CN104128708B - 用于同轴型光电子器件的双工位型自动耦合焊接设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于同轴型光电子器件封装的双工位型自动耦合焊接设备，包括机架以及装设于机架上的两套独立工作的耦合焊接单元，各耦合焊接单元均包括上夹具、下夹具、装设于机架上的多个的焊接装置以及装设于机架上并可绕Z轴转动的自动旋转平台，上夹具通过升降装置装设于自动旋转平台上并可由升降装置驱动沿Z轴升降运动，下夹具通过对准装置装设于自动旋转平台上并可由对准装置驱动分别沿X轴移动、沿Y轴移动、绕X轴摆动以及绕Y轴摆动。本发明具有结构设计合理，巧妙，可扩展性强,省空间,自动化程度高，操作简单方便，作业时间短，生产效率高，使得生产成本低,产品质量稳定,并且适用于多种同轴型光电子器件等优点。

Description

用于同轴型光电子器件的双工位型自动耦合焊接设备

技术领域

本发明涉及光电子器件精密封装技术领域，具体涉及一种用于同轴型光电子器件的双工位型自动耦合焊接设备。

背景技术

光信息技术的发展推动着通讯事业的进步,随着光纤通讯和光纤传感技术的发展,光电子器件的制备成为了光信息技术进一步发展的关键。光电子器件的封装技术影响着光电子器件的可靠性,关键的封装工艺和全自动封装设备可以大幅度提高生产效率和保证器件质量。

有源器件是光纤通信系统中将电信号转换成光信号或将光信号转换成电信号的关键器件，是光传输系统的“心脏”，它包括光源，如发光二极管（Light Emitting Diode, LED）和激光二极管（Laser diode, LD）、光检测器和光放大器等。如何提高同轴型光电子器件的性能、质量以及降低成本，是当前工业上封装制造的关键问题，其核心技术在于耦合对准与焊接。

光电子器件的成本主要在于封装过程，其封装成本约占总成本的70％~90％，目前，光电子器件产业化仍处于较落后的阶段，大部分以手工操作进行，手工操作的基本过程是：首先借助显微镜对光源器件和单模光纤（Single Mode Fiber,SMF）进行初步对准，获得一定的初始光耦合功率，然后通过光功率计检测耦合进入SMF的光功率，手动调整光源器件和SMF的相对位置，从而现实精对准，最后再通过激光焊接组件，实现固接。由于是手工操作，操作人员的技能熟练程度有所差异，导致产品的质量不稳定、成品率低、生产速度慢和生产成本高等。于是光电子器件较高的封装成本和较低的封装效率，极大的阻碍了光纤通信技术的发展，而行业上对高性能低成本光电子器件的需求越来越大，为了改变这种现状，必须实现器件封装过程的自动化和高效化。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种结构设计合理，巧妙，可扩展性强,省空间, 自动化程度高，操作简单方便，作业时间短，生产效率高，使得生产成本低,产品质量稳定,并且适用于多种同轴型光电子器件(如TOSA、ROSA、BOSA等)的用于同轴型光电子器件的双工位型自动耦合焊接设备。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种用于同轴型光电子器件的双工位型自动耦合焊接设备，包括机架以及装设于机架上的两套独立工作的耦合焊接单元，各耦合焊接单元均包括上夹具、下夹具、装设于机架上的多个的焊接装置以及装设于机架上并可绕Z轴转动的自动旋转平台，所述上夹具通过升降装置装设于自动旋转平台上并可由升降装置驱动沿Z轴升降运动，所述下夹具通过对准装置装设于自动旋转平台上并可由对准装置驱动分别沿X轴移动、沿Y轴移动、绕X轴摆动以及绕Y轴摆动。

作为本发明的进一步改进：

两套耦合焊接单元分设于机架上的设定中轴线的两侧，且相对于所述设定中轴线呈120度夹角布置。

所述自动耦合焊接设备还包括设备外罩，所述设备外罩上设有两组分别控制两套耦合焊接单元的控制按钮，各组控制按钮均包括启动按钮、急停按钮、夹紧按钮、松开按钮和自动按钮；所述设备外罩上于各耦合焊接单元的上方分别设有一台用于显示其控制操作界面的主机控制显示器，所述设备外罩位于两台主机控制显示器之间的中上部还设有用于显示两套耦合焊接单元的对准耦合区域实时图像的观察显示器。

所述对准装置包括第一X轴自动直线滑台、第一Y轴自动直线滑台、θx轴自动旋转滑台、θy轴自动旋转滑台以及装设于自动旋转平台上的安装底座，所述第一X轴自动直线滑台、第一Y轴自动直线滑台、θx轴自动旋转滑台和θy轴自动旋转滑台依次叠加装设于所述安装底座上，所述下夹具装设于所述θy轴自动旋转滑台上。

所述升降装置包括支撑座、第一Z轴自动直线滑台和转接板，所述支撑座装设于自动旋转平台上，所述第一Z轴自动直线滑台通过转接板装设于支撑座上，所述上夹具装设于所述第一Z轴自动直线滑台上。

所述焊接装置包括激光出射头，所述激光出射头通过调整装置装设于机架上并可由调整装置驱动分别沿X轴、Y轴和Z轴移动。

所述调整装置包括第二X轴自动直线滑台、第二Y轴自动直线滑台、第二Z轴自动直线滑台和焊接支撑台，所述焊接支撑台装设于机架上，所述第二X轴自动直线滑台、第二Y轴自动直线滑台和第二Z轴自动直线滑台依次叠加装设于焊接支撑台上，所述激光出射头通过固定架装设于所述第二Z轴自动直线滑台上；所述自动耦合焊接设备设有三个焊接装置，三个焊接装置绕自动旋转平台的旋转轴线均匀布置；所述激光出射头的尾部还安装有CCD相机。

