一种多功能的医用手枪钻设计
目录
引言 1
一、医用手枪钻设计背景 2
（一）医用手枪钻时代背景 2
（二）医用手枪钻研究现状 2
（三）软件简介 4
二、多功能手枪钻主体结构设计 5
（一）夹紧机构 6
（二）传动机构 8
（三）总体结构 11
三、手枪钻密封方案确定 13
（一）O形密封圈方案 13
（二）动密封方案 14
四、手枪钻外观优化设计 16
总结 18
参考文献 19
谢辞 20
引言
本文中所提到的多功能医用手枪钻主要用在骨科的关节置换手术中，此种手枪钻的机头部分根据需要可安装锯片或钻头；根据不同的手术，可选择多种不同长度或厚度的锯片，常用长度有70毫米和100毫米，常用厚度有0.8毫米、1.0毫米、1.2毫米和1.27毫米。电机则采用直流中空电机，手枪钻后面的转向开关也是中空的，而且手枪钻轴向方向采用中空管贯通，这样设计便于克氏针的插入以及在手术过程中便于人为控制打入克氏针的长度。此种手枪钻可整机高温高压消毒，低噪音，切割稳定快捷，对软组织无损伤，使用寿命长。在完成本课题的过程中，我查阅了许多关于骨钻、锯钻和关节置换手术的资料，在这过程中发现了一些不足之处，在对多功能医用手枪钻的用途、工作原理以及希望达到的效果进行综合考量后，作出了一些必要的改进。本课题涉及机械基础、机械制图、CATIA、Mathcad软件、KeyShot软件、模具、机械制造等技术的综合应用。本课题主要对手枪钻的机械结构进行设计，不涉及手枪钻的电路及电子元器件等方面。 一、医用手枪钻设计背景
（一）医用手枪钻时代背景
随着医疗科技的进步，关节置换手术越来越受到重视，并且随着生活水平的提高，越来越多的人们选择关节置换手术，当关节患病后，人们不再单一的选择传统治疗方法，而会有意识的想到关节置换手术。我国大约在60年代以后才逐渐开展人工关节的工作，比国外晚二十年左右，但在最近20年内全面开展了人工关节的研制及临床应用，所以我国的医疗器械也在不断发展。在骨科手术中，特别是在关节置换手术中，手枪钻是必不可少的一类医疗器械，不管是骨
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技的进步，关节置换手术越来越受到重视，并且随着生活水平的提高，越来越多的人们选择关节置换手术，当关节患病后，人们不再单一的选择传统治疗方法，而会有意识的想到关节置换手术。我国大约在60年代以后才逐渐开展人工关节的工作，比国外晚二十年左右，但在最近20年内全面开展了人工关节的研制及临床应用，所以我国的医疗器械也在不断发展。在骨科手术中，特别是在关节置换手术中，手枪钻是必不可少的一类医疗器械，不管是骨钻、摆锯、往复锯等等，其主体形状均类似于手枪，所以多功能的手枪钻应运而生，其最大的特点是一个主机可更换不同的机头，所以可以在不同手术中达到不同功能的目的。本课题研究的手枪钻，可以解决目前手枪钻更换机头不方便、不可以整机高温高压消毒、切割不稳定、容易对软组织造成伤害以及噪音较大等缺点。
（二）医用手枪钻研究现状
研究本课题需具备一定的客观条件，关于医疗手枪钻和手枪钻有关机构的研究一直没有停止过。
1993年，张利剑研究了一种新型医用多功能直柄电动骨锯钻，此医用多功能直柄电动骨锯钻的结构如图1-1所示（以电钻为例），此产品用于骨科手术中的钻骨和锯骨。此骨锯钻是将一个电动主机分别与三个机头组合后，可以构成电钻，往复锯和摆动锯。电动主机采用全密封形式及微电机启动保护装置；在各机头尾部均有尾孔，可以套装在电动主机前壳上；钻机机头采用行星齿轮减速结构；往复锯机头采用偏心盘结构；摆动锯机头采用曲轴结构。采用这些独特的机械结构，使得此多功能直柄电动骨锯钻操作灵活，体积小，重量轻，便于携带。
图1-1 医用多功能电动骨锯钻
2005年周袭明对医用摆动锯作了研究，其结构如图1-2所示，包括壳体、电机和切削装置；切削装置包括锯片和摆动轴，锯片通过锯片螺母固定在摆动轴上；在壳体内装有电机，而壳体的下方设置了手柄，且手柄上还设有电源和开关，可以通过开关驱动电机转动；电机通过偏心传动轴带动偏心轴同步转动，该偏心轴通过一摆叉杆带动摆动轴进行往复摆动。此产品能够大幅度地提高锯片的切骨力度，降低摩擦带来的损耗。此医用摆动锯的优点是使用起来方便、快捷，可以缩短手术时间，减少病人痛苦。
