CN104907744B - 基于磁流变技术的同轴型光电子器件自动耦合焊接装置 - Google Patents

Abstract

一种基于磁流变技术的同轴型光电子器件自动耦合焊接装置，包括机架、上夹具、下夹具、多个的焊接装置以及自动旋转平台，下夹具包括夹具安装座和夹紧组件，夹紧组件通过一角度自动调整机构安装于夹具安装座上，角度自动调整机构包括外壁上设有凸球面的球面套筒，夹紧组件装设于球面套筒的内孔中，夹具安装座设有安装通孔，安装通孔的孔壁上设有凹球面，球面套筒装设于安装通孔内，且凸球面与凹球面球铰接配合，凸球面和凹球面配合处设有容置腔，容置腔内填充有磁粉或磁流变液，夹具安装座上设有励磁绕组；夹具安装座通过对准装置装设于自动旋转平台上。本发明具有结构简单紧凑、制作成本低、耦合效率高、易于保证耦合精度等优点。

Description

基于磁流变技术的同轴型光电子器件自动耦合焊接装置

技术领域

本发明涉及光电子器件自动化耦合封装技术领域，具体涉及一种基于磁流变技术的同轴型光电子器件自动耦合焊接装置。

背景技术

随着光纤通信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。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。同轴型有源光器件在光纤通信领域中得到了广泛的应用。

现有同轴光器件封装工艺中的关键步骤之一为激光器与光纤的耦合，封装要求所被焊接的光收发组件有极高的同轴度和定位精度，并且要求装卸器件简单快捷，在装载器件后能够对模块接通电源。耦合过程的第一步就是要将激光器的上表面与光纤的下表面调平，一种高效率、高精度、能自动将激光器调平的夹具，能使同轴型有源光器件耦合封装效率大幅度提高。

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，提供一种结构简单紧凑、制作成本低、耦合效率高、易于保证耦合精度的基于磁流变技术的同轴型光电子器件自动耦合焊接装置。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于磁流变技术的同轴型光电子器件自动耦合焊接装置，包括机架、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，所述下夹具包括夹具安装座和用于夹持工件的夹紧组件，所述夹紧组件通过一角度自动调整机构安装于夹具安装座上，所述角度自动调整机构包括外壁上设有凸球面的球面套筒，所述夹紧组件装设于球面套筒的内孔中，所述夹具安装座设有安装通孔，所述安装通孔的孔壁上设有凹球面，所述球面套筒装设于安装通孔内，且所述凸球面与凹球面球铰接配合，所述凸球面和凹球面配合处设有容置腔，所述容置腔内填充有磁粉或磁流变液，所述夹具安装座上设有励磁绕组；所述夹具安装座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轴和Y轴移动。

上述的自动耦合焊接装置，优选的，所述凸球面和凹球面上均设有凹槽，凸球面和凹球面上的凹槽相互连通形成所述容置腔，或者所述凸球面或凹球面上设有凹槽形成所述容置腔。

上述的自动耦合焊接装置，优选的，所述凹槽为以凸球面和凹球面的球心为中心的环型槽。

上述的自动耦合焊接装置，优选的，所述励磁绕组绕设于夹具安装座的安装环槽中，所述环型槽和安装环槽的轴线重合。

上述的自动耦合焊接装置，优选的，所述夹具安装座由两个对接的半座体通过紧固件连接而成；所述夹具安装座通过立柱支承固定于一底座的上方，所述底座安装于对准装置上。

上述的自动耦合焊接装置，优选的，所述对准装置包括装设于所述自动旋转平台上的第一X轴自动直线滑台和装设于所述第一X轴自动直线滑台上的第一Y轴自动直线滑台，所述下夹具装设于所述第一Y轴自动直线滑台上。

上述的自动耦合焊接装置，优选的，所述升降装置包括支撑座和第一Z轴自动直线滑台，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。

