專利名稱：一種血管支架切割設備及方法
技術領域：
本發(fā)明屬于醫(yī)療器械加工設備技術領域，特別涉及不同材料支架和管狀薄壁類材 料的微加工領域，具體來說涉及一種血管支架切割設備及方法。
背景技術：
目前血管支架技術用于血管狹窄治療的有效性、安全性在臨床應用中得到了廣 泛的認可，已經成為一種新的治療技術，形成了廣闊的市場需求。國際上一些較大的醫(yī)療 器械公司紛紛推出了自己的血管支架產品，如Cordis、Medtronic、Boston、Scientific和 Guidant等，這些大公司的支架產品占據(jù)了國際上的大部分市場。國內如微創(chuàng)醫(yī)療器械(上 海)有限公司自主開發(fā)了 Mustang冠脈支架和Firebird藥物支架，取得了很好的經濟和社 會效益。國內的民族介入器械產業(yè)正快速發(fā)展，也帶動了相關學術研究日趨活躍。血管支架加工是一項涉及材料學、光學、機械、醫(yī)學等各學科領域的精細生產技 術，它是將直徑極小的管由激光切割成為非常精細的管網結構，其中激光切割是血管支架 生產的一個重要環(huán)節(jié)，它將直接影響血管支架的性能。光纖激光切割技術是應用激光聚焦后產生的高功率密度能量來實現(xiàn)的?？刂葡到y(tǒng) 通過脈沖使激光器放電，從而輸出受控的重復高頻率的脈沖激光，形成一定脈沖、一定脈寬 的光束，該脈沖激光束經過光路傳導及反射并通過聚焦透鏡組聚焦在加工物體即工件的表 面，形成一個個細微的、高能量密度光斑，光斑位于待加工面附近，以瞬間高溫熔化或氣化 工件材料。激光切割頭的每個高能量的激光脈沖瞬間在工件表面濺射加工，將工件切割成 想要的形狀。現(xiàn)有的血管支架切割設備大多采用Nd:YAG激光器，存在燈管壽命短、轉換效 率低、消耗能量大、系統(tǒng)不夠小型化，精度不高，切割緩慢，熱影響區(qū)較大，生產成本高等缺 陷。我國血管支架加工發(fā)展較晚，技術比較落后，加工精度和質量跟國外有較大的差 距，醫(yī)用血管支架主要依賴于進口，費用之高非普通大眾所能承受，如何研發(fā)出一種血管 支架加工設備能加工出低成本、高精度和高質量的血管支架是我國科研人員面臨的重大課 題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種血管支架切割設備及方法。一種血管支架切割設備，該設備包括X-X工作臺，其是由可沿X軸水平移動的X軸直線電機和可繞X軸旋轉的X軸旋轉 電機構成的二維運動進給平臺，在所述X軸旋轉電機上設置工件夾具；與所述X-X工作臺配重的平臺，其可采用花崗巖平臺；激光切割頭系統(tǒng)，其包括激光發(fā)生器和Z工作臺，所述Z工作臺是由可在垂直方向 移動的Z軸伺服電機構成的運動平臺，所述激光發(fā)生器安裝于Z工作臺上；所述激光發(fā)生器 隨Z工作臺一起移動；
控制系統(tǒng)，其包括用于控制X-X工作臺與Z工作臺的運動控制部件、激光發(fā)生器控 制部件和系統(tǒng)控制器，所述系統(tǒng)控制器分別與所述運動控制部件和激光發(fā)生器控制部件相 連，所述系統(tǒng)控制器與計算機相連。所述運動控制部件包括X軸直線電機驅動器、X軸旋轉電機驅動器和Z軸伺服電 機驅動器，所述X軸直線電機驅動器、X軸旋轉電機驅動器和Z軸伺服電機驅動器分別通過 各自相應的編碼器與X軸直線電機、X軸旋轉電機、Z軸伺服電機相連接。上述驅動器都使 用火線與系統(tǒng)控制器連接。所述系統(tǒng)控制器分別與X軸直線電機傳感器、X軸旋轉電機傳感器和Z軸伺服電 機傳感器相連接。所述激光切割頭系統(tǒng)還可設置包括CXD攝像頭的影像光學系統(tǒng)用于提高檢查切 割質量。所述激光切割頭系統(tǒng)還包括位于激光束周邊的高壓氧氣噴頭，切割時激光束與氧 氣流由切割頭基本同軸噴出，增加將熔化或氣化的渣材由切口吹出的效率，與工件材料產 生熱效反應，提供切割所需的附加能源，使切割處加速燃燒，切面平整，氧氣流還有冷卻已 切割面，減少熱影響區(qū)，使切割品質穩(wěn)定且產品熱量變型小。