CN104369368A - 一种多滚轮式激光透射焊接夹紧装置 - Google Patents

Abstract

一种用于热塑性塑料间或者热塑性塑料与金属材料间的多滚轮式激光透射焊接夹紧装置，它包括PC机，步进电机控制系统，X，Y，Z轴进给系统，激光头，还包括：施压机构和压紧机构；液压控制系统调节液压小顶针，使每组两个滚轮向下的压紧力和等于预压紧力且两个滚轮向下的压紧力相等；压紧机构中的底模和活动压紧装置配合对上工件和下工件进行夹紧，实现对曲面工件的夹紧；步进电机控制系统控制激光沿着预定路线移动，实现对曲面工件的焊接；该热塑性塑料的激光透射焊接夹紧装置可以实现对曲面工件的焊接，同时能精确控制焊接路径和压紧力，提高焊接件的整体强度和刚度，采用多个滚轮压紧，避免单个点接触，提高加工工件的质量。

Description

一种多滚轮式激光透射焊接夹紧装置

技术领域

本发明涉及激光透射焊接领域，特别涉及用于热塑性塑料间或者热塑性塑料与金属材料间的激光透射焊接夹紧装置，具体地说是一种多滚轮式激光透射焊接夹紧装置。

背景技术

塑料制品具有重量轻、强度高、密度低、成本低、弹性优良、耐腐蚀等优点，因此塑料应用越来越广泛，尤其热塑性塑料。大多数热塑性塑料制品都为模制品，受注塑、挤塑加工工艺和模具制作等多方面的影响，很多形状不规则或结构复杂的塑料制品很难一次注塑成型，通常最经济、有效的方法是将多个简单的注塑件组合在一起，因此，出现了各种各样的热塑性塑料的连接方法。传统的机械连接方法由于易损伤元器件、连接不牢固和外来物质的引入等缺点而得不到广泛使用。激光透射焊接相比于传统的焊接方法有着诸多的优点，比如，形成精密、牢固、密封的焊缝；易于控制，能实现自动化生产；焊接热影响区小；焊接速度快，质量高，焊缝位于材料界面处；焊接热应力和振动应力小；能够实现异种材料的焊接，是目前热塑性塑料间以及热塑性塑料与金属之间最具有潜力的焊接方法。

激光透射焊接技术是未来发展的趋势，但是其也面临一大难题，就是焊接夹紧装置。首先，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，但是实际应用中三维焊接件的应用越来越多。其次，专利《激光透射焊接随动夹紧装置》，申请号为：201210462627.X，该装置虽然可以实现三维焊缝的焊接，但是夹紧力不均匀，根据相关研究，焊接过程中，压紧力的大小和是否均匀对焊接件的质量有很大影响。再者，莱丹公司发明的Globo焊接装置比较巧妙，其焊接头部有一个玻璃球，这个玻璃球既能对激光束聚焦，又能施加压紧力，其主要优点是能够实现任意三维焊缝的焊接，且结构紧凑，但是它采用的是单个点接触，容易导致焊接后应力集中，此外该玻璃球长时间滚动摩擦容易导致玻璃球表面磨损，使玻璃球光学性能变差，所以，迫切需要一种能克服这些缺点的装置。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，设计一种热塑性塑料间及热塑性塑料与金属之间的多滚轮式激光透射焊接夹紧装置，它可以实现对曲面工件的焊接，同时能精确控制焊接路径和压紧力，提高焊接件的整体强度和刚度，采用多个滚轮压紧，避免单个点接触，提高加工工件的质量。

