CN102941674B - 激光透射焊接随动夹紧装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了激光透射焊接随动夹紧装置，用于激光透射焊接塑料材料或塑料与金属材料的焊接夹紧装置，其特征包括支撑组件、压头组件和压头固定组件。所述的支撑组件由方形阵列排布的液压小顶针组件和支撑板组成，每个液压小顶针组件通过PC终端程序调用任一个液压小顶针组件。整个支撑板也由液压控制系统控制其在Z向的运动。所述的压头组件由激光头，压力传感器和压紧小滚轮组成，压头组件在伺服电机驱动下作X、Y向运动，压紧滚轮可在Z向做自适应的调节，与下面的随动顶针相互作用实现对工件的随动夹紧。本发明按照需要调节顶针杆伸出的高度，因此能适应任意形状的工件，能有效的解决曲面型焊缝的夹紧问题。

Description

激光透射焊接随动夹紧装置

技术领域

     本发明涉及激光焊接技术领域，特别涉及激光透射焊接塑料材料或塑料与金属材料的夹紧装置，是针对一些平面型或曲面型焊缝而设计的，并可根据焊缝的形状进行调节，而这种焊缝通常不能采用普通的压紧机构，如压紧玻璃，压板机构。

背景技术

激光透射焊接是利用近红外线激光作为热源，将两个叠加在一起的塑料部件焊接在一起，要求上层部件对激光束透明，而下层部件要尽可能吸收激光。激光透射焊接具有焊接速度快、精度高、无污染、非接触式焊接、自由灵活等许多优点，因此，激光透射焊接正是适应塑料制品在当今各行业的大规模集成化、自动化和环保化的要求而发展起来的先进的热塑性塑料连接方法。

所以对激光透射焊接的研究也越来越多，然而目前最大的困难之一就是焊接夹紧装置限制了该技术的应用，当前大部分焊接装置可分为两类：要么能满足简单的平面型工件的装夹问题，采用的基本上是平面压板机构，通过液压或气压驱动机构，或者是螺纹夹紧机构实现对工件的夹紧；要么只能实现曲面的单面随动夹紧，且夹紧装置易磨损易损坏。实际工业中曲面型的工件的应用越来越多，三维焊缝的夹紧效果不是很理想，所以对于这一类工件的夹紧，目前尚没有一种有效的通用的夹紧装置。

专利《用于激光焊接塑料材料的焊接装置及其焊接方法》，申请号为：201110109966.5，该焊接装置是通过液压驱动压板机构，使之与支撑板配合对工件实行夹紧，压力的大小可由调压阀控制并由压力传感器传至显示器上显示出来。该焊接装置的优点是机构较为简单，压力易于调节和控制。缺点是只能对一些平面型焊缝（即表面要求平整）进行焊接，无法实现三维焊缝的焊接；再如莱丹公司发明的Globo球形焊接装置，该装置焊接头部位一个玻璃球，该玻璃球有着对激光束聚焦和对焊缝施加机械夹紧力双重效果。优点是能够实现任意三维焊缝的连接，灵活性高，但它采用的是单面夹紧，对于一些刚度低的工件，夹紧力过小可能导致焊不上，夹紧力过大又可能使工件变形，点接触作用力较为集中使得焊后应力集中，此外由于采用玻璃球同时用作机械夹紧和光学聚焦，长期滚动摩擦容易磨损玻璃球使得光学性能变差，从而导致焊接质量不稳定。

所以，迫切需要这样一种夹具装置：不仅能满足常见的平面型焊缝的焊接，还能够适用于曲面型焊缝即空间三维焊缝的焊接；此外，能实现局部夹紧而避免其他夹紧时带来的焊接应力和工件变形。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种简单、通用的适于任意型焊缝的焊接随动夹紧装置。

为达上述目的，本发明采用如下技术方案：激光透射焊接随动夹具，包括PC机、激光头底座、PLC控制器、液压控制系统、支撑组件、压头组件、压头固定组件和支架。所述的压头组件包括激光头底座，激光头，压力传感器和压紧小滚轮。激光头位于激光头底座中间，激光头底座两侧设有压紧小滚轮，小滚轮置于支撑杆的一端，支撑杆的另一端连接弹簧，弹簧设置于激光头底座上，弹簧与激光头底座之间设置压力传感器，压力传感器与PC机连接；激光头底座设于压头固定组件上。

所述的支撑组件包括液压小顶针组件和支撑板；支撑板固定在一个液压组件的顶针杆上，顶针杆控制支撑板上下的运动；支撑板板上开设方形阵列的通孔，孔内设置液压小顶针组件；液压小顶针组件的顶针杆朝上，活塞将液压小顶针组件的油缸分为两部分，上半部分为回油腔，下半部分为进油腔，回油腔连接回油管道，进油腔连接进油管道，所有液压小顶针组件进油管道和回油管道与液压控制系统的电磁阀相连，液压控制系统控制每个液压小顶针组件相互独立工作。

所述液压控制系统的电磁阀控制信号线连接PLC控制器，PLC控制器连接PC机；PC机传输程序指令给PLC控制器，再由PLC控制器控制电磁阀动作，驱动顶针杆在压力油的作用下伸出与缩回。