上述的自动耦合焊接装置，优选的，所述夹紧组件包括锁紧套筒、弹性夹头以及用于驱动弹性夹头伸缩运动的伸缩气缸，所述锁紧套筒固设于球面套筒的内孔中，所述伸缩气缸固定安装于锁紧套筒上，所述弹性夹头设有多个沿圆周布置的弹性夹瓣以及位于多个弹性夹瓣上的第一锥面，所述弹性夹头穿设于锁紧套筒的内孔中，所述锁紧套筒的内孔中设有与第一锥面配合迫使所有弹性夹瓣同步径向向内运动的第二锥面。

上述的自动耦合焊接装置，优选的，所述弹性夹头内装设有在夹持工件时给工件上电的上电组件，所述上电组件包括电极、电极分离柱和电极弹簧，所述电极分离柱通过电极弹簧弹性支承于电极的上方。

上述的自动耦合焊接装置，优选的，所述伸缩气缸的伸缩杆上固接有电极座，所述电极座上通过紧固件连接有安装螺母，所述弹性夹头以螺纹连接方式可拆卸连接于安装螺母上，所述电极固定安装于电极座上；所述弹性夹头自上而下穿过所述锁紧套筒的内孔与电极座相连。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明基于磁流变技术的同轴型光电子器件自动耦合焊接装置，可节省至少两套分别驱动夹具绕X轴和Y轴摆动的高精度角度调整平台，使耦合焊接装置的结构更加简单、紧凑，并大大降低了设备的成本；该夹具还不受传统角度调整平台的精度限制，能够无级调节使工件的上表面相对于水平面的角度，从而可提高耦合精度，保证产品的质量；同时通过励磁绕组的通断电来控制磁粉在松散状态和聚为整体的状态之间转化的速度快，可实现球面套筒自由摆动和锁止状态的快速转换，因而调节激光器的上表面与光纤的下表面贴平的速度也快，能够大大提高耦合效率。

附图说明

图1为本发明自动耦合焊接装置的立体结构示意图。

图2为本发明自动耦合焊接装置的主视结构示意图。

图3为本发明自动耦合焊接装置的俯视结构示意图。

图4为本发明自动耦合焊接装置中下夹具的立体结构示意图。

图5为本发明自动耦合焊接装置中下夹具的剖视结构示意图。

图6为本发明自动耦合焊接装置中下夹具在进行角度调整时的剖视结构示意图。

图例说明：

1、机架；2、上夹具；3、下夹具；31、夹具安装座；311、安装通孔；312、凹球面；313、安装环槽；32、夹紧组件；321、锁紧套筒；3211、第二锥面；322、弹性夹头；3221、弹性夹瓣；3222、第一锥面；323、伸缩气缸；324、上电组件；3241、电极；3242、电极分离柱；3243、电极弹簧；325、电极座；326、安装螺母；33、球面套筒；331、凸球面；34、磁粉；35、励磁绕组；36、凹槽；37、底座；38、立柱；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、焊接支撑台；46、固定架；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；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。

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6所示，本发明基于磁流变技术的同轴型光电子器件自动耦合焊接装置，包括机架1（光学面包板）、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，其中，上夹具2用于夹持上器件（光纤），下夹具3用于夹持下器件（激光器），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，下夹具3包括夹具安装座31和用于夹持工件的夹紧组件32，夹紧组件32通过一角度自动调整机构安装于夹具安装座31上，角度自动调整机构包括外壁上设有凸球面331的球面套筒33，夹紧组件32装设于球面套筒33的内孔中，夹具安装座31设有安装通孔311，安装通孔311的孔壁上设有凹球面312，球面套筒33装设于安装通孔311内，且凸球面331与凹球面312球铰接配合，球面套筒3可绕凸球面31和凹球面12的球心自由摆动，凸球面331和凹球面312上均设有凹槽36，凸球面331和凹球面312上的凹槽36相互连通形成一容置腔，容置腔内填充有磁粉34，夹具安装座31上设有励磁绕组35。夹具安装座31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轴和Y轴移动。