本发明的技术方案是：

一种多滚轮式激光透射焊接夹紧装置，它包括PC机，步进电机控制系统，X，Y，Z轴进给系统和激光头，其特征是它还包括施压机构和压紧机构；所述施压机构包括液压控制系统和液压小顶针，液压控制系统通过电磁阀控制液压小顶针的进油管道和出油管道的通断来控制液压小顶针伸出或者收回，液压小顶针安装于上移动板内且向下放置，液压小顶针的下端有一个上横板，上横板安装在施力筒中；所述的压紧机构包括底模和活动压紧装置；所述的活动压紧装置包括压杆、活动压紧平台、滚轮底座和滚轮，压杆的上端伸入施力筒中并连接有下横板，活动压紧平台与压杆的下端铰接相连，滚轮底座可转动地安装在活动压紧平台上，滚轮安装在滚轮底座上并能对上工件和下工件进行施压以便进行激光焊接；在施力筒中，液压小顶针下端的上横板与压杆上端的下横板之间设有压力传感器和弹簧，弹簧的上下端分别固定在上下两个横板上，压力传感器的压力数据传输给液压控制系统；液压控制系统根据压力传感器的数据与PC机设定的预压紧力进行比对，进而控制电磁阀，电磁阀控制液压小顶针伸出或者收回，液压小顶针伸出或者收回导致压力传感器数据变化，压力传感器的数据反馈给液压控制系统，从而实现实时反馈的夹紧，且能精确控制压紧力；所述的上工件和下工件安装在底模上，底模安装在工作台上，工作台安装在底座上，工作台在步进电机控制系统及相应的驱动机构的驱动控制下能在底座上作水平面的左右移动从而带动工件作左右移动；所述的上移动板安装在右移动板上，并能在步进电机控制系统及相应的驱动机构的驱动控制下在右移动板上作上下移动从而带动其上安装的施压机构和活动压紧机构作上下移动，所述的右移动板能在步进电机控制系统及相应的驱动机构的驱动控制下在底座上作水平面的前后移动；激光头安装在上移动板上，上移动板能在步进电机控制系统及相应的驱动机构的驱动控制下在右移动板上作上下移动从而使激光头发出的激光聚焦在焊接位置处；所述的步进电机控制系统受控于PC机。

所述的每个活动压紧平台上均安装有两个滚轮底座，每个滚轮底座均安装有一个滚轮，滚轮底座在水平面内可以做360度旋转。

所述的底模是根据下工件定制的，底模和下工件能配合在一起，其材质为铝合金或钢质材料。

所述的每组两个滚轮向下的压紧力相等，滚轮与底模配合对上工件和下工件进行夹紧，从而实现对曲面工件的夹紧；步进电机控制系统通过控制X轴方向步进电机和Y轴方向步进电机，使激光沿着预定路径焊接，从而精确控制焊接路径；步进电机控制系统控制Z轴方向步进电机，使激光的焦点位于上工件和下工件的交接面上，最终实现对工件的焊接。

本发明的多滚轮式激光透射焊接夹紧装置共包括2组施压机构和对应的活动压紧装置。

所述的上工件是对激光透明的热塑性聚合物，所述下工件是对激光不透明的具有较强吸收激光能力的热塑性聚合物或钛合金、不锈钢等金属材料。

本发明的有益效果是：

1、 本发明不仅能在平面工件上进行简单的二维焊接，而且也能在一些三维曲面上进行焊接。

2、本装置采用数控编程技术，能精确控制焊接位置，实现精细焊接，焊接路径也可以任意选择。

3、本发明采用多个滚轮压紧，避免单个点接触，提高加工工件的质量。

4、本发明提供了压紧力实时控制系统，能实时监控压紧力，并且实时调整压紧力等于预压紧力，而压紧力的大小对焊接件的质量有很大的影响，所以本发明能大幅度提高焊接的质量。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图。

图2是本发明的压紧机构的局部结构侧视示意图。

图3是本发明的底座的结构示意图。

图4是本发明的Z轴进给系统示意图。

图5是本发明的活动夹紧机构的主视和侧视示意图。

图6是本发明的施压机构示意图。

图中：1为PC机，2为液压控制系统，3为液压小顶针，4为激光头，5为上移动板，6为上挡板，7为Z轴方向丝杆，8为Z轴方向步进电机，9为右移动板，10为下挡板，11为前挡板，12为底座，13为Y轴方向步进电机，14为右挡板，15为X轴方向丝杆，16为工作台，17为下工件，18为上工件，19为滚轮，20为压杆，21为激光，22为底模，23为左挡板，24为X轴方向步进电机，25为步进电机控制系统，26为X向导轨，27为后挡板，28为Y向导轨，29为Y轴方向丝杆，30为Z向导轨，31为活动压紧平台，32为滚轮底座，33为压力传感器，34为弹簧，35为上横板，36为施力筒，37为下横板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-6所示。

一种多滚轮式激光透射焊接夹紧装置，它包括PC机1，步进电机控制系统25，X，Y，Z轴进给系统和激光头4、施压机构和压紧机构，如图1、2所示。

其中：

所述X轴进给机构为：步进电机控制系统25控制X轴方向步进电机24，X轴方向步进电机24带动X轴方向丝杆15，X轴方向丝杆15带动工作台16在X轴方向移动，上工件18，下工件17和底模22按照从上到下的顺序安装在工作台16上，工作台16安装在两测X向导轨26之上，X向导轨26与X轴方向丝杆15平行，X轴方向丝杆15与X向导轨26都穿过左挡板23和右挡板14，左挡板23安装在X轴方向步进电机24与工作台16之间，X轴方向丝杆15左端与X轴方向步进电机24相连，右端终止于右挡板14，X向导轨26左右端分别终止于左挡板23和右挡板14。