　　用于固定和驱动压头组件有两种方案，第一种方案称为固定式。其压头组件固定在压头组件固定在Y轴螺母上，Y轴螺母与Y轴丝杆配合，Y轴伺服电机驱动Y轴丝杆带动Y轴螺母左右运动，从而带动压头组件在Y向导轨上左右移动，整个Y向导轨固定在X轴螺母上，X轴螺母与X轴丝杆配合，X伺服电机驱动X轴丝杠带动X轴螺母前后运动，从而带动Y向导轨在X向导轨上X轴前后运动。X向导轨固定在矩形框架的中间位置，X轴伺服电机和Y轴伺服电机的控制线连接PC机；第二种方案称为自由式。其压头组件置于机械手的末端，作为机械手末端执行器，机械手由多个关节和机械臂组成，机械手的信号输入输出线连接PC机，可驱动压头组件的任意移动。此外，机械手还可以施加压力，配合顶针杆夹紧工件。

所述的液压控制系统包括油箱、过滤器、液压泵、节流阀、溢流阀和电磁阀。电磁阀的得电与失电由PLC控制器控制，从而达到控制顶针杆的伸出与缩回。调节节流阀可以控制顶针杆伸出与缩回的速度，调节溢流阀可以控制夹紧力并稳定压力，从而保证焊接过程中夹紧力的稳定。

激光透射焊接随动夹紧装置，其特征在于包括支撑组件、压头组件和压头固定组件，工件置于支撑组件和压头组件之间，焊接时，支撑组件和压头组件同时动作夹紧工件，在伺服电机和液压控制系统的协调控制下，分别使得压头组件沿着焊缝运动，小顶针组件作随动的夹紧。所述的压头组件上的传感器可以实时监测夹紧力的大小，夹紧力数值在PC上可显示，亦可通过程序控制调节压力。小滚轮可滚动，连接压紧小滚轮的支撑杆长度能够调节。

通过PC机上编制程序，并下载到PLC控制器里，PLC控制器连接并控制液压控制系统的电磁阀动作，电磁阀连接进油和回油管道，顶针杆在液压油的作用下实现随动的伸出与缩回，随着焊接过程中激光头的移动，激光头前端液压小顶针组件的顶针杆有序的伸出，后端的液压小顶针组件的顶针杆有序的缩回，从而实现顶针杆的随动运动，且每个顶针组件有其编号，相互独立工作，可依焊缝形状不同而选取所需的顶针组件每个小顶针组件有各自的编号，由程序实现对其单独控制，通过选取数个合适的顶针组件来对工件夹紧；支撑板由液压控制系统控制其Z方向的上下移动。从而保证焊接过程中焊缝宽度的一致性；整个带有编号的液压顶针组件系列由PLC编程控制，保证其有序的伸出与缩回，与激光头实现随动的夹紧。当顶针杆完全缩回时，顶针杆的顶端与支撑板上平面齐平，这样不至于影响工件的放置。顶针杆的头部做成球形状，可减少对工件的摩擦或因夹紧力集中而致的工件损坏。

    本发明装置采用的是液压小顶针组件，可按照需要调节顶针杆伸出的高度，因此能适应任意形状的工件，能有效的解决曲面型焊缝的夹紧问题；采用液压缸作为执行元件，稳定的液压力可保证焊缝质量的稳定；采用随动夹紧的思想，实现对工件的局部夹紧，从而大大减少了焊接应力与整体夹紧时工件的变形；在PC机上对PLC进行编程，再由PLC集成控制液压系统，使得整个装置结构紧凑，并且采用PLC控制更加精确、灵敏；用伺服电机控制激光头的移动，可确保激光头的位置精度，有利于焊接过程的稳定；激光头上的压紧滚轮在Z向是可调的，这样无论工件的曲率如何变化都能使得压紧滚轮紧压着工件；液压系统中运用溢流阀和节流阀来调节液压缸的压力和顶针杆伸出的速度，这样可依据工件的刚度不同施加不同的液压力，使得装置的通用性更强。

附图说明

图1是本发明装置的总体示意图。

图2是液压系统工作原理示意图。

图3是压头固定组件的第一种方案示意图。

图4是压头固定组件的第二种方案示意图。

图中1激光头底座，2激光头，3压力传感器，4压紧小滚轮，5支架，6工件，7支撑板，8液压小顶针组件，9液压控制系统，10 PLC控制器，11 PC机，12油箱，13过滤器，14液压泵，15节流阀，16溢流阀，17电磁阀，18进油管道，19油缸，20顶针杆，21回油管道，22X向导轨，23X轴伺服电机，24Y向导轨，25Y轴伺服电机，26机械手。

具体实施方式

如图1所示，该激光透射焊接随动夹具，包括PC机11，PLC控制器10，液压控制系统9，支撑组件，压头组件，压头固定组件和支架5。所述的支撑组件包括液压小顶针组件8和支撑板7；所述的压头组件包括激光头底座1、激光头2、压力传感器3和压紧滚轮4；所述的压头固定组件有两种方案，第一种方案称为固定式，第二种方案称为自由式。以第一种方案阐述一下具体实施方案。