本实施例中，对准装置7包括装设于所述自动旋转平台5上的第一X轴自动直线滑台71和装设于第一X轴自动直线滑台71上的第一Y轴自动直线滑台72，下夹具3装设于第一Y轴自动直线滑台72上，第一X轴自动直线滑台71和第一Y轴自动直线滑台72可驱动下夹具3沿X轴和Y轴移动。

在励磁绕组35不通电时，凹槽36内的磁粉34为松散状态，球面套筒33及夹紧组件32可绕凸球面331和凹球面312的球心自由摆动，在励磁绕组35通电时，可将磁粉34聚为一个整体，聚为整体的磁粉34卡在凸球面331和凹球面312上的凹槽36中，从而限制球面套筒33与夹具安装座31的相对转动，使球面套筒33相对于夹具安装座31保持固定，即将球面套筒33锁止；该种利用磁粉34聚为整体卡在凸球面331和凹球面312上的凹槽36中形成锁止的方式，对球面套筒33锁止力大，刚性更好，锁止作用稳定可靠。在进行同轴型光电子器件的耦合时，先使励磁绕组35断电，上夹具2带着上器件（同轴型光电子器件中的光纤）向下运动下压夹紧组件32夹持的激光器，当光纤与激光器的配合面不平行时，光纤在下压过程中迫使激光器及压夹紧组件32绕凸球面331和凹球面312的球心自由摆动，可使激光器的上表面与光纤的下表面快速贴平；然后励磁绕组35通电，磁粉34聚为一个整体将球面套筒33锁止，使激光器保持在贴平后的位姿，此时只需调节激光器在水平面内的位移即可完成激光器和光纤的耦合。本发明的耦合焊接装置可节省至少两套分别驱动下夹具3绕X轴和Y轴摆动的高精度角度调整平台，使耦合焊接装置的结构更加简单、紧凑，并大大降低了设备的成本；其还不受传统角度调整平台的精度限制，能够无级调节使工件的上表面相对于水平面的角度，从而可提高耦合精度，保证产品的质量；同时通过励磁绕组35的通断电来控制磁粉34在松散状态和聚为整体的状态之间转化的速度快，可实现球面套筒33自由摆动和锁止状态的快速转换，因而调节激光器的上表面与光纤的下表面贴平的速度也快，能够大大提高耦合效率。

本实施例中，磁粉34采用高磁导率、低磁滞性的软磁性材料制成，其聚散速度快。凹槽36为以凸球面331和凹球面312的球心为中心的环型槽，该环型槽的截面可以是矩形、圆弧形或其他形状，其中凸球面331的凹槽36优选为圆弧形，凹球面312面上的凹槽36优选为矩形，励磁绕组35绕设于夹具安装座31的安装环槽313中。环型槽和安装环槽313的轴线重合，利于励磁绕组35使磁粉34均匀的进行两个状态的转化。

在其他实施例中，也可仅在凸球面331上设有凹槽36，通过与凹球面312配合形成容置腔，或者仅在凹球面312上设有凹槽36，通过与凸球面331配合形成容置腔，在这两种情况下，优选在容置腔内填充磁流变液，在励磁绕组5不通电时，凹槽6内的磁流变液为液态，球面套筒3及夹紧组件2可绕凸球面31和凹球面12的球心自由摆动，在励磁绕组5通电时，可将磁流变液变为类固体状态，变为类固体状态的磁流变液4会对凹球面12产生胀紧和摩擦作用，从而限制球面套筒3与夹具安装座1的相对转动，使球面套筒3相对于夹具安装座1保持固定，即将球面套筒3锁止。此外，本实施例中也可以将容置腔内的磁粉4替换为磁流变液，同样能使球面套筒3在自由摆动和锁止状态转换。

