一種三維半導體激光塑料焊接系統的制作方法
【專利摘要】一種三維半導體激光塑料焊接系統，包括，上位機、半導體激光器系統、單片機控制系統、讓激光頭做三維平移運動的激光頭運動機構、使反射鏡在X、Y平面內做二維平移運動的反射鏡機構和使工件順時針或逆時針旋轉的可旋轉的工件臺；上位機通過單片機控制系統發出運動信號至激光頭運動機構，控制激光頭、反射鏡和工件的運動；上位機通過給單片機控制系統發出激光開關的信號至半導體激光器系統，從而控制激光的開關，實現對工件的三維焊接。本實用新型三維半導體激光塑料焊接系統將激光器系統與運動系統整合成為一體，同時還可實現不同塑料器件的高效率、高質量的三維激光焊接，解決目前普遍采用的激光塑料焊接設備的加工幅面小，加工效率低的問題。
【專利說明】
一種三維半導體激光塑料焊接系統
技術領域
[0001]本實用新型涉及激光透射焊接領域，特別涉及一種三維半導體激光塑料焊接系統，用于熱塑性塑料之間的激光透射焊接。
【背景技術】
[0002]激光焊接技術在金屬材料的加工領域應用廣泛，其優異的性能早已被各個應用行業所接受，成果顯著。隨著綠色環保理念在全球工業生產中的貫徹以及生產成本控制方面的考慮，塑料作為一種性能優異的可再生非金屬材料，被日益廣泛地應用在各行業中。
[0003]激光塑料焊接最早出現在20世紀70年代，但是由于費用昂貴，無法和傳統塑料焊接技術相競爭，因此發展緩慢。但是從20世紀90年代中期開始，由于激光焊接技術所需要的設備費用下降，該技術逐漸受到人們的的廣泛歡迎。
[0004]激光塑料焊接利用透射焊接原理，選用紅外激光作為焊接熱源，一般以SOOnm-1lOOnm波段的激光為主，這一波段的激光對于大部分可焊接的透明或有色熱熔塑料來說吸收率太低，激光穿過這些材料時能量損失很少。焊接時疊加在一起的上下兩層材料需要滿足一定的要求;而下層材料作為熱作用區，需要對激光具有較高的吸收率。滿足了以上的兩個條件就可以保證激光可以較少的能量損耗透過上層材料到達下層材料的表面，由于下層材料具有較高的吸收率，激光在兩層材料的結合面處被吸收并產生熱量，使得該處的塑料熔化，在適當壓力作用下發生二次聚合，這樣在冷卻后再上下兩層材料之間形成焊縫而使它們連結在一起。
[0005]目前普遍采用的激光塑料焊接設備為機床類結構，激光軌跡的執行通過機床的各個軸來實現，其加工效率較低。通過資料檢索，檢索到已申請的專利文獻，
[0006]中國專利申請號201410846200.9公開了一種裝置，其用機械手臂來進行焊接。但只能對塑料工件在平面內進行焊接，無法實現三維空間上的焊接。而且用機械手臂無法進行大幅面的焊接。
[0007]中國專利申請號201410066447.5公開了類似的三維激光塑料焊接的裝置，但該專利中是通過可逆旋轉臺來使光纖頭在ZY面和XY面內同時做360度的轉動，從而實現激光頭在Z方向上的移動，這在實際工程中是不能被實現的。

【發明內容】

[0008]本實用新型的目的在于設計一種三維半導體激光塑料焊接系統，將激光器系統與運動系統整合成為一體，同時還可實現不同塑料器件的高效率、高質量的三維激光焊接，解決目前普遍采用的激光塑料焊接設備的加工幅面小，加工效率低的問題。
[0009]為實現上述目的，本實用新型的技術方案是:
