CN108688170B - 补偿激光室中的背景红外辐射的光学反馈信号 - Google Patents

补偿激光室中的背景红外辐射的光学反馈信号 Download PDF

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Abstract

公开了补偿激光室中的背景红外辐射的光学反馈信号。在激光焊接系统中焊接塑料部件。由控制器使用具有补偿激光室中的背景红外辐射的校正反馈信号的闭环反馈控制来控制激光室中的红外激光源。在红外激光源被开启之前，控制器利用光学传感器感测激光室中的背景红外辐射的强度。一旦激光开启，控制器利用光学传感器感测激光室中的红外激光辐射的强度。控制器通过从在红外激光源为开启时感测到的红外激光辐射的强度中减去在红外激光源为关闭时感测到的背景红外辐射的强度来计算校正反馈信号。

Description

补偿激光室中的背景红外辐射的光学反馈信号
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年4月7日提交的美国临时申请第62/482,714号的权益。上述申请的全部公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开内容涉及激光焊接。
背景技术
本部分提供与本公开内容相关的背景信息，该背景信息不一定是现有技术。
激光焊接通常用于将塑料部件焊接在一起。两种已知的技术是追踪激光焊接和同时激光焊接。在追踪激光焊接中，通过激光装置和/或激光束、工件或其组合的移动来使点激光追踪焊接路径。焊接路径是两个部件在焊接界面处被焊接在一起的位置，并且例如可以是在部件周边附近延伸的线。在同时激光焊接中，完整的焊接路径或区域(在本文中称为焊接路径)同时暴露于例如通过协调对准的多个激光源例如激光二极管或通过光波导的激光。在同时激光焊接的示例中，激光从多个激光源例如激光二极管发射，通过一个或更多个光波导到达被焊接的部件，所述一个或更多个光波导符合沿着焊接路径被连接的部件表面的轮廓。
在追踪激光焊接系统和同时激光焊接系统二者中，通常使用闭环反馈来控制激光。在与本申请共同拥有的题为Automatic Part Feedback Compensation for LaserPlastics Welding的US 7,343,218中公开了用于通过透射式红外(“TTIr”)激光焊接系统的闭环反馈控制系统。US 7,343,218的全部公开内容通过引用并入本文。US 7,343,218中的图2和图4在本文中被包括作为图1和图2。参照图1，采用反馈控制系统10以在TTIr激光焊接系统11中提供反馈信息，以监测来自红外激光源14的下游的激光强度。反馈控制系统10包括感测红外辐射的光学传感器16，光学传感器16位于激光源14的下游，但在以彼此成邻接关系容纳在在激光焊接系统11中的塑料部件22、24的上游。塑料部件22示例性地是透射塑料部件22，并且塑料部件24示例性地是吸收塑料部件，其至少部分地吸收从激光源14和控制器17发射的激光。应当理解，塑料部件24可以由至少部分地吸收激光的材料组成，该材料的吸收率由位于塑料部件22、塑料部件24之间的焊接界面处的吸收性焊接添加剂或塑料部件22、塑料部件24两者来提供。在示例中，激光源14是红外激光二极管并且光学传感器16是光电二极管。控制器17与光学传感器16耦接并且从光学传感器16实时接收由于来自激光源14的激光的强度而由光学传感器16感测的红外辐射强度。控制器17与激光源14耦接并且控制激光源14的输出强度。
在一些情况下，光学传感器16可以被定位在光纤构件18和/或波导20的上游，或者可以被定位在一个或更多个光纤构件18和波导20的下游。换言之，光学传感器16可以被定位在激光源14和部件22之间的任何位置。
在一些激光焊接系统中，光学传感器16被设置成感测激光室中的红外辐射的强度，激光源14被设置在激光室中。如图2所示，激光源14被设置在激光室26中。光学传感器16感测激光室26中的红外辐射的强度，以感测由激光源14提供的激光的强度。在图2的示例中，激光源14是激光二极管，光学传感器16是光电二极管，并且激光室26是激光二极管室。