還可保證導光鏡組和CCD攝像 頭不受污染的作用，進一步節(jié)約成本及提高切割效率。所述激光發(fā)生器是光纖激光發(fā)生器。優(yōu)選摻鐿雙包層光纖激光發(fā)生器，本發(fā)明使 用光纖激光發(fā)生器，波長為1. 06 μ m，輸出功率為50w或100w，脈寬為0. Ims 0. 5ms可調， 重復頻率為O 3000Hz可調，最大水平移動速度達到40mm/s，位置精度達到8 μ m/30mm。本發(fā)明采用無刷直線電機驅動，其行程為200mm，分辨率為5nm，重復精度為 士0. 5μπι，最大速度為2m/s，最大加速度為30m/s2。旋轉電機的精度為士25. Oarc-sec，重 復精度為士4. Oarc-sec，最高速度為2000rpm。所述的激光切割頭系統(tǒng)的激光發(fā)生器與Z工作臺之間設有將激光導達工件表面 的可調焦導光鏡組。采用本發(fā)明的設備切割血管支架的方法將待加工的管料固定在工件夾具上，由 激光發(fā)生器產生脈沖激光，垂直入射到待加工細管表面，由計算機控制直線電機沿X軸的 移動和旋轉電機繞X軸的轉動，通過調節(jié)輸出激光的頻率、脈沖寬度、激光功率、切割速度 來實現(xiàn)血管支架的加工?？赏ㄟ^光學系統(tǒng)的擴束、聚焦使得脈沖激光垂直入射到待加工細管表面。可在計算機上打開控制軟件，調節(jié)激光發(fā)生器焦距的位置正好位于待加工管料 的表面，設置設備參數(shù)；再打開所需加工的血管支架形狀的CAD圖(支持多種圖形文件格 式)，確定切入點和切出點的位置和偏移補償，直接生成本設備可執(zhí)行的G代碼程序；最后 運行加工程序，就可直接進行血管支架的加工。其工作原理為由光纖激光發(fā)生器產生一定功率和能量的脈沖激光，通過擴束、聚 焦等光學系統(tǒng)垂直入射到待加工細管表面，由微機控制直線電機沿X軸的移動和旋轉電機 繞X軸的轉動，通過調節(jié)輸出激光的頻率、脈沖寬度、激光功率、切割速度等參數(shù)來實現(xiàn)血 管支架的最佳加工工藝。本發(fā)明使用的系統(tǒng)控制器，是一種純軟體的控制，該控制器不需要PCI插槽，并將 高水準運動引擎與視覺，PLC，機器人，與I/O結合于一個整合性的編程環(huán)境(可用本地G代碼或者basic命令集，C，C++，vb，或LabVIEW)，集成激光發(fā)射的高速位置同步輸出或位置鎖 定應用，其使用工業(yè)標準的火線(IEEE1394)來進行驅動器和控制器之間的通信，提供1到 32軸同步運動控制，運動性能不隨軸數(shù)上升而下降。將多種常用的自動化控制工具整合到 一個單一平臺，讓使用者有能力能夠較快速與較低成本整合，研發(fā)，與維護系統(tǒng)，舉例而言， 將視覺系統(tǒng)，運動系統(tǒng)與切割過程整合，提供系統(tǒng)可以找到工件并定位工件的位置，然后調 整工件的位置。接著傳送訊號到切具，全部的動作都整合到同一系統(tǒng)內，這種整合可以大幅 減少接線與必須的元件數(shù)量，因此不只減少整合與裝配成本，還可以增加可信賴度。所述控制系統(tǒng)采用PID閉環(huán)控制，運用臨界比例度法對PID參數(shù)進行整定。它是 首先將控制器的積分作用和微分作用全部除去，按比例增益(Kc)由小到大的變化規(guī)律，對 應于某一 Kc值作小幅度的設定值階躍擾動，以獲得臨界情況下的等幅振蕩。此時獲得臨界 振蕩周期(設為Tk)和控制器臨界比例增益Kcmax值，然后根據(jù)Ziegler-Nichols經驗公 式求取PID的三個最佳參數(shù)。本發(fā)明的有益效果為本發(fā)明提供的生產血管支架的加工切割設備，實現(xiàn)血管支 架生產的高效，低成本，可方便有效的加工各種形狀的血管支架。本發(fā)明方案，較大的解決了血管支架加工設備不夠小型化，加工精度不高，切割緩 慢，熱影響區(qū)較大，使用壽命短，生產成本高等缺陷。本發(fā)明的出現(xiàn)可扭轉高質量的血管支 架依賴進口的局面，對推動我國血管支架加工制造業(yè)的發(fā)展具有重大的意義，并具有極大 的實際應用價值。