[0010]一種三維半導體激光塑料焊接系統，包括，上位機、半導體激光器系統、單片機控制系統;其還包括讓激光頭做三維平移運動的激光頭運動機構、使反射鏡在X、Y平面內做二維平移運動的反射鏡機構和使工件順時針或逆時針旋轉的可旋轉的工件臺；上位機通過給單片機控制系統發出運動信號至激光頭運動機構，從而控制激光頭、反射鏡和工件的運動；上位機通過給單片機控制系統發出激光開關的信號至所述半導體激光器系統，從而控制激光的開關;激光頭、反射鏡及工件臺三者配合運動，實現對工件的三維焊接。
[0011 ]進一步，本實用新型所述的三維半導體激光塑料焊接系統，包括，工作臺；激光頭運動機構，設置于所述工作臺的一側;包括，兩根Y方向導軌，分別通過兩Y向立柱平行設置于所述工作臺上，該兩Y方向導軌上設第一、第二滑塊及相應的驅動裝置;一根X方向導軌，其兩端分別連接所述兩根Y方向導軌上的第一、第二滑塊，使X方向導軌與Y方向導軌垂直；該X方向導軌上設第三滑塊及相應的驅動裝置;兩Z方向立柱，設置于所述第三滑塊的上下端面，Z方向立柱與X方向導軌垂直;Z方向導軌，其兩端分別通過一連接塊與兩Z方向立柱的外端部連接，使Z方向導軌與X方向導軌垂直;激光頭夾具及相應的驅動裝置，滑設于所述Z方向導軌上;反射鏡機構，設置于所述工作臺的另一側;包括，兩Y方向軌道，平行設置于工作臺上，該兩Y方向軌道上設置第四、第五滑塊及相應的驅動裝置;X方向軌道，其兩端連接所述第四、第五滑塊，與Y方向軌道垂直;X方向軌道上設第六滑塊及相應的驅動裝置;反射鏡架，設置于所述第六滑塊上;反射鏡，設置于所述反射鏡架上，反射鏡與水平方向呈45度角;可旋轉的工件臺及控制其旋轉的可逆電機，設置于所述激光頭運動機構的工作臺中央；半導體激光器系統，包括激光頭，該激光頭安裝于所述激光頭夾具上;所述各滑塊相應的驅動裝置及可逆電機分別電性連接單片機控制系統。
[0012]優選的，所述各滑塊相應的驅動裝置包括伺服電機、滑輪及連接在兩者之上的傳動帶，所述滑塊連接于傳動帶上。
[0013]進一步，所述單片機控制系統包括單片機支撐板、隔離柱、單片機及其外圍電路；所述單片機支撐板固定在工作臺上;所述單片機通過隔離柱固定在單片機支撐板上;通過上位機實現激光塑料焊接的控制，其中，上位機預先設定激光頭運動的軌跡，然后傳輸到單片機中，經過單片機控制系統處理之后，控制各滑塊相應的驅動裝置和可逆電機的運動，從而使激光頭按照既定軌跡運動。
[0014]優選的，所述半導體激光器系統為一個輸出準直的激光光源的激光器系統，輸出的準直光通過所述激光頭聚焦于工件加工面。
[0015]優選的，所述半導體激光器系統為一個光纖輸出的激光光源的激光器系統，光纖輸出激光通過所述激光頭聚焦于工件加工面。
[0016]當需要開關激光的時候，上位機發出信號至單片機，經繼電器處理后傳至半導體激光器系統，從而實現對激光器的開關控制。所述半導體激光器系統輸出的激光是通過光纖進行傳輸，從激光器輸出的激光通過光纖傳輸后，可以適應長距離工作環境。在光纖末端的激光經過準直透鏡準直，并最終通過所述激光頭聚焦于工件加工面。
[0017]本實用新型三維半導體激光塑料焊接系統，激光頭夾具在滑塊及伺服電機控制下在X、Y、Z方向上均能運動。當需要對工件側面進行焊接時，與水平方向呈45度角的反射鏡可保證豎直向下的激光經過反射垂直射在工件的側面上。反射鏡在伺服電機的控制下能做X、Y方向的運動。同時反射鏡在X方向上的移動加上激光頭夾具在Z方向上的移動可以配合用來調焦。工件旋轉臺在可逆電機的控制下可以進行旋轉，以保證工件的側面可以完全焊接。即實現了對塑料工件的三維焊接。所述伺服電機和可逆電機F分別與單片機控制系統連接，最終受上位機的控制。
