一种三维半导体激光塑料焊接系统的制作方法
【专利摘要】一种三维半导体激光塑料焊接系统，包括，上位机、半导体激光器系统、单片机控制系统、让激光头做三维平移运动的激光头运动机构、使反射镜在X、Y平面内做二维平移运动的反射镜机构和使工件顺时针或逆时针旋转的可旋转的工件台；上位机通过单片机控制系统发出运动信号至激光头运动机构，控制激光头、反射镜和工件的运动；上位机通过给单片机控制系统发出激光开关的信号至半导体激光器系统，从而控制激光的开关，实现对工件的三维焊接。本实用新型三维半导体激光塑料焊接系统将激光器系统与运动系统整合成为一体，同时还可实现不同塑料器件的高效率、高质量的三维激光焊接，解决目前普遍采用的激光塑料焊接设备的加工幅面小，加工效率低的问题。
【专利说明】
一种三维半导体激光塑料焊接系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及激光透射焊接领域，特别涉及一种三维半导体激光塑料焊接系统，用于热塑性塑料之间的激光透射焊接。
【背景技术】
[0002]激光焊接技术在金属材料的加工领域应用广泛，其优异的性能早已被各个应用行业所接受，成果显著。随着绿色环保理念在全球工业生产中的贯彻以及生产成本控制方面的考虑，塑料作为一种性能优异的可再生非金属材料，被日益广泛地应用在各行业中。
[0003]激光塑料焊接最早出现在20世纪70年代，但是由于费用昂贵，无法和传统塑料焊接技术相竞争，因此发展缓慢。但是从20世纪90年代中期开始，由于激光焊接技术所需要的设备费用下降，该技术逐渐受到人们的的广泛欢迎。
[0004]激光塑料焊接利用透射焊接原理，选用红外激光作为焊接热源，一般以SOOnm-1lOOnm波段的激光为主，这一波段的激光对于大部分可焊接的透明或有色热熔塑料来说吸收率太低，激光穿过这些材料时能量损失很少。焊接时叠加在一起的上下两层材料需要满足一定的要求;而下层材料作为热作用区，需要对激光具有较高的吸收率。满足了以上的两个条件就可以保证激光可以较少的能量损耗透过上层材料到达下层材料的表面，由于下层材料具有较高的吸收率，激光在两层材料的结合面处被吸收并产生热量，使得该处的塑料熔化，在适当压力作用下发生二次聚合，这样在冷却后再上下两层材料之间形成焊缝而使它们连结在一起。
[0005]目前普遍采用的激光塑料焊接设备为机床类结构，激光轨迹的执行通过机床的各个轴来实现，其加工效率较低。通过资料检索，检索到已申请的专利文献，
[0006]中国专利申请号201410846200.9公开了一种装置，其用机械手臂来进行焊接。但只能对塑料工件在平面内进行焊接，无法实现三维空间上的焊接。而且用机械手臂无法进行大幅面的焊接。
[0007]中国专利申请号201410066447.5公开了类似的三维激光塑料焊接的装置，但该专利中是通过可逆旋转台来使光纤头在ZY面和XY面内同时做360度的转动，从而实现激光头在Z方向上的移动，这在实际工程中是不能被实现的。
【发明内容】
[0008]本实用新型的目的在于设计一种三维半导体激光塑料焊接系统，将激光器系统与运动系统整合成为一体，同时还可实现不同塑料器件的高效率、高质量的三维激光焊接，解决目前普遍采用的激光塑料焊接设备的加工幅面小，加工效率低的问题。
[0009]为实现上述目的，本实用新型的技术方案是:
[0010]一种三维半导体激光塑料焊接系统，包括，上位机、半导体激光器系统、单片机控制系统;其还包括让激光头做三维平移运动的激光头运动机构、使反射镜在X、Y平面内做二维平移运动的反射镜机构和使工件顺时针或逆时针旋转的可旋转的工件台；上位机通过给单片机控制系统发出运动信号至激光头运动机构，从而控制激光头、反射镜和工件的运动；上位机通过给单片机控制系统发出激光开关的信号至所述半导体激光器系统，从而控制激光的开关;激光头、反射镜及工件台三者配合运动，实现对工件的三维焊接。
