CN104385579B - 一种浮动式激光透射焊接夹紧装置 - Google Patents

Abstract

一种浮动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，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，使两个滚轮向下的压紧力之和等于预压紧力；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，避免加工后出现应力集中，提高加工工件的质量。

Description

一种浮动式 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，具体地说是一种浮动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），下层材料对激光有很高的吸收率。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。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，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浮动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，避免加工后出现应力集中，提高加工工件的质量。

本发明的技术方案是：

一种浮动式激光透射焊接夹紧装置，其特征是它包括PC机、步进电机控制系统、底模、X，Y，Z轴进给系统、施压机构和浮动压紧机构， X轴进给系统在步进电机控制系统的控制下使安装有上工件、下工件和底模的工作台运动到X轴焊接起始位置处，Y轴进给系统在步进电机控制系统的控制下使右移动板带动施压机构和浮动压紧机构沿Y轴向移动到焊接起始位置处，PC机控制施压机构给浮动压紧机构施加设定的预压力作用于上工件及下工件上，Z轴进给系统在步进电机控制系统的控制下带动安装在上移动板上的激光头上下移动以便使激光的焦点位于上工件和下工件的交接面上。

所述的施压机构包括液压控制系统和液压小顶针，液压控制系统控制电磁阀，电磁阀通过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，液压小顶针的下端连接有上横板；所述的浮动压紧机构包括压杆、活动压紧平台、弹簧、缸体、滚轮底座和滚轮，压杆最上端设有一个下横板，活动压紧平台连接在压杆的最下端，用于压紧上工件和下工件的滚轮安装在活动压紧平台的下部，在液压小顶针下端的上横板与压杆上端的下横板之间安装有压力传感器和施力弹簧，弹簧上下端分别固定在所述的上横板和下横板上，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2个压力传感器的压力和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。

所述的施压机构的数量为两个，两个施压机构通过各自的压杆同时作用在一个活动压紧平台上，且两个压杆同时上下运动，保证活动压紧平台水平，在活动压紧平台的中间设有供激光通过的激光孔。

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。

所述的活动压紧平台与2个压杆都连接在一起，用于把施压机构的压紧力传递给浮动压紧机构，两个缸体安装于活动压紧平台两端上，滚轮底座在XY平面内可以做360度旋转，滚轮底座上端有一个横板，此横板在缸体内，横板和活动压紧平台之间有1个弹簧，此弹簧上下端都不固定以实现浮动夹紧，滚轮安装于滚轮底座内，两者通过铰连接进行连接，滚轮可以滚动。

所述的液压控制系统根据2个压力传感器的压力和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伸出或者收回，最终实现2个压杆向下的压紧力和等于预压紧力，活动压紧平台和滚轮底座再把压紧力传递给两个滚轮，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。

所述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，避免加工后出现应力集中，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。

5、本发明的压紧滚轮采用弹性浮动结构，有利于对曲面的施压，可减少预压力调整次数，减化液压控制系统的复杂程度。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图。

图2是本发明的底座的结构示意图。

图3是本发明的Z轴进给系统示意图。

图4是本发明的活动夹紧机构示意图，其中图4a为主视图，图4b为图4a的左视图。

图5是本发明的活动夹紧机构工作原理示意图。

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Z轴方向步进电机，7为上挡板，8 为Z轴方向丝杆，9为右移动板，10为下挡板，11为 Y轴方向步进电机， 12为前挡板， 13为右挡板，14为 X轴方向丝杆，15为工作台，16为激光，17为压杆，18为活动压紧平台，19为上工件，20为下工件，21为底模，22为左挡板，23为底座，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为弹簧，32为缸体，33为滚轮底座，34为滚轮，35为激光孔，36为压力传感器，37为弹簧，38为上横板，39为下横板，40为安装筒。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

如图1-5所示。

一种浮动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、底模21、X，Y，Z轴进给系统、施压机构和浮动压紧机构， X轴进给系统在步进电机控制系统25的控制下使安装有上工件19、下工件20和底模21的工作台15运动到X轴向起焊位置处，Y轴进给系统在步进电机控制系统25的控制下使右移动板9带动施压机构和浮动压紧机构沿Y轴向移动到焊接起始位置处，PC机1控制施压机构给浮动压紧机构施加设定的预压力作用于上工件19及下工件20上，Z轴进给系统在步进电机控制系统25的控制下带动安装在上移动板5上的激光头4上下移动以便使激光16的焦点位于上工件19和下工件20的交接面上，如图1所示，其中的滚轮34以浮动方式压紧在上工件19上，滚轮34能在弹簧31的作用下始终压紧在上工件19的表面上，实现浮动夹紧。