所述自动旋转平台为电动旋转台。

所述上夹具包括安装座、第一夹具头、第一锁紧套筒以及用于驱动所述第一锁紧套筒伸缩运动的伸缩驱动件，所述第一夹具头固定装设于所述安装座上，所述第一夹具头设有用于夹持上器件的多个第一弹性夹瓣，所述多个第一弹性夹瓣沿圆周布置，所述第一锁紧套筒套设于所述第一夹具头的外部，所述伸缩驱动件与所述第一锁紧套筒相连并可驱动所述第一锁紧套筒推动所有第一弹性夹瓣径向向内同步运动；所述第一夹具头设有位于多个第一弹性夹瓣上的第一锥形面；所述第一锁紧套筒包括外筒以及通过紧固件连接于所述外筒中的铜锥套，所述铜锥套设有用于与所述第一锥形面配合迫使所有第一弹性夹瓣径向向内同步运动的第二锥形面。

所述下夹具包括底座以及用于夹持下器件的夹具组件，所述夹具组件包括夹具安装板以及装设于所述夹具安装板上的第二夹具，所述第二夹具头设有工件插孔以及多个沿圆周布置于工件插孔的端部的第二弹性夹瓣，所述工件插孔内设有用于给下器件供电的电极插芯，所述电极插芯通过弹性浮动机构装设于工件插孔中并可沿工件插孔的轴向浮动，所述夹具组件还包括用于驱动所有第二弹性夹瓣同步径向向内运动夹紧下器件的驱动机构。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明用于同轴型光电子器件的双工位型自动耦合焊接设备能够实现同轴型光电子器件耦合对准、焊接封装的全自动化，操作人员只需简单的安装配件，设备即可自动完成后续从耦合对准到焊接的全部工序，与传统的手动生产线相比，其自动化程度高，操作简单方便，作业时间短，生产效率高，可大大降低产品的生产成本，并且不依赖操作人员的技能熟练程度，使产品质量更加稳定。

2、本发明采用整体旋转结构设计，在对工件进行第二次焊接时，不需要松开上夹具，在整个工序过程中可以实时监测耦合功率，减少了工序流程，可进一步提高生产效率，提高产品的质量。

3、本发明设置两套耦合焊接单元，在一个工作周期内，一个工人完成了两套器件加工，可成倍减少加工时间，大幅提高生产效率，降低企业成本。

4、本发明通过提供相应的控制装置，由设定的程序控制各部件动作自动完成整个耦合焊接过程，通过简化操作界面和操作流程，可使工人通过简单培训即可在很短时间内进行熟练操作，仅需一个工人即可完成所有工序流程，大大降低了企业的人工成本。并且还可以通过设置不同的程序来控制耦合效率，实现耦合效率的人为可控，这是传统人工手动封装所无法实现的。

5、本发明的可拓展性强，仅需更换不同夹具头即可适应于不同类型的同轴型光电子器件，不同器件的工艺参数可以内置系统程序中，使用时直接调用即可，不需要再次进行调试便可完成生产。