在激光室中通过感测激光室中的红外辐射的强度感测由激光源14提供的激光的强度的困难是由激光室中的背景红外辐射引起的。即发射激光的激光源的附带效果是：当激光撞击在激光室的主体上时，激光室的主体、激光室中的空气和激光室中的部件被激光加热。激光室的加热的主体、激光室中的加热的空气和激光室中的加热的部件发射背景红外辐射。该背景红外辐射可以导致光学传感器的读数太高即高于由激光源14发射的激光的强度，这是因为由光学传感器感测到的激光室中的红外辐射的强度是来自由激光源发射的激光的红外辐射的强度与背景红外辐射的强度之和。
本发明的目的是在用于激光焊接系统的闭环反馈控制系统中校正激光室中的背景红外辐射。
发明内容
本部分提供了对本公开内容的总体概述，而不是其全部范围或其所有特征的全面公开。
根据本公开内容的一方面，在激光焊接系统中焊接塑料部件。激光焊接系统具有被设置在激光焊接系统的激光室中的红外激光源。红外激光源由控制器控制，该控制器使用具有反馈信号的闭环反馈控制。激光焊接系统包括光学传感器，该光学传感器被设置成感测激光室中的红外辐射。在红外激光源被开启之前，控制器利用光学传感器来感测激光室中的背景红外辐射的强度。一旦控制器开启激光源，控制器利用光学传感器来感测激光室中的红外辐射的强度，并且通过从在激光源为开启时感测到的红外辐射的强度中减去在红外激光源为关闭时感测到的激光室中的背景红外辐射的强度来计算校正反馈信号。当红外激光源为开启时，控制器使用将校正反馈信号用作闭环反馈控制的反馈信号的闭环反馈控制来控制红外激光源的强度。
在一方面中，每当红外激光源要被开启时，控制器在红外激光源就要被开启之前利用光学传感器来感测激光室中的背景红外辐射的强度。
在一方面中，每当红外激光源要被开启时，控制器在红外激光源被开启之前的时间段内利用光学传感器来感测激光室中的背景红外辐射的强度，其中，该时间段等于：当激光焊接系统进行连续生产时，在红外激光源在焊接周期中被关闭的时间与该红外激光源在下一个焊接周期中被开启的时间之间，该红外激光源为关闭的时间段。
根据本文中提供的描述，其他应用领域将变得明显。该发明内容中的描述和具体示例旨在仅用于说明的目的，而不旨在限制本公开内容的范围。
附图说明
在本文中描述的附图仅用于说明所选择的实施方式而不是全部可能的实现方式，并且不旨在限制本公开内容的范围。
图1是示出使用闭环反馈控制的现有技术通过透射式红外焊接系统的示意图；
图2是示出具有光电二极管和红外激光二极管的现有技术激光二极管室的立体图；
图3是根据本公开内容的一方面的控制例程的流程图，该控制例程包括计算用于补偿激光室中的背景红外辐射的校正反馈信号；以及
图4是示出使用具有图3的校正反馈信号的闭环反馈控制的通过透射式红外焊接系统的示意图。
遍及附图中的几幅图，对应的附图标记指示对应的部分。
具体实施方式
现在将参照附图更全面地描述示例实施方式。
提供示例实施方式以使得本公开内容将是透彻的，并且将范围充分地传达给本领域技术人员。阐述了许多特定细节例如特定部件、装置和方法的示例，以提供对本公开内容的实施方式的透彻理解。对于本领域技术人员而言明显的是，不需要采用特定细节，可以以许多不同的形式来实施示例实施方式，并且两者都不应被解释为限制本公开内容的范围。在一些示例实施方式中，没有详细描述公知的过程、公知的装置结构和公知的技术。
本文使用的术语仅用于描述特定示例实施方式的目的，而不旨在限制。除非上下文另有明确指示，否则如在本文中使用的无量词限制的单数形式可以旨在包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”和“具有”是包括性的，并且因此指定所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合。除非特别标识为执行的顺序，否则在本文中描述的方法步骤、过程和操作不应被解释为必须要求它们以所讨论或说明的特定顺序执行。也要理解可以采用另外的或替选的步骤。