其中的X轴进给机构和Y轴进给机构均如图2所示，X轴进给机构中步进电机控制系统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14，X轴方向丝杆14带动工作台15在X轴方向移动，上工件19，下工件20和底模21按照从上到下的顺序安装在工作台15上，工作台15安装在两测X向导轨26之上，X向导轨26与X轴方向丝杆14平行，X轴方向丝杆14与X向导轨26都穿过左挡板22和右挡板13，左挡板22安装在X轴方向步进电机24与工作台15之间，X轴方向丝杆14左端与X轴方向步进电机24相连，右端终止于右挡板13，X向导轨26左右端分别终止于左挡板22和右挡板13； Y轴进给机构中步进电机控制系统25控制Y轴方向步进电机11，Y轴方向步进电机11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12和后挡板27，前挡板12安装在Y轴方向步进电机11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11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12和后挡板27。

Z轴进给机构如图3所示，步进电机控制系统25控制Z轴方向步进电机6，Z轴方向步进电机6带动Z轴方向丝杆8，Z轴方向丝杆8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8平行，Z轴方向丝杆8与Z向导轨30都穿过上挡板7和下挡板10，上挡板7安装在Z轴方向步进电机6与上移动板5之间，Z轴方向丝杆8上端与Z轴方向步进电机6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7和下挡板10。

X，Y轴进给机构安装在底座23上，Z轴进给机构安装在右移动板9上。

所述的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的下端连接有上横板38；所述的浮动压紧机构包括压杆17、活动压紧平台18、弹簧31、缸体32、滚轮底座33和滚轮34，压杆17最上端设有一个下横板39，活动压紧平台18连接在压杆17的最下端，用于压紧上工件19和下工件20的滚轮34安装在活动压紧平台18的下部，在液压小顶针3下端的上横板38与压杆17上端的下横板39之间安装有压力传感器36和施力弹簧37，如图6所示，弹簧37上下端分别固定在所述的上横板38和下横板39上，压力传感器36的压力数据传输给液压控制系统2，液压控制系统2根据2个压力传感器36的压力和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，液压小顶针3伸出或者收回导致压力传感器36数据变化，压力传感器36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。所述的施压机构的数量为两个，两个施压机构通过各自的压杆17同时作用在一个活动压紧平台18上，且两个压杆17同时上下运动，保证活动压紧平台18水平，在活动压紧平台18的中间设有供激光16通过的激光孔35。所述的底模21是根据下工件20定制的，底模21和下工件20能配合在一起，其材质为铝合金或钢质。所述的活动压紧平台18与2个压杆17都连接在一起，用于把施压机构的压紧力传递给浮动压紧机构，两个缸体32安装于活动压紧平台18两端上，滚轮底座33在XY平面内可以做360度旋转，滚轮底座33上端有一个横板，此横板在缸体32内，横板和活动压紧平台18之间有1个弹簧31，此弹簧31上下端都不固定以实现浮动夹紧，滚轮34安装于滚轮底座33内，两者通过铰连接进行连接，滚轮34可以滚动，如图4、5所示。

液压小顶针3安装在上移动板5上，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的顶针杆末端与上横板38相连，上横板38、压力传感器36、弹簧37和下横板39均安装在一个安装筒40内。

所述的上工件19对激光16透明，激光16可穿透上工件19，所述下工件20对激光16不透明，具有较强吸收激光16的能力。

本发明的工作原理是：

在PC机1中输入预压紧力，液压控制系统2根据2个压力传感器36的压力和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，活动压紧平台18和滚轮底座33再把压杆17向下的压紧力传递给两个滚轮34，从而使两个滚轮34向下的压紧力之和等于预压紧力；根据平台上上工件19和下工件20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11，使激光16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6，使激光16的焦点位于上工件19和下工件20的交接面上，最终实现对工件的焊接。焊接过程中如受外界影响，滚轮34发生偏移，压紧力会发生变化，此时缸体32的弹簧31产生的弹力使滚轮34始终压紧在上工件19的表面实现浮动夹紧。

使用本发明的夹紧装置进行热塑性塑料的激光透射焊接方法为：

（1）设有不规则上工件19和下工件20放置在工作台15上，根据下工件20制作底模21，下工件20和底模21配合，底模21为钢质，把上工件19放在下工件20上方，底模21放在下工件20下方，把上工件19，下工件20和底模21一起安放在工作台15上，根据上工件19和下工件20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14，X轴方向丝杆14带动工作台15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11，Y轴方向步进电机11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6，Z轴方向步进电机6带动Z轴方向丝杆8，Z轴方向丝杆8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2个压力传感器36的压力和与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36的数据也会发生相应的变化，这样就能使2个压杆17向下的压紧力之和等于预压紧力，活动压紧平台18和滚轮底座33再把此压紧力传递给两个滚轮34。