6、本发明的整体结构设计合理、巧妙，设备的结构紧凑、占地面积小。

附图说明

图1为本发明用于同轴型光电子器件的双工位型自动耦合焊接设备的立体结构示意图。

图2为本发明用于同轴型光电子器件的双工位型自动耦合焊接设备中上夹具和下夹具的安装结构示意图。

图3为本发明用于同轴型光电子器件的双工位型自动耦合焊接设备中焊接装置的安装结构示意图。

图4为本发明用于同轴型光电子器件的双工位型自动耦合焊接设备中上夹具、下夹具和焊接装置装设于机架上的立体结构示意图。

图5为本发明用于同轴型光电子器件的双工位型自动耦合焊接设备中上夹具在侧盖打开时的立体结构示意图。

图6为本发明用于同轴型光电子器件的双工位型自动耦合焊接设备中上夹具局部剖切后的立体结构示意图。

图7为本发明用于同轴型光电子器件的双工位型自动耦合焊接设备中上夹具部分结构的分解结构示意图。

图8为本发明用于同轴型光电子器件的双工位型自动耦合焊接设备中上夹具的剖视结构示意图。

图9为本发明用于同轴型光电子器件的双工位型自动耦合焊接设备中上夹具的夹具头的剖视结构示意图。

图10为本发明用于同轴型光电子器件的双工位型自动耦合焊接设备中上夹具的锁紧螺栓的立体结构示意图。

图11为本发明用于同轴型光电子器件的双工位型自动耦合焊接设备中下夹具的立体结构示意图。

图12为本发明用于同轴型光电子器件的双工位型自动耦合焊接设备中下夹具的俯视结构示意图。

图13为本发明用于同轴型光电子器件的双工位型自动耦合焊接设备中下夹具的部分剖视结构示意图。

图14为本发明用于同轴型光电子器件的双工位型自动耦合焊接设备中下夹具的夹具组件的分解结构示意图。

图15为本发明用于同轴型光电子器件的双工位型自动耦合焊接设备中定位件的立体结构示意图。

图16为本发明用于同轴型光电子器件的双工位型自动耦合焊接设备中下夹具在正常状态下的示意简图。

图17为本发明用于同轴型光电子器件的双工位型自动耦合焊接设备中下夹具在进行补偿时的示意简图。

图例说明：

1、机架；2、上夹具；21、安装座；211、定位套；22、第一夹具头；221、第一弹性夹瓣；222、第一锥形面；223、通槽；23、第一锁紧套筒；231、外筒；2311、连接部；232、铜锥套；2321、第二锥形面；233、开口槽；24、伸缩驱动件；25、聚氨酯PU板；26、支撑套筒；261、侧盖；27、顶盖；28、锁紧螺栓；281、螺杆部；282、螺帽部；283、工具插孔；29、陶瓷插芯；3、下夹具；31、底座；311、第一安装座；312、第二安装座；313、底座定位孔；32、夹具组件；321、夹具安装板；3211、推板；3212、螺纹孔；3213、夹具头定位孔；322、第二夹具头；3221、第二弹性夹瓣；3222、第三锥面；3223、夹具头定位面；323、第二锁紧套筒；3231、第四锥面；324、拨杆；325、堵头座；326、限位台阶；327、工件插孔；33、支承组件；331、气缸；332、限位机构；3321、支架；3322、调节螺钉；34、电极插芯；35、导轨组件；36、涡流式位移传感器；37、传感器感应片；38、支承弹簧；39、第二转接板；391、定位凸台；310、伸缩弹簧；101、下器件；102、上器件；103、定位件；1031、定位面；1032、定位沉孔；4、焊接装置；41、激光出射头；42、第二X轴自动直线滑台；43、第二Y轴自动直线滑台；44、第二Z轴自动直线滑台；45、转接架；46、固定架；47、焊接支撑台；48、CCD相机；5、自动旋转平台；6、升降装置；61、支撑座；62、第一Z轴自动直线滑台；63、转接板；7、对准装置；71、第一X轴自动直线滑台；72、第一Y轴自动直线滑台；73、θx轴自动旋转滑台；74、θy轴自动旋转滑台；75、安装底座；8、设备外罩；9、启动按钮；10、急停按钮；11、夹紧按钮；12、松开按钮；13、自动按钮；14、主机控制显示器；15、观察显示器；100、耦合焊接单元。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1至图4所示，本发明用于同轴型光电子器件的双工位型自动耦合焊接设备，包括机架1以及装设在机架1上的两套独立工作的耦合焊接单元100，以位于机架1中部的一设定中轴线（该设定中轴线为假定穿过机架1中心位置处的一竖直线）为基准，两套耦合焊接单元100分别装设在该设定中轴线的两侧，并且相对于该设定中轴线呈120度夹角布置，便于人工工位切换。各耦合焊接单元100均包括上夹具2、下夹具3、装设于机架1上的三个的焊接装置4以及装设于机架1上并可绕Z轴转动的自动旋转平台5，其中，上夹具2用于夹持上器件102（同轴型光电子器件的光纤组件），下夹具3用于夹持下器件101（同轴型光电子器件的光收发组件），三个焊接装置4绕自动旋转平台5的旋转轴线均匀布置，即三个焊接装置4以120°均匀分布在机架1上。上夹具2通过升降装置6装设于自动旋转平台5上，升降装置6可驱动上夹具2沿Z轴升降运动，下夹具3通过对准装置7装设于自动旋转平台5上，对准装置7可驱动下夹具3分别沿X轴移动、沿Y轴移动、绕X轴摆动以及绕Y轴摆动。

本实施例中，自动旋转平台5为电动旋转台，电动旋转台为现有技术，可以通过外购得到，例如可选用北京赛凡光电仪器有限公司生产的7SRA系列电动旋转台，如果需要更高的性能，还可以选择精度更高的平台。

升降装置6包括支撑座61、第一Z轴自动直线滑台62和转接板63，支撑座61装设于自动旋转平台5上，第一Z轴自动直线滑台62通过转接板63装设于支撑座61上，上夹具2装设于第一Z轴自动直线滑台62上，第一Z轴自动直线滑台62可以驱动上夹具2沿Z轴方向做升降运动。

对准装置7包括第一X轴自动直线滑台71、第一Y轴自动直线滑台72、θx轴自动旋转滑台73、θy轴自动旋转滑台74和安装底座75，安装底座75装设于自动旋转平台5上，第一X轴自动直线滑台71、第一Y轴自动直线滑台72、θx轴自动旋转滑台73和θy轴自动旋转滑台74依次叠加装设于安装底座75上，即第一X轴自动直线滑台71安装在安装底座75上，第一Y轴自动直线滑台72安装在第一X轴自动直线滑台71上，θx轴自动旋转滑台73安装在第一Y轴自动直线滑台72上，θy轴自动旋转滑台74安装在θx轴自动旋转滑台73上，下夹具3装设于θy轴自动旋转滑台74上。这样，对准装置7可以驱动下夹具3分别沿X轴和Y轴移动以及绕X轴和Y轴摆动，通过四个自由度的高精度运动并配合上夹具2沿Z轴方向的运动，可实现下器件101与上器件102的对准；同时自动旋转平台5又可驱动对准装置7及下夹具3绕Z轴转动，进而调整下器件101绕Z轴转动的角度，便于进行第二次焊接。在第二次焊接时，采用对准装置7整体旋转的设计，更有利于角度的调整，防止封装时的掉光、侧光现象，很大程度地提高了焊接质量。

各焊接装置4均包括激光出射头41，激光出射头41通过调整装置装设于机架1上并可由调整装置驱动分别沿X轴、Y轴和Z轴移动，激光出射头41的尾部安装有CCD相机48。调整装置包括第二X轴自动直线滑台42、第二Y轴自动直线滑台43、第二Z轴自动直线滑台44和焊接支撑台47，焊接支撑台47装设于机架1上，第二X轴自动直线滑台42、第二Y轴自动直线滑台43和第二Z轴自动直线滑台44依次叠加装设于焊接支撑台47上，即第二X轴自动直线滑台42装设于焊接支撑台47上，第二Y轴自动直线滑台43装设于第二X轴自动直线滑台42上，第二Z轴自动直线滑台44通过转接架45装设于第二Y轴自动直线滑台43上，激光出射头41通过固定架46装设于第二Y轴自动直线滑台43上。通过调整装置调节激光出射头41在X轴、Y轴和Z轴方向的位移，可以调整激光出射头41与对准装置7的相对位置，耦合焊接设备在初始状态时，调整好激光出射头41与对准装置7的相对位置，使激光准确入射到上器件102和下器件101的间隙处，以此保证焊点质量，在工作时焊接装置4一般不需要再次进行调整。在下器件101对准完成后，控制三个激光出射头41使激光入射到上器件102和下器件101之间的间隙处，完成第一次焊接。然后，通过自动旋转平台5使整个对准装置7旋转一定角度（例如60度），使完成第一次焊接后的下器件101也旋转相应角度，再控制三个激光出射头41完成第二次焊接。

