醫(yī)療卡鉗激光焊接系統(tǒng)設(shè)計

邵鳳翔 李坤全

(河南工程學(xué)院 機械工程學(xué)院，鄭州 451191)

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醫(yī)療卡鉗激光焊接系統(tǒng)設(shè)計

邵鳳翔 李坤全

(河南工程學(xué)院 機械工程學(xué)院，鄭州 451191)

針對醫(yī)療卡鉗與連接桿的連接,設(shè)計了專用激光焊接系統(tǒng)。通過設(shè)計卡鉗仿形夾具及連接桿仿形夾具，對焊接軌跡進(jìn)行精確定位，通過雙邊驅(qū)動機構(gòu)的氣缸帶動連接桿夾具向卡鉗夾具靠攏并壓緊，然后自動進(jìn)行激光焊接。實際生產(chǎn)結(jié)果表明，該焊接系統(tǒng)可以滿足產(chǎn)品的需求，焊接過程穩(wěn)定可靠。

醫(yī)療卡鉗 激光焊 定位 系統(tǒng)設(shè)計

0 序 言

醫(yī)療器械由于具有其特殊的應(yīng)用范圍，對其產(chǎn)品的質(zhì)量要求非常高[1-7]。醫(yī)療卡鉗一般為不銹鋼材料，在生產(chǎn)過程中通過壓鑄成型，需要與連接桿焊接在一起，傳統(tǒng)的焊接方式如電阻焊、氬弧焊等無法滿足這種精密結(jié)構(gòu)件的焊接，主要是因為這種結(jié)構(gòu)件尺寸小，需要焊后強度大且無熱變形[8-10]。激光焊是采用聚焦激光的能量為熱源對部件局部快速加熱，熔化后經(jīng)過自然冷卻形成連接體，具有明顯的優(yōu)勢，如熱影響范圍小，焊后工件變形小，焊縫窄，焊接外觀美觀一致，焊接強度大，非常適合該醫(yī)療器械的連接加工[11-14]。

激光焊屬于精密加工范疇，對工件的加工精度要求較高，對工件的本身縫隙要求高。一般需要專業(yè)的焊接夾具對工件進(jìn)行定位，來保證激光束中心正對焊縫中心[15-18]。激光焊接時還需要對工件進(jìn)行夾緊，抵消焊接過程中熱影響導(dǎo)致的工件變形，從而減少虛焊或者焊接強度不穩(wěn)定的風(fēng)險。激光束本身與工件無接觸，在實際生產(chǎn)中便于實現(xiàn)自動化，將激光焊與自動化生產(chǎn)結(jié)合起來，可以充分發(fā)揮激光焊的優(yōu)勢[19-21]。

文中結(jié)合醫(yī)療卡鉗復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特點及激光焊接的優(yōu)勢，優(yōu)化設(shè)計了整套焊接系統(tǒng)，充分考慮焊接產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，同時提高生產(chǎn)效率。

1 焊接技術(shù)要求

待焊產(chǎn)品為醫(yī)療卡鉗部件，結(jié)構(gòu)如圖1所示，待焊產(chǎn)品分別卡鉗和連接桿，二者材質(zhì)均為不銹鋼SUS316?？ㄣQ最大外形尺寸為75 mm×13 mm×4.7 mm，連接桿最大外形尺寸為φ9.6 mm×44.8 mm。需將兩個部件焊接在一起，對搭接位置環(huán)焊一周，焊接完成后需達(dá)到拉力測試和跌落測試要求。

圖1 焊接產(chǎn)品圖

2 焊接系統(tǒng)總體設(shè)計

如圖2所示，設(shè)備系統(tǒng)主要由機柜、夾具組件和控制系統(tǒng)等組成。設(shè)備采用手動上下料方式，焊接時卡鉗和連接桿被夾緊后同時旋轉(zhuǎn)，此時激光器開始出光對其進(jìn)行焊接，激光輸出鏡頭固定在三軸線性模組上，焊接時聯(lián)動共同完成對所需軌跡的焊接。機柜內(nèi)集成有工控機和電氣元件板以及鍵盤鼠標(biāo)等，系統(tǒng)主要為顯示器和監(jiān)視器，監(jiān)視器可對焊接進(jìn)行實時觀察。其中激光器為Nd:YAG激光器，激光光束通過能量光纖傳輸，經(jīng)過準(zhǔn)直及聚焦加工頭后，作用在工件上。

2.1 系統(tǒng)工作流程設(shè)計

夾具組件主要由雙邊驅(qū)動組件、激光輸出鏡頭組件、光纖托架以及相應(yīng)機加件組成，如圖3所示。設(shè)備工作時、人工將待焊產(chǎn)品放入到雙邊驅(qū)動組件內(nèi)，此后按下啟動按鈕，氣缸將其夾緊，夾緊后開始出光焊接，雙邊驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)軸和接頭的三軸線性模組一起聯(lián)動，完成對產(chǎn)品的焊接。光纖托架可對光纖起到保護(hù)作用，焊接時光纖托架和激光輸出鏡頭一起運動(水平方向)。

圖2 總體機構(gòu)圖

圖3 夾具組件機構(gòu)圖

2.2 卡鉗夾具設(shè)計

如圖4所示，卡鉗為精密鑄造件，精度較高，形狀為異形結(jié)構(gòu)，為使能夠更好地對其進(jìn)行定位，設(shè)計仿形結(jié)構(gòu)夾具，其結(jié)構(gòu)和卡鉗鑄造時的模具保持一致，仿形如圖4a所示。將卡鉗放入到仿形夾具內(nèi)后，仿形夾具可限制卡鉗的5個自由度，此后旋轉(zhuǎn)固定螺釘可限制其一個自由度，限制了卡鉗的6個自由度，完成最終的定位，如圖4b所示。