[0018]本實用新型塑料焊接系統在對側面焊接時可以配合工件運動反射鏡X軸或運動激光頭Z軸進行聚焦。其中反射鏡與激光頭出射光夾角為45度。當根據需要焊接工件底部時，可以改變反射鏡與激光頭出射光的角度，讓激光頭、反射鏡以及工作臺三者配合運動可以完成工件底部的焊接。
[0019]激光頭夾具與Z方向導軌相連，可在其上滑動。激光頭固定在激光頭夾具上。通過伺服電機分別控制X方向導軌、Y方向導軌、Z方向導軌上的滑塊運動，使激光頭夾具可在X、Y、Z三個方向上運動。
[0020]與現有技術相比，本實用新型的有益效果:
[0021]1.本實用新型系統通過反射鏡與二維運動平臺的結合，實現對工件的大幅度三維焊接。
[0022]2.本實用新型系統將激光系統與運動系統整合在一起，實現上位機控制激光開關的功能。
【附圖說明】

[0023]圖1為本實用新型實施例一的立體圖；
[0024]圖2為圖1的俯視圖；
[0025]圖3為本實用新型實施例一中激光頭運動機構的結構示意圖；
[0026]圖4為本實用新型實施例一中激光頭運動機構的結構示意圖；
[0027]圖5為本實用新型實施例一中反射鏡二維運動結構的示意圖；
[0028]圖6為本實用新型實施例二的三維運動系統結構示意圖；
[0029]圖7為本實用新型實施例二中激光頭運動機構的示意圖；
[0030]圖8為本實用新型實施例二中反射鏡二維運動結構的示意圖；
[0031 ]圖9為本實用新型實施例的底面焊接示意圖。
【具體實施方式】
[0032]參見圖1?圖9，本實用新型的一種三維半導體激光塑料焊接系統，包括，上位機1、半導體激光器系統2、單片機控制系統3;其還包括讓激光頭做三維平移運動的激光頭運動機構4、使反射鏡在X、Y平面內做二維平移運動的反射鏡機構5和使工件順時針或逆時針旋轉的可旋轉的工件臺6;上位機通過給單片機控制系統發出運動信號至激光頭運動機構，從而控制激光頭、反射鏡和工件的運動;上位機通過給單片機控制系統發出激光開關的信號至所述半導體激光器系統，從而控制激光的開關;激光頭、反射鏡及工件臺三者配合運動，來保證實現對工件的三維焊接。
[0033]進一步，所述的三維半導體激光塑料焊接系統，其包括，
[0034]工作臺100;
[0035]激光頭運動機構4，設置于所述工作臺100的一側;包括，
[0036]兩根Y方向導軌401、401’，分別通過兩Y向立柱402、402’平行設置于所述工作臺100上，該兩Y方向導軌401、401’上設第一、第二滑塊403、404及相應的驅動裝置405、405’ ；
[0037]一根X方向導軌406，其兩端分別連接所述兩根Y方向導軌401、401’上的第一、第二滑塊403、404，使X方向導軌406與Y方向導軌401、401’垂直;該X方向導軌406上設第三滑塊407及相應的驅動裝置408 ；
[0038]兩Z方向立柱409，設置于所述第三滑塊407的上下端面，Z方向立柱409與X方向導軌406垂直；
[0039]Z方向導軌410，其兩端分別通過一連接塊411與兩Z方向立柱409的外端部連接，使Z方向導軌410與X方向導軌406垂直；
[0040]激光頭夾具412及相應的驅動裝置413，滑設于所述Z方向導軌410上；
[0041]反射鏡機構5，設置于所述工作臺100的另一側;包括，
