專利名稱:用于激光塑料焊接的自動(dòng)部件反饋補(bǔ)償?shù)闹谱鞣椒?br>
技術(shù)領(lǐng)域:
本公開一般涉及塑料焊接,并更特別地涉及用于激光塑料焊接的自動(dòng)部件反饋補(bǔ)償。
背景技術(shù):
當(dāng)前,塑料或樹脂部件的焊接工藝包括多種技術(shù),這些技術(shù)包括超聲波焊接、熱焊接和最新近的通過(guò)透射紅外(TTIr)焊接。
TTIr焊接采用穿過(guò)第一塑料部件并進(jìn)入第二塑料部件的紅外線。在當(dāng)前工藝中,TTIr焊接能夠使用紅外激光或者非相干紅外線。在當(dāng)前工藝中,紅外激光能夠由光導(dǎo)纖維、波導(dǎo)或光波導(dǎo)引導(dǎo)穿過(guò)第一塑料部件并進(jìn)入第二塑料部件。該第一塑料部件經(jīng)常被稱作透射件,因?yàn)樗ǔT试S來(lái)自激光器的激光束從其中穿過(guò)。該第二塑料部件經(jīng)常被稱為吸收件,因?yàn)樵撐占ǔN占す馐妮椛淠芰恳栽诤附訁^(qū)內(nèi)產(chǎn)生熱量。焊接區(qū)內(nèi)的該熱量導(dǎo)致透射件和吸收件被熔化并因此焊接在一起。然而,激光器的控制會(huì)是非常困難的,并且當(dāng)前需要手動(dòng)調(diào)節(jié)激光源的輸出來(lái)達(dá)到所期望的激光加熱效果。這種手動(dòng)調(diào)節(jié)是用試錯(cuò)法執(zhí)行的,并且會(huì)非常費(fèi)力和費(fèi)時(shí)。
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本教導(dǎo)的原理,期望控制激光源的輸出以確保適當(dāng)?shù)暮附?,并且更特別地,期望通過(guò)使用閉環(huán)反饋控制來(lái)控制激光源的輸出。
根據(jù)本文中提供的說(shuō)明,更多的適用范圍將變得顯而易見。應(yīng)該理解的是,說(shuō)明書和具體實(shí)例僅僅是為了例證的目的,而不是旨在限制本公開的范圍。
本文中描述的附圖僅是出于例證的目的,而無(wú)論如何不是旨在限制本公開的范圍。
圖1是示出通過(guò)透射紅外(TTIr)焊接系統(tǒng)的示意圖;圖2是示出使用閉環(huán)反饋控制的通過(guò)透射紅外(TTIr)焊接系統(tǒng)的示意圖;圖3是示出包含本公開的教導(dǎo)的紅外焊接機(jī)的透視圖;并且圖4是示出具有光電二極管和激光二極管的激光二極管腔的透視圖。
具體實(shí)施例方式
下面的說(shuō)明實(shí)質(zhì)上僅是示例性的,并且并非旨在限制本公開、應(yīng)用或用途。
如圖1所示,本教導(dǎo)的原理提供了一種用于通過(guò)透射紅外(TTIr)焊接的方法和裝置。通常,在TTIr焊接中,通過(guò)諸如光波導(dǎo)、波導(dǎo)和/或光導(dǎo)纖維的光學(xué)器件,將紅外激光100從一個(gè)或多個(gè)激光源102引導(dǎo)到待焊接的塑料部件上。在這點(diǎn)上,第一塑料部件110是可透射紅外線的,并且因此允許紅外線從其中穿過(guò)。第二塑料部件112是可吸收紅外線的。因此,激光穿過(guò)第一透射部件110到達(dá)第二吸收部件112,在這里激光被轉(zhuǎn)換成熱量并繼而在焊縫114處熔化塑料,從而使部件焊接在一起??蛇x地,兩個(gè)部件都可以是可透射紅外線的,在這種情況下,可將一可吸收紅外線的介質(zhì)定位在焊縫114處來(lái)吸收紅外線并將其轉(zhuǎn)換成熱量以焊接所述部件。然而,根據(jù)本教導(dǎo)的原理,期望控制激光源102的輸出以確保適當(dāng)?shù)暮附?,并且更特別地,期望通過(guò)使用新穎的閉環(huán)反饋控制來(lái)控制激光源102的輸出。
現(xiàn)在參考圖2,在一些實(shí)施例中,在TTIr激光塑料同步插入(simultaneous plunge)焊接系統(tǒng)10中,采用反饋控制系統(tǒng)12來(lái)提供反饋信息,以監(jiān)控激光源14(可以與激光源102類似或相同)下游的激光強(qiáng)度。反饋控制系統(tǒng)12包括定位于激光源14的下游、但是定位于第一透射部件110和第二吸收部件112的上游的光學(xué)傳感器16,以及控制模塊17。在一些實(shí)施例中,光學(xué)傳感器16是光電二極管??刂颇K17可操作地與光學(xué)傳感器16電氣連接,以便接收來(lái)自激光源14的實(shí)時(shí)激光強(qiáng)度信息,并且控制模塊17可操作地與激光源14電氣連接,以便控制激光源14的輸出強(qiáng)度。