Y轴进给机构为：步进电机控制系统25控制Y轴方向步进电机13，Y轴方向步进电机13带动Y轴方向丝杆29，Y轴方向丝杆29带动右移动板9在Y轴方向移动，右移动板9安装在两测Y向导轨28之上，Y向导轨28与Y轴方向丝杆29平行，Y轴方向丝杆29与Y向导轨28都穿过前挡板11和后挡板27，前挡板11安装在Y轴方向步进电机13与右移动板9之间，Y轴方向丝杆29前端与Y轴方向步进电机13相连，后端终止于后挡板27，Y向导轨28前后端分别终止于前挡板11和后挡板27，如图3所示。

所述Z轴进给机构为：步进电机控制系统25控制Z轴方向步进电机8，Z轴方向步进电机8带动Z轴方向丝杆7，Z轴方向丝杆7带动上移动板5在Z轴方向移动，上移动板5安装在两测Z向导轨30之上，Z向导轨30与Z轴方向丝杆7平行，Z轴方向丝杆7与Z向导轨30都穿过上挡板6和下挡板10，上挡板6安装在Z轴方向步进电机8与上移动板5之间，Z轴方向丝杆7上端与Z轴方向步进电机8相连，下端终止于下挡板10，Z向导轨30上下端分别终止于上挡板6和下挡板10，如图4。激光头4安装在上移动板5上，上移动板5能在步进电机控制系统25及Z轴进给机构的驱动控制下在右移动板9上作上下移动从而使激光头4发出的激光21聚焦在焊接位置处。

X，Y轴进给机构安装在底座12上，Z轴进给机构安装在右移动板9上。

所述施压机构如图6所示，它包括液压控制系统2和液压小顶针3，液压控制系统2通过电磁阀控制液压小顶针3的进油管道和出油管道的通断来控制液压小顶针3伸出或者收回，液压小顶针3安装于上移动板5内且向下放置，液压小顶针3的下端有一个上横板35，上横板35安装在施力筒36中。

所述的活动压紧机构如图2、5所示，它包括压杆20、活动压紧平台31、滚轮底座32和滚轮19，压杆20的上端伸入施力筒36中并连接有下横板37，活动压紧平台31与压杆20的下端铰接相连，滚轮底座32可转动地安装在活动压紧平台31上，滚轮19安装在滚轮底座32上并能对上工件18和下工件17进行施压以便进行激光焊接。在施力筒36中、液压小顶针3下端的上横板35与压杆20上端的下横板37之间设有压力传感器33和弹簧34，弹簧34的上下端分别固定在上下两个横板上，压力传感器33的压力数据传输给液压控制系统2；液压控制系统2根据压力传感器33的数据与PC机1设定的预压紧力进行比对，进而控制电磁阀，电磁阀控制液压小顶针3伸出或者收回，液压小顶针3伸出或者收回导致压力传感器33数据变化，压力传感器33的数据反馈给液压控制系统2，从而实现实时反馈的夹紧，且能精确控制压紧力；所述的上工件18和下工件17安装在底模22上，底模22安装在工作台16上，工作台16安装在底座12上，工作台16在步进电机控制系统25及相应的驱动机构的驱动控制下能在底座12上作水平面的左右移动从而带动工件作左右移动；所述的上移动板5安装在右移动板9上，并能在步进电机控制系统25及相应的驱动机构的驱动控制下在右移动板9上作上下移动从而带动其上安装的施压机构和活动压紧机构作上下移动，所述的右移动板9能在步进电机控制系统25及相应的驱动机构的驱动控制下在底座12作水平面的前后移动；激光头4安装在上移动板5上，所述的步进电机控制系统25受控于PC机1。

所述施压机构工作过程如下：液压控制系统2控制电磁阀，电磁阀通过控制液压小顶针3的进油管道和出油管道来控制液压小顶针3伸出或者收回，液压小顶针3安装于上移动板5内且向下放置，下端有一个上横板35，压杆20最上端也设有一个下横板37，活动压紧机构通过铰连接连接在压杆20最下端，用于压紧上工件18和下工件17，液压小顶针3的上横板35与压杆20的下横板37之间设有1个压力传感器33和1个弹簧34，弹簧34上下端分别固定在上下两个横板上，压力传感器33的压力数据传输给液压控制系统2。