上述对准装置7和焊接装置4采用积木组合的方式，实现多自由度位置调整机构的搭建，其适用性强，灵活性大，便于拆卸。由于耦合对准对器件性能的影响较大，对准装置7可采用高精度的滑台，而焊接装置4的滑台精度可相对较低。

上述第一X轴自动直线滑台71、第一Y轴自动直线滑台72、第一Z轴自动直线滑台62、第二X轴自动直线滑台42、第二Y轴自动直线滑台43和第二Z轴自动直线滑台44均可采用现有的自动直线滑台；θx轴自动旋转滑台73和θy轴自动旋转滑台74均可采用现有的自动旋转滑台，各滑台采用步进电机驱动。例如，各自动直线滑台可采用北京赛凡光电仪器有限公司生产的7STA10系列电动平移台，各自动旋转滑台可采用北京赛凡光电仪器有限公司生产的7SGA1系列电动角位台，当然，如果需要各平台具有更高的性能，还可以选择精度更高的平台。

本实施例中，如图5至图10所示，上夹具2包括安装座21、第一夹具头22、第一锁紧套筒23以及装设于安装座21上的伸缩驱动件24，第一夹具头22沿竖直方向固定装设于安装座21上，安装座21紧固安装在第一Z轴自动直线滑台62上。第一夹具头22的下端设有用于夹持上器件102的六个第一弹性夹瓣221，六个第一弹性夹瓣221与第一夹具头22为一体连接结构，且六个第一弹性夹瓣221沿圆周均匀布置形成可使上器件102插入的插孔，第一夹具头22采用65Mn钢制作，并淬火至硬度达到50~70HRC。第一锁紧套筒23同轴套设于第一夹具头22的外部，伸缩驱动件24与第一锁紧套筒23相连，并可驱动第一锁紧套筒23沿第一夹具头22的轴向往复运动。第一夹具头22设有位于六个第一弹性夹瓣221上的第一锥形面222，即第一锥形面222分布在六个第一弹性夹瓣221上；第一锁紧套筒23包括外筒231和铜锥套232，外筒231的材质为LY12硬铝，铜锥套232装设于外筒231的内孔中并通过螺钉与外筒231连接固定，铜锥套232的下端设有用于与第一锥形面222配合迫使六个第一弹性夹瓣221径向向内同步运动的第二锥形面2321，第一锥形面222和第二锥形面2321的锥角均设置为20度。当需要夹紧上器件102时，将上器件102置于六个第一弹性夹瓣221之间的插孔内，伸缩驱动件24驱动第一锁紧套筒23向下运动，铜锥套232的第一锥形面222与第二锥形面2321接触，并迫使六个第一弹性夹瓣221径向向内同步运动夹紧上器件102；当需要卸下上器件102时，伸缩驱动件24驱动第一锁紧套筒23向上运动，第一锥形面222脱离第二锥形面2321，六个第一弹性夹瓣221弹性复位并径向向外运动，从而解除对上器件102的夹紧作用。由于铝质外筒231不耐磨，而铜锥套232的耐磨性好，第一锁紧套筒23采用外筒231和铜锥套232的组合形式，通过铜锥套232与第一弹性夹瓣221接触来迫使第一弹性夹瓣221动作，不仅减少了第一弹性夹瓣221的磨损，同时外筒231可采用成本较低的材料制作，降低了生产制作成本，并且铜锥套232在过度磨损后还可以进行更换。

上夹具2采用多个沿圆周布置的第一弹性夹瓣221来夹紧定位上器件102，具有定心能力强、夹持稳定等优点；同时，在夹紧时由伸缩驱动件24驱动第一锁紧套筒23推动所有第一弹性夹瓣221径向向内同步运动夹紧上器件102，第一夹具头22相对于安装座21固定不动，不会影响上器件102的定位，上器件102装卸方便快捷、效率高。相比普通夹头运动式的夹具，在松开工件的过程中，第一弹性夹瓣221径向向外张开，不会对工件施加一个向上的力，可以减少焊后偏移和光功率的损耗。

本实施例中，上夹具2还包括支撑套筒26，支撑套筒26的下端通过螺钉连接于安装座21上，支撑套筒26的上端通过螺钉连接有顶盖27，伸缩驱动件24装设于顶盖27上，且伸缩驱动件24整体位于支撑套筒26内，顶盖27可以方便的拆装，便于对伸缩驱动件24进行更换。支撑套筒26还设有可打开的侧盖261，侧盖261的下端通过螺钉与安装座21相连，侧盖261的上端通过螺钉与顶盖27相连。

上述伸缩驱动件24的驱动端通过一弹性连接板与外筒231相连，本实施例的弹性连接板采用聚氨酯PU板25，伸缩驱动件24的驱动端连接于聚氨酯PU板25的中部，外筒231的上端具有两个伸出的连接部2311，两个连接部2311分别连接于聚氨酯PU板25的两侧。弹性连接板在实现力传递的同时起到减震和调节作用，其相当于一个弹性联轴器，由于在制造和装配过程中不可避免的存在误差，夹具装配完成后，第一夹具头22的第一锥形面222与铜锥套232的第二锥形面2321之间会存在配合误差，在夹紧过程中，第一锥形面222保持固定，其相当于一个基准面，伸缩驱动件24通过弹性连接板推动外筒231运动，在弹性连接板的作用下可使第二锥形面2321适应第一锥形面222，从而均匀的给第一锥形面222施力，可以保证第一弹性夹瓣221动作的一致性和准确性。