[0011 ]进一步，本实用新型所述的三维半导体激光塑料焊接系统，包括，工作台；激光头运动机构，设置于所述工作台的一侧;包括，两根Y方向导轨，分别通过两Y向立柱平行设置于所述工作台上，该两Y方向导轨上设第一、第二滑块及相应的驱动装置;一根X方向导轨，其两端分别连接所述两根Y方向导轨上的第一、第二滑块，使X方向导轨与Y方向导轨垂直；该X方向导轨上设第三滑块及相应的驱动装置;两Z方向立柱，设置于所述第三滑块的上下端面，Z方向立柱与X方向导轨垂直;Z方向导轨，其两端分别通过一连接块与两Z方向立柱的外端部连接，使Z方向导轨与X方向导轨垂直;激光头夹具及相应的驱动装置，滑设于所述Z方向导轨上;反射镜机构，设置于所述工作台的另一侧;包括，两Y方向轨道，平行设置于工作台上，该两Y方向轨道上设置第四、第五滑块及相应的驱动装置;X方向轨道，其两端连接所述第四、第五滑块，与Y方向轨道垂直;X方向轨道上设第六滑块及相应的驱动装置;反射镜架，设置于所述第六滑块上;反射镜，设置于所述反射镜架上，反射镜与水平方向呈45度角;可旋转的工件台及控制其旋转的可逆电机，设置于所述激光头运动机构的工作台中央；半导体激光器系统，包括激光头，该激光头安装于所述激光头夹具上;所述各滑块相应的驱动装置及可逆电机分别电性连接单片机控制系统。
[0012]优选的，所述各滑块相应的驱动装置包括伺服电机、滑轮及连接在两者之上的传动带，所述滑块连接于传动带上。
[0013]进一步，所述单片机控制系统包括单片机支撑板、隔离柱、单片机及其外围电路；所述单片机支撑板固定在工作台上;所述单片机通过隔离柱固定在单片机支撑板上;通过上位机实现激光塑料焊接的控制，其中，上位机预先设定激光头运动的轨迹，然后传输到单片机中，经过单片机控制系统处理之后，控制各滑块相应的驱动装置和可逆电机的运动，从而使激光头按照既定轨迹运动。
[0014]优选的，所述半导体激光器系统为一个输出准直的激光光源的激光器系统，输出的准直光通过所述激光头聚焦于工件加工面。
[0015]优选的，所述半导体激光器系统为一个光纤输出的激光光源的激光器系统，光纤输出激光通过所述激光头聚焦于工件加工面。
[0016]当需要开关激光的时候，上位机发出信号至单片机，经继电器处理后传至半导体激光器系统，从而实现对激光器的开关控制。所述半导体激光器系统输出的激光是通过光纤进行传输，从激光器输出的激光通过光纤传输后，可以适应长距离工作环境。在光纤末端的激光经过准直透镜准直，并最终通过所述激光头聚焦于工件加工面。
[0017]本实用新型三维半导体激光塑料焊接系统，激光头夹具在滑块及伺服电机控制下在X、Y、Z方向上均能运动。当需要对工件侧面进行焊接时，与水平方向呈45度角的反射镜可保证竖直向下的激光经过反射垂直射在工件的侧面上。反射镜在伺服电机的控制下能做X、Y方向的运动。同时反射镜在X方向上的移动加上激光头夹具在Z方向上的移动可以配合用来调焦。工件旋转台在可逆电机的控制下可以进行旋转，以保证工件的侧面可以完全焊接。即实现了对塑料工件的三维焊接。所述伺服电机和可逆电机F分别与单片机控制系统连接，最终受上位机的控制。
[0018]本实用新型塑料焊接系统在对侧面焊接时可以配合工件运动反射镜X轴或运动激光头Z轴进行聚焦。其中反射镜与激光头出射光夹角为45度。当根据需要焊接工件底部时，可以改变反射镜与激光头出射光的角度，让激光头、反射镜以及工作台三者配合运动可以完成工件底部的焊接。
[0019]激光头夹具与Z方向导轨相连，可在其上滑动。激光头固定在激光头夹具上。通过伺服电机分别控制X方向导轨、Y方向导轨、Z方向导轨上的滑块运动，使激光头夹具可在X、Y、Z三个方向上运动。
[0020]与现有技术相比，本实用新型的有益效果:
[0021]1.本实用新型系统通过反射镜与二维运动平台的结合，实现对工件的大幅度三维焊接。
[0022]2.本实用新型系统将激光系统与运动系统整合在一起，实现上位机控制激光开关的功能。
【附图说明】
[0023]图1为本实用新型实施例一的立体图；
[0024]图2为图1的俯视图；
[0025]图3为本实用新型实施例一中激光头运动机构的结构示意图；
[0026]图4为本实用新型实施例一中激光头运动机构的结构示意图；
[0027]图5为本实用新型实施例一中反射镜二维运动结构的示意图；
