2章 無(wú)針注射器原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5
2.1 無(wú)針注射器原理方案設(shè)計(jì) 5
2.1.1 總功能分析 5
2.1.2 功能分解 5
2.1.3 功能元求解 6
2.1.4 系統(tǒng)方案求解 6
2.1.5 方案工作原理 7
2.2 電動(dòng)無(wú)針注射器機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8
2.2.1 彈簧設(shè)計(jì) 8
2.2.2 外殼設(shè)計(jì) 9
2.2.3 支撐座設(shè)計(jì) 10
2.2.4 鐵錘設(shè)計(jì) 11
2.2.5 撞針設(shè)計(jì) 11
2.3 本章小結(jié) 12
第3章 電動(dòng)無(wú)針注射器的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13
3.1 電磁力計(jì)算 13
3.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 14
3.2.1 電路元件 14
3.2.2 電磁控制方案 17
3.3 本章小結(jié) 18
第4章 電動(dòng)無(wú)針注射器的三維造型 19
4.1 Pro/E簡(jiǎn)介 19
4.2 各零件的三維建模 19
4.2.1 安瓿頭的三維模型 19
4.2.2 墊圈的三維模型 21
4.2.3 支撐座的三維模型 22
4.2.4 彈簧的三維模型 23
4.2.5 外殼的三維模型 23
4.3 電動(dòng)無(wú)針注射器的三維建模 24
4.4 本章小結(jié) 25
結(jié)論 26
致謝 27
參考文獻(xiàn) 28
附錄 30
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-IV-
第1章
-39-
第2章 緒論
2.1 無(wú)針注射器簡(jiǎn)介
無(wú)針注射器是一種不需要針頭，就可以對(duì)人體注射的醫(yī)療器械，它的工作原理是利用動(dòng)力源迫使藥液從安瓿頭小孔擠出，使藥液具有一定的壓力，刺破人體皮膚，形成小孔，使藥液通過進(jìn)入皮下組織，無(wú)針注射器的特點(diǎn)是消除了人類對(duì)針頭的恐懼，同時(shí)也避免了交叉感染的發(fā)生，是醫(yī)療事業(yè)的一種進(jìn)步，現(xiàn)在許多的糖尿病患者用無(wú)針注射器進(jìn)行胰島素的注射，無(wú)針注射為患者帶去了便捷與安全，還應(yīng)用于一些疫苗等小量藥品的注射[1]。
無(wú)針注射技術(shù)的發(fā)明可以追溯到百年以前，，但是由于受到當(dāng)時(shí)技術(shù)的限制，那時(shí)的設(shè)備都比較龐大，而且難操作，所以沒有被大量的生產(chǎn)和使用[2]。如今市場(chǎng)上也有一些無(wú)針注射產(chǎn)品，它們注射的精度不高，不可連續(xù)注射，而且采用手動(dòng)機(jī)械蓄能的方式，操作極其不方便，本課題將改變這一現(xiàn)狀，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)儲(chǔ)能，設(shè)計(jì)能夠調(diào)整注射劑量與注射強(qiáng)度的便攜式電動(dòng)無(wú)針注射器。
2.1.1 無(wú)針注射的概念
無(wú)針注射是指利用動(dòng)力源（如彈簧、氣體、電磁鐵等)產(chǎn)生的瞬間高壓推動(dòng)藥劑從安瓿頭小孔中射出，形成有一定壓力的液流，這液流有非常高的速度（流速一般大于100 m/s），使藥劑可以很快的刺破皮膚，藥液進(jìn)入皮下組織，達(dá)到注射的目的[3]。傳統(tǒng)與無(wú)針注射方式的區(qū)別如圖1-1所示：
(a) 傳統(tǒng)注射 (b) 無(wú)針注射
圖1-1 注射方式
無(wú)針注射器以很多的學(xué)科為理論為基礎(chǔ)，例如化學(xué)、物理、藥理學(xué)等，還應(yīng)用一些技術(shù)達(dá)到無(wú)針注射的目的，例如使用計(jì)算機(jī)、數(shù)控加工、藥劑成型等技術(shù)，無(wú)針注射技術(shù)是新型給藥方法，為醫(yī)護(hù)人員或是非醫(yī)務(wù)人員的注射提供了便捷與安全，而且此項(xiàng)技術(shù)還非常適合恐針患者和兒童使用[4]。無(wú)針注射給藥系統(tǒng)的標(biāo)志性特征是通過動(dòng)力源的能量轉(zhuǎn)化[5]，把彈簧的彈性勢(shì)能或是把壓縮氣體的壓縮能量轉(zhuǎn)化為液態(tài)藥物的動(dòng)能，經(jīng)過安瓿頭的小孔后，形成具有一定速度和壓力的液流，液流刺破皮膚，把藥液噴射到皮下組織，達(dá)到注射目的。
2.1.2 無(wú)針注射的原理
無(wú)針注射器與傳統(tǒng)注射方式的不同在于，它沒有針頭，而是利用一個(gè)動(dòng)力源產(chǎn)生的瞬間高壓迫使藥劑從安瓿頭小孔中射出，形成有一定壓力的液流，這樣的壓力和速度足可以在刺破皮膚，形成一個(gè)小孔，使藥劑可以迅速通過小孔進(jìn)入皮下組織，肌肉和粘膜組織[6]。
通常它包括兩個(gè)步驟:第一步，高速射流通過侵蝕或撕裂等損傷機(jī)理，在皮膚表面形成小孔，表皮小孔與噴射小孔的寬度相似，但比標(biāo)準(zhǔn)的針頭注射在表皮形成的小孔要小得多，而他們的愈合時(shí)間大致相同。第二步，液流通過了小孔，速度會(huì)越來(lái)越低，到達(dá)皮下的某一位置，然后余下的藥液向周圍擴(kuò)散 [7]。無(wú)針注射器的注射過程如圖1-2所示：
(a) 注射開始前 (b) 注射過程中 (c) 注射結(jié)束后
圖1-2 無(wú)針注射器注射過程
2.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r
國(guó)外的無(wú)針注射技術(shù)已經(jīng)有一百多年的發(fā)展歷史，美國(guó)和英國(guó)在該技術(shù)方面處于世界領(lǐng)先地位，國(guó)外學(xué)者從工程學(xué)方面展開了大量的研究工作，劍橋大學(xué)博士Oliver A.Shergold在Weston Medical公司的幫助下建立了壓力試驗(yàn)臺(tái)對(duì)各種類型的無(wú)針注射器的噴射壓力進(jìn)行試驗(yàn)和和模擬[8]，加州大學(xué)的Baxter對(duì)無(wú)針注射機(jī)理方面做了系統(tǒng)的研究，并且給出了一套如何開發(fā)無(wú)針注射器的具體方案[9]，美國(guó)華盛頓大學(xué)的Baker和Sander建立了彈簧加載式無(wú)針注射器的數(shù)學(xué)模型[10]，并對(duì)注射過程進(jìn)行了仿真。此外，牛津大學(xué)工程學(xué)系的Mark A.F.Kendall教授對(duì)采用 MIFVS 對(duì)高壓氣體噴射粉末無(wú)針注射器噴射時(shí)的沖擊流進(jìn)行了模擬[11]。
目前，國(guó)外有很多家公司都在生產(chǎn)無(wú)針注射器產(chǎn)品，大約有近百種產(chǎn)品進(jìn)入了市場(chǎng)，并且擁有200多件專利，在無(wú)針注射給藥方面也是碩果累累，其中具有代表性的是英國(guó)Weston Medical公司的Intraject和美國(guó)Equidyne公司的Injex給藥系統(tǒng)[12]。這些國(guó)家對(duì)無(wú)針注射的研究比我們國(guó)家早很多，他們?nèi)〉玫某晒矠槲覀冄兄铺峁┝藚⒖肌?