圖1是血管支架激光切割系統(tǒng)示意圖；圖2是血管支架激光切割原理圖；圖3是血管支架激光切割具體實施方式
的組成方框圖。
具體實施例方式下面的實施例可以使本專業(yè)技術人員更全面的理解本發(fā)明，但不以任何方式限制 本發(fā)明。如附圖所示的血管支架光纖激光切割設備，包括激光切割頭系統(tǒng)，可以沿X軸水 平移動的繞X軸旋轉的X-X工作臺及其配重的花崗巖平臺2、設置在旋轉電機上的工件夾具 5，所述激光切割頭系統(tǒng)包括光纖激光發(fā)生器1、可以在垂直方向移動的Z工作臺6，Z工作 臺6是由可在垂直方向移動的Z軸伺服電機17構成的運動平臺，所述激光發(fā)生器1安裝于 Z工作臺6上；所述激光發(fā)生器隨Z工作臺一起移動，還包括設有X-X工作臺與Z工作臺的 運動控制部件、激光發(fā)生器控制部件及系統(tǒng)控制器16的控制柜15。X-X工作臺是由可沿X軸水平移動的直線電機3和可繞X軸旋轉的旋轉電機4組 成精密的二維運動平臺；激光切割頭系統(tǒng)還包括位于激光束周邊的高壓氧氣噴頭，切割時與激光束和來自 氧氣鋼瓶8的氧氣流都由切割頭基本同軸噴出。所述控制器16分別與X軸直線電機傳感器18、X軸旋轉電機傳感器19、Z軸伺服 電機傳感器20相連接。
激光切割頭系統(tǒng)的光纖激光發(fā)生器1與Z工作臺6之間設有包括激光導達工件表 面的可調焦導光鏡組，其包括反射鏡和聚焦透鏡，還設有包括CXD攝像頭7的影像光學系 統(tǒng)。運動控制部件包括X軸直線電機驅動器12、X軸旋轉電機驅動器13、Z軸伺服電機 驅動器14，他們分別通過各自相應的編碼器9、10、11與X軸直線電機3、X軸旋轉電機4、Z 軸伺服電機17相連接，并都跟控制器16相連。計算機通過控制器16對X軸直線電機12、X軸旋轉電機13、Z軸伺服電機17發(fā)出 運動指令，X軸直線電機傳感器18、X軸旋轉電機傳感器19、Z軸旋轉電機傳感器20將各自 電機的實際位置反饋給控制器，組成了一個大的閉環(huán)控制系統(tǒng)，整個系統(tǒng)采用PID控制。本 發(fā)明運用臨界比例度法對PID參數(shù)進行整定，具體做法如下(1)被控系統(tǒng)穩(wěn)定后，把控制器的積分時間放到最，微分時間放到零(相當如切除 了積分和微分作用，只使用比例作用)；(2)通過外界干擾或使控制器設定值作一階躍變化，觀察由此引起的測量值振 蕩；(3)從大到小逐步把控制器的比例增益(Kc)減小，看測量值振蕩的變化時發(fā)散的 還是衰減的，如是衰減的則應把Kc繼續(xù)減小，如是發(fā)散的則應把Kc放大；(4)連續(xù)重復(2)、(3)步驟，直至測量值按恒定幅度和周期發(fā)生振蕩，即持續(xù)4 5次等幅振蕩為止。此時的的比例增益即為臨界比例Kcmax ；(5)從振蕩波形圖來看，來回振蕩1次的時間就是臨界周期Tk，即從振蕩波的第一 個波的頂點到第二個波的頂點的時間。得到臨界比例增益Kcmax和臨界振蕩周期Tk就可以根據(jù)Ziegler-Nichols經驗 公式求取PID的三個最佳參數(shù)值?？刂破?6通過火線(IEEE 1394)與計算機相連接，通過軟件系統(tǒng)對控制器進行控 制，實現(xiàn)對血管支架的切割加工。如附圖所示的用于血管支架切割的光纖激光切割設備，用于加工血管支架的方法 如下將待加工的管料固定在工件夾具上，由激光發(fā)生器產生一定功率和能量的脈沖激光， 通過擴束、聚焦等光學系統(tǒng)垂直入射到待加工細管表面，由計算機控制X軸直線電機沿X軸 的移動和X軸旋轉電機繞χ軸的轉動，通過調節(jié)輸出激光的頻率、脈沖寬度、激光功率、切割 速度等參數(shù)來實現(xiàn)血管支架的加工。以上實施說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時，對于本領域 的一般技術人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實施方式