[0028]图6为本实用新型实施例二的三维运动系统结构示意图；
[0029]图7为本实用新型实施例二中激光头运动机构的示意图；
[0030]图8为本实用新型实施例二中反射镜二维运动结构的示意图；
[0031 ]图9为本实用新型实施例的底面焊接示意图。
【具体实施方式】
[0032]参见图1?图9，本实用新型的一种三维半导体激光塑料焊接系统，包括，上位机1、半导体激光器系统2、单片机控制系统3;其还包括让激光头做三维平移运动的激光头运动机构4、使反射镜在X、Y平面内做二维平移运动的反射镜机构5和使工件顺时针或逆时针旋转的可旋转的工件台6;上位机通过给单片机控制系统发出运动信号至激光头运动机构，从而控制激光头、反射镜和工件的运动;上位机通过给单片机控制系统发出激光开关的信号至所述半导体激光器系统，从而控制激光的开关;激光头、反射镜及工件台三者配合运动，来保证实现对工件的三维焊接。
[0033]进一步，所述的三维半导体激光塑料焊接系统，其包括，
[0034]工作台100;
[0035]激光头运动机构4，设置于所述工作台100的一侧;包括，
[0036]两根Y方向导轨401、401’，分别通过两Y向立柱402、402’平行设置于所述工作台100上，该两Y方向导轨401、401’上设第一、第二滑块403、404及相应的驱动装置405、405’ ；
[0037]一根X方向导轨406，其两端分别连接所述两根Y方向导轨401、401’上的第一、第二滑块403、404，使X方向导轨406与Y方向导轨401、401’垂直;该X方向导轨406上设第三滑块407及相应的驱动装置408 ；
[0038]两Z方向立柱409，设置于所述第三滑块407的上下端面，Z方向立柱409与X方向导轨406垂直；
[0039]Z方向导轨410，其两端分别通过一连接块411与两Z方向立柱409的外端部连接，使Z方向导轨410与X方向导轨406垂直；
[0040]激光头夹具412及相应的驱动装置413，滑设于所述Z方向导轨410上；
[0041]反射镜机构5，设置于所述工作台100的另一侧;包括，
[0042]两Y方向轨道51、51’，平行设置于工作台100上，该两￥方向轨道51、51’上设置第四滑块52、第五滑块53及相应的驱动装置54、54’ ；
[0043]X方向轨道55，其两端连接所述第四、第五滑块52、53，与Y方向轨道51、51’垂直;X方向轨道55上设第六滑块56及相应的驱动装置57;
[0044]反射镜架58，设置于所述第六滑块56上；
[0045]反射镜59，设置于所述反射镜架58上，反射镜59与水平方向呈45度角；
[0046]可旋转的工件台6及控制其旋转的可逆电机61，设置于所述激光头运动机构4的工作台100中央；
[0047]所述半导体激光器系统2，包括激光头21，该激光头21安装于所述激光头夹具412上;所述各滑块相应的驱动装置及可逆电机分别电性连接单片机控制系统3。
[0048]在本实施例中，所述半导体激光器系统2还包括包括供电电源22、M0SFET23、分流器24、控制电源25、制冷电源26、L型激光器27。
[0049]上位机通过给单片机控制系统发出激光开关的信号，并且结合电位器和驱动电源将该信号至所述半导体激光器系统上，从而控制激光的开关;激光头、反射镜及工件台三者配合运动，实现对工件200的三维焊接。
[0050]参见图6，本实用新型所述第一滑块403相应的驱动装置405(以第一滑块403为例，下同)包括伺服电机4051、滑轮4052及连接在两者之上的传动带4053，所述第一滑块403连接于传动带4053上。
[0051]进一步，所述单片机控制系统3包括单片机支撑板31、隔离柱32、单片机33及其外围电路(继电器34、驱动电源35);所述单片机支撑板31固定在工作台100上;所述单片机33通过隔离柱32固定在单片机支撑板31上;通过上位机I实现激光塑料焊接的控制，其中，上位机I预先设定激光头运动的轨迹，然后传输到单片机33中，经过单片机控制系统3处理之后，控制各滑块相应的驱动装置和可逆电机的运动，从而使激光头21按照既定轨迹运动。