圖4 卡鉗夾具機構(gòu)圖

固定螺釘機構(gòu)如圖4c所示，加工時將大頭部分銑掉一部分。上料時，螺釘處于松開狀態(tài)，此時銑掉的這一部分正對仿形夾具的溝槽，可方便上料；上料完成后，旋轉(zhuǎn)鎖緊螺釘，鎖緊螺釘即可壓緊卡鉗，螺紋副可自鎖，故壓緊后可保持這一狀態(tài)。

2.3 連接桿夾具設(shè)計

連接桿結(jié)構(gòu)和卡鉗類似，亦為精密鑄造的異形件，故其定位夾具也采用仿形機構(gòu)，如圖5a所示。其中，仿形夾具尾部為一軸形，和軸承座相連，尾部和聯(lián)軸器相連，此聯(lián)軸器為雙邊驅(qū)動機構(gòu)內(nèi)零件，圖5b為連接桿定位夾具細(xì)節(jié)圖。

2.4 雙邊驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計

待焊工件為兩個獨立的零件且二者之間沒有任何定位結(jié)構(gòu)，故在設(shè)計夾具時除了要將兩個零件分別固定外，還需將兩者同時定位及夾緊。否則會造成焊接時撕裂、虛焊或者焊接后二者相對角度不符合要求等后果。雙邊驅(qū)動機構(gòu)主要通過對卡鉗仿形夾具和連接桿仿形夾具的同時定位，達(dá)到對兩個工件進(jìn)行定位的作用，同時通過氣缸等對工件進(jìn)行壓緊。

雙邊驅(qū)動機構(gòu)主要由同步帶、軸承座、驅(qū)動軸、伺服電機、氣缸以及其他機加件等組成，如圖6a所示。同步帶1，同步帶2和同步帶3均帶有脹套，安裝時鎖緊脹套上的螺栓即可。驅(qū)動軸左端連接同步帶1，同步帶2和同步帶3，其中，同步帶2和伺服電機相連，故同步帶2為主動，同步帶1和同步帶3為從動，驅(qū)動機構(gòu)細(xì)節(jié)如圖6b所示。同步帶1通過脹套和花鍵軸相連，花鍵軸套在軸承座1內(nèi)(花鍵軸套在軸承座內(nèi)以后，即可做軸向的直線運動也可做繞軸向的旋轉(zhuǎn)運動)，花鍵軸通過聯(lián)軸器和連接桿夾具固定在一起,花鍵軸如圖6c所示。連接桿夾具固定在一線性滑軌上，氣缸通過轉(zhuǎn)接機構(gòu)和軸承座2連接，這樣當(dāng)氣缸伸出或縮回時，可帶著連接桿夾具在線性滑軌的導(dǎo)向下來回做高精度的直線運動。

驅(qū)動軸右端和同步帶3連接在一起，同步帶3和卡鉗夾具連接在一起，卡鉗夾具固定在軸承座內(nèi)，可繞著軸承座做高精度的旋轉(zhuǎn)運動?？ㄣQ夾具旋轉(zhuǎn)時所占空間較大，故上面的臺板上面開有避位孔。設(shè)備工作時，氣缸帶著連接桿夾具向卡鉗夾具靠攏并貼緊，此后開始多軸聯(lián)動并出光完成焊接。焊接完成后，人工將焊接成品從夾具中取出(卡鉗夾具中)，氣缸復(fù)位，將鉗仿形夾具和連接桿仿形夾具退回到初始位置，形成一個循環(huán)動作。

圖5 連接桿夾具機構(gòu)圖

圖6 雙邊驅(qū)動機構(gòu)機構(gòu)圖

2.5 焊接系統(tǒng)輔助機構(gòu)設(shè)計

焊接過程中會產(chǎn)生大量的煙霧，需設(shè)計專用機構(gòu)或增加專門的除塵機構(gòu)。傳統(tǒng)抽塵方式為固定形式，當(dāng)接頭運動后,抽塵口未運動，會導(dǎo)致除塵不徹底的情況。文中設(shè)計的抽塵系統(tǒng)與激光輸出鏡頭固定，并且隨激光輸出鏡頭一起運動，保證對焊接煙塵進(jìn)行實時抽塵。激光輸出鏡頭固定在三軸線性模組上，三軸模組焊接時可聯(lián)動。聚焦頭固定在Z軸上，如圖7所示，除塵嘴和激光輸出鏡頭二者相對靜止，焊接時由除塵嘴隨動抽塵，對焊接過程中產(chǎn)生的煙霧及時清除，對光學(xué)鏡片進(jìn)行保護(hù)，同時保證產(chǎn)品不被熏黑。接頭上配有CCD，可將焊接畫面實時傳輸?shù)奖O(jiān)視器上，以便實時觀察。

圖7 激光輸出鏡頭組件機構(gòu)圖

3 結(jié) 論

(1)針對醫(yī)療用的連接桿和卡鉗的異形件結(jié)構(gòu)焊接，根據(jù)工件鑄造時的模具設(shè)計仿形夾具，分別對其定位。

(2)采用雙邊驅(qū)動機構(gòu)對連接桿和卡鉗的仿形夾具定位，間接對兩個工件進(jìn)行定位，同時通過氣缸進(jìn)行壓緊處理，自動完成激光焊接。經(jīng)過實際生產(chǎn)驗證，該系統(tǒng)生產(chǎn)穩(wěn)定，滿足產(chǎn)品的所有功能要求。

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2016-11-25

河南省鄭州市科技發(fā)展計劃科技攻關(guān)項目(20140599)

TG454

邵鳳翔，1973年出生，碩士。

李坤全，1976年出生，博士。