支撑板7上开设方形阵列的孔，孔内安置液压小顶针组件8。每个液压小顶针组件有特定的编号，可通过程序实现单独控制。当顶针杆处于缩回位置时，顶针杆的顶端与支撑板上表面齐平。

设有一块半径为R的半圆形工件6，焊缝为一条半圆弧，将6置于支撑板7上，在PC机11上编写好焊接程序，设定好夹紧力的大小。将程序下载到PLC控制器10里，10上电后驱动液压控制系统9，拟选好Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ号液压小顶针组件预夹紧，9驱动以上组件的顶针杆动作，伸出设定的距离，于此同时，支撑板7作Z向运动，压头组件在伺服电机1的驱动下做X,Y向移动，调整到压紧滚轮4与以上小顶针组件夹紧工件，夹紧力达到设定值，此时，激光头2位于焊接起始位置。

打开激光器，运行程序，X,Y轴伺服电机以及支撑板7控制激光头2沿着焊缝运动，同时，小顶针组件Ⅴ顶针杆伸出，小顶针组件Ⅰ顶针杆缩回，依次下去，从而实现随动的夹紧。激光头2的移动速度和小顶针杆伸出的速度保持协调，这样保证焊接过程中夹紧力一致，焊缝质量好。压紧滚轮4在Z方向上是可进行微量伸缩的，以适应曲率变化的焊缝。

之所以采用液压系统，因为液压力的稳定性很好，且力的大小是可调的（由溢流阀控制）。采用PLC集成控制方形阵列的小顶针机构，使得整个装置结构紧凑。

Claims (6)

1.激光透射焊接随动夹紧装置，其特征在于，包括PC机（11）、PLC控制器（10）、液压控制系统（9）、支撑组件、压头组件、压头固定组件和支架（5）；所述的压头组件包括激光头底座（1）、激光头（2）、压力传感器（3）和压紧小滚轮（4）；激光头（2）位于激光头底座（1）中间，激光头底座（1）两侧设有压紧小滚轮（4），小滚轮置于支撑杆的一端，支撑杆的另一端连接弹簧，弹簧设置于激光头底座（1）上，弹簧与激光头底座（1）之间设置压力传感器（3），压力传感器（3）与PC机（11）连接；激光头底座（1）设于压头固定组件上； 

所述的支撑组件包括液压小顶针组件（8）和支撑板（7）；支撑板（7）固定在一个液压组件的顶针杆上，顶针杆控制支撑板（7）上下的运动；支撑板（7）板上开设方形阵列的通孔，孔内设置液压小顶针组件（8）；液压小顶针组件（8）的顶针杆（20）朝上，活塞将液压小顶针组件（8）的油缸（19）分为两部分，上半部分为回油腔，下半部分为进油腔，回油腔连接回油管道（21），进油腔连接进油管道（18），所有液压小顶针组件（8）进油管道和回油管道与液压控制系统（9）的电磁阀相连，液压控制系统（9）控制每个液压小顶针组件（8）相互独立工作，使顶针杆（20）伸出或缩回；

所述液压控制系统（9）的电磁阀控制信号线连接PLC控制器（10），PLC控制器（10）连接PC机（11）；PC机（11）传输程序指令给PLC控制器（10），再由PLC控制器（10）控制电磁阀动作，驱动液压小顶针组件（8）的顶针杆（20）在压力油的作用下伸出与缩回。

2.根据权利要求1所述的激光透射焊接随动夹紧装置，其特征在于，所述压头固定组件为固定式，压头组件固定在Y轴螺母上，Y轴螺母与Y轴丝杆配合，Y轴伺服电机（25）驱动Y轴丝杆带动Y轴螺母左右运动，从而带动压头组件在Y向导轨（24）上左右移动，整个Y向导轨（24）固定在X轴螺母上，X轴螺母与X轴丝杆配合，X轴伺服电机（23）驱动X轴丝杠带动X轴螺母前后运动，从而带动Y向导轨（24）在X向导轨（22）上前后运动；X向导轨（22）固定在支架（5）的中间，X轴伺服电机（23）和Y轴伺服电机（25）的控制线连接PC机（11）。

3.根据权利要求1所述的激光透射焊接随动夹紧装置，其特征在于，所述压头固定组件为自由式；所述压头组件置于机械手（26）的末端，作为机械手末端执行器，机械手为多关节机械臂，机械手的控制信号输入输出线连接PC机（11），驱动压头组件运动。

4.根据权利要求2或3所述的激光透射焊接随动夹紧装置，其特征在于，所述液压小顶针组件（8）的顶针杆（20）缩回时，液压小顶针组件（8）的顶针杆（20）的顶端与支撑板（7）上平面齐平。

5.根据权利要求2或3所述的激光透射焊接随动夹紧装置，其特征在于，所述激光头（2）到压紧小滚轮（4）末端的垂直距离为激光头（2）的聚焦距离。

6.根据权利要求2或3所述的激光透射焊接随动夹紧装置，其特征在于，所述连接压紧小滚轮（4）的支撑杆长度能够调节。