CN104385578B - 一种激光透射连接夹紧装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种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连接夹紧装置，它包括PC机、液压控制系统、底座、移动压头、还包括：两束激光同时工作控制组件，带有实时反馈的夹紧机构。PC机通过控制两束激光同时工作控制组件，使两束激光沿着各自的路径同时运行；所述带有实时反馈的夹紧机构是根据压力反馈系统的数据实时调节压紧机构的压紧力，其采用多个滚动钢球，提高压紧力的均匀度。本发明可以实现对任意曲面工件的焊接，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，而且能同时焊接出两个焊缝，提高焊接效率。

Description

一种激光透射连接夹紧装置

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连接夹紧装置及其焊接方法。

背景技术

随着塑料行业的不断发展，新型高分子材料以及复合材料层出不穷，已广泛应用于航空航天、汽车、电子封装、建筑、医疗器械等行业。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。

塑料通常分为热塑性塑料和热固性塑料，且热塑性塑料应用更为广泛，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一种新兴的热塑性塑料的焊接方法，它采用的是近红外激光束（800~1060nm）作为激光热源，通过透镜、反射镜或光钎组成的光路传输系统，将激光能量传输到待焊区域。在激光透射焊接过程中，要求上层材料对入射光透明（一定的波长下），下层材料对激光有高的吸收率。当激光穿过透明层材料时，激光能量在下层材料的上表面被高效的吸收，光能转变为热能，形成一定的温度梯度，在热传导的作用下，热量向上、下两个方向传输，上、下层材料紧接着被加热、熔化。在压紧力的作用下分子间相互扩散，经过一段时间后熔池冷却，最终形成焊缝。

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。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，但是大部分焊接夹紧装置不能得到恒定的压紧力。其专利《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。再者，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接，但是有的时候为了加强焊接强度，需要焊接多道焊缝，而该装置一次只能焊接一道焊缝，效率不高，所以如能一次同时加工两道乃至多道焊缝将会大幅度提高加工效率。所以，迫切需要一种能克服以上缺点的装置。

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激光透射连接夹紧装置：该夹紧装置可以实现对任意曲面工件的焊接，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，而且能同时焊接两个焊缝，提高焊接效率，采用多个滚动钢球，提高压紧力的均匀度。

本发明的技术方案是：

一种激光透射连接夹紧装置，它包括PC机和底座，PC机与液压控制系统、压力反馈系统及步进电机控制系统电气连接，其特征是所述的底座上安装有受控于步进电机控制系统的Z轴方向步进电机和X轴方向步进电机，X轴方向步进电机连接有X轴方向丝杆，工作台在X轴方向丝杆的带动下作X方向的水平移动，工作台上安装有底模，底模上安装有下工件，下工件上安装有上工件；Z轴方向步进电机连接有Z轴方向丝杆，Z轴方向丝杆带动支架作Z向移动；所述的压杆的上端与固定在支架上的缸体中的下横板相连，缸体中的上横板与液压顶针相连，液压顶针受控于液压控制系统，在上横板和下横板之间安装有弹簧和压力传感器，压力传感器与压力反馈系统相连；在支架上安装有两个也受控于步进电机控制系统的Y轴方向步进电机，每个Y轴方向步进电机与Y轴方向丝杆相连，Y轴方向丝杆带动对应的激光头底座及安装在激光头底座上的激光头沿Y向导轨作Y方向即前后方向的移动。