所述液压小顶针3安装结构为：在上移动板5上开设十字形凹槽，凹槽内开设沉头通孔，孔内安置液压小顶针3,液压小顶针3的顶针杆末端竖直向下放置，液压小顶针3的顶针杆末端有一个上横板35。

所述压紧机构具体为底模22和活动压紧装置，所述底模22是根据下工件17定制的，底模22和下工件17能配合在一起，其材质为铝合金或钢质材料。

所述活动压紧装置具体如下：活动压紧平台31与压杆20通过铰连接进行连接，用于把施压机构的压紧力传递给压紧装置，二者在XZ平面内可以发生相对转动，两个滚轮底座32安装于活动压紧平台31两端上，滚轮底座32在XY平面内可以做360度旋转，滚轮19安装于滚轮底座32内，两者通过铰连接进行连接，滚轮19可以滚动。

具体实施时可设计两套施压机构和对应的活动压紧装置。所述的上工件18应采用对激光21透明的材料制造，激光21可穿透上工件18，所述下工件17应对激光21不透明，具有较强吸收激光21的能力。

在PC机1中输入预压紧力，液压控制系统2根据压力传感器33的数据与预压紧力对比的结果控制电磁阀，电磁阀控制液压小顶针3伸出或者收回，最终实现压杆20向下的压紧力等于预压紧力，每组活动压紧装置中的活动压紧平台31和滚轮底座32再把压杆20向下的压紧力传递给两个滚轮19，且两个滚轮19向下的压紧力相等，两个滚轮19向下的压紧力之和也等于预压紧力；根据平台上上工件18和下工件17的形状和预焊接区域，PC机1生成控制程序指令，接着步进电机控制系统25通过控制X轴方向步进电机24和Y轴方向步进电机13，使激光21沿着预定路径焊接，从而精确控制焊接路径；步进电机控制系统25控制Z轴方向步进电机8，使激光21的焦点位于上工件18和下工件17的交接面上，最终实现对工件的焊接。

本发明的焊接方法为：

（1）设有不规则上工件18和下工件17放置在工作台16上，根据下工件17制作底模22，下工件17和底模22配合，底模22为钢质材料，把上工件18放在下工件17上方，底模22放在下工件17下方，把上工件18，下工件17和底模22一起安放在工作台16上，根据上工件18和下工件17的形状和预焊接区域，在PC机1生成控制程序指令，然后传输给步进电机控制系统25，步进电机控制系统25控制X轴方向步进电机24，X轴方向步进电机24带动X轴方向丝杆15，X轴方向丝杆15带动工作台16在X轴方向移动到焊接起始位置；步进电机控制系统25控制Y轴方向步进电机13，Y轴方向步进电机13带动Y轴方向丝杆29，Y轴方向丝杆29控制右移动板9在Y轴方向移动到焊接起始位置；步进电机控制系统25控制Z轴方向步进电机8，Z轴方向步进电机8带动Z轴方向丝杆7，Z轴方向丝杆7控制上移动板5在Z轴方向移动到焊接起始位置。

（2）在PC机1中输入预压紧力，液压控制系统2根据压力传感器33的数据与PC机1传输来的预压紧力对比的结果控制电磁阀做出相应的动作，电磁阀通过控制液压小顶针3的进油管道和出油管道来控制液压小顶针3伸出或者收回，同时压力传感器33的数据也会发生相应的变化，这样就能使压杆20向下的压紧力等于预压紧力，每组活动压紧装置中的活动压紧平台31和滚轮底座32再把此压紧力传递给两个滚轮19，且两个滚轮19向下的压紧力相等。

（3）运行程序后，步进电机控制系统25通过控制X轴方向步进电机24和Y轴方向步进电机13，使激光21沿着预定路径焊接，从而精确控制焊接路径；步进电机控制系统25控制Z轴方向步进电机8，使激光21的焦点位于上工件18和下工件17的交接面上。

（4）在焊接的过程中，由于上工件18和下工件17外形等原因，滚轮19对上工件18的压紧力会发生变化，压力传感器33的数据也会发生相应的变化，液压控制系统2根据压力传感器33的数据与PC机1传输来的预压紧力对比的结果控制电磁阀做出相应的动作，使液压小顶针3伸出或者收回，最终使每组活动压紧装置中两个滚轮19对上工件18向下的压紧力之和等于预压紧力。

（5）焊接结束后，X轴方向步进电机24，Y轴方向步进电机13， Z轴方向步进电机8和液压小顶针3复原位，自此，该激光透射焊接夹紧装置完成了上工件18和下工件17的焊接工作。

