一種透析器端蓋超聲波焊接機(jī)的研制

蘇魏鵬，趙輝軍，張加杰，陳 松，朱 斌，阮蒙宇，胡慧慧

（邁得醫(yī)療工業(yè)設(shè)備股份有限公司，浙江 臺州 317600）

1 研究背景

近年來，國內(nèi)市場中透析器的熱度快速升高，醫(yī)用耗材制造企業(yè)紛紛加大對透析器的研發(fā)。由于國內(nèi)有關(guān)醫(yī)用透析器智能裝配成套設(shè)備的開發(fā)嚴(yán)重滯后，透析器的成品組裝工序基本靠半自動及手工完成，不僅容易造成成品的二次污染，且生產(chǎn)效率低下，存在質(zhì)量風(fēng)險。透析器的端蓋組裝是其品質(zhì)保證的核心環(huán)節(jié)。

目前主要通過螺紋連接，其存在下列問題：①透析器本體需要注塑螺紋，開模難度大，分?jǐn)偟絾蝹€產(chǎn)品的成本高；②產(chǎn)品組裝時單靠螺紋擰緊無法滿足密封要求，還需要組裝密封圈再連接2個端面；③產(chǎn)品能夠被拆開，存在二次污染風(fēng)險。

超聲波焊接被廣泛運(yùn)用在醫(yī)用耗材組裝工藝中[1]，主要是通過超聲波發(fā)生器將50/60 Hz的電流轉(zhuǎn)換成15 Hz、20 Hz、30 Hz、40 Hz或其他頻率電能。被轉(zhuǎn)換的電頻電能通過換能器再次被轉(zhuǎn)換成同等頻率的機(jī)械運(yùn)動，隨后機(jī)械運(yùn)動通過一套可以改變振幅的調(diào)幅器傳遞到焊頭。焊頭將接收到的振動能量傳遞到待焊接工件的結(jié)合部位。在該區(qū)域中，振動能量被通過摩擦的方式轉(zhuǎn)換成熱能，將塑料融化，在壓力作用下將產(chǎn)品連接到一起。超聲波焊接透析器端蓋如圖1所示。

圖1 超聲波焊接透析器端蓋

2 設(shè)備的結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 透析器端蓋超聲波焊接的整體結(jié)構(gòu)

透析器端蓋超聲波焊接裝置主要包括高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、換能機(jī)構(gòu)、調(diào)幅度機(jī)構(gòu)和焊頭機(jī)構(gòu)，如圖2所示。升降機(jī)構(gòu)能調(diào)節(jié)整體至待焊接端蓋的設(shè)計(jì)高度，換能機(jī)構(gòu)將超聲波振動能量傳遞給調(diào)幅器，最終將機(jī)械能傳遞到焊頭上。本項(xiàng)目通過有限元分析焊頭不同尺寸的振動特性，如圖3所示。優(yōu)化后的焊頭示意圖如圖4所示。本設(shè)備提高了焊接的效率和質(zhì)量，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低的特點(diǎn)。

圖2 端蓋超聲波焊接設(shè)備

圖3 焊頭振動頻率有限元仿真

圖4 優(yōu)化后焊頭示意圖

2.2 設(shè)備創(chuàng)新點(diǎn)

采用上述技術(shù)方案，提高了焊接的質(zhì)量和效率，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低的特點(diǎn)。市場上目前還沒有針對透析器端蓋使用超聲波焊接的設(shè)備，都是采用傳統(tǒng)螺紋配合膠水實(shí)現(xiàn)密封。不但連接質(zhì)量不穩(wěn)定，膠水存在危害，而且有被二次利用的可能。本方案采用超聲波焊接解決端蓋密封問題，實(shí)現(xiàn)密封質(zhì)量高，杜絕醫(yī)用耗材非法二次利用的可能。

在換能器和調(diào)幅器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，使用有限元分析，通過優(yōu)化設(shè)備尺寸和材料，實(shí)現(xiàn)輸出能量和頻率穩(wěn)定。通過研發(fā)恒壓力控制系統(tǒng)[2]，該機(jī)構(gòu)采用伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)恒壓力控制，使得焊頭作用在端蓋上的力配合頻率自動調(diào)整，保證焊接質(zhì)量。

本項(xiàng)目通過自主研發(fā)，尋找高耐磨、高精度材料，成功加工出配套使用的焊接頭，該焊接頭使用壽命長，可大大減少針對焊頭的投入成本。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 透析器端蓋超聲波焊接控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

整臺設(shè)備的控制系統(tǒng)主要任務(wù)是超聲波焊頭的運(yùn)動控制、超聲波功率發(fā)生器的隨動控制、焊接壓力的控制。通過PLC控制伺服機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)超聲波焊頭實(shí)時控制。通過壓力傳感器進(jìn)行焊接的壓力控制。同時利用觸摸屏進(jìn)行工作過程的監(jiān)控及各種模式的切換和操作。

整機(jī)控制方案如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)方案圖

3.2 PLC控制系統(tǒng)

本設(shè)備整體控制系統(tǒng)以PLC為核心[3]，完成伺服電機(jī)的運(yùn)動控制、超聲波發(fā)生器控制和指示燈的控制，同時裝配Proface觸摸屏實(shí)現(xiàn)人接界面交互[4]，硬件模塊布局如圖6所示。核心的超聲波焊接工藝通過壓力傳感器及焊接參數(shù)設(shè)置實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的成功焊接。

圖6 硬件模塊布局圖

其主要的輸入輸出分配如表1所示。整體控制系統(tǒng)以PLC為核心，選用了松下伺服驅(qū)動器以及松下電機(jī)、Proface觸摸屏、正泰電器等硬件。

表1 輸入輸出信號

表1（續(xù)）

整機(jī)控制程序較龐大，主要分為公共功能程序、伺服控制程序和超聲波通訊程序等，能夠?qū)崿F(xiàn)初始化運(yùn)行、伺服位置控制、伺服扭矩控制、故障處理等各項(xiàng)任務(wù)，PLC的輸出控制主要是通過輔助繼電器輔助實(shí)現(xiàn)的。

3.3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

本設(shè)備使用了Proface人機(jī)界面，通過與PLC的組態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)控及操作。根據(jù)設(shè)計(jì)的實(shí)用性原則，觸摸屏畫面以自動運(yùn)行畫面為主界面。有設(shè)定運(yùn)行參數(shù)、位置參數(shù)、超聲波監(jiān)測數(shù)據(jù)和手動操作的按鈕窗口，能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)的設(shè)定以及手動操作等。主畫面主要顯示設(shè)備實(shí)時工況，如圖7所示。

圖7 人機(jī)界面主畫面

4 結(jié)論

本設(shè)備通過超聲波焊接實(shí)現(xiàn)透析器端蓋密封，通過伺服電機(jī)恒力控制實(shí)現(xiàn)下壓力和焊接頻率匹配，實(shí)現(xiàn)端蓋焊接的精確控制；同時，通過有限元仿真分析優(yōu)化焊頭尺寸和頻率，并采用高強(qiáng)度材料制造焊頭，大幅提高焊接穩(wěn)定性和質(zhì)量的耐磨性，為醫(yī)用透析器加工提供了很好的實(shí)驗(yàn)和中試的驗(yàn)證基礎(chǔ)。