我國(guó)在無(wú)針技術(shù)研究方面還處于初級(jí)階段，浙江大學(xué)和浙江省醫(yī)療器械研究所合作，一起研制無(wú)針注射器產(chǎn)品，并且做了臨床分析[13]。無(wú)針注射器還存在一些技術(shù)的問題，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，逐步的被解決掉，無(wú)針技術(shù)的到更好前景。再過一些年，許許多多無(wú)針注射產(chǎn)品將會(huì)被廣大消費(fèi)者的熟知，并受到歡迎。在無(wú)針注射藥物種類方面，還有很大的選擇空間，蛋白質(zhì)組合的深入了解，還會(huì)開發(fā)出非常多的用于無(wú)針注射給藥的蛋白-多肽類藥物[14]，國(guó)外在無(wú)針注射藥品方面已經(jīng)很先進(jìn)，而我國(guó)還在不斷地研究，在不久的將來(lái)，我國(guó)也將在這一領(lǐng)域占有一席之地。
2.3 課題研究的目的及意義
注射的安全性一直都備受國(guó)內(nèi)外關(guān)注，注射的安全性是全世界都需要解決的社會(huì)問題，全世界每年有幾億兒童進(jìn)行55多億次的注射，而10%的注射是不安全的，而我們國(guó)家就占了總數(shù)的一半，有些地區(qū)的一次性注射器成為了很難處理的醫(yī)療垃圾，威脅著人們的生活。無(wú)針注射器由于沒有針頭，就不會(huì)導(dǎo)致交叉感染，有效的解決了傳統(tǒng)有針注射器的問題，而且無(wú)針注射器大大的提高注射效率和質(zhì)量，為醫(yī)療器械的經(jīng)濟(jì)效益方面能夠帶來(lái)顯著的進(jìn)步，同時(shí)也在某種程度上推進(jìn)了醫(yī)療工業(yè)的不斷發(fā)展[15]。上世紀(jì)80年代，美國(guó)的HUGER公司生產(chǎn)的一款電動(dòng)無(wú)針注射器產(chǎn)品，進(jìn)入市場(chǎng)，為該公司創(chuàng)造了很多的利潤(rùn)，德國(guó)的DESTO公司也看中了電動(dòng)無(wú)針注射器的市場(chǎng)前景，投入相當(dāng)大的人力、物力、財(cái)力對(duì)電動(dòng)無(wú)針注射器進(jìn)行研發(fā)，同樣取得了很大的成功，全世界對(duì)電動(dòng)無(wú)針注射器的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，都在進(jìn)行著研發(fā)的工作。
我國(guó)這些年也進(jìn)行著電動(dòng)無(wú)針注射器的研發(fā)，但是我國(guó)生產(chǎn)的無(wú)針注射器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、類型單一和精度不高，雖然經(jīng)過幾十年的發(fā)展，近期產(chǎn)品的質(zhì)量較早期有所提高，但受到國(guó)產(chǎn)零件的精度和技術(shù)等方面的限制，我國(guó)研制出的無(wú)針注射產(chǎn)品和歐美等國(guó)家有很大的差距，在電動(dòng)無(wú)針注射器方面，我國(guó)還沒取得什么成果，和歐美等國(guó)家的距離更多，所以為滿足市場(chǎng)需求，研制出一種新型的電動(dòng)無(wú)針注射器勢(shì)在必行！
現(xiàn)在市場(chǎng)上的無(wú)針注射器存在價(jià)格貴、注射精度不高等諸多問題，是無(wú)針注射器沒有被大量應(yīng)用的原因，所以有必要對(duì)現(xiàn)有無(wú)針注射器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使其做到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，從而提出了新型電動(dòng)無(wú)針注射器的結(jié)構(gòu)組成、工作原理，擬定了電動(dòng)無(wú)針注射器總的指導(dǎo)思想，得出了該新式電動(dòng)無(wú)針注射器的優(yōu)點(diǎn)是高效，經(jīng)濟(jì)且易維修的結(jié)論。
2.4 本課題研究?jī)?nèi)容
本課題主要研究了以下內(nèi)容：
1. 通過網(wǎng)絡(luò)和圖書館查找各種關(guān)于電動(dòng)無(wú)針注射器的相關(guān)資料，介
紹了無(wú)針注射的原理和注射機(jī)理；
2. 運(yùn)用工程設(shè)計(jì)學(xué)方法，對(duì)無(wú)針注射器的功能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)分析，
制定了可行的總體方案；
3. 無(wú)針注射器的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)；
4. 電動(dòng)無(wú)針注射器的圖紙的繪制；
5. 說(shuō)明書的整理。
2.5 本章小結(jié)
本章對(duì)無(wú)針注射器做了簡(jiǎn)介，介紹了無(wú)針注射器的概念和原理，闡述了國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r，詳細(xì)介紹了無(wú)針注射器研究的目的及意義，最后提出了無(wú)針注射器研究?jī)?nèi)容。
第3章 無(wú)針注射器原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 無(wú)針注射器原理方案設(shè)計(jì)
3.1.1 總功能分析
采用黑箱法分析系統(tǒng)的總功能，把待設(shè)計(jì)的產(chǎn)品看做成一個(gè)黑箱，黑箱法要求設(shè)計(jì)者知道黑箱需要輸入什么和輸出什么以及各種物質(zhì)之間的聯(lián)系，這些關(guān)鍵明確以后即可了解其總功能[16]。將其抽象化后,那么黑箱操作如圖2-1所示：
圖2-1 無(wú)針注射器的黑箱操作
無(wú)針注射器的輸入端輸入的是藥液能量還伴隨著信息控制，一系列的動(dòng)作完成之后，輸出端輸出的是具有很高速度的藥液，發(fā)明無(wú)針注射器的目的，就是減小皮膚損傷，減小疼痛感，有效的防止交叉感染，為一些醫(yī)務(wù)人員和非醫(yī)務(wù)人員的操作帶去便利，讓沒有專業(yè)技術(shù)的人員可以更好的完成注射操作，降低操作難度提高安全性。無(wú)針注射技術(shù)就是通過高速液流，刺破皮膚，進(jìn)入皮下組織，了解所要設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總功能，然而我們的選擇有很多，這就要求我們選擇理想方案。