图1-2 医用摆动锯
2014年郭毅军、赵正、王宴斌和张金彬发明了一种自紧型骨钻机头，此机头有夹头组件，夹头组件包括夹爪组和夹爪导向套，夹爪组和夹爪导向套通过轴向相对运动使夹爪组夹紧或释放钻头，还包括端面凸轮副，所述端面凸轮副具有接收驱动动力的动力输入端和将动力输出至夹爪组的动力输出端；本发明采用夹爪导向套的轴向移动并利用锥面结构对夹爪组件进行驱动实现夹紧的结构，不需采用锁匙锁紧钻头，使用简单方便；并利用端面凸轮副进行驱动传动，在夹紧钻头后的使用过程中，随着扭矩的增加，夹头对钻头的夹紧力也增加，具有自紧功能，夹持可靠性好，整体结构紧凑，利于提高工作效率。
2015年季均对医用骨钻电机转向转换机构作了研究，其结构如图1-3所示，包括调速扳机机构、电机档位卡、档位扳机及档位控制块，档位控制块装配在档位扳机上，档位控制块能够随档位扳机一起移动，电机档位卡在第一弹性元件的作用下定位档位扳机的三个工作位置。本发明由于采用上述结构，具有结构简单、电机转向转换灵活顺畅、控制方便、易于减轻患者痛苦等优点。
图1-3 医用骨钻电机转向转换机构
（三）软件简介
完成本课题，当然离不开各种软件的应用，下面简单介绍一下本课题中用到的三款软件：CATIA是一款CAD/CAM软件，本论文手枪钻的3D模型，各个零件间的配合以及零件间发生干涉的情况均用其完成；KeyShot是一个互动性的光线追踪与全域光渲染程序，无需复杂的设定即可产生相片般真实的3D渲染影像，论文中用此软件给手枪钻附上材料，可呈现出真实的渲染影像；Mathcad是一款专业的PTC工程计算软件，能够执行计算和设计工作，并整理归档和共享计算设计结果，利用此软件完成论文中有关行星齿轮的计算。
二、多功能手枪钻主体结构设计
图2-1 手枪钻正面外观
图2-1与图2-2是手枪钻的整体外观，手枪钻可根据不同的
引言 1
一、医用手枪钻设计背景 2
（一）医用手枪钻时代背景 2
（二）医用手枪钻研究现状 2
（三）软件简介 4
二、多功能手枪钻主体结构设计 5
（一）夹紧机构 6
（二）传动机构 8
（三）总体结构 11
三、手枪钻密封方案确定 13
（一）O形密封圈方案 13
（二）动密封方案 14
四、手枪钻外观优化设计 16
总结 18
参考文献 19
谢辞 20
引言
本文中所提到的多功能医用手枪钻主要用在骨科的关节置换手术中，此种手枪钻的机头部分根据需要可安装锯片或钻头；根据不同的手术，可选择多种不同长度或厚度的锯片，常用长度有70毫米和100毫米，常用厚度有0.8毫米、1.0毫米、1.2毫米和1.27毫米。电机则采用直流中空电机，手枪钻后面的转向开关也是中空的，而且手枪钻轴向方向采用中空管贯通，这样设计便于克氏针的插入以及在手术过程中便于人为控制打入克氏针的长度。此种手枪钻可整机高温高压消毒，低噪音，切割稳定快捷，对软组织无损伤，使用寿命长。在完成本课题的过程中，我查阅了许多关于骨钻、锯钻和关节置换手术的资料，在这过程中发现了一些不足之处，在对多功能医用手枪钻的用途、工作原理以及希望达到的效果进行综合考量后，作出了一些必要的改进。本课题涉及机械基础、机械制图、CATIA、Mathcad软件、KeyShot软件、模具、机械制造等技术的综合应用。本课题主要对手枪钻的机械结构进行设计，不涉及手枪钻的电路及电子元器件等方面。 一、医用手枪钻设计背景
（一）医用手枪钻时代背景
随着医疗科技的进步，关节置换手术越来越受到重视，并且随着生活水平的提高，越来越多的人们选择关节置换手术，当关节患病后，人们不再单一的选择传统治疗方法，而会有意识的想到关节置换手术。我国大约在60年代以后才逐渐开展人工关节的工作，比国外晚二十年左右，但在最近20年内全面开展了人工关节的研制及临床应用，所以我国的医疗器械也在不断发展。在骨科手术中，特别是在关节置换手术中，手枪钻是必不可少的一类医疗器械，不管是骨
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