本实施例中，安装座21上通过螺钉固接有定位套211，第一夹具头22穿设于定位套211中，第一夹具头22的中部设有与定位套211的一端相抵的定位台阶，第一夹具头22的上端部螺纹连接有锁紧螺栓28，锁紧螺栓28与定位套211的另一端相抵，从而与定位台阶配合将第一夹具头22锁紧定位在定位套211中，锁紧螺栓28以及紧固定位套211的螺钉位于支撑套筒26内。锁紧螺栓28为特制的非标准螺栓，其包括螺杆部281和螺帽部282，螺帽部282的侧壁上设有多个工具插孔283，多个工具插孔283沿螺帽部282的周向均匀布置，打开侧盖261后可以采用杆件插入工具插孔283中扳动锁紧螺栓28转动，实现拧紧或松开锁紧螺栓28。该第一夹具头22可以方便的进行拆装和更换，打开侧盖261再松卸锁紧螺栓28，即可将第一夹具头22向下直接抽出。这样，仅需更换外部尺寸相同而内部尺寸不同的多个第一夹具头22，就可以适用于不同尺寸和类型的上器件102，大大提高了夹具的通用性，节省了生产成本；并且更换第一夹具头22时，需要拆卸的部件少，可以保持装配的一致性和精度的稳定性。

上述伸缩驱动件24、聚氨酯PU板25、锁紧螺栓28以及紧固定位套211的螺钉位于支撑套筒26内，提高了结构的紧凑性和美观性。

本实施例中，第一夹具头22内设有陶瓷插芯29，第一夹具头22设有用于将光纤侧向引出的通槽223，该通槽223自第一弹性夹瓣221的端部贯通至第一夹具头22的中部，第一锁紧套筒23的侧壁上设有沿通槽223一侧布置的开口槽233。由于在耦合焊接过程中，需要将陶瓷插芯29插入到光纤组件中进行光功率检测，设置通槽223和开口槽233后可先将陶瓷插芯29与光纤组件对接，再整体装入第一夹具头22的插孔中，而通槽223和开口槽233则对与陶瓷插芯29相连的光纤形成避让，使光纤卡入通槽223和开口槽233内并从第一锁紧套筒23的侧面引出。而需要松开光纤组件时，光纤又可沿着通槽223和开口槽233随光纤组件一起脱离上夹具2，这样光纤组件在安装和拆卸的过程中始终与陶瓷插芯29保持连接，便于在耦合焊接过程中在线进行光功率检测，上述陶瓷插芯29为现有技术，在此不再赘述。本实施例的伸缩驱动件24采用气缸，当然，在其他实施例中伸缩驱动件24也可以采用油缸等。

本实施例中，如图11至图14所示，下夹具3包括底座31以及用于夹持下器件101的夹具组件32，夹具组件32包括夹具安装板321以及装设于夹具安装板321上的第二夹具头322，夹具安装板321采用聚四氟乙烯制成，第二夹具头322设有工件插孔327以及四个第二弹性夹瓣3221，工件插孔327为沿轴向贯通第二夹具头322的通孔，四个第二弹性夹瓣3221与第二夹具头322为一体结构，且四个第二弹性夹瓣3221沿圆周布置均匀布置在工件插孔327的一端，工件插孔327内装设于用于给下器件101供电的电极插芯34，电极插芯34的四个槽内设有用于与下器件101引脚连接的导电铜片，下器件101插入第二夹具头322的插孔后其引脚与电极插芯34的导电铜片相接，从而实现在夹持下器件101的同时给下器件101上电，该电极插芯34为现有技术，在此不再赘述。电极插芯34具体是通过弹性浮动机构装设于工件插孔327中，其可沿工件插孔327的轴向浮动，该弹性浮动机构包括伸缩弹簧310和堵头座325，堵头座325装设于工件插孔327与第二弹性夹瓣3221相对的一端，工件插孔327内设有限位台阶326，电极插芯34和伸缩弹簧310装设于堵头座325和限位台阶326之间，其中电极插芯34与限位台阶326相抵，伸缩弹簧310的两端分别与电极插芯34和堵头座325相抵，且电极插芯34的电极端面在未装夹下器件101时伸出第二弹性夹瓣3221的端面（也即整个第二夹具头322的端面），在装夹下器件101时操作人员可以看到电极插芯34的电极端面的槽，便于装夹和操作。

在正常状态下，伸缩弹簧310依靠其弹性作用使电极插芯34保持与限位台阶326相抵接触，当装夹下器件101时，将下器件101压入工件插孔327内，可以推动电极插芯34迫使伸缩弹簧310压缩，实现轴向位置的调整。这样，在装夹下器件101时可以通过调整下器件101的轴向位置来调整下器件101伸出第二夹具头322的长度，保证下器件101正确的装夹位置，这样，可以保证下器件101始终装夹在设定位置，有利于耦合对准工序的自动化控制。