本实施例中，夹具安装座31包括两个半座体，两个半座体对接并通过连接形成具有安装通孔311和凹球面312的夹具安装座31，这样便于球面套筒33的装配，且半座体更加易于制作，降低了夹具安装座31的制作难度和成本。夹具安装座31通过立柱38支承固定于一底座37的上方，底座37再安装到对准装置7上，从而将整个下夹具3支承安装在对准装置7上，可由对准装置7驱动整体沿X轴和Y轴移动。

本实施例中，夹紧组件32包括锁紧套筒321、弹性夹头322以及用于驱动弹性夹头322伸缩运动的伸缩气缸323，锁紧套筒321以过盈配合安装方式固设于球面套筒33的内孔中，伸缩气缸323固定安装于锁紧套筒321上，弹性夹头322设有四个沿圆周布置的弹性夹瓣3221以及位于四个弹性夹瓣3221上的第一锥面3222，四个弹性夹瓣3221之间形成可使工件插入的插孔，其中，四个弹性夹瓣3221与弹性夹头322为一体结构，弹性夹头322由弹簧钢制成。弹性夹头322穿设于锁紧套筒321的内孔中，锁紧套筒321的内孔中设有与第一锥面3222配合迫使所有弹性夹瓣3221同步径向向内运动的第二锥面3211。球面套筒33、锁紧套筒321和弹性夹头322的轴线重合，其该重合的轴线通过凸球面331和凹球面312的球心。当伸缩气缸323驱使弹性夹头322向下运动时，第二锥面3211与第一锥面3222接触并迫使所有弹性夹瓣3221同步径向向内运动，从而可夹紧工件，当伸缩气缸323驱使弹性夹头322向上运动时，第一锥面3222与第二锥面3211脱离，弹性夹瓣3221在弹性复位作用下径向向外运动，从而可松开工件。该夹紧组件32中弹性夹头322在伸缩气缸323驱动下自动夹紧与松开，完全避免了现有手动夹紧夹具因反复夹紧与松开而造成夹头松动导致夹具刚性差的缺点。

本实施例中，弹性夹头322内装设有在夹持工件时给工件上电的上电组件324，上电组件324包括电极3241、电极分离柱3242和电极弹簧3243，电极分离柱3242通过电极弹簧3243弹性支承于电极3241的上方。上述伸缩气缸323的伸缩杆上通过紧固件固接有电极座325，电极座325上通过紧固件连接有安装螺母326，弹性夹头322以螺纹连接方式可拆卸连接于安装螺母326上，电极3241固定安装于电极座325上。电极3241和安装螺母326上开设有供电极3241连线引出的槽。

本实施例中，弹性夹头322自上而下穿过锁紧套筒321的内孔与电极座325相连，弹性夹头322可从锁紧套筒321的内孔中取出或装入，便于拆装和更换弹性夹头322。在制作时，可将弹性夹头322下端到弹性夹瓣3221之间的部分制成圆杆，使该圆杆的最大直径小于锁紧套筒321的内孔最小直径，即可使弹性夹头322直接从锁紧套筒321上部取出，或者从锁紧套筒321上部装入。

本实施例中，如图1至图3所示，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。各焊接装置4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。调整装置具体包括第二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45，焊接支撑台45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45上。也即第二X轴自动直线滑台42装设于焊接支撑台45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与下夹具3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与下夹具3的相对位置，使激光准确入射到预定焊接位置处，以此保证焊点质量。

本实施例中，升降装置6包括支撑座61和第一Z轴自动直线滑台62，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；通过第一Z轴自动直线滑台62可驱动上夹具2上下升降运动。

上述上夹具2为现有技术，例如可采用申请号为201410360435.7的中国专利中所采用的上夹具2；上述自动旋转平台5为现有技术，可采用申请号为201410360435.7的中国专利中所采用的电动旋转台或其他电动旋转台；上述各自动直线滑台和升降装置6为现有技术，可采用申请号为201410360435.7的中国专利中所采用的电动平移台或其他电动平移台。

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 (9)