当元件或层被称为在另一元件或层“上”、“接合到”、“连接到”或“耦接到”另一元件或层时，其可以是直接在其他元件或层上、直接接合、直接连接或直接耦接到其他元件或层，或者可以存在中间元件或层。相比之下，当元件被称为“直接在另一元件或层上”、“直接接合到”、“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件或层时，可能不存在中间元件或层。应该以类似的方式解释用于描述元件之间关系的其他词语(例如，“在...之间”与“直接在...之间”，“相邻”与“直接相邻”等)。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或更多个相关联的所列项目的任何和全部组合。
虽然术语第一、第二、第三等在本文中可以用于描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应受这些术语限制。这些术语可以仅用于将一个元件、部件、区域、层或部分与另一区域、层或部分区分开。除非上下文明确指出，否则在本文中使用术语例如“第一”、“第二”和其他数字术语时并不意味着次序或顺序。因此，在不脱离示例实施方式的教导的情况下，下面讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可以被称为第二元件、部件、区域、层或部分。
在本文中可以使用空间关系术语例如“内部”、“外部”、“在…之下”、“在…下面”、“在…下方”、“在…上面”、“在…上方”等，以简化对如附图中所示的一个元素或特征与另一个元素或特征的关系的描述。除了附图中所描述的取向之外，空间关系术语可以旨在涵盖使用或操作中的装置的不同取向。例如，如果附图中的装置翻转，则被描述为在其他元件或特征“下面”或“之下”的元件然后将被定向为在其他元件或特征“上面”。因此，示例性术语“在…下面”可以涵盖上面和下面两种取向。装置可以以其他方式定向(旋转90度或以其他取向)并且相应地解释在本文中使用的空间关系描述。
根据本公开内容的一方面，具有补偿激光焊接系统的激光室中的背景红外辐射的校正反馈信号的闭环反馈控制被用于控制被设置在激光室中的红外激光源。在一方面中，激光源是红外激光二极管。激光焊接系统具有光学传感器，该光学传感器被设置成感测激光室中的红外辐射的强度，并且向控制器提供指示所感测的强度的输出信号。取决于所使用的光学传感器，输出信号可以是模拟信号或数字值。在一方面中，光学传感器是光电二极管。除此之外，控制器控制红外激光源。在红外激光源被开启之前，控制器利用光学传感器来感测激光室中的背景红外辐射的强度。一旦激光开启，控制器利用光学传感器来感测激光室中的红外辐射的强度。当红外激光源开启时，控制器使用具有补偿激光室中的背景红外辐射的校正反馈信号的闭环反馈控制来控制红外激光源。控制器通过从在红外激光源为开启时感测的红外辐射的强度中减去在红外激光源为关闭时感测的背景红外辐射的强度来计算校正反馈信号。应当理解，在激光源为开启期间实时地感测在激光源为开启时红外辐射的强度，并且在激光源为开启时实时地更新校正反馈信号。如本文所使用的，“实时”意味着与控制的闭环操作一样快，即控制的闭环的周期时间。作为示例而非限制，在激光焊接系统的控制中使用的控制的闭环的周期时间可以在从1毫秒到1微秒的范围内，并且这取决于激光焊接系统的特性，例如控制器的处理速度、反馈传感器的响应时间等。虽然下面参照图1中的反馈控制系统10更详细地描述了该控制方法，但是应当理解，该控制方法不是现有技术。