夹具组件32还包括用于驱动所有第二弹性夹瓣3221同步径向向内运动夹紧下器件101的驱动机构，驱动机构包括第二锁紧套筒323以及与第二锁紧套筒323相连的拨杆324，第二锁紧套筒323套设于第二夹具头322上并与第二夹具头322螺纹连接，第二夹具头322设有位于四个第二弹性夹瓣3221上的第三锥面3222，第二锁紧套筒323设有用于与第三锥面3222配合迫使所有第二弹性夹瓣3221同步径向向内运动的第四锥面3231。通过拨杆324可驱使第二锁紧套筒323转动，进而第二锁紧套筒323相对于第二夹具头322上下运动，当第二锁紧套筒323向下运动时第二锁紧套筒323的第四锥面3231与第三锥面3222接触并迫使所有第二弹性夹瓣3221同步径向向内运动夹紧下器件101，当第二锁紧套筒323向上运动时第二锁紧套筒323的第四锥面3231与第三锥面3222脱离，第二弹性夹瓣3221在弹性复位作用下径向向外运动并松开下器件101，该螺旋驱动式的第二锁紧套筒323具有结构简单、更换方便等优点。本实施例的第二夹具头322具体是设有四个第二弹性夹瓣3221，具有定心能力强，夹持稳定等优点，第二夹具头322整体采用65Mn钢制作，并淬火至硬度达到50~70HRC，第三锥面3222的角度为20度。

本发明的夹具还包括用于对下器件101进行轴向安装定位的定位件103，如图15所示，该定位件103呈圆柱体状，圆柱体状的定位件103一端设有定位面1031和定位沉孔1032，定位沉孔1032设于定位面1031上，其直径比下器件101的直径稍大，沉孔的深度为下器件101要伸出第二夹具头322外部的长度。

在装夹下器件101时，将下器件101放入定位件103的定位沉孔1032内，再插入第二夹具头322的工件插孔327中，下器件101推动电极插芯34迫使伸缩弹簧310压缩，直至定位面1031与第二弹性夹瓣3221的端部相抵，然后再使第二夹具头322夹紧下器件101形成径向定位，这样下器件101伸出第二夹具头322的长度等于沉孔的深度，采用定位件103装夹下器件101可保证下器件101端面的高度统一，在与上器件102耦合对准时，上器件102的运动形成可以确定，这样可以保持上器件102运动的重复性和一致性，能够提高耦合效率和产品的合格率。并且设置多套具有不同深度的定位沉孔1032的定位件103，可以满足不同装夹需求。同时，由于工件插孔327的径向尺寸大于电极插芯34的径向尺寸，下器件101的引脚插入电极插芯34的插孔后，下器件101和电极插芯34可以在一定范围内进行径向移动和相对于轴向摆动，第二夹具头322夹紧下器件101时可迫使下器件101自动调整至最佳装夹位置，保证下器件101的轴线与第二夹具头322的轴线一致，这样也有利于在耦合焊接时与上器件102耦合对准，提高耦合对准精度，保证产品的质量。

上述限位机构332包括支架3321以及调节螺钉3322，支架3321上设有竖直布置的螺纹通孔，调节螺钉3322配合装设于该螺纹通孔中，且调节螺钉3322的下端与夹具安装板321的上端相抵，通过调整调节螺钉3322的旋入位置，可以改变夹具组件32上下滑动的范围。

本实施例中，第二夹具头322以螺纹连接方式可拆卸的装设于夹具安装板321上，便于更换不同的第二夹具头322，以用于夹持不同类型的下器件101，第二夹具头322的安装具体是，在夹具安装板321上设有竖直布置的安装通孔，安装通孔沿轴向依次设有螺纹孔3212和夹具头定位孔3213，第二夹具头322装设于安装通孔中，第二夹具头322的中部设有与螺纹孔3212配合的外螺纹，第二夹具头322的端部设有与夹具头定位孔3213配合定位的夹具头定位面3223，这样第二夹具头322通过螺纹与夹具安装板321形成可拆卸连接，同时由于螺纹之间的配合存在间隙，又可通过夹具头定位面3223和夹具头定位孔3213的配合形成定位，保证第二夹具头322与夹具安装板321之间的垂直度。第二夹具头322的安装具体是，在夹具安装板321设有安装通孔，第二夹具头322以螺纹连接在该安装通孔中，上述堵头座325则通过紧固件可拆卸的连接于夹具安装板321上。

本实施例中，夹具组件32沿竖直方向滑设于底座31上，底座31上设有以恒定的支承力支承夹具组件32并可使夹具组件32上下滑动的支承组件33。该支承组件33包括与恒压气源相连的气缸331以及用于限制夹具组件32滑动范围的限位机构332，气缸331装设于底座31上，夹具组件32与气缸331的伸缩杆相连，气缸331通入恒压气体后可将夹具组件32浮动支承在底座31的上方，在不受外力的情况下，夹具组件32在气缸331的支承作用和限位机构332的限位作用下相对于底座31固定不动，当夹具组件32受向下的力时，可克服气缸331的支承力使夹具组件32相对于底座31向下滑动。在需要对下器件101进行角度调整等使下器件101在竖直方向上产生位移的工况下，夹具组件32可以夹持的下器件101沿竖直方向进行自动补偿，能够自动适应下器件101在竖直方向上的位移；同时，在夹具组件32上下滑动的过程中支承组件33的支承力始终保持恒定，不会因位移的变化而增大，保证了在自动补偿过程中下器件101受力的均匀性，不会出现因受力过大而使下器件101损坏或变形的情况；此外，由于夹具组件32可以沿竖直方向运动进行自动补偿，还可降低夹具的制作和装配精度，降低生产制作成本。气缸331的支承力可通过改变恒压气源的压力来调整。

图16和图17分别示出了夹具在正常状态和进行角度调整时沿竖直方向进行补偿的情况，正常状态时，上器件102（同轴型光电子器件的光纤组件）保持固定，夹具夹装下器件101与上器件102上下对接，当调整对接角度时，夹具带着下器件101整体绕某一固定轴旋转，使上器件102和下器件101之间产生夹角，两者之间的距离将变大，此时上器件102对下器件101施加向下的力，迫使夹具组件32克服气缸331的支承力沿着竖直方向向下运动，从而完成竖直方向的补偿。