3.1.2 功能分解
一般工程系統(tǒng)都是很復(fù)雜的，難以直接求得滿足總功能的系統(tǒng)解。但可以將其分解開來(lái)一步一步進(jìn)行分析，然后建立功能結(jié)構(gòu)圖[17]，這樣可以更加直觀的分析各個(gè)元件的結(jié)構(gòu)了解其功能。這樣既可以顯示各功能元、分功能與總功能的關(guān)系，又可以通過各功能元之間的解的有機(jī)結(jié)合求的系統(tǒng)解。按照電動(dòng)無(wú)針注射器注射的過程繪制其功能分解圖。這五個(gè)過程包括：安裝藥瓶、動(dòng)力輸入、能量輸出、碰撞、藥液釋放，功能分解如圖2-2所示：
圖2-2 功能分解
3.1.3 功能元求解
通過分析我們得到若干局部解，在這里我們得到了許多方案供我們進(jìn)行比較選擇，其方案如下：
1．藥物加載及噴射裝置：外置安瓿和內(nèi)置安瓿。
2．動(dòng)力源裝置：電機(jī)、彈簧、氣壓動(dòng)力、液壓動(dòng)力、彈藥、電磁力。
3．沖擊裝置：凸輪裝置、曲柄連桿裝置、飛輪裝置、齒輪傳動(dòng)、摩擦輪傳動(dòng)裝置、活塞沖擊。
4．激發(fā)裝置：離合器機(jī)構(gòu)、棘爪機(jī)構(gòu)、彈藥激發(fā)機(jī)構(gòu)、電氣控制、換向閥控制、撞針裝置。
通過以上的方案計(jì)算得到432種方案，但是根據(jù)無(wú)針注射器的要求和實(shí)際的組合情況來(lái)看，有些組合不能滿足本次設(shè)計(jì)的要求，不合理，有些組合不符合實(shí)際，在此要求我們從眾多方案中挑選最優(yōu)方案。
3.1.4 系統(tǒng)方案求解
在工程設(shè)計(jì)階段，對(duì)于單一機(jī)構(gòu)的選型或整個(gè)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的選擇都應(yīng)該
建立合理、有效的評(píng)價(jià)指標(biāo)。對(duì)于無(wú)針注射器機(jī)構(gòu)的選擇從功能、動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性、結(jié)構(gòu)性、幾個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)選擇[18]。
1．藥物加載及噴射裝置的選擇
現(xiàn)在市場(chǎng)上無(wú)針注射器的安瓿有兩種，分為內(nèi)置式的安瓿和外置式的安瓿，內(nèi)置式的安瓿和無(wú)針注射器在一起，一體化，外置式的安瓿和無(wú)針注射器是分離的，可以通過螺紋或是其他連接方式連接在一起。
安瓿與注射器一體化設(shè)計(jì)，使得無(wú)針注射器具有了使用方便、結(jié)構(gòu)緊湊，遇到緊急事故能夠更高效快速完成注射等特點(diǎn)，但是安瓿與注射器一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也使得在每一次使用時(shí)都要對(duì)安瓿進(jìn)行消毒，但對(duì)于殘留藥物的處理會(huì)讓其成本提高，這一點(diǎn)并不是十分方便。
外置安瓿瓶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是將安瓿作為一次性使用的消耗品，用完即棄，注射器作為可重復(fù)使用的主體部件，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)避免了一體化設(shè)計(jì)中的注射器消毒及殘余藥劑的處理問題，也避免了交叉感染，同時(shí)降低了注射成本。從經(jīng)濟(jì)性和安全性考慮，我們選擇外置式安瓿作為藥物加載裝置。
2．動(dòng)力源的選擇
由于無(wú)針注射器的整個(gè)注射過程在0.2秒以內(nèi)[19]，為此需要驅(qū)動(dòng)力強(qiáng)而且快速響應(yīng)的動(dòng)力系統(tǒng)，熟讀相關(guān)資料，查閱相關(guān)信息，了解到現(xiàn)在的無(wú)針注射器主要采用電磁鐵、彈簧、高壓氣體、彈藥四種。
電磁鐵動(dòng)力源的無(wú)針注射器的最大優(yōu)點(diǎn)在于可控性很強(qiáng)，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要多余的復(fù)位裝置，使用便捷，安全可靠，可以直接進(jìn)行復(fù)位，但現(xiàn)在技術(shù)還不夠成熟。
采用彈簧為動(dòng)力源，將壓縮彈簧的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為噴射藥液的動(dòng)能，手壓縮彈簧，較容易進(jìn)行機(jī)械加工，制造成本較低，但是操作繁瑣，不能自動(dòng)注射吸入藥液后，不能調(diào)節(jié)注射劑量，不能連續(xù)注射，會(huì)產(chǎn)生噪音，但不是很大。
高壓氣體作為動(dòng)力源在注射時(shí)遞送系統(tǒng)功能穩(wěn)定好，安全性、可靠性較高，產(chǎn)品精度較高，但是對(duì)裝置的安全性要求高，密封性要求嚴(yán)格，較難加工，所以制造成本較高，操作繁瑣，不能自動(dòng)注射，由于采用氣泵提供能量，其體積較大，操作不方便。
彈藥動(dòng)力源是通過引爆封閉氣室內(nèi)的易燃物，氣體快速膨脹引起瞬間高壓，推動(dòng)活塞注射，但是其結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，并且安全性令人擔(dān)憂。
通過比較動(dòng)力源為彈簧、高壓氣體、彈藥還有電磁力，根據(jù)安全方面、便捷方面、經(jīng)濟(jì)方面以及技術(shù)可行方面考慮，本文選擇電磁力作為設(shè)計(jì)無(wú)針注射器的動(dòng)力源。
3. 沖擊裝置和激發(fā)裝置的選擇
根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求，無(wú)針注射系統(tǒng)體積小、重量輕、便于攜帶，所以沖擊裝置要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、安全性能好，結(jié)合對(duì)動(dòng)力源的選擇，本文采用以電磁力驅(qū)動(dòng)沖擊活塞撞擊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