[0042]兩Y方向軌道51、51’，平行設置于工作臺100上，該兩￥方向軌道51、51’上設置第四滑塊52、第五滑塊53及相應的驅動裝置54、54’ ；
[0043]X方向軌道55，其兩端連接所述第四、第五滑塊52、53，與Y方向軌道51、51’垂直;X方向軌道55上設第六滑塊56及相應的驅動裝置57;
[0044]反射鏡架58，設置于所述第六滑塊56上；
[0045]反射鏡59，設置于所述反射鏡架58上，反射鏡59與水平方向呈45度角；
[0046]可旋轉的工件臺6及控制其旋轉的可逆電機61，設置于所述激光頭運動機構4的工作臺100中央；
[0047]所述半導體激光器系統2，包括激光頭21，該激光頭21安裝于所述激光頭夾具412上;所述各滑塊相應的驅動裝置及可逆電機分別電性連接單片機控制系統3。
[0048]在本實施例中，所述半導體激光器系統2還包括包括供電電源22、M0SFET23、分流器24、控制電源25、制冷電源26、L型激光器27。
[0049]上位機通過給單片機控制系統發出激光開關的信號，并且結合電位器和驅動電源將該信號至所述半導體激光器系統上，從而控制激光的開關;激光頭、反射鏡及工件臺三者配合運動，實現對工件200的三維焊接。
[0050]參見圖6，本實用新型所述第一滑塊403相應的驅動裝置405(以第一滑塊403為例，下同)包括伺服電機4051、滑輪4052及連接在兩者之上的傳動帶4053，所述第一滑塊403連接于傳動帶4053上。
[0051]進一步，所述單片機控制系統3包括單片機支撐板31、隔離柱32、單片機33及其外圍電路(繼電器34、驅動電源35);所述單片機支撐板31固定在工作臺100上;所述單片機33通過隔離柱32固定在單片機支撐板31上;通過上位機I實現激光塑料焊接的控制，其中，上位機I預先設定激光頭運動的軌跡，然后傳輸到單片機33中，經過單片機控制系統3處理之后，控制各滑塊相應的驅動裝置和可逆電機的運動，從而使激光頭21按照既定軌跡運動。
[0052]上位機通過給單片機系統發出激光開關的信號，并且結合電位器和驅動電源將該信號至所述半導體激光器系統，從而控制激光的開關。
[0053]優選的，所述半導體激光器系統為一個輸出準直的激光光源的激光器系統，輸出的準直光通過所述激光頭聚焦于工件加工面。
[0054]優選的，所述半導體激光器系統為一個光纖輸出的激光光源的激光器系統，光纖輸出激光通過所述激光頭聚焦于工件加工面。
[0055]當需要開關激光的時候，上位機發出信號至單片機，經繼電器處理后傳至半導體激光器系統，從而實現對激光器的開關控制。所述半導體激光器系統輸出的激光是通過光纖進行傳輸，從激光器輸出的激光通過光纖傳輸后，可以適應長距離工作環境。在光纖末端的激光經過準直透鏡準直，并最終通過所述激光頭聚焦于工件加工面。
[0056]本實用新型三維半導體激光塑料焊接系統，激光頭夾具在各滑塊及相應的伺服電機的控制下在X、Y、Z方向上運動。當需要對工件側面進行焊接時，與水平方向呈45度角的反射鏡可保證豎直向下的激光經過反射垂直射在工件的側面上。反射鏡在伺服電機的控制下能做Χ、Υ方向的運動；同時反射鏡在X方向上的移動加上激光頭夾具在Z方向上的移動可以配合用來調焦。工件旋轉臺在可逆電機的控制下可以進行旋轉，以保證工件的側面可以完全焊接。即實現了對塑料工件的三維焊接。所述伺服電機和可逆電機分別與單片機控制系統連接，最終受上位機的控制。在上位機中設定的圖形，通過雙頭USB傳輸到單片機控制系統中，控制激光頭的運動軌跡。本實用新型將激光器系統與運動系統整合在一起，同時能夠滿足激光始終垂直于工件加工表面，并且能完成對工件的大幅度的三維焊接。
