一种透析器端盖超声波焊接机的研制

苏魏鹏，赵辉军，张加杰，陈 松，朱 斌，阮蒙宇，胡慧慧

（迈得医疗工业设备股份有限公司，浙江 台州 317600）

1 研究背景

近年来，国内市场中透析器的热度快速升高，医用耗材制造企业纷纷加大对透析器的研发。由于国内有关医用透析器智能装配成套设备的开发严重滞后，透析器的成品组装工序基本靠半自动及手工完成，不仅容易造成成品的二次污染，且生产效率低下，存在质量风险。透析器的端盖组装是其品质保证的核心环节。

目前主要通过螺纹连接，其存在下列问题：①透析器本体需要注塑螺纹，开模难度大，分摊到单个产品的成本高；②产品组装时单靠螺纹拧紧无法满足密封要求，还需要组装密封圈再连接2个端面；③产品能够被拆开，存在二次污染风险。

超声波焊接被广泛运用在医用耗材组装工艺中[1]，主要是通过超声波发生器将50/60 Hz的电流转换成15 Hz、20 Hz、30 Hz、40 Hz或其他频率电能。被转换的电频电能通过换能器再次被转换成同等频率的机械运动，随后机械运动通过一套可以改变振幅的调幅器传递到焊头。焊头将接收到的振动能量传递到待焊接工件的结合部位。在该区域中，振动能量被通过摩擦的方式转换成热能，将塑料融化，在压力作用下将产品连接到一起。超声波焊接透析器端盖如图1所示。

图1 超声波焊接透析器端盖

2 设备的结构及工作原理

2.1 透析器端盖超声波焊接的整体结构

透析器端盖超声波焊接装置主要包括高度调节机构、执行机构、换能机构、调幅度机构和焊头机构，如图2所示。升降机构能调节整体至待焊接端盖的设计高度，换能机构将超声波振动能量传递给调幅器，最终将机械能传递到焊头上。本项目通过有限元分析焊头不同尺寸的振动特性，如图3所示。优化后的焊头示意图如图4所示。本设备提高了焊接的效率和质量，具有结构简单、成本低的特点。

图2 端盖超声波焊接设备

图3 焊头振动频率有限元仿真

图4 优化后焊头示意图

2.2 设备创新点

采用上述技术方案，提高了焊接的质量和效率，具有结构简单、成本低的特点。市场上目前还没有针对透析器端盖使用超声波焊接的设备，都是采用传统螺纹配合胶水实现密封。不但连接质量不稳定，胶水存在危害，而且有被二次利用的可能。本方案采用超声波焊接解决端盖密封问题，实现密封质量高，杜绝医用耗材非法二次利用的可能。

在换能器和调幅器结构设计中，使用有限元分析，通过优化设备尺寸和材料，实现输出能量和频率稳定。通过研发恒压力控制系统[2]，该机构采用伺服电机实现恒压力控制，使得焊头作用在端盖上的力配合频率自动调整，保证焊接质量。

本项目通过自主研发，寻找高耐磨、高精度材料，成功加工出配套使用的焊接头，该焊接头使用寿命长，可大大减少针对焊头的投入成本。

3 控制系统设计

3.1 透析器端盖超声波焊接控制系统整体设计

整台设备的控制系统主要任务是超声波焊头的运动控制、超声波功率发生器的随动控制、焊接压力的控制。通过PLC控制伺服机构实现超声波焊头实时控制。通过压力传感器进行焊接的压力控制。同时利用触摸屏进行工作过程的监控及各种模式的切换和操作。

整机控制方案如图5所示。

图5 控制系统方案图

3.2 PLC控制系统

本设备整体控制系统以PLC为核心[3]，完成伺服电机的运动控制、超声波发生器控制和指示灯的控制，同时装配Proface触摸屏实现人接界面交互[4]，硬件模块布局如图6所示。核心的超声波焊接工艺通过压力传感器及焊接参数设置实现产品的成功焊接。

图6 硬件模块布局图

其主要的输入输出分配如表1所示。整体控制系统以PLC为核心，选用了松下伺服驱动器以及松下电机、Proface触摸屏、正泰电器等硬件。

表1 输入输出信号

表1（续）

整机控制程序较庞大，主要分为公共功能程序、伺服控制程序和超声波通讯程序等，能够实现初始化运行、伺服位置控制、伺服扭矩控制、故障处理等各项任务，PLC的输出控制主要是通过辅助继电器辅助实现的。

3.3 人机界面设计

本设备使用了Proface人机界面，通过与PLC的组态，能够实现设备的运行监控及操作。根据设计的实用性原则，触摸屏画面以自动运行画面为主界面。有设定运行参数、位置参数、超声波监测数据和手动操作的按钮窗口，能够实现参数的设定以及手动操作等。主画面主要显示设备实时工况，如图7所示。

图7 人机界面主画面

4 结论

本设备通过超声波焊接实现透析器端盖密封，通过伺服电机恒力控制实现下压力和焊接频率匹配，实现端盖焊接的精确控制；同时，通过有限元仿真分析优化焊头尺寸和频率，并采用高强度材料制造焊头，大幅提高焊接稳定性和质量的耐磨性，为医用透析器加工提供了很好的实验和中试的验证基础。