以電磁力為動(dòng)力源的無(wú)針注射器，注射時(shí)驅(qū)動(dòng)力的大小可以通過調(diào)節(jié)電流的強(qiáng)弱來(lái)控制，也能通過電路的通斷來(lái)控制注射過程的開始和結(jié)束，最大限度的體現(xiàn)了電磁力作為驅(qū)動(dòng)力的可控性高的特點(diǎn)。
撞針裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且操作方便，在機(jī)械傳動(dòng)方面應(yīng)用非常廣泛，因此選擇撞針來(lái)作為激發(fā)裝置[20]。
3.1.5 方案工作原理
電動(dòng)無(wú)針注射器工作原理：手動(dòng)為安瓿瓶吸入藥液，將安瓿瓶旋入注射器的調(diào)節(jié)桿中，將調(diào)節(jié)桿旋入調(diào)節(jié)套中，當(dāng)對(duì)通電磁鐵進(jìn)行通電時(shí)，通電磁鐵產(chǎn)生磁力作用，使鐵錘帶動(dòng)支承座向前運(yùn)動(dòng)，彈簧受力壓縮變形，鐵錘高速撞擊撞針，撞針在控制套的控制下，在一定范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)注射活塞運(yùn)動(dòng)，使安瓿頭中的藥液在短時(shí)間內(nèi)通過安瓿頭前端的微細(xì)孔以高速狀態(tài)噴射出去，形成“水針”完成注射過程；注射完成后斷電，通電磁鐵磁力消失，彈簧恢復(fù)原長(zhǎng)推動(dòng)支承座和鐵錘恢復(fù)初始位置，完成復(fù)位。
3.2 電動(dòng)無(wú)針注射器機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.2.1 彈簧設(shè)計(jì)
彈簧是電動(dòng)無(wú)針注射器的重要組成部分，彈簧的功能是使無(wú)針注射器注射完成之后，實(shí)現(xiàn)復(fù)位后可以使電動(dòng)無(wú)針注射器用于再次注射，所以彈簧的選擇很重要，彈簧的材質(zhì)、形狀、尺寸都需要做出的設(shè)計(jì)，彈簧在工業(yè)生產(chǎn)中用途很多，所以彈簧的種類和樣式也是非常多的，按照彈簧的材質(zhì)不同可以分為金屬?gòu)椈珊头墙饘購(gòu)椈?，在無(wú)針注射器中要求彈簧體積小，壓縮量少，要有較大的變形能[21]，為此我們選用蓄能性能較好，剛度穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便的金屬圓柱螺旋彈簧。碳素鋼彈簧絲加工簡(jiǎn)單、成本低、強(qiáng)度高而且價(jià)格低，市場(chǎng)上較常見，本設(shè)計(jì)采用65Mn彈簧鋼絲作為原材料，彈簧性能見表2-1：
表2-1 彈簧性能
材料名稱
牌號(hào)
直徑規(guī)格，mm
切變模量，GPa
彈性模量，GPa
使用溫度，℃
碳素彈簧鋼絲
65
0.08~6.0
79
203
- 40~120
通過演算和推導(dǎo)制定出符合條件的彈簧，對(duì)彈簧進(jìn)行設(shè)計(jì)，彈簧設(shè)計(jì)圖如圖2-4所示：
圖2-4 彈簧設(shè)計(jì)圖
如上圖所示，彈簧設(shè)計(jì)參數(shù)為：
最小載荷P1=12N
最大載荷Pn=45N
工作極限載荷Pj=56N
有效圈數(shù)n=4
總?cè)?shù)n1=6
壓并圈數(shù)n2=1
彈簧絲直徑d=1.5mm
截距t=8mm
最小載荷高度H1=30mm
最大工作高度Hn=12mm
螺旋角≤ 9o
彈簧的校驗(yàn)：
許用切應(yīng)力τ=686.4Mp
最小切應(yīng)力τmin=171.7Mp
最大切應(yīng)力τmax=643.9Mp
滿足靜壓應(yīng)力要求
彈簧的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)Sp=1.31≥1.3~1.7
基本滿足疲勞強(qiáng)度要求
彈簧的臨界載荷Pc=53.7N>Pn
彈簧在沒有約束的情況下穩(wěn)定性較好
在彈簧受力過程中為了避免力量集中在彈簧的一側(cè)，使彈簧喪失穩(wěn)定而失效，需要在彈簧的末端磨平并緊貼在前一有效圈上，而被壓緊的物體也應(yīng)該和彈簧末端形狀相配合，同樣原因，彈簧兩末端的端點(diǎn)應(yīng)在相應(yīng)的兩邊，以達(dá)到使彈簧均勻受力的目的。彈簧的作用就是復(fù)位，還應(yīng)指出的是，彈簧成形后，需經(jīng)220oC~330oC的低溫去除應(yīng)力退火或發(fā)藍(lán)處理，或根據(jù)彈簧的作業(yè)條件與所選材料的性質(zhì)的要求，需要進(jìn)行淬硬及回火，以提高彈簧力。
3.2.2 外殼設(shè)計(jì)
容納機(jī)械零件的箱體結(jié)構(gòu)，在注射過程中，其振動(dòng)幅度較小，所以采用聚酰胺-6來(lái)加工殼體。由于聚酰胺-6具有高強(qiáng)度、耐油、抗震、滅銀等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)床、汽車、機(jī)械、化工、紡織、交通運(yùn)輸?shù)裙I(yè)部門[22]。適合制作各種類型的零部件，而且重量較輕，也可以使整體結(jié)構(gòu)更加輕便。箱體內(nèi)有一些溝槽是來(lái)固定內(nèi)部的零件，箱體兩片有螺絲釘來(lái)固定，箱體為左右對(duì)稱的設(shè)計(jì)，外觀并沒有過多的情況，它的功能就是固定零件，把一些零件包裹在內(nèi)，在沒有其他要求，設(shè)計(jì)的箱壁厚大約為5mm。其設(shè)計(jì)圖如圖2-3所示：
圖2-3 外殼設(shè)計(jì)圖
3.2.3 支撐座設(shè)計(jì)
電動(dòng)無(wú)針注射器組成部分，需要考慮它的材料、性質(zhì)和主體之間的配合，與支撐座相連的零件是彈簧和鐵錘。
在選用支撐座材料時(shí)，可以有多個(gè)選擇，可以選用金屬材料，塑料，和橡膠，但是由于電動(dòng)無(wú)針注射器的對(duì)震動(dòng)和材料的使用壽命有嚴(yán)格的要求，金屬材料會(huì)加大震動(dòng)，不適合作為支撐座的材料，而塑料雖可以減小震動(dòng)，但是它具有硬而脆特點(diǎn)，不能有效的周而復(fù)始的使用，所以也不會(huì)考慮使用，而橡膠材質(zhì)有效減小震動(dòng)并可以重復(fù)性的碰撞，可以提高支撐座的使用壽命，提高無(wú)針注射器的效率，所以選擇橡膠作為支撐座的材質(zhì)，其設(shè)計(jì)圖如圖2-5所示：
圖2-5 支撐座設(shè)計(jì)圖