（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11，使激光16沿着预定路径焊接，；步进电机控制系统25控制Z轴方向步进电机6，使激光16的焦点位于上工件19和下工件20的交接面上。

（4）在焊接的过程中，由于上工件19和下工件20外形等原因，滚轮34对上工件19的压紧力会发生变化，压力传感器36的数据也会发生相应的变化，液压控制系统2根据2个压力传感器36的压力和与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，最终使两个滚轮34对上工件19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11，Z轴方向步进电机6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19和下工件20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)

1.一种浮动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）、底模（21）、X，Y，Z轴进给系统、施压机构和浮动压紧机构， X轴进给系统在步进电机控制系统（25）的控制下使安装有上工件（19）、下工件（20）和底模（21）的工作台（15）运动到X轴焊接起始位置处，Y轴进给系统在步进电机控制系统（25）的控制下使右移动板（9）带动施压机构和浮动压紧机构沿Y轴向移动到焊接起始位置处，PC机（1）控制施压机构给浮动压紧机构施加设定的预压力作用于上工件（19）及下工件（20）上，Z轴进给系统在步进电机控制系统（25）的控制下带动安装在上移动板（5）上的激光头（4）上下移动以便使激光（16）的焦点位于上工件（19）和下工件（20）的交接面上；其特征是所述的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）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）的下端连接有上横板（38）；所述的浮动压紧机构包括压杆（17）、活动压紧平台（18）、弹簧（31）、缸体（32）、滚轮底座（33）和滚轮（34），压杆（17）最上端设有一个下横板（39），活动压紧平台（18）连接在压杆（17）的最下端，用于压紧上工件（19）和下工件（20）的滚轮（34）安装在活动压紧平台（18）的下部；在液压小顶针（3）下端的上横板（38）与压杆（17）上端的下横板（39）之间安装有压力传感器（36）和施力弹簧（37），弹簧（37）上下端分别固定在所述的上横板（38）和下横板（39）上，压力传感器（36）的压力数据传输给液压控制系统（2），液压控制系统（2）根据2个压力传感器（36）的压力和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，液压小顶针（3）伸出或者收回导致压力传感器（36）数据变化，压力传感器（36）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。

2.根据权利要求1所述的浮动式激光透射焊接夹紧装置，其特征是所述的施压机构的数量为两个，两个施压机构通过各自的压杆（17）同时作用在一个活动压紧平台（18）上，且两个压杆（17）同时上下运动，保证活动压紧平台（18）水平，在活动压紧平台（18）的中间设有供激光（16）通过的激光孔（35）。

3.根据权利要求1所述的浮动式激光透射焊接夹紧装置，其特征是所述的底模（21）是根据下工件（20）定制的，底模（21）和下工件（20）能配合在一起，底模（21）的材质为铝合金或钢质。

4.根据权利要求2所述的浮动式激光透射焊接夹紧装置，其特征是所述的活动压紧平台（18）与2个压杆（17）都连接在一起，用于把施压机构的压紧力传递给浮动压紧机构，两个缸体（32）安装于活动压紧平台（18）两端上，滚轮底座（33）在XY平面内可以做360度旋转，滚轮底座（33）上端有一个横板，此横板在缸体（32）内，横板和活动压紧平台（18）之间有1个弹簧（31），此弹簧（31）上下端都不固定以实现浮动夹紧，滚轮（34）安装于滚轮底座（33）内，两者通过铰连接进行连接，滚轮（34）可以滚动。

5.根据权利要求1所述的浮动式激光透射焊接夹紧装置，其特征是所述的液压控制系统（2）根据2个压力传感器（36）的压力和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2个压杆（17）向下的压紧力和等于预压紧力，活动压紧平台（18）和滚轮底座（33）再把压紧力传递给两个滚轮（34），滚轮（34）与底模（21）配合对上工件（19）和下工件（20）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（11），使激光（16）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（6），使激光（16）的焦点位于上工件（19）和下工件（20）的交接面上，最终实现对工件的焊接。

6.根据权利要求1或5所述的浮动式激光透射焊接夹紧装置，其特征是所述上工件（19）是对激光（16）透明的热塑性聚合物，所述下工件（20）是对激光（16）不透明的具有较强吸收激光（16）能力的热塑性聚合物或金属材料。