图3是根据本公开内容的一方面的被实现用于控制设置在激光焊接系统400(图4)的激光室中的红外激光源例如被设置在激光室26中的激光源14的示例控制例程的控制逻辑的流程图，其中激光源14是红外激光源。应当理解，激光焊接系统400与激光焊接系统11相同，除了如在以下示例中所描述的用于控制红外激光源14的控制逻辑之外，该控制逻辑被示例性地实现在控制器402中。控制例程在300处开始。在302处，控制例程检查是否要开启红外激光源14。如果为否，则控制例程分支返回到302。如果要开启红外激光源14，则控制例程进行到304，在304处，在激光源14被开启之前，控制器17利用光学传感器16来感测激光室26中的背景红外辐射的强度，并且然后，控制例程进行到306，在306处，红外激光源14被开启。然后控制例程进行到308，在308处，控制器17利用光学传感器16来感测激光室26中的红外辐射的强度，并且然后，控制例程进行到310。在310处，控制器17通过从在红外激光源开启时感测的红外辐射的强度中减去在红外激光源关闭时感测的背景红外辐射的强度来计算校正反馈信号。然后控制例程进行到312，在312处，控制器17使用具有校正反馈信号的闭环反馈控制来控制红外激光源14。然后控制例程进行到314，在314处，控制器17检查是否要关闭红外激光源14。如果为否，则控制例程分支返回到308并且重复进行308至314。在这方面，当308、310被重复进行时，校正反馈信号被更新。如果在314处要关闭红外激光源14，则控制例程进行到316，在316处，红外激光源14被关闭，然后进行到318，在318处控制例程结束。
在一方面，控制器17在与红外激光源被开启时的时间足够接近的时间感测激光室26中的背景辐射的强度，在感测背景辐射的时间与红外激光源被开启的时间之间，感测的背景辐射的强度将不会发生实质性改变。即在感测背景辐射的时间与红外激光源被开启的时间之间，感测的背景辐射的强度的任何变化对反馈信号的校正的计算具有极小的影响。在一方面中，控制器17在控制器17就要开启红外激光源之前感测背景辐射的强度。在一方面中，控制器17在红外激光源被开启之前的时间段内感测背景辐射的强度，该时间段等于：在激光焊接系统11进行连续生产时，在红外激光源在焊接周期中被关闭的时间与该红外激光源在下一个焊接周期中被开启的时间之间，红外激光源为关闭的时间段。
有利地，将上述用于在激光焊接系统例如激光焊接系统11中焊接塑料部件例如塑料部件22、24。塑料部件被放置在激光焊接系统11中。然后，如上所述，通过将校正反馈信号用作闭环反馈控制的反馈信号的闭环反馈控制来控制激光源14。校正反馈控制信号以如上所述的那样来确定。
控制器17和控制器402可以是或可以包括以下器件中的任何一个：数字处理器(DSP)、微处理器、微控制器或以实现上述逻辑的软件来编程的其他可编程器件。应当理解，控制器17和控制器402替选地是或包括其他逻辑器件，例如现场可编程门阵列(FPGA)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)或专用集成电路(ASIC)。当陈述控制器17或控制器402执行功能或被配置成执行功能时，应当理解，控制器17或控制器402被配置成使用适当的逻辑(例如以软件、逻辑器件或其组合)来执行功能。当陈述控制器17或控制器402具有功能的逻辑时，应当理解，这样的逻辑可以包括硬件、软件或其组合。
为了说明和描述的目的，提供了对实施方式的上述描述。其不旨在穷举或限制本公开内容。特定实施方式的各个元件或特征通常不限于该特定实施方式，而是在适用的情况下是可互换的并且可以用于所选择的实施方式中，即使没有具体示出或描述也是如此。特定实施方式的各个元件或特征在许多方面也可以变化。这样的变型不被视为是脱离本公开内容，并且所有这样的修改旨在被包括在本公开内容的范围内。

Claims (9)

1.一种利用控制器控制被设置在激光焊接系统的激光室中的红外激光源的方法，所述控制器使用具有反馈信号的闭环反馈控制，所述激光焊接系统包括光学传感器，所述光学传感器被设置成感测所述激光室中的红外辐射，所述方法包括：
在所述红外激光源被开启之前，使所述控制器利用所述光学传感器来感测所述激光室中的背景红外辐射的强度；
一旦所述激光源开启，使所述控制器利用所述光学传感器来感测所述激光室中的红外辐射的强度；
利用所述控制器，通过从在所述激光源为开启时感测到的红外辐射的强度中减去在所述红外激光源为关闭时感测到的所述激光室中的背景红外辐射的强度来计算校正反馈信号；以及