3.2.4 鐵錘設(shè)計(jì)
鐵錘是電動(dòng)無(wú)針注射器的重要組成部分，電動(dòng)無(wú)針注射器采用電磁鐵為動(dòng)力源，將電能轉(zhuǎn)化為電磁能，然后將電磁能轉(zhuǎn)化為鐵錘的動(dòng)能，鐵錘的動(dòng)能傳遞給噴射藥液，藥液被注射到皮下或肌肉內(nèi)發(fā)揮藥效。因?yàn)殍F錘要磁場(chǎng)的作用形成運(yùn)動(dòng)，需要對(duì)材料的型號(hào)進(jìn)行選擇。
45號(hào)鋼化學(xué)成分含量碳是0.42-0.50%，Si含量為0.17-0.37%，Mn含量0.50-0.80%，Cr含量<=0.25%，45號(hào)鋼為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)用鋼，調(diào)質(zhì)處理后零件具有良好的綜合機(jī)械性能，自身的硬度、耐磨性符合本次設(shè)計(jì)的要求，可以提高鐵錘的使用壽命，所以我們選用45號(hào)鋼作為鐵錘的材料，形狀為圓柱形。其設(shè)計(jì)圖如圖2-6所示：
圖2-6 鐵錘設(shè)計(jì)圖
電磁鐵通電后，形成磁場(chǎng)，推動(dòng)鐵錘運(yùn)動(dòng)，鐵錘把能量傳遞給撞針，然后使藥液噴出，這個(gè)噴射過程完成之后，鐵錘需要復(fù)位，鐵錘是嵌入在支撐座上，在前一動(dòng)作發(fā)生后，被壓縮的彈簧要恢復(fù)原狀，所以通過彈簧的彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能使鐵錘恢復(fù)到原來(lái)所在的位置，最后整個(gè)無(wú)針注射就完成了。
3.2.5 撞針設(shè)計(jì)
撞針是電動(dòng)無(wú)針注射器的傳遞能量的元件，電磁鐵的電磁能轉(zhuǎn)化為鐵錘的動(dòng)能，鐵錘動(dòng)能傳到安瓿頭就是用撞針傳遞的，然后進(jìn)行無(wú)針注射，藥液被注射到皮下或肌肉內(nèi)發(fā)揮藥效，撞針的復(fù)位是在安裝安瓿頭時(shí)，被推回原來(lái)位置，由于撞針會(huì)被周而復(fù)始的被撞擊和撞擊活塞，提高它的使用壽命是非常有必要的，45號(hào)鋼是零件的常用材料，它在市場(chǎng)上很容易買到，而且不貴，選擇45號(hào)鋼來(lái)制造撞針，撞針在電動(dòng)無(wú)針注射器里就能更好地完成它的功能，提高無(wú)針注射器的使用效率。其設(shè)計(jì)圖如圖2-7所示：
圖2-7 撞針設(shè)計(jì)圖
3.3 本章小結(jié)
本章主要是對(duì)無(wú)針注射器進(jìn)行總功能分析、功能分解、功能元求解、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，有彈簧、外殼、支撐座、鐵錘和撞針，通過對(duì)無(wú)針注射器原理的了解和總體的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)所要達(dá)到的預(yù)期效果。
第4章 電動(dòng)無(wú)針注射器的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1 電磁力計(jì)算
1．伯努利方程
伯努利方程是理想流體定常流動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程，意為流體在忽略粘性損失的流動(dòng)中，流線上任意兩點(diǎn)的壓力勢(shì)能、動(dòng)能與位勢(shì)能之和保持不變。
理想正壓流體在有事體積力作用下作定常運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)方程沿流線積分而得到的表達(dá)運(yùn)動(dòng)流體機(jī)械能守恒的方程。對(duì)于重力場(chǎng)中的不可壓縮均質(zhì)流體，方程式見式(3-1)：
(3-1)
式中P、r、n分別為流體的壓強(qiáng)、密度和線性速度；h為鉛垂高度；g為重力加速度；C為常量。式(3-1)中各項(xiàng)分別表示單位體積流體的壓力能、動(dòng)能和重力勢(shì)能，在沿流線運(yùn)動(dòng)的過程中，根據(jù)能量守恒的原則，式(3-1)可變形為式(3-2)：
(3-2)
因?yàn)闊o(wú)針注射是水平注射的，所以h1=h2,，因此式(3-2)可以簡(jiǎn)化為式(3-3)：
(3-3)
一般而言，射流直徑在0.1mm~0.5mm之間變化時(shí)，15Mp的射流滯止壓力足夠穿透人的皮膚，藥液流速應(yīng)在100m/s~200m/s之間，本裝置主要用于注射肉毒桿菌來(lái)進(jìn)行美容，由于肉毒桿菌必須用生理鹽水來(lái)稀釋，且肉毒桿菌的含量特別低，所以藥液密度近似生理鹽水密度r?0.9×103kg/m3。每次注射進(jìn)給量是8mm，注射時(shí)間為0.2s，綜上所述，把所有已知項(xiàng)通過式(3-3)可得出式(3-4)：
(3-4)
P2 = 15.01MPa
又因?yàn)槭?3-5)： (3-5)
在理想狀態(tài)下，裝置內(nèi)部的摩擦力全部忽略不計(jì)，電磁鐵產(chǎn)生的電磁力除了克服彈簧的彈力，其余全部轉(zhuǎn)化為對(duì)藥液的壓力，所以有式(3-6)：
(3-6)
2．電磁鐵磁力計(jì)算
電磁鐵磁力計(jì)算大多經(jīng)過多次推導(dǎo)得出，其中有一種如下式(3-7)：
(3-7)
其中，m是導(dǎo)磁率，近似取值1，n為線圈匝數(shù)，I為線圈電流，S為鐵芯截面積，L為氣隙長(zhǎng)度。根據(jù)導(dǎo)線截留量口訣可以粗略估計(jì)出導(dǎo)線截面和許用電流之間的關(guān)系，經(jīng)過計(jì)算，當(dāng)導(dǎo)線為橫截面積是1.5mm2的裸鋁線時(shí)，許用電流為11.25A，線圈匝數(shù)為32匝，氣隙為1.4cm。通過計(jì)算：
雖然計(jì)算結(jié)果比允許值略大，但是因?yàn)橛袎|圈的緣故，可以抵消一部分壓力，同時(shí)在進(jìn)給過程當(dāng)中不可避免的會(huì)有摩擦力的存在，因此可以認(rèn)為略大的電磁力值是允許的。
4.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
4.2.1 電路元件
1．整流橋