[0052]上位机通过给单片机系统发出激光开关的信号，并且结合电位器和驱动电源将该信号至所述半导体激光器系统，从而控制激光的开关。
[0053]优选的，所述半导体激光器系统为一个输出准直的激光光源的激光器系统，输出的准直光通过所述激光头聚焦于工件加工面。
[0054]优选的，所述半导体激光器系统为一个光纤输出的激光光源的激光器系统，光纤输出激光通过所述激光头聚焦于工件加工面。
[0055]当需要开关激光的时候，上位机发出信号至单片机，经继电器处理后传至半导体激光器系统，从而实现对激光器的开关控制。所述半导体激光器系统输出的激光是通过光纤进行传输，从激光器输出的激光通过光纤传输后，可以适应长距离工作环境。在光纤末端的激光经过准直透镜准直，并最终通过所述激光头聚焦于工件加工面。
[0056]本实用新型三维半导体激光塑料焊接系统，激光头夹具在各滑块及相应的伺服电机的控制下在X、Y、Z方向上运动。当需要对工件侧面进行焊接时，与水平方向呈45度角的反射镜可保证竖直向下的激光经过反射垂直射在工件的侧面上。反射镜在伺服电机的控制下能做Χ、Υ方向的运动；同时反射镜在X方向上的移动加上激光头夹具在Z方向上的移动可以配合用来调焦。工件旋转台在可逆电机的控制下可以进行旋转，以保证工件的侧面可以完全焊接。即实现了对塑料工件的三维焊接。所述伺服电机和可逆电机分别与单片机控制系统连接，最终受上位机的控制。在上位机中设定的图形，通过双头USB传输到单片机控制系统中，控制激光头的运动轨迹。本实用新型将激光器系统与运动系统整合在一起，同时能够满足激光始终垂直于工件加工表面，并且能完成对工件的大幅度的三维焊接。
[0057]单片机上有USB接口，通过一条双头USB线与上位机连接。在上位机中，把需要焊接的图形导入，并设定好焊接速度，然后输入到单片机控制系统中进行处理。该单片机控制系统主要有两方面功能，一方面功能是控制伺服电机和可逆电机来控制激光头在三维空间内的运动、反射镜的运动以及工件台的运动;另一方面是控制激光的开关。
[0058]当焊接工件上表面时，根据焊接轨迹只需要在XY平面内进行焊接时，单片机会输出信号使反射镜向左运动至Y方向导轨的最左侧，以保证不影响焊接过程；同时控制激光头在XY平面上运动。
[0059]当焊接工件侧表面时，根据焊接轨迹需要，单片机会输出信号使反射镜向右移动，同时根据所需焊接轨迹使激光头在Z轴方向上运动。其中反射镜与水平面始终呈45度角，以此来保证激光头在处于竖直方向上时，输出的激光可以垂直射在工件待焊接表面。与此同时，单片机会根据焊接轨迹的需要，控制可逆电机，从而使工件台进行旋转带动工件的旋转，来配合保证焊接工件的整个侧面。随着焊接轨迹的变化，单片机会控制反射镜在X轴方向上的移动配合激光头在Z轴方向上的移动来进行聚焦或保证恒定的离焦量，从而保证焊接效果。当焊接轨迹向下时，单片机会控制激光头向下运动，同时控制反射镜向左运动，这样才能保证聚焦或使离焦量不变。
[0060]当焊接工件底面时，根据焊接轨迹需要，会改变反射镜与激光出射光的角度，从而使竖直向下的出射光改变方向打在工件底面上(见图9)。由于此时激光不是垂直打在工件表面，因此光斑大小会发生变化，此时需要调整离焦量或更换镜头来保证焊缝的统一大小。[0061 ]其中控制激光的开关是这样实现的:
[0062]当打开激光时，则需要将LASER ENABLE两个引脚导通，否则，只需将LASER ENABLE的两个引脚断开；同时，根据已设定好的焊接轨迹，需要激光打开的地方，会通过上位机控制单片机上其中两根引线的输出压差为5V，反之，这两根引线的输出电压为O。因此，将这两根引线接到一个5V的继电器上，再接到LASER ENABLE上的那两个引脚。便可实现通过上位机来控制激光开关的功能。
[0063]在本实施例中，所述驱动电源、继电器，其目的是将运动系统与激光系统整合在一起。所述驱动电源同时提供5V和24V的电压;继电器为5V继电器。所述单片机控制系统自身需要24V的供电电压，单片机是由驱动电源供电；同时，在需要开激光的时候，单片机一接口由5V输出拉低至0V。此外，单片机另一接口一直保持着5V的电压输出。据此，利用此现象将这两个接口接到5V的继电器上，再接到激光器上的LASER ENABLE接口，来实现通过上位机来控制激光开关的功能。