[0057]單片機上有USB接口，通過一條雙頭USB線與上位機連接。在上位機中，把需要焊接的圖形導入，并設定好焊接速度，然后輸入到單片機控制系統中進行處理。該單片機控制系統主要有兩方面功能，一方面功能是控制伺服電機和可逆電機來控制激光頭在三維空間內的運動、反射鏡的運動以及工件臺的運動;另一方面是控制激光的開關。
[0058]當焊接工件上表面時，根據焊接軌跡只需要在XY平面內進行焊接時，單片機會輸出信號使反射鏡向左運動至Y方向導軌的最左側，以保證不影響焊接過程；同時控制激光頭在XY平面上運動。
[0059]當焊接工件側表面時，根據焊接軌跡需要，單片機會輸出信號使反射鏡向右移動，同時根據所需焊接軌跡使激光頭在Z軸方向上運動。其中反射鏡與水平面始終呈45度角，以此來保證激光頭在處于豎直方向上時，輸出的激光可以垂直射在工件待焊接表面。與此同時，單片機會根據焊接軌跡的需要，控制可逆電機，從而使工件臺進行旋轉帶動工件的旋轉，來配合保證焊接工件的整個側面。隨著焊接軌跡的變化，單片機會控制反射鏡在X軸方向上的移動配合激光頭在Z軸方向上的移動來進行聚焦或保證恒定的離焦量，從而保證焊接效果。當焊接軌跡向下時，單片機會控制激光頭向下運動，同時控制反射鏡向左運動，這樣才能保證聚焦或使離焦量不變。
[0060]當焊接工件底面時，根據焊接軌跡需要，會改變反射鏡與激光出射光的角度，從而使豎直向下的出射光改變方向打在工件底面上(見圖9)。由于此時激光不是垂直打在工件表面，因此光斑大小會發生變化，此時需要調整離焦量或更換鏡頭來保證焊縫的統一大小。[0061 ]其中控制激光的開關是這樣實現的:
[0062]當打開激光時，則需要將LASER ENABLE兩個引腳導通，否則，只需將LASER ENABLE的兩個引腳斷開；同時，根據已設定好的焊接軌跡，需要激光打開的地方，會通過上位機控制單片機上其中兩根引線的輸出壓差為5V，反之，這兩根引線的輸出電壓為O。因此，將這兩根引線接到一個5V的繼電器上，再接到LASER ENABLE上的那兩個引腳。便可實現通過上位機來控制激光開關的功能。
[0063]在本實施例中，所述驅動電源、繼電器，其目的是將運動系統與激光系統整合在一起。所述驅動電源同時提供5V和24V的電壓;繼電器為5V繼電器。所述單片機控制系統自身需要24V的供電電壓，單片機是由驅動電源供電；同時，在需要開激光的時候，單片機一接口由5V輸出拉低至0V。此外，單片機另一接口一直保持著5V的電壓輸出。據此，利用此現象將這兩個接口接到5V的繼電器上，再接到激光器上的LASER ENABLE接口，來實現通過上位機來控制激光開關的功能。
[0064]激光器系統輸出激光時，其上的LASERENABLE接口上有兩個引腳是需要短路的，反之，兩個接口處于斷路狀態。
[0065]本實用新型可以進行較大幅面的三維焊接，最大工作范圍為5m*5m*5m，最大掃描速度為200mm/s。
[0066]本實用新型未涉及部分均與現有技術相同或可采用現有技術加以實現。