為了使運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)無(wú)針注射器可以平穩(wěn)注射，應(yīng)該選取直流電，但日常生活中使用的電都是220V的交流電，為了實(shí)現(xiàn)交流電變?yōu)橹绷麟?，需要引入一個(gè)電路元件——整流橋。
橋式整流電路是使用最多的一種整流電路。這種電路，只要在全波整流電路的基礎(chǔ)上增加兩只二極管口連接成“橋”式結(jié)構(gòu)，便具有全波整流電路的優(yōu)點(diǎn)，而同時(shí)在一定程度上克服了它的缺點(diǎn)。整流橋的工作原理如圖3-1所示：
圖3-1 整流橋的工作原理
整流橋的作用就是能夠通過二極管的單向?qū)ǖ奶匦詫㈦娖皆诹泓c(diǎn)上下浮動(dòng)的交流電轉(zhuǎn)換為單向的直流電。橋式整流電路的工作原理如下：E2為正半周時(shí)，對(duì)D1、D3加正向電壓，Dl，D3導(dǎo)通；對(duì)D2、D4加反向電壓，D2、D4截止。電路中構(gòu)成E2、Dl、Rfz、D3通電回路，在Rfz上形成上正下負(fù)的半波整洗電壓，E2為負(fù)半周時(shí)，對(duì)D2、D4加正向電壓，D2、D4導(dǎo)通；對(duì)D1、D3加反向電壓，D1、D3截止。電路中構(gòu)成E2、D2、Rfz、D4通電回路，同樣在Rfz上形成上正下負(fù)的另外半波的整流電壓。橋式整流電路圖及波形圖如圖3-2和圖3-3所示：
圖3-2 橋式整流電路圖
圖3-3 橋式整流電路波形圖
實(shí)質(zhì)上就是把4個(gè)硅二極管接成橋式整流電路之后封裝在一起用塑料包裝起來(lái)，引出4個(gè)腳，其中2個(gè)腳接交流電源，用符號(hào)～表示，兩個(gè)腳是直流輸出，用＋和—表示。整流橋的樣式如圖3-4所示：
圖3-4 整流橋的樣式
2．延時(shí)繼電器
本設(shè)計(jì)主要用于美容中對(duì)肉毒桿菌的注射，屬微整形范疇，注射位置精度要求較高。但在注射開始時(shí)，在扣動(dòng)開關(guān)的過程中，都會(huì)產(chǎn)生一定的震動(dòng)使注射位置發(fā)生偏轉(zhuǎn)，為了防止注射位置的偏轉(zhuǎn)，需要引入另一個(gè)電路元件——延時(shí)繼電器。
常見延時(shí)繼電器有氣囊式和電子式的，還有鐘表式的[23]。氣囊式的是在利用電磁鐵啟動(dòng)后氣囊中的氣體經(jīng)由小孔放氣來(lái)延時(shí)執(zhí)行指令。電子式的由電子電路來(lái)延時(shí)執(zhí)行指令[24]。
這兩種延時(shí)繼電器都是當(dāng)點(diǎn)的，控制時(shí)間不長(zhǎng)精度也不高，在鍋爐運(yùn)行和電動(dòng)機(jī)的延時(shí)降壓?jiǎn)?dòng)中經(jīng)常使用，也能夠滿足要求。還有一種巖石計(jì)時(shí)器，可以滿足本次設(shè)計(jì)的使用要求。鐘表式的延時(shí)繼電器，利用鐘表的擒縱裝置來(lái)控制類似發(fā)條彈簧的釋放時(shí)間，精度高。
延時(shí)繼電器是一種利用電磁原理或機(jī)械原理實(shí)現(xiàn)延時(shí)控制的控制電器。當(dāng)加上或除去輸入信號(hào)時(shí)，輸出部分需延時(shí)或限時(shí)到規(guī)定的時(shí)間才閉合或斷開其被控線路的繼電器。它的種類很多，有空氣阻尼型、電動(dòng)型和電子型。在交流電路中常采用空氣阻尼型延時(shí)繼電器，它是利用空氣通過小孔節(jié)流的原理來(lái)獲得延時(shí)動(dòng)作的。它由電磁系統(tǒng)、延時(shí)機(jī)構(gòu)和觸點(diǎn)三部分組成。原理圖如圖3-5所示：
圖3-5 延時(shí)繼電器原理圖
空氣阻尼型延時(shí)繼電器的延時(shí)范圍大(有0.4～60s和0.4～180s兩種)，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但準(zhǔn)確度較低，一般多用于交流電路的延時(shí)。幾種常見的延時(shí)繼電器如圖3-6所示：
圖3-6 延時(shí)繼電器的樣式
時(shí)間繼電器的接線方法：
(1) 控制接線：你把它看成直流繼電器來(lái)考慮。3、7用來(lái)接12V控制電壓；2、7用來(lái)接24V控制電壓。其中的7當(dāng)成直流電的負(fù)極，使用時(shí)接到零線。2接220V的火線。
(2) 工作控制：雖然控制電壓接上了，但是是否起控制作用，由面板上的計(jì)時(shí)器決定。
(3) 功能理解：它就是一個(gè)開關(guān)，單刀雙擲的，有一個(gè)活動(dòng)點(diǎn)活動(dòng)臂，就像常見的閘刀開關(guān)的活動(dòng)刀臂一樣。8是活動(dòng)點(diǎn)，5是常閉點(diǎn)，繼電器不動(dòng)時(shí)，他們兩個(gè)相連。動(dòng)作時(shí)，8、6相連。
(4) 負(fù)載接線：電源的零線或負(fù)極接用電器的零線或負(fù)極端。電源的火線或正極接8腳，用電器的火線端或正極接6腳，5腳空閑不用。
(5) 工作原理：計(jì)時(shí)無(wú)效期間，8、5相連，相當(dāng)于我們平常電燈開關(guān)斷開狀態(tài)。有效時(shí)，繼電器動(dòng)作，8、6相連，用電器得電工作，相當(dāng)于我們平常電燈開關(guān)接通狀態(tài)。延時(shí)繼電器連線圖如圖3-7所示：
圖3-7 延時(shí)繼電器連線圖
4.2.2 電磁控制方案
電磁控制的過程為：扣動(dòng)開關(guān)使開關(guān)閉合，整流橋把220V的交流電壓轉(zhuǎn)化成直流電壓，再通過延時(shí)繼電器進(jìn)行延時(shí)作用后，傳遞給通電磁鐵。原理圖如圖3-8所示：
圖3-8 電磁控制原理圖
4.3 本章小結(jié)
本章主要介紹了無(wú)針注射器的電控裝置。通過對(duì)電磁力的計(jì)算和電控裝置的電路元件分析，建立了電磁控制方案，達(dá)到了對(duì)電動(dòng)無(wú)針注射器的使用要求。
第5章 電動(dòng)無(wú)針注射器的三維造型
在完成對(duì)產(chǎn)品的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，進(jìn)行了三維造型的設(shè)計(jì)，在前面的論文中已經(jīng)簡(jiǎn)單的描述了各個(gè)零件的造型結(jié)構(gòu)。接下來(lái)詳細(xì)的介紹一下三維造型的整個(gè)過程以及Pro/E軟件的介紹。
5.1 Pro/E簡(jiǎn)介