及應用范圍上均會有改變之處，綜上 所述，本說明書內容不應理解為對本發(fā)明的限制。
權利要求
1.一種血管支架切割設備，其特征在于該設備包括X-X工作臺，其是由可沿X軸水平移動的X軸直線電機(3)和可繞X軸旋轉的X軸旋轉 電機⑷構成的二維運動進給平臺，在所述X軸旋轉電機⑷上設置工件夾具(5)；與所述X-X工作臺配重的平臺；激光切割頭系統(tǒng)，其包括激光發(fā)生器(1)和Z工作臺(6)，所述Z工作臺(6)是由可在 垂直方向移動的Z軸伺服電機(17)構成的運動平臺，所述激光發(fā)生器(1)安裝于Z工作臺 (6)上；控制系統(tǒng)，其包括用于控制X-X工作臺與Z工作臺的運動控制部件、激光發(fā)生器控制部 件和系統(tǒng)控制器(16)，所述系統(tǒng)控制器(16)分別與所述運動控制部件和激光發(fā)生器控制 部件相連，所述系統(tǒng)控制器(16)與計算機相連。
2.根據(jù)權利要求1所述的設備，其特征在于所述運動控制部件包括χ軸直線電機驅 動器、X軸旋轉電機驅動器和Z軸伺服電機驅動器，所述X軸直線電機驅動器、X軸旋轉電機 驅動器和Z軸伺服電機驅動器分別通過各自相應的編碼器與X軸直線電機(3)、X軸旋轉電 機(4)、Z軸伺服電機(17)相連接。
3.根據(jù)權利要求1所述的設備，其特征在于所述激光切割頭系統(tǒng)還設有包括CCD攝 像頭的影像光學系統(tǒng)。
4.根據(jù)權利要求1所述的設備，其特征在于所述激光切割頭系統(tǒng)還包括位于激光束 周邊的高壓氧氣噴頭，切割時激光束與氧氣流由切割頭基本同軸噴出。
5.根據(jù)權利要求1所述的設備，其特征在于所述系統(tǒng)控制器(16)分別與X軸直線電 機傳感器(18)、X軸旋轉電機傳感器(19)和Z軸伺服電機傳感器(20)相連接。
6.根據(jù)權利要求1所述的設備，其特征在于所述的激光切割頭系統(tǒng)的激光發(fā)生器(1) 與Z工作臺(6)之間設有將激光導達工件表面的可調焦導光鏡組。
7.根據(jù)權利要求1所述的設備，其特征在于所述激光發(fā)生器是光纖激光發(fā)生器。
8.根據(jù)權利要求1所述的設備，其特征在于所述控制系統(tǒng)采用PID閉環(huán)控制，運用臨 界比例度法對PID參數(shù)進行整定。
9.權利要求1所述的設備用于血管支架切割的方法，其特征在于該方法包括如下步驟將待加工的管料固定在工件夾具上，由激光發(fā)生器產生脈沖激光，垂直入射到待加工 細管表面，由計算機控制X軸直線電機沿X軸的移動和X軸旋轉電機繞X軸的轉動，通過調 節(jié)輸出激光的頻率、脈沖寬度、激光功率、切割速度來實現(xiàn)血管支架的加工。
10.根據(jù)權利要求9所述的方法，其特征在于通過光學系統(tǒng)的擴束、聚焦使得脈沖激 光垂直入射到待加工細管表面。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于醫(yī)療器械加工設備技術領域的一種血管支架切割設備及方法。血管支架切割設備包括X-X工作臺，其是由可沿X軸水平移動的X軸直線電機和可繞X軸旋轉的X軸旋轉電機構成的二維運動進給平臺，在所述X軸旋轉電機上設置工件夾具；與所述X-X工作臺配重的平臺；激光切割頭系統(tǒng)，其包括激光發(fā)生器和Z工作臺，所述Z工作臺是由可在垂直方向移動的Z軸伺服電機構成的運動平臺；以及控制系統(tǒng)。本發(fā)明提供的生產血管支架的加工切割設備，實現(xiàn)血管支架生產的高效，低成本，可方便有效的加工各種形狀的血管支架。本發(fā)明解決了血管支架加工設備不夠小型化，加工精度不高，切割緩慢，熱影響區(qū)較大，使用壽命短，生產成本高等缺陷。
文檔編號B23K26/36GK102139415SQ20111008249
公開日2011年8月3日 申請日期2011年4月1日 優(yōu)先權日2011年4月1日
發(fā)明者任思, 周明, 姚德臣, 張惠剛, 杜艷平, 楊建偉 申請人:北京建筑工程學院