所述的压杆的数量为4根，每根压杆的下端均安装有滚动钢球。

所述的X轴方向丝杆的两端分别安装有左挡板和右挡板。

所述的下横杆与缸体底之间也加装有弹簧和压力传感器。

所述的底模是根据下工件形状定制的，底模与下工件形状相适应，其材质为铝合金或钢质材料。

所述的上工件对激光透明，激光可穿透上工件，所述下工件对激光不透明，具有较强吸收激光的能力。

由图1可看出本发明除了包括PC机、液压控制系统、底座和移动压头外还包括：两束激光同时工作控制组件，带有实时反馈的夹紧机构。

所述两束激光同时工作控制组件包括X，Z轴进给机构和两束激光Y轴控制机构。所述X轴进给机构为：步进电机控制系统控制X轴方向步进电机，X轴方向步进电机带动X轴方向丝杆，X轴方向丝杆带动工作台在X轴方向移动，工件安装在工作台上，工作台安装在两测X向导轨之上，X向导轨与X轴方向丝杆平行，X轴方向丝杆与X向导轨都穿过左挡板和右挡板，左挡板安装在X轴方向步进电机与工作台之间，X轴方向丝杆左端与X轴方向步进电机相连，右端终止于右挡板，X向导轨左右端分别终止于左挡板和右挡板。所述两束激光Y轴控制机构为：步进电机控制系统控制两个Y轴方向步进电机，Y轴方向步进电机带动Y轴方向丝杆，Y轴方向丝杆带动激光头底座在Y轴方向移动，两个激光头分别安装在两个激光头底座上, 激光头底座安装在两测Y向导轨之上，Y向导轨与Y轴方向丝杆平行，Y轴方向丝杆与Y向导轨都穿过前挡板和后挡板，前挡板安装在Y轴方向步进电机与激光头底座之间，Y轴方向丝杆前端与Y轴方向步进电机相连，后终止于后挡板，Y向导轨前后端分别终止于前挡板和后挡板；该机构中的两个激光头可以同时焊接出两道焊缝。所述移动压头包括：液压顶针，激光头底座，激光头，压力传感器，弹簧，支架，缸体，压杆和滚动钢球。所述Z轴进给机构为：步进电机控制系统控制Z轴方向步进电机，Z轴方向步进电机带动Z轴方向丝杆，Z轴方向丝杆控制移动压头在Z轴方向移动。所述带有实时反馈的夹紧机构为：液压顶针向下放置，下端有一个横板，压杆最上端也设有一个横板，滚动钢球安装于压杆下端内，用于压紧上工件和下工件，下工件的下面设有一个底模，液压顶针的横板与压杆的横板之间设有1个压力传感器和1个弹簧，压杆的横板下面又设有1个压力传感器和1个弹簧，压力传感器的压力数据传输给压力反馈系统，液压顶针的进油管道和回油管道都连接有电磁阀，电磁阀由液压控制系统控制。在PC机中输入预压紧力，PC机根据压力反馈系统的数据与预压紧力对比的结果控制液压控制系统，液压控制系统控制电磁阀，电磁阀控制液压顶针伸出或者收回，液压顶针伸出或者收回导致压力传感器变化，压力传感器的数据反馈给压力反馈系统，从而实现对任意曲面工件实时反馈的夹紧，且能精确控制压紧力。所述底模是根据下工件形状定制的，底模与下工件形状相适应，其材质为铝合金或钢质材料。所述的上工件对激光透明，激光可穿透上工件，所述下工件对激光不透明，具有较强吸收激光的能力。

本发明的PC机能根据焊接点的位置，通过控制光学系统来控制激光的焦点位置和开启关闭时间，从而实现两束激光同时焊接，实现激光透射连接。

根据上工件和下工件的形状和预焊接区域，PC机生成控制程序指令，然后传输给步进电机控制系统；步进电机控制系统控制工作台X轴方向运动，移动压头Z轴方向运动和分别控制两个激光头Y轴方向运动；在PC机中输入预压紧力，PC机根据压力反馈系统的数据与预压紧力对比的结果控制液压控制系统，液压控制系统控制4个（图中只画了2个）液压顶针上下运动；4对上下压力传感器（图中只画了2对）把实时压力传输给压力反馈系统。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供了压紧力实时反馈系统，能实时监控压紧力，并且实时调整压紧力等于预压力，而压紧力的大小和均匀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。