技的进步，关节置换手术越来越受到重视，并且随着生活水平的提高，越来越多的人们选择关节置换手术，当关节患病后，人们不再单一的选择传统治疗方法，而会有意识的想到关节置换手术。我国大约在60年代以后才逐渐开展人工关节的工作，比国外晚二十年左右，但在最近20年内全面开展了人工关节的研制及临床应用，所以我国的医疗器械也在不断发展。在骨科手术中，特别是在关节置换手术中，手枪钻是必不可少的一类医疗器械，不管是骨钻、摆锯、往复锯等等，其主体形状均类似于手枪，所以多功能的手枪钻应运而生，其最大的特点是一个主机可更换不同的机头，所以可以在不同手术中达到不同功能的目的。本课题研究的手枪钻，可以解决目前手枪钻更换机头不方便、不可以整机高温高压消毒、切割不稳定、容易对软组织造成伤害以及噪音较大等缺点。
（二）医用手枪钻研究现状
研究本课题需具备一定的客观条件，关于医疗手枪钻和手枪钻有关机构的研究一直没有停止过。
1993年，张利剑研究了一种新型医用多功能直柄电动骨锯钻，此医用多功能直柄电动骨锯钻的结构如图1-1所示（以电钻为例），此产品用于骨科手术中的钻骨和锯骨。此骨锯钻是将一个电动主机分别与三个机头组合后，可以构成电钻，往复锯和摆动锯。电动主机采用全密封形式及微电机启动保护装置；在各机头尾部均有尾孔，可以套装在电动主机前壳上；钻机机头采用行星齿轮减速结构；往复锯机头采用偏心盘结构；摆动锯机头采用曲轴结构。采用这些独特的机械结构，使得此多功能直柄电动骨锯钻操作灵活，体积小，重量轻，便于携带。
图1-1 医用多功能电动骨锯钻
2005年周袭明对医用摆动锯作了研究，其结构如图1-2所示，包括壳体、电机和切削装置；切削装置包括锯片和摆动轴，锯片通过锯片螺母固定在摆动轴上；在壳体内装有电机，而壳体的下方设置了手柄，且手柄上还设有电源和开关，可以通过开关驱动电机转动；电机通过偏心传动轴带动偏心轴同步转动，该偏心轴通过一摆叉杆带动摆动轴进行往复摆动。此产品能够大幅度地提高锯片的切骨力度，降低摩擦带来的损耗。此医用摆动锯的优点是使用起来方便、快捷，可以缩短手术时间，减少病人痛苦。
图1-2 医用摆动锯
2014年郭毅军、赵正、王宴斌和张金彬发明了一种自紧型骨钻机头，此机头有夹头组件，夹头组件包括夹爪组和夹爪导向套，夹爪组和夹爪导向套通过轴向相对运动使夹爪组夹紧或释放钻头，还包括端面凸轮副，所述端面凸轮副具有接收驱动动力的动力输入端和将动力输出至夹爪组的动力输出端；本发明采用夹爪导向套的轴向移动并利用锥面结构对夹爪组件进行驱动实现夹紧的结构，不需采用锁匙锁紧钻头，使用简单方便；并利用端面凸轮副进行驱动传动，在夹紧钻头后的使用过程中，随着扭矩的增加，夹头对钻头的夹紧力也增加，具有自紧功能，夹持可靠性好，整体结构紧凑，利于提高工作效率。
2015年季均对医用骨钻电机转向转换机构作了研究，其结构如图1-3所示，包括调速扳机机构、电机档位卡、档位扳机及档位控制块，档位控制块装配在档位扳机上，档位控制块能够随档位扳机一起移动，电机档位卡在第一弹性元件的作用下定位档位扳机的三个工作位置。本发明由于采用上述结构，具有结构简单、电机转向转换灵活顺畅、控制方便、易于减轻患者痛苦等优点。
图1-3 医用骨钻电机转向转换机构
（三）软件简介
完成本课题，当然离不开各种软件的应用，下面简单介绍一下本课题中用到的三款软件：CATIA是一款CAD/CAM软件，本论文手枪钻的3D模型，各个零件间的配合以及零件间发生干涉的情况均用其完成；KeyShot是一个互动性的光线追踪与全域光渲染程序，无需复杂的设定即可产生相片般真实的3D渲染影像，论文中用此软件给手枪钻附上材料，可呈现出真实的渲染影像；Mathcad是一款专业的PTC工程计算软件，能够执行计算和设计工作，并整理归档和共享计算设计结果，利用此软件完成论文中有关行星齿轮的计算。
二、多功能手枪钻主体结构设计
图2-1 手枪钻正面外观
图2-1与图2-2是手枪钻的整体外观，手枪钻可根据不同的
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