[0064]激光器系统输出激光时，其上的LASERENABLE接口上有两个引脚是需要短路的，反之，两个接口处于断路状态。
[0065]本实用新型可以进行较大幅面的三维焊接，最大工作范围为5m*5m*5m，最大扫描速度为200mm/s。
[0066]本实用新型未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
[0067]在未背离本实用新型原理的情况下，所作的任何修改，简化等替换方式，都包括在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种三维半导体激光塑料焊接系统，包括，上位机、半导体激光器系统、单片机控制系统;其特征在于，还包括让激光头做三维平移运动的激光头运动机构、使反射镜在Χ、γ平面内做二维平移运动的反射镜机构和使工件顺时针或逆时针旋转的可旋转的工件台；上位机通过给单片机控制系统发出运动信号至激光头运动机构，从而控制激光头、反射镜和工件的运动;上位机通过给单片机控制系统发出激光开关的信号至所述半导体激光器系统，从而控制激光的开关;激光头、反射镜及工件台三者配合运动，实现对工件的三维焊接。2.如权利要求1所述的三维半导体激光塑料焊接系统，其特征在于，包括，工作台； 所述激光头运动机构，设置于所述工作台的一侧;包括， 两根Y方向导轨，分别通过两Y向立柱平行设置于所述工作台上，该两Y方向导轨上设第一、第二滑块及相应的驱动装置； 一根X方向导轨，其两端分别连接所述两根Y方向导轨上的第一、第二滑块，使X方向导轨与Y方向导轨垂直;该X方向导轨上设第三滑块及相应的驱动装置； 两Z方向立柱，设置于所述第三滑块的上下端面，Z方向立柱与X方向导轨垂直； Z方向导轨，其两端分别通过一连接块与两Z方向立柱的外端部连接，使Z方向导轨与X方向导轨垂直； 激光头夹具及相应的驱动装置，滑设于所述Z方向导轨上； 反射镜机构，设置于所述工作台的另一侧;包括， 两Y方向轨道，平行设置于工作台上，该两Y方向轨道上设置第四、第五滑块及相应的驱动装置； X方向轨道，其两端连接所述第四、第五滑块，与Y方向轨道垂直;X方向轨道上设第六滑块及相应的驱动装置； 反射镜架，设置于所述第六滑块上； 反射镜，设置于所述反射镜架上，反射镜与水平方向呈45度角； 可旋转的工件台及控制其旋转的可逆电机，设置于所述激光头运动机构的工作台中央； 半导体激光器系统，包括激光头，该激光头安装于所述激光头夹具上； 所述各滑块相应的驱动装置及可逆电机分别电性连接单片机控制系统。3.如权利要求1所述的三维半导体激光塑料焊接系统，其特征在于，所述单片机控制系统包括单片机支撑板、隔离柱、单片机及其外围电路;所述单片机支撑板固定在工作台上；所述单片机通过隔离柱固定在单片机支撑板上;通过上位机实现激光塑料焊接的控制，其中，上位机预先设定激光头运动的轨迹，然后传输到单片机中，经过单片机控制系统处理之后，控制各滑块相应的驱动装置和可逆电机的运动，从而使激光头按照既定轨迹运动。4.如权利要求2或3所述的三维半导体激光塑料焊接系统，其特征在于，所述各滑块相应的驱动装置包括伺服电机、滑轮及连接在两者之上的传动带，所述滑块连接于传动带上。5.如权利要求1或2所述的三维半导体激光塑料焊接系统，其特征在于，所述半导体激光器系统为一个可输出准直的激光光源的激光器系统，输出的准直光通过所述激光头聚焦于工件加工面。6.如权利要求1或2所述的三维半导体激光塑料焊接系统，其特征在于，所述半导体激光器系统为一个光纤输出的激光光源的激光器系统，光纤输出激光通过所述激光头聚焦于工件加工面。
【文档编号】B23K26/324GK205705288SQ201620556812
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年6月8日
【发明人】王颖, 李翔
【申请人】嘉兴九硕激光科技有限公司