1.一种基于磁流变技术的同轴型光电子器件自动耦合焊接装置，包括机架（1）、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，其特征在于：所述下夹具（3）包括夹具安装座（31）和用于夹持工件的夹紧组件（32），所述夹紧组件（32）通过一角度自动调整机构安装于夹具安装座（31）上，所述角度自动调整机构包括外壁上设有凸球面（331）的球面套筒（33），所述夹紧组件（32）装设于球面套筒（33）的内孔中，所述夹具安装座（31）设有安装通孔（311），所述安装通孔（311）的孔壁上设有凹球面（312），所述球面套筒（33）装设于安装通孔（311）内，且所述凸球面（331）与凹球面（312）球铰接配合，所述凸球面（331）和凹球面（312）配合处设有容置腔，所述容置腔内填充有磁粉（34）或磁流变液，所述夹具安装座（31）上设有励磁绕组（35）；所述夹具安装座（31）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轴和Y轴移动；所述凸球面（331）和凹球面（312）上均设有凹槽（36），凸球面（331）和凹球面（312）上的凹槽（36）相互连通形成所述容置腔；或者所述凸球面（331）或凹球面（312）上设有凹槽（36）形成所述容置腔。

2.根据权利要求1所述的自动耦合焊接装置，其特征在于：所述凹槽（36）为以凸球面（331）和凹球面（312）的球心为中心的环型槽。

3.根据权利要求2所述的自动耦合焊接装置，其特征在于：所述励磁绕组（35）绕设于夹具安装座（31）的安装环槽（313）中，所述环型槽和安装环槽（313）的轴线重合。

4.根据权利要求1所述的自动耦合焊接装置，其特征在于：所述夹具安装座（31）由两个对接的半座体通过紧固件连接而成；所述夹具安装座（31）通过立柱（38）支承固定于一底座（37）的上方，所述底座（37）安装于对准装置（7）上。

5.根据权利要求1所述的自动耦合焊接装置，其特征在于：所述对准装置（7）包括装设于所述自动旋转平台（5）上的第一X轴自动直线滑台（71）和装设于所述第一X轴自动直线滑台（71）上的第一Y轴自动直线滑台（72），所述下夹具（3）装设于所述第一Y轴自动直线滑台（72）上。

6.根据权利要求1所述的自动耦合焊接装置，其特征在于：所述升降装置（6）包括支撑座（61）和第一Z轴自动直线滑台（62），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）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；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，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（45），所述焊接支撑台（45）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。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的自动耦合焊接装置，其特征在于：所述夹紧组件（32）包括锁紧套筒（321）、弹性夹头（322）以及用于驱动弹性夹头（322）伸缩运动的伸缩气缸（323），所述锁紧套筒（321）固设于球面套筒（33）的内孔中，所述伸缩气缸（323）固定安装于锁紧套筒（321）上，所述弹性夹头（322）设有多个沿圆周布置的弹性夹瓣（3221）以及位于多个弹性夹瓣（3221）上的第一锥面（3222），所述弹性夹头（322）穿设于锁紧套筒（321）的内孔中，所述锁紧套筒（321）的内孔中设有与第一锥面（3222）配合迫使所有弹性夹瓣（3221）同步径向向内运动的第二锥面（3211）。

8.根据权利要求7所述的自动耦合焊接装置，其特征在于：所述弹性夹头（322）内装设有在夹持工件时给工件上电的上电组件（324），所述上电组件（324）包括电极（3241）、电极分离柱（3242）和电极弹簧（3243），所述电极分离柱（3242）通过电极弹簧（3243）弹性支承于电极（3241）的上方。

9.根据权利要求8所述的自动耦合焊接装置，其特征在于：所述伸缩气缸（323）的伸缩杆上固接有电极座（325），所述电极座（325）上通过紧固件连接有安装螺母（326），所述弹性夹头（322）以螺纹连接方式可拆卸连接于安装螺母（326）上，所述电极（3241）固定安装于电极座（325）上；所述弹性夹头（322）自上而下穿过所述锁紧套筒（321）的内孔与电极座（325）相连。