1989年，美國(guó)PTC公司的一批技術(shù)人員研發(fā)推出了Pro/E軟件的第一個(gè)版本，它一經(jīng)面世，就以它的尺寸驅(qū)動(dòng)、基于特征設(shè)計(jì)的實(shí)體造型軟件深受用戶歡迎。Pro/E軟件很快就被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化、機(jī)械、電子、模具、汽車、航空航天、醫(yī)療器械等多個(gè)領(lǐng)域。
應(yīng)用的是Pro/E Wildfire 3.0完成產(chǎn)品的三維造型，它具有易學(xué)易用、功能強(qiáng)大、互聯(lián)互通三大特色，全面提升了設(shè)計(jì)效率，達(dá)到節(jié)省時(shí)間和成本、大幅度提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)品質(zhì)的目標(biāo)，它具有以下方面的特點(diǎn)：
1． 更加友好的用戶界面
2． 更加完善的3D繪圖
3． 更加豐富的CAD互操作性
4． 更加強(qiáng)大的互聯(lián)互通功能
5． 更加便捷的操控板
6． 更加快速的草繪工具
7． 更加快速的裝配
8． 更加快速的制圖
9． 更加快速的CAM
總之，Pro/E Wildfire 3.0全面細(xì)致的技術(shù)改進(jìn)更加貼近了用戶，這些
重要的設(shè)計(jì)思想也是三維CAD系統(tǒng)的發(fā)展方向。
5.2 各零件的三維建模
5.2.1 安瓿頭的三維模型
打開Pro∕Engineer建模模塊，進(jìn)行草繪，單擊旋轉(zhuǎn)，點(diǎn)擊對(duì)稱軸，輸入360，單擊確定，安瓿頭的主體就已經(jīng)繪制出了，單擊倒角命令，對(duì)圖形進(jìn)行倒圓角和倒角，單擊插入，選擇“螺旋掃描”選項(xiàng)，設(shè)置后螺旋掃描信息，生成圖如圖4-1所示：
圖4-1 安瓿頭的三維模型
連接套、調(diào)節(jié)桿和調(diào)節(jié)套也可用相同的“旋轉(zhuǎn)”和“螺旋掃描”方式進(jìn)行建模，不再重復(fù)說(shuō)明，生成圖如圖4-2、4-3和4-4所示：
圖4-2 連接套的三維模型
圖4-3 連接桿的三維模型
圖4-4 調(diào)節(jié)套的三維模型
5.2.2 墊圈的三維模型
打開Pro∕Engineer建模模塊，進(jìn)行草繪單擊拉伸，輸入高度，單擊確定，生成圖如圖4-5所示：
圖4-5 墊圈的三維模型
擋圈、磁鐵套筒、控制套和活塞可用相同的“拉伸”方式進(jìn)行建模，不再重復(fù)說(shuō)明，生成圖如圖4-6、4-7、4-8和4-9所示：
圖4-6 擋圈的三維模型
圖4-7 磁鐵套筒的三維模型
圖4-8 控制套的三維模型
圖4-9 活塞的三維模型
5.2.3 支撐座的三維模型
打開Pro∕Engineer建模模塊。進(jìn)行草繪，單擊旋轉(zhuǎn)，點(diǎn)擊對(duì)稱軸，輸入360，單擊確定，生成圖如圖4-10所示：
圖4-10 支承座的三維模型
鐵錘、撞針和通電磁鐵可用相同的“旋轉(zhuǎn)”方式進(jìn)行建模，不再重復(fù)說(shuō)明，生成圖如圖4-11，4-12和4-13所示：
圖4-11 鐵錘的三維模型
圖4-12 撞針的三維模型
圖4-13 通電磁鐵的三維模型
5.2.4 彈簧的三維模型
打開Pro∕Engineer建模模塊。單擊“插入”選擇“螺旋掃描”然后選擇“伸出項(xiàng)”選項(xiàng)，選擇可變參數(shù)和右手定則，單擊“完成”，選擇front平面，單擊平面，對(duì)掃描軌跡進(jìn)行草繪，用螺距圖設(shè)置不同的螺距數(shù)據(jù)，草繪彈簧的截面，草繪完成后，出現(xiàn)定義好的“伸出項(xiàng)螺旋掃描”， 單擊“確定”后，出現(xiàn)生成的彈簧，如圖4-14所示
圖4-14 彈簧的三維模型
5.2.5 外殼的三維模型
外殼合了旋轉(zhuǎn)、拉伸、倒角等方式，這里不再多做說(shuō)明，完成圖如圖4-15和4-16所示：
圖4-15 上外殼的三維模型
圖4-16 下外殼的三維模型
5.3 電動(dòng)無(wú)針注射器的三維建模
設(shè)計(jì)的產(chǎn)品共有大約14個(gè)零件，每個(gè)零件圖按照嚴(yán)格的設(shè)計(jì)尺寸通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、可變剖面掃描、螺旋掃描等命令完成的，在完成各個(gè)零件的繪制后，進(jìn)入了裝配階段，打開Pro/E界面，單擊文件中新建，選擇組件，接下來(lái)進(jìn)入裝配模塊，單擊插入，選擇元件中的裝配，然后選擇將要裝配的零件。裝配過程由左到右裝配，由頂?shù)较乱来窝b配，主要通過找各個(gè)面的關(guān)系，對(duì)各零件進(jìn)行定位，然后單擊“放置”菜單，選擇合適的約束類型，例如匹配、對(duì)齊、插入等約束，這就要求在草繪時(shí)，要保證其尺寸的精準(zhǔn)性。
電動(dòng)無(wú)針注射器的三維模型是通過很多零件裝配而成的，按照從左到右的順序裝配的元件有安瓿頭、調(diào)節(jié)桿、調(diào)節(jié)套、撞針、控制套、連接套、墊圈、磁鐵套筒、通電磁鐵、外殼、擋圈、彈簧、鐵錘、支撐座。對(duì)各零件進(jìn)行定位，然后單擊“放置”菜單，選擇合適的約束類型，通過這些命令就把電動(dòng)無(wú)針注射器裝配成功，在裝配工程中還有很多的注意事項(xiàng)，這樣才能把無(wú)針注射器的三維模型創(chuàng)建出來(lái)，電動(dòng)無(wú)針注射器的三維模型如圖4-17所示：
圖4-17 電動(dòng)無(wú)針注射器的三維模型
5.4 本章小結(jié)
本章首先是對(duì)Pro/E進(jìn)行了簡(jiǎn)介，然后對(duì)每個(gè)零件進(jìn)行三維圖的繪制，安瓿頭、調(diào)節(jié)桿、調(diào)節(jié)套、撞針、控制套、連接套、墊圈、磁鐵套筒、通電磁鐵、外殼、擋圈、彈簧、鐵錘、支撐座的三維建模，完成無(wú)針注射器的裝配，對(duì)設(shè)計(jì)的結(jié)果直觀的表現(xiàn)出來(lái)，保證了設(shè)計(jì)的合理。
結(jié)論
本論文介紹了無(wú)針注射器的概念和原理，闡述了國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r和本次設(shè)計(jì)電動(dòng)無(wú)針注射器目的及意義，提出了研究?jī)?nèi)容，對(duì)設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用原理及方法后，分析了功能和結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，開發(fā)了無(wú)針注射器，不僅完成了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)任務(wù)，而且在理論和實(shí)踐中成功應(yīng)用了理論設(shè)計(jì)方法。