本实施例中，底座31上设有对称布置的第一安装座311和第二安装座312，第一安装座311和第二安装座312分别通过定位台阶和螺栓与底座31固接，夹具安装板321的一侧端通过导轨组件35与第一安装座311连接并可沿竖直方向滑动，导轨组件35可采用现有常规的滑动导轨，气缸331装设于第二安装座312上，夹具安装板321的另一侧通过螺栓固定连接有推板3211，推板3211与气缸331的伸缩杆相连。气缸331对夹具安装板321的支撑力矩可以抵消下器件101受力后对导轨组件35的力矩，能够减小夹具组件32作用在导轨组件35上的弯曲力矩，进而保证足够的安装精度和一致性，因此，这种双边支撑结构能够使力矩平衡，防止夹具整体变形。

本实施例中，夹具还设有用于检测夹具安装板321位移的位移检测组件，位移检测组件包括涡流式位移传感器36和传感器感应片37，其中，涡流式位移传感器36装设于第一安装座311上，传感器感应片37装设于夹具安装板321上，当夹具安装板321在竖直方向移动时，涡流式位移传感器36可以检测传感器感应片37与底座31的相对位移，也即夹具安装板321与底座31的相对位移，采用涡流式位移传感器36具有精度高、无接触的优点。

本实施例中，底座31上还设有用于在气缸331不工作时支承夹具组件32的支承弹簧38，该支承弹簧38套设安装在与底座31固接的中心柱体上，其下端与底座31相抵，其上端与夹具安装板321之间留有间距，该间距保证在正常工作的情况下支承弹簧38不会与夹具安装板321接触，当气缸331未通入恒压气体时，夹具组件32整体沿导轨组件35下滑，最终支承在支承弹簧38上。

本实施例中，夹具还包括第二转接板39，第二转接板39通过螺栓可拆卸的连接于底座31上，夹具整体可通过第二转接板39安装到耦合焊接设备的运动平台或固定平台上，通过更换不同的第二转接板39，可以方便快速的与不同的运动平台或固定平台连接。同时，底座31设有底座定位孔313，第二转接板39设有定位凸台391，定位凸台391插设于底座定位孔313中形成定位，通过底座定位孔313和定位凸台391的配合可以保证第二转接板39和底座31的相对位置。

本实施例中，自动耦合焊接设备还具有设备外罩8，设备外罩8上设有两组控制按钮，两组控制按钮一一对应分别控制一套耦合焊接单元100，各组控制按钮均包括启动按钮9、急停按钮10、夹紧按钮11、松开按钮12和自动按钮13；夹紧按钮11用于控制上夹具2夹紧上器件102，并控制耦合焊接设备自动运行封装，封装完成后通过松开按钮12控制上夹具2松开上器件102，再使下夹具3松开下器件101，此时可取下焊装完成的同轴型光电子器件，完成整个封装过程。如果运行过程中出现特殊情况，可以按下急停按钮10，使设备立即退出封装过程并停止工作。

设备外罩8上还设有两台用于显示控制操作界面的主机控制显示器14，两台主机控制显示器14与两套耦合焊接单元100一一对应，各主机控制显示器14设于相应耦合焊接单元100的上方，即两台主机控制显示器14分别位于设备外罩8的左上方和右上方。设备外罩8的中上部设有观察显示器15，该观察显示器15用于显示两套耦合焊接单元100对准时耦合区域实时图像，工人能够方便的同时观察到两套耦合焊接单元100的耦合对准以及焊接状况。

本发明设置有两套耦合焊接单元100，在一个工作周期内，一个工人完成了两套器件加工，可成倍减少加工时间，大幅提高生产效率，降低企业成本；并且其合理的人机工程设计，优化系统布局，例如两套耦合焊接单元100的相对角度布局和各显示器的布局，均方便了工人操作，降低了劳动强度，改善了工作环境，提高了生产效率。

各耦合焊接单元100在使用时的工作流程如下：

①上夹具2装夹上器件102，下夹具3装夹下器件101；

②上夹具2向下移动，当下夹具3移动到使上器件102与下器件101相接触时，停止运动；

③控制对准装置7中的四个自动滑台进行角度对准、粗对准和精对准，使上器件102和下器件101耦合对接达到对准标准，该对准标准以上器件102检测的光功率值达到设定阈值为参考；

④对准完成后，使激光出射头41出射激光，完成第一次焊接；

⑤第一次焊接完成后，控制自动旋转平台5转动使整个对准装置7旋转60度，从而使完成第一次焊接后的下器件101旋转60度，再次通过激光完成第二次焊接，最终完成上器件102和下器件101的封装。

⑥按下松开按钮12，将封装后的上器件102和下器件101取出。

本发明用于同轴型光电子器件的双工位型自动耦合焊接设备的工作流程如下：

将两套耦合焊接单元100分别命名为一号单元和二号单元，生产过程中，一号单元完成器件装夹进行对准耦合焊接时，二号单元进行器件装夹；二号单元开始对准耦合焊接时，一号单元完成器件加工，可将器件取下并进行下一次器件装夹；一号单元再次进行准耦合焊接时，二号单元完成器件加工，可将器件取下并进行下一次器件装夹，以此循环。具体操作时间顺序如下表所示：

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于同轴型光电子器件的双工位型自动耦合焊接设备，其特征在于：包括机架（1）以及装设于机架（1）上的两套独立工作的耦合焊接单元（100），各耦合焊接单元（100）均包括上夹具（2）、下夹具（3）、装设于机架（1）上的多个的焊接装置（4）以及装设于机架（1）上并可绕Z轴转动的自动旋转平台（5），所述上夹具（2）通过升降装置（6）装设于自动旋转平台（5）上并可由升降装置（6）驱动沿Z轴升降运动，所述下夹具（3）通过对准装置（7）装设于自动旋转平台（5）上并可由对准装置（7）驱动分别沿X轴移动、沿Y轴移动、绕X轴摆动以及绕Y轴摆动。

