本发明涉及一种超声刀杆结构优化设计方法，属于医疗器械加工。
背景技术：
1、相较于传统手术刀，超声刀具有创口小、止血效果好、功能多样、对不同组织结构的适应性较好等优点，因而广泛应用于现代微创手术，大大减轻了医生的工作负担，且有利于术后恢复。但技术的不断发展以及市场竞争等因素对超声刀的性能提出了更高要求，刀杆作为超声刀系统的关键零件，其结构设计很大程度上影响了产品性能。
2、现有超声刀杆大多通过优化设计其主体部分增益台阶的直径和长度等尺寸，使刀杆工作在特定的振幅和频率范围内。然而理论设计与实际使用时的振动参数不可避免存在误差，当实际参数超差或接近极限设计值时，则需变更增益台阶尺寸。由于各参数之间存在复杂耦合关系，使多个参数同时满足设计要求较困难，且刀杆多由不同尺寸的增益台阶组成，得出最优台阶尺寸需要建立在大量设计变更和试验基础上，增加了研发投入。
3、公开号为cn110575231a的发明专利提供了一种超声刀的刀杆结构及超声刀，该专利主要通过圆柱体耦合区即本发明所述的增益台阶尺寸保证刀杆振幅和频率，频率和振幅受上述尺寸影响较大，且增益台阶个数较多，需要经过大量变更和试验才能找出关键尺寸；
4、公开号为cn115624371a的发明专利提供了一种超声刀刀杆、制造超声刀刀杆的方法和超声刀，该专利主要通过在刀杆振动节点即振幅最小处设置弹性胶圈调节其振动频率，该方法无法对所有振动参数进行调节，且振动波长对每个刀杆均不同，其振动节点即波节位置可能偏移；
5、公开号为cn110811770a的发明专利提供了一种超声刀传导杆及超声刀，该专利主要通过在刀头近端沿杆的周向设置凸起，在刀杆中部和刀头远端设置增益台阶来使振幅提高并减小阻抗，其所设凸起和增益台阶位置和尺寸多样，且同样对振动参数的影响较大，需要经过大量变更和试验才能进行优化；
6、公开号为cn113796931a的发明专利提供了一种超声刀刀头、超声刀及超声手术装置，该专利通过将刀头圆弧曲面设计成波浪形曲面，增大刀头与组织的接触面积，提高能量传递效率，但波浪形曲面的刀头不易加工；
7、公开号为cn116439789a的发明专利提供了一种刀头组件及多自由度超声刀，该专利将换能器集成于刀头组件，刀头组件因此与底座的连接可不采用刚性结构，有助于提高操作灵活性和操作空间，并保证能量传输的高效性，但集成换能器于刀头组件必然增加刀头的复杂性和零件数量，带来开发周期的延长和成本的增加。
8、综上，超声刀杆振动参数之间相互耦合且尺寸个数较多，其优化设计周期长、投入大，因此，如何改善超声刀杆设计加工的成本高、效率低、耗时间等问题，成为本领域技术人员的研发方向。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供一种超声刀杆结构优化设计方法，该超声刀杆结构优化设计方法可以在不增加新结构而使刀杆结构以及加工工艺复杂化的基础上，找出影响超声刀杆振动参数的关键结构并通过优化该结构使超声刀杆振动参数同时满足设计要求。
2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种超声刀杆结构优化设计方法，所述超声刀杆包括：刀杆本体和位于刀杆本体一端的刀杆头部，所述刀杆头部进一步包括：远离刀杆本体的圆弧段和一端与刀杆本体连接的圆柱段，所述圆柱段的另一端与圆弧段之间通过一过渡段连接，所述优化设计方法包括以下步骤：
3、步骤一、针对刀杆头部圆弧段，提出至少2种不同的针对其结构尺寸的优化策略，并根据每种优化策略，选取圆弧段至少一个结构尺寸参数的多个数值，并根据选取的数值，分别建立超声刀杆的三维模型；
4、步骤二、对于每一个步骤一中获得的超声刀杆的三维模型，均采用仿真软件中的频率仿真模块，获取每个超声刀杆在特定振动模态下，以接近55.5khz振动时的频率和振幅；
5、步骤三、对于步骤二中获得的每个超声刀杆振动时的频率和振幅进行分析处理，选取其中频率和振幅符合设计要求的若干个超声刀杆的三维模型，并根据每个超声刀杆的三维模型的结构尺寸参数，加工获得对应的超声刀杆实体；
6、步骤四、对步骤三中获得的每个超声刀杆实体的实际振幅进行检测，并在检测的同时通过并联的示波器实时获取实际振幅检测过程中的振动频率、等效阻抗；
7、步骤五、根据步骤四中获得的各项检测参数，选取最优的针对刀杆头部圆弧段的结构尺寸优化设计方案。
8、上述技术方案中进一步改进的方案如下：
9、1.上述方案中，步骤一中的优化策略包括：针对刀杆头部圆弧段弧长的变弧长优化策略、针对刀杆头部圆弧段半径的变半径优化策略和针对刀杆头部圆弧段截面的变截面优化策略。