2、与一般的装置相比，本发明装有两个激光头，可以同时焊接两道焊缝，对一些需要焊接多道焊缝的焊接，本装置能大幅度提高效率。

3、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。

4、本发明不仅能在平面工件上进行简单的二维焊接，而且也能在三维曲面上进行焊接。

5、本发明有4个滚动钢球，该设计方法可以有效提高压紧力的均匀度，提高焊接质量，同时采用了液压系统，压力稳定可调。

附图说明

图1是本发明的总体示意图。

图2是本发明的X轴进给机构示意图。

图3是本发明的两束激光Y轴控制机构示意图。

图中：1为液压顶针，2为液压控制系统，3为激光头底座，4为激光头，5为激光，6为压力传感器，7为弹簧，8为压杆，9为滚动钢球，10为上工件，11为下工件，12为支架，13 为Z轴方向步进电机，14为Z轴方向丝杆，15为底座，16为右挡板，17 为X轴方向丝杆，18为工作台，19为底模，20为X轴方向步进电机，21为左挡板，22为步进电机控制系统，23为压力反馈系统，24为缸体，25为PC机，26为X向导轨，27为Y轴方向步进电机，28为前挡板，29为Y向导轨，30为后挡板，31为 Y轴方向丝杆。

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1-3所示，

一种激光透射连接夹紧装置，它包括PC机25和底座15，PC机25与液压控制系统2、压力反馈系统23及步进电机控制系统22电气连接，其特征是所述的底座15上安装有受控于步进电机控制系统22的Z轴方向步进电机13和X轴方向步进电机20，X轴方向步进电机20连接有X轴方向丝杆17，X轴方向丝杆17的两端分别安装有左挡板21和右挡板16，工作台18在X轴方向丝杆17的带动下作X方向的水平移动，工作台18上安装有与下工件11形状相适应的底模19，底模19上安装有下工件11，下工件11上安装有上工件10；Z轴方向步进电机13连接有Z轴方向丝杆14，Z轴方向丝杆14带动支架12作Z向移动；压杆8的数量为4个，图1中因投影关系仅示出了两个，每根压杆8的上端与固定在支架12上的缸体24中的下横板相连，缸体24中的上横板与液压顶针1相连，液压顶针1受控于液压控制系统2，在上横板和下横板之间安装有弹簧7和压力传感器6，压力传感器6与压力反馈系统23相连，下横杆与缸体底之间也加装有弹簧7和与压力反馈系统23相连的压力传感器6；在支架12上安装有两个也受控于步进电机控制系统22的Y轴方向步进电机27，每个Y轴方向步进电机27与Y轴方向丝杆31相连，Y轴方向丝杆31带动对应的激光头底座3及安装在激光头底座3上的激光头4沿Y向导轨29作Y方向即前后方向的移动。底模19是根据下工件11定制，底模19和下工件11能配合在一起，其材料为铝合金或钢质材料。上工件10对激光5透明，下工件11对激光5不透明，具有较强吸收激光5的能力。

本发明的使用方法如下：

（1）设有不规则上工件10和下工件11，焊缝为2条直线，根据下工件11制作底模19，下工件11和底模19配合，底模19为钢质材料，把上工件10放在下工件11上方，底模19放在下工件11下方，把上工件10，下工件11和底模19一起安放在工作台18上，根据上工件10和下工件11的形状和预焊接区域，在PC机25生成控制程序指令，然后传输给步进电机控制系统22，步进电机控制系统22控制X轴方向步进电机20，X轴方向步进电机20带动X轴方向丝杆17，X轴方向丝杆17带动工作台18在X轴方向移动到焊接起始位置；步进电机控制系统22控制Z轴方向步进电机13，Z轴方向步进电机13带动Z轴方向丝杆14，Z轴方向丝杆14控制移动压头在Z轴方向移动到焊接起始位置；步进电机控制系统22分别控制两个Y轴方向步进电机27，Y轴方向步进电机27带动Y轴方向丝杆31，Y轴方向丝杆31带动激光头4在Y轴方向移动到焊接起始位置；总之，步进电机控制系统22控制工作台18在X轴方向移动到焊接起始位置，控制移动压头在Z轴方向移动到焊接起始位置和分别控制两个激光头4在各自Y轴方向移动到焊接起始位置。