[0067]在未背離本實用新型原理的情況下，所作的任何修改，簡化等替換方式，都包括在本實用新型的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種三維半導體激光塑料焊接系統，包括，上位機、半導體激光器系統、單片機控制系統;其特征在于，還包括讓激光頭做三維平移運動的激光頭運動機構、使反射鏡在Χ、γ平面內做二維平移運動的反射鏡機構和使工件順時針或逆時針旋轉的可旋轉的工件臺；上位機通過給單片機控制系統發出運動信號至激光頭運動機構，從而控制激光頭、反射鏡和工件的運動;上位機通過給單片機控制系統發出激光開關的信號至所述半導體激光器系統，從而控制激光的開關;激光頭、反射鏡及工件臺三者配合運動，實現對工件的三維焊接。2.如權利要求1所述的三維半導體激光塑料焊接系統，其特征在于，包括，工作臺； 所述激光頭運動機構，設置于所述工作臺的一側;包括， 兩根Y方向導軌，分別通過兩Y向立柱平行設置于所述工作臺上，該兩Y方向導軌上設第一、第二滑塊及相應的驅動裝置； 一根X方向導軌，其兩端分別連接所述兩根Y方向導軌上的第一、第二滑塊，使X方向導軌與Y方向導軌垂直;該X方向導軌上設第三滑塊及相應的驅動裝置； 兩Z方向立柱，設置于所述第三滑塊的上下端面，Z方向立柱與X方向導軌垂直； Z方向導軌，其兩端分別通過一連接塊與兩Z方向立柱的外端部連接，使Z方向導軌與X方向導軌垂直； 激光頭夾具及相應的驅動裝置，滑設于所述Z方向導軌上； 反射鏡機構，設置于所述工作臺的另一側;包括， 兩Y方向軌道，平行設置于工作臺上，該兩Y方向軌道上設置第四、第五滑塊及相應的驅動裝置； X方向軌道，其兩端連接所述第四、第五滑塊，與Y方向軌道垂直;X方向軌道上設第六滑塊及相應的驅動裝置； 反射鏡架，設置于所述第六滑塊上； 反射鏡，設置于所述反射鏡架上，反射鏡與水平方向呈45度角； 可旋轉的工件臺及控制其旋轉的可逆電機，設置于所述激光頭運動機構的工作臺中央； 半導體激光器系統，包括激光頭，該激光頭安裝于所述激光頭夾具上； 所述各滑塊相應的驅動裝置及可逆電機分別電性連接單片機控制系統。3.如權利要求1所述的三維半導體激光塑料焊接系統，其特征在于，所述單片機控制系統包括單片機支撐板、隔離柱、單片機及其外圍電路;所述單片機支撐板固定在工作臺上；所述單片機通過隔離柱固定在單片機支撐板上;通過上位機實現激光塑料焊接的控制，其中，上位機預先設定激光頭運動的軌跡，然后傳輸到單片機中，經過單片機控制系統處理之后，控制各滑塊相應的驅動裝置和可逆電機的運動，從而使激光頭按照既定軌跡運動。4.如權利要求2或3所述的三維半導體激光塑料焊接系統，其特征在于，所述各滑塊相應的驅動裝置包括伺服電機、滑輪及連接在兩者之上的傳動帶，所述滑塊連接于傳動帶上。5.如權利要求1或2所述的三維半導體激光塑料焊接系統，其特征在于，所述半導體激光器系統為一個可輸出準直的激光光源的激光器系統，輸出的準直光通過所述激光頭聚焦于工件加工面。6.如權利要求1或2所述的三維半導體激光塑料焊接系統，其特征在于，所述半導體激光器系統為一個光纖輸出的激光光源的激光器系統，光纖輸出激光通過所述激光頭聚焦于工件加工面。
【文檔編號】B23K26/324GK205705288SQ201620556812
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年6月8日
【發明人】王穎, 李翔
【申請人】嘉興九碩激光科技有限公司