10、2.上述方案中，所述刀杆头部圆弧段的弧长和半径分别为刀杆头部圆弧段侧面的一条与圆柱段的母线相切的圆弧的弧长和半径，所述刀杆头部圆弧段侧面与所述圆柱段之间的过渡曲面不随刀杆头部圆弧段的弧长和半径的变化而变化。
11、3.上述方案中，所述针对刀杆头部圆弧段截面的变截面优化策略进一步包括：截面各边按等梯度变化的变截面优化策略和截面单边按一定梯度变化的变截面优化策略，所述刀杆头部圆弧段侧面与所述圆柱段之间的过渡曲面不随刀杆头部圆弧段截面的变化而变化。
12、4.上述方案中，所述频率仿真模块为solid works软件的simulation功能模块，所述特定振动模态是指刀杆本体的弯曲程度呈强弱交替出现，且刀杆头部的圆弧段弯曲程度最大的一种模态。
13、5.上述方案中，步骤三和步骤四中的振幅均为刀杆尖端主振幅，即刀杆头部端面上一点沿刀杆轴向的振幅。
14、6.上述方案中，针对刀杆头部圆弧段弧长、半径和截面单边按一定梯度变化的优化策略，其各自生成超声刀杆三维模型的方法为：利用刀杆头部的圆弧段与所述过渡曲面交界处截面，沿与圆柱段的母线相切的圆弧扫描，其中与圆柱段的母线相切的圆弧为引导线；
15、针对刀杆头部圆弧段截面各边按等梯度变化的优化策略，其生成超声刀杆三维模型的方法为：利用刀杆头部的圆弧段与所述过渡曲面交界处截面，沿过该截面中心的圆弧扫描，其中过该截面中心的圆弧为引导线。
16、7.上述方案中，所述截面为刀杆头部的圆弧段上沿对应引导线法向的截面。
17、由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
18、本发明超声刀杆结构优化设计方法，其可以在不增加新结构而使刀杆结构以及加工工艺复杂化的基础上，找出影响超声刀杆振动参数的关键结构并通过优化该结构使超声刀杆振动参数同时满足设计要求，且可优先排除大量不符合预期的方案，很大程度上减少试验次数和原材料的损耗，降低了研发投入，并得缩短了研发周期。
1.一种超声刀杆结构优化设计方法，所述超声刀杆包括：刀杆本体（1）和位于刀杆本体（1）一端的刀杆头部（2），所述刀杆头部（2）进一步包括：远离刀杆本体（1）的圆弧段（21）和一端与刀杆本体（1）连接的圆柱段（22），所述圆柱段（22）的另一端与圆弧段（21）之间通过一过渡段（23）连接，其特征在于：所述优化设计方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的超声刀杆结构优化设计方法，其特征在于：步骤一中的优化策略包括：针对刀杆头部（2）圆弧段（21）弧长的变弧长优化策略、针对刀杆头部（2）圆弧段（21）半径的变半径优化策略和针对刀杆头部（2）圆弧段（21）截面的变截面优化策略。
3.根据权利要求2所述的超声刀杆结构优化设计方法，其特征在于：所述刀杆头部（2）圆弧段（21）的弧长和半径分别为刀杆头部（2）圆弧段（21）侧面的一条与圆柱段（22）的母线相切的圆弧的弧长和半径，所述刀杆头部（2）圆弧段（21）侧面与所述圆柱段（22）之间的过渡曲面不随刀杆头部（2）圆弧段（21）的弧长和半径的变化而变化。
4.根据权利要求2所述的超声刀杆结构优化设计方法，其特征在于：所述针对刀杆头部（2）圆弧段（21）截面的变截面优化策略进一步包括：截面各边按等梯度变化的变截面优化策略和截面单边按一定梯度变化的变截面优化策略，所述刀杆头部（2）圆弧段（21）侧面与所述圆柱段（22）之间的过渡曲面不随刀杆头部（2）圆弧段（21）截面的变化而变化。
5. 根据权利要求1所述的超声刀杆结构优化设计方法，其特征在于：所述频率仿真模块为solid works软件的simulation功能模块，所述特定振动模态是指刀杆本体（1）的弯曲程度呈强弱交替出现，且刀杆头部（2）的圆弧段（21）弯曲程度最大的一种模态。
6.根据权利要求1所述的超声刀杆结构优化设计方法，其特征在于：步骤三和步骤四中的振幅均为刀杆尖端主振幅，即刀杆头部（2）端面上一点沿刀杆轴向的振幅。
7.根据权利要求2所述的超声刀杆结构优化设计方法，其特征在于：针对刀杆头部（2）圆弧段（21）弧长、半径和截面单边按一定梯度变化的优化策略，其各自生成超声刀杆三维模型的方法为：利用刀杆头部（2）的圆弧段（21）与所述过渡曲面交界处截面，沿与圆柱段（22）的母线相切的圆弧扫描，其中与圆柱段（22）的母线相切的圆弧为引导线；
8.根据权利要求7所述的超声刀杆结构优化设计方法，其特征在于：所述截面为刀杆头部（2）的圆弧段（21）上沿对应引导线法向的截面。