（2）在PC机25中输入预压紧力，PC机25根据压力反馈系统23的数据与预压紧力对比的结果控制液压控制系统2，液压控制系统2控制电磁阀，电磁阀控制液压顶针1伸出或者收回，液压顶针1伸出或者收回导致压紧力的变化，同时压力传感器6也会发生相应的变化，压力传感器6把此时的压紧力反馈给压力反馈系统23，从而控制4个滚动钢球9处的压紧力达到预压值。

（3）运行程序，PC机25根据焊接点的位置，通过控制光学系统来控制两个激光头4开启时间；运行程序后，步进电机控制系统22通过控制X轴方向步进电机20，两个Y轴方向步进电机27和Z轴方向步进电机13来分别控制两个激光头4沿着各自的路径运行。

（4）在焊接的过程中，由于上工件10和下工件11外形等原因，滚动钢球9对上工件10施加的压紧力也会发生变化，同时压力传感器6上的数值也会发生相应的变化，该数值也会反馈给压力反馈系统23，PC机25根据压力反馈系统23的数据与预压紧力对比的结果控制液压控制系统2做出相应的调整，液压控制系统2再控制4个液压顶针1做出相应的运动，从而控制压紧力稳定在预压值上，提高焊接质量。

（5）在焊接的过程中，PC机25根据焊接点的位置和移动压头的位置，通过控制光学系统来调节两个激光头4发出的激光5的焦点位置。

（6）最后PC机25根据焊接点的位置来控制两个激光头4关闭时间，自此，该激光透射连接夹紧装置完成了上工件10和下工件11上两道焊缝的焊接工作。

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。如：根据焊缝道数，修改激光头数；修改压杆的数量。

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 (3)

1.一种激光透射连接夹紧装置，它包括PC机（25）和底座（15），PC机（25）与液压控制系统（2）、压力反馈系统（23）及步进电机控制系统（22）电气连接，其特征是所述的底座（15）上安装有受控于步进电机控制系统（22）的Z轴方向步进电机（13）和X轴方向步进电机（20），X轴方向步进电机（20）连接有X轴方向丝杆（17），工作台（18）在X轴方向丝杆（17）的带动下作X方向的水平移动，工作台（18）上安装有与下工件（11）形状相适应的底模（19），底模（19）上安装有下工件（11），下工件（11）上安装有上工件（10）；Z轴方向步进电机（13）连接有Z轴方向丝杆（14），Z轴方向丝杆（14）带动支架（12）作Z向移动；压杆（8）的上端与固定在支架（12）上的缸体（24）中的下横板相连，缸体（24）中的上横板与液压顶针（1）相连，液压顶针（1）受控于液压控制系统（2），在上横板和下横板之间安装有弹簧（7）和压力传感器（6），压力传感器（6）与压力反馈系统（23）相连；在支架（12）上安装有两个也受控于步进电机控制系统（22）的Y轴方向步进电机（27），每个Y轴方向步进电机（27）与Y轴方向丝杆（31）相连，Y轴方向丝杆（31）带动对应的激光头底座（3）及安装在激光头底座（3）上的激光头（4）沿Y向导轨（29）作Y方向即前后方向的移动；所述的压杆（8）的数量为4根，每根压杆（8）的下端均安装有滚动钢球（9）；所述的底模（19）是根据下工件（11）定制的，底模（19）和下工件（11）能配合在一起，底模（19）的材质为铝合金或钢质材料。

2.根据权利要求1所述的激光透射连接夹紧装置，其特征是所述的X轴方向丝杆（17）的两端分别安装有左挡板（21）和右挡板（16）。

3.根据权利要求1所述的激光透射连接夹紧装置，其特征是所述的上工件（10）是对激光（5）透明的热塑性聚合物，所述下工件（11）是对激光（5）不透明的具有较强吸收激光（5）能力的热塑性聚合物、钛合金或不锈钢。