通過對(duì)系統(tǒng)總體功能分析和各功能元的分析完成了總體方案設(shè)計(jì)。然后對(duì)彈簧，外殼，支撐座，鐵錘和撞針分別進(jìn)行了設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對(duì)無(wú)針注射器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，進(jìn)一步改進(jìn)部分機(jī)構(gòu)，使其設(shè)計(jì)更加合理，完成無(wú)針注射器的總體位置布置及其初步總裝圖。這樣就完成了無(wú)針注射器的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過對(duì)電磁力的計(jì)算和電控裝置電路元件的分析以及控制方案擬定完成了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。并且對(duì)電動(dòng)無(wú)針注射器的零件和電動(dòng)無(wú)針注射器進(jìn)行了三維建模，這樣設(shè)計(jì)的合理性得到了極大地提升。
致謝
通過查找各類電動(dòng)無(wú)針注射器的相關(guān)資料，直到今天，論文總算完成了，現(xiàn)在的內(nèi)心感到無(wú)比的激動(dòng)，也為自己能完成這項(xiàng)任務(wù)感到自豪。在設(shè)計(jì)過程中，我的指導(dǎo)老師給了我很大的幫助，如果沒有老師給與我?guī)椭业漠厴I(yè)設(shè)計(jì)不會(huì)這樣順利，老師謝謝您，您辛苦了，還有同學(xué)們給與我的幫助，在我困惑時(shí)，他們幫我答疑解惑，當(dāng)我迷茫時(shí)，他們領(lǐng)我找到正確方向，同學(xué)們，我愛你們，有你們?cè)谏磉呎婧?，同時(shí)也要感謝我的父母在我做設(shè)計(jì)感到受挫給我鼓勵(lì)，為我加油。這次設(shè)計(jì)的完成，也標(biāo)志著我大學(xué)生涯的結(jié)束，雖然自己以后不再是學(xué)生了，但我還是會(huì)以一個(gè)求知者的姿態(tài)，去像學(xué)習(xí)，這是大學(xué)教會(huì)我的，感謝所有教過我的老師，這項(xiàng)任務(wù)的完成，是你們的功勞，你們給與我知識(shí)，給與我關(guān)懷，讓我順利的通過了大學(xué)學(xué)業(yè)， 最后感謝和我一起生活四年的小伙伴，天天和你們?cè)谝黄鹕詈蛯W(xué)習(xí)，從你們身上學(xué)到了好多，在考慮問題方面很全面，做事樂觀積極。
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附錄
Numerical simulation of non-needle syringe and Analysis
Zhengrong Cui and Russell J. Mumper
Abstract : The CFD Fluent software without the work of the syringe needle to simulate the entire process, the liquid injection pipe pressure and the liquid jet-driven changes of speed. Simulation of the liquid jet in the air in the evolution process, as well as the jet penetrates the skin, the skin layer and subcutaneous layer of the whole process of proliferation. Qualitative numerical results and experimental results.
Key words: non-needle syringe; liquid jet; skin; puncture
1 Introduction
Needle-free injection device refers to the use of mechanical high-pressure generated by instantaneous asked to promote the Pharmacy (liquid or freeze-dried powder) through a micron-sized nozzles to form a high-speed jet, instead of needles to penetrate the skin into the subcutaneous tissue. No needle injections with no pain, no cross-infection, the advantages of ease of use.
Needle-free injection technology to avoid acid, enzyme destruction of drug absorption and stratum corneum skin barrier breakthrough, no first-pass effect, with higher bioavailability, applied to local anesthetics, analgesics, cardiovascular drugs, anti-tumor, anti-hepatitis drug, such as various types of drugs, especially for the acid, enzyme instability of biological macromolecules drugs injection to replace the ordinary local or systemic drug delivery for a wide range of disease prevention and treatment. The rapid absorption of the ordinary injection, high bioava