当所述红外激光源为开启时，利用所述控制器，使用将所述校正反馈信号用作所述闭环反馈控制的反馈信号的闭环反馈控制来控制所述红外激光源的强度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，每当所述红外激光源要被开启时，使所述控制器在所述红外激光源就要被开启之前利用所述光学传感器来感测所述激光室中的背景红外辐射的强度。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，每当所述红外激光源要被开启时，使所述控制器在所述红外激光源被开启之前的时间段内利用所述光学传感器来感测所述激光室中的背景红外辐射的强度，其中，所述时间段等于：当所述激光焊接系统进行连续生产时，在所述红外激光源在焊接周期中被关闭的时间与所述红外激光源在下一个焊接周期中被开启的时间之间，所述红外激光源为关闭的时间段。
4.一种红外激光焊接系统，包括：
激光室，在所述激光室中设置有红外激光源；
光学传感器，所述光学传感器被设置成感测所述激光室中的红外辐射的强度；
控制器，所述控制器与所述红外激光源和所述光学传感器耦接；
当所述红外激光源为开启时，所述控制器被配置成：利用具有校正反馈信号的闭环反馈控制来控制所述激光源的输出强度，所述控制器被配置成计算所述校正反馈信号；以及
所述控制器被配置成通过以下步骤来计算所述校正反馈信号：在所述红外激光源为关闭时利用所述光学传感器感测所述激光室中的背景红外辐射的强度；在所述红外激光源为开启时利用所述光学传感器感测所述激光室中的红外辐射的强度；以及通过从在所述激光源为开启时感测到的所述激光室中的红外辐射的强度中减去在所述红外激光源为关闭时感测到的所述激光室中的背景红外辐射的强度来计算所述校正反馈信号。
5.根据权利要求4所述的激光焊接系统，其中，每当所述红外激光源要被开启时，所述控制器被配置成：在所述红外激光源就要被开启之前，感测所述激光室中的背景红外辐射的强度。
6.根据权利要求4所述的激光焊接系统，其中，每当所述红外激光源要被开启时，所述控制器被配置成：在所述红外激光源被开启之前的时间段内感测所述激光室中的背景红外辐射的强度，其中，所述时间段等于：当所述激光焊接系统进行连续生产时，在所述红外激光源在接近焊接周期结束时被关闭的时间与所述红外激光源在接近下一个焊接周期开始时被开启的时间之间，所述红外激光源为关闭的时间段。
7.一种在激光焊接系统中焊接塑料部件的方法，所述激光焊接系统具有被设置在所述激光焊接系统的激光室中的红外激光源，其中，所述红外激光源由使用闭环反馈控制的控制器控制，所述激光焊接系统包括光学传感器，所述光学传感器被设置成感测所述激光室中的红外辐射，所述方法包括：
将所述塑料部件放置在所述激光焊接系统中；
在所述红外激光源被开启之前，使所述控制器利用所述光学传感器来感测所述激光室中的背景红外辐射的强度；
使所述控制器开启所述激光源；
一旦所述激光源开启，使所述控制器利用所述光学传感器来感测所述激光室中的红外辐射的强度；
利用所述控制器，通过从在所述激光源为开启时感测到的红外辐射的强度中减去在所述红外激光源关闭时感测到的所述激光室中的背景红外辐射的强度来计算校正反馈信号；以及
当所述红外激光源为开启时，利用所述控制器，使用将所述校正反馈信号用作所述闭环反馈控制的反馈信号的闭环反馈控制来控制所述红外激光源的强度。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，每当所述红外激光源要被开启时，使所述控制器在所述红外激光源就要被开启之前利用所述光学传感器来感测所述激光室中的背景红外辐射的强度。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，每当所述红外激光源要被开启时，使所述控制器在所述红外激光源被开启之前的时间段内利用所述光学传感器来感测所述激光室中的背景红外辐射的强度，其中，所述时间段等于：当所述激光焊接系统进行连续生产时，在所述红外激光源在焊接周期中被关闭的时间与所述红外激光源在下一个焊接周期中被开启的时间之间，所述红外激光源为关闭的时间段。
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