在未背离本发明原理的情况下，所作的任何修改，简化等替换方式，都包括在本发明的保护范围之内。

本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种多滚轮式激光透射焊接夹紧装置，它包括PC机（1），步进电机控制系统（25），X，Y，Z轴进给系统和激光头（4），其特征是它还包括施压机构和压紧机构；所述施压机构包括液压控制系统（2）和液压小顶针（3），液压控制系统（2）通过电磁阀控制液压小顶针（3）的进油管道和出油管道的通断来控制液压小顶针（3）伸出或者收回，液压小顶针（3）安装于上移动板（5）内且向下放置，液压小顶针（3）的下端有一个上横板（35），上横板（35）安装在施力筒（36）中；所述的压紧机构包括底模（22）和活动压紧装置；所述的活动压紧装置包括压杆（20）、活动压紧平台（31）、滚轮底座（32）和滚轮（19），压杆（20）的上端伸入施力筒（36）中并连接有下横板（37），活动压紧平台（31）与压杆（20）的下端铰接相连，滚轮底座（32）可转动地安装在活动压紧平台（31）上，滚轮（19）安装在滚轮底座（32）上并能对上工件（18）和下工件（17）进行施压以便进行激光焊接；在施力筒（36）中，液压小顶针（3）下端的上横板（35）与压杆（20）上端的下横板（37）之间设有压力传感器（33）和弹簧（34），弹簧（34）的上下端分别固定在上下两个横板上，压力传感器（33）的压力数据传输给液压控制系统（2）；液压控制系统（2）根据压力传感器（33）的数据与PC机（1）设定的预压紧力进行比对，进而控制电磁阀，电磁阀控制液压小顶针（3）伸出或者收回，液压小顶针（3）伸出或者收回导致压力传感器（33）数据变化，压力传感器（33）的数据反馈给液压控制系统（2），从而实现实时反馈的夹紧，且能精确控制压紧力；所述的上工件（18）和下工件（17）安装在底模（22）上，底模（22）安装在工作台（16）上，工作台（16）安装在底座（12）上，工作台（16）在步进电机控制系统（25）及相应的驱动机构的驱动控制下能在底座（12）上作水平面的左右移动从而带动工件作左右移动；所述的上移动板（5）安装在右移动板（9）上，并能在步进电机控制系统（25）及相应的驱动机构的驱动控制下在右移动板（9）上作上下移动从而带动其上安装的施压机构和活动压紧机构作上下移动，所述的右移动板（9）能在步进电机控制系统（25）及相应的驱动机构的驱动控制下在底座（12）上作水平面的前后移动；激光头（4）安装在上移动板（5）上，上移动板（5）能在步进电机控制系统（25）及相应的驱动机构的驱动控制下在右移动板（9）上作上下移动从而使激光头（4）发出的激光（21）聚焦在焊接位置处；所述的步进电机控制系统（25）受控于PC机（1）。

2.根据权利要求1所述的多滚轮式激光透射焊接夹紧装置，其特征是所述的每个活动压紧平台（31）上均安装有两个滚轮底座（32），每个滚轮底座（32）均安装有一个滚轮（19），滚轮底座（32）在水平面内可以做360度旋转。

3.根据权利要求1所述的多滚轮式激光透射焊接夹紧装置，其特征是所述的底模（22）是根据下工件（17）定制的，底模（22）和下工件（17）能配合在一起，其材质为铝合金或钢质材料。

4.根据权利要求1所述的多滚轮式激光透射焊接夹紧装置，其特征是所述的每组两个滚轮（19）向下的压紧力相等，滚轮（19）与底模（22）配合对上工件（18）和下工件（17）进行夹紧，从而实现对曲面工件的夹紧；步进电机控制系统（25）通过控制X轴方向步进电机（24）和Y轴方向步进电机（13），使激光（21）沿着预定路径焊接，从而精确控制焊接路径；步进电机控制系统（25）控制Z轴方向步进电机（8），使激光（21）的焦点位于上工件（18）和下工件（17）的交接面上，最终实现对工件的焊接。

5.根据权利要求1所述的多滚轮式激光透射焊接夹紧装置，其特征是它包括2组施压机构和对应的活动压紧装置。

6.根据权利要求1所述的多滚轮式激光透射焊接夹紧装置，其特征是所述的上工件（18）是对激光（21）透明的热塑性聚合物，所述下工件（17）是对激光（21）不透明的具有较强吸收激光（21）能力的热塑性聚合物或钛合金、不锈钢等金属材料。