2.根据权利要求1所述的用于同轴型光电子器件的双工位型自动耦合焊接设备，其特征在于：两套耦合焊接单元（100）分设于机架（1）上的设定中轴线的两侧，且相对于所述设定中轴线呈120度夹角布置。

3.根据权利要求1所述的用于同轴型光电子器件的双工位型自动耦合焊接设备，其特征在于：所述自动耦合焊接设备还包括设备外罩（8），所述设备外罩（8）上设有两组分别控制两套耦合焊接单元（100）的控制按钮，各组控制按钮均包括启动按钮（9）、急停按钮（10）、夹紧按钮（11）、松开按钮（12）和自动按钮（13）；所述设备外罩（8）上于各耦合焊接单元（100）的上方分别设有一台用于显示其控制操作界面的主机控制显示器（14），所述设备外罩（8）位于两台主机控制显示器（14）之间的中上部还设有用于显示两套耦合焊接单元（100）的对准耦合区域实时图像的观察显示器（15）。

4.根据权利要求1所述的用于同轴型光电子器件的双工位型自动耦合焊接设备，其特征在于：所述对准装置（7）包括第一X轴自动直线滑台（71）、第一Y轴自动直线滑台（72）、θx轴自动旋转滑台（73）、θy轴自动旋转滑台（74）以及装设于自动旋转平台（5）上的安装底座（75），所述第一X轴自动直线滑台（71）、第一Y轴自动直线滑台（72）、θx轴自动旋转滑台（73）和θy轴自动旋转滑台（74）依次叠加装设于所述安装底座（75）上，所述下夹具（3）装设于所述θy轴自动旋转滑台（74）上。

5.根据权利要求1所述的用于同轴型光电子器件的双工位型自动耦合焊接设备，其特征在于：所述升降装置（6）包括支撑座（61）、第一Z轴自动直线滑台（62）和转接板（63），所述支撑座（61）装设于自动旋转平台（5）上，所述第一Z轴自动直线滑台（62）通过转接板（63）装设于支撑座（61）上，所述上夹具（2）装设于所述第一Z轴自动直线滑台（62）上。

6.根据权利要求1所述的用于同轴型光电子器件的双工位型自动耦合焊接设备，其特征在于：所述焊接装置（4）包括激光出射头（41），所述激光出射头（41）通过调整装置装设于机架（1）上并可由调整装置驱动分别沿X轴、Y轴和Z轴移动。

7.根据权利要求6所述的用于同轴型光电子器件的双工位型自动耦合焊接设备，其特征在于：所述调整装置包括第二X轴自动直线滑台（42）、第二Y轴自动直线滑台（43）、第二Z轴自动直线滑台（44）和焊接支撑台（47），所述焊接支撑台（47）装设于机架（1）上，所述第二X轴自动直线滑台（42）、第二Y轴自动直线滑台（43）和第二Z轴自动直线滑台（44）依次叠加装设于焊接支撑台（47）上，所述激光出射头（41）通过固定架（46）装设于所述第二Z轴自动直线滑台（44）上；所述自动耦合焊接设备设有三个焊接装置（4），三个焊接装置（4）绕自动旋转平台（5）的旋转轴线均匀布置；所述激光出射头（41）的尾部还安装有CCD相机（48）。

8.根据权利要求1所述的用于同轴型光电子器件的双工位型自动耦合焊接设备，其特征在于：所述自动旋转平台（5）为电动旋转台。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的用于同轴型光电子器件的双工位型自动耦合焊接设备，其特征在于：所述上夹具（2）包括安装座（21）、第一夹具头（22）、第一锁紧套筒（23）以及用于驱动所述第一锁紧套筒（23）伸缩运动的伸缩驱动件（24），所述第一夹具头（22）固定装设于所述安装座（21）上，所述第一夹具头（22）设有用于夹持上器件（102）的多个第一弹性夹瓣（221），所述多个第一弹性夹瓣（221）沿圆周布置，所述第一锁紧套筒（23）套设于所述第一夹具头（22）的外部，所述伸缩驱动件（24）与所述第一锁紧套筒（23）相连并可驱动所述第一锁紧套筒（23）推动所有第一弹性夹瓣（221）径向向内同步运动；所述第一夹具头（22）设有位于多个第一弹性夹瓣（221）上的第一锥形面（222）；所述第一锁紧套筒（23）包括外筒（231）以及通过紧固件连接于所述外筒（231）中的铜锥套（232），所述铜锥套（232）设有用于与所述第一锥形面（222）配合迫使所有第一弹性夹瓣（221）径向向内同步运动的第二锥形面（2321）。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的用于同轴型光电子器件的双工位型自动耦合焊接设备，其特征在于：所述下夹具（3）包括底座（31）以及用于夹持下器件（101）的夹具组件（32），所述夹具组件（32）包括夹具安装板（321）以及装设于所述夹具安装板（321）上的第二夹具头（322），所述第二夹具头（322）设有工件插孔（327）以及多个沿圆周布置于工件插孔（327）的端部的第二弹性夹瓣（3221），所述工件插孔（327）内设有用于给下器件（101）供电的电极插芯（34），所述电极插芯（34）通过弹性浮动机构装设于工件插孔（327）中并可沿工件插孔（327）的轴向浮动，所述夹具组件（32）还包括用于驱动所有第二弹性夹瓣（3221）同步径向向内运动夹紧下器件（101）的驱动机构。