在一些實(shí)施例中,可以將光學(xué)傳感器16定位在光導(dǎo)纖維元件18和/或波導(dǎo)20的上游(如圖所示),或者也可以將其定位在一個(gè)或多個(gè)光導(dǎo)纖維元件18和波導(dǎo)20的下游。換言之,可以將光學(xué)傳感器16定位在激光源14和第一透射部件110之間的任何位置。然而,在監(jiān)控之前,應(yīng)該將激光源14校準(zhǔn)到設(shè)定值。理想地,在沒(méi)有部件或其它工具就位的情況下執(zhí)行這種校準(zhǔn)過(guò)程。在一些實(shí)施例中,光學(xué)反饋傳感器16被定位在諸如光導(dǎo)纖維元件18和/或波導(dǎo)20的工具的上游,從而消除了在變換部件或工具期間,變換或替換光學(xué)反饋傳感器16或反饋控制系統(tǒng)12的需要。
本公開的教導(dǎo)通過(guò)使用閉環(huán)反饋控制來(lái)自動(dòng)補(bǔ)償TTIr焊接系統(tǒng)10中的諸如部件和工具之類物體的反射,其中閉環(huán)反饋控制使快速和方便地變換工具成為可能。更特別地,本公開的教導(dǎo)允許在反饋控制系統(tǒng)12被最初校準(zhǔn)之后進(jìn)行工具變換和部件變換,而不會(huì)斷開反饋信號(hào)或?qū)Ψ答佇盘?hào)施加相反的影響。
步驟1-為了對(duì)TTIr焊接系統(tǒng)10的反饋控制系統(tǒng)12進(jìn)行初始校準(zhǔn),首先在沒(méi)有任何工具(即光導(dǎo)纖維元件18和/或波導(dǎo)20)或待焊接部件存在的情況下,在開環(huán)模式下以初始功率級(jí)百分比%Pinitial開啟激光源14,其中%Pinitial由外部的儀表來(lái)驗(yàn)證。在這種條件下,測(cè)量來(lái)自光學(xué)反饋傳感器16的信號(hào)作為初始光學(xué)反饋信號(hào)Vinitial,將其以電子方式存儲(chǔ)并用作基線。該步驟可以在TTIr焊接系統(tǒng)10最初被制造時(shí)執(zhí)行,或者在其后的任何時(shí)間執(zhí)行,但只需執(zhí)行一次。
步驟2-然后,可以在光導(dǎo)纖維元件18和/或波導(dǎo)20就位的情況下,在開環(huán)模式下以某個(gè)已知的功率百分比級(jí)%Ptool開啟激光源14。然后測(cè)量光學(xué)反饋信號(hào)作為Vtool,并以電子形式將其存儲(chǔ)。帶有工具情況下的光學(xué)反饋信號(hào)Vtool,由于從工具返回的反射光而將高于初始光學(xué)反饋信號(hào)Vinitial。換言之,當(dāng)光從激光源14輸出時(shí),它將沿著光導(dǎo)纖維元件18和/或波導(dǎo)20向下傳播。光學(xué)反饋傳感器16將部分地檢測(cè)到該輸出光。然而,光學(xué)反饋傳感器16也將檢測(cè)到從光導(dǎo)纖維元件18和/或波導(dǎo)20反射回到光學(xué)反饋傳感器16處的一部分光。因此,帶有工具情況下的光學(xué)反饋信號(hào)Vtool,包括來(lái)自激光源14的實(shí)際輸出的光與由于工具而反射回到光學(xué)反饋傳感器16處的光的量的和。該步驟只有在變換工具時(shí)才需要執(zhí)行。
步驟3-然后可以在工具就位并且將具有已知反射率Rmirror的反射鏡放置在部件110、112稍后將被放置的地方的情況下,在開環(huán)模式下以全功率級(jí)的百分比%Pmirror開啟激光源14。測(cè)量光學(xué)反饋?zhàn)鳛閂mirror,并以電子形式將其存儲(chǔ)。該步驟只有在更換工具時(shí)才需要執(zhí)行。
然而,應(yīng)該注意的是,在工具就位情況下在開環(huán)狀態(tài)下對(duì)光學(xué)反饋信號(hào)的測(cè)量(即步驟2),以及在工具和反射鏡都就位的情況下在開環(huán)狀態(tài)下對(duì)光學(xué)反饋信號(hào)的測(cè)量(即步驟3),都不是為校正傳遞到部件110頂部的激光功率所必需的步驟。然而,這些步驟是為補(bǔ)償通過(guò)部件110向下傳遞到焊接區(qū)114的激光功率所必需的。換言之,部件110的反射和/或吸收會(huì)減小到達(dá)焊縫114的激光的量,因此,對(duì)于這種影響,應(yīng)該對(duì)激光源14進(jìn)行補(bǔ)償。
步驟4-最后,在工具和部件110、112都就位的情況下,在開環(huán)模式下以全功率級(jí)的某個(gè)百分比%Ppart開啟激光源14。測(cè)量該光學(xué)反饋信號(hào)作為Vpart,并再一次以電子形式將其存儲(chǔ)??梢栽谛虏考某跏疾考\(yùn)行之前執(zhí)行一次該步驟,或者可以在一系列新的部件之前執(zhí)行一次該步驟以解決部件批次之間的變化性,或者可以甚至在每個(gè)單個(gè)的部件之前執(zhí)行一次該步驟以解決單個(gè)部件的變化性。由于只使用了全激光功率的一定的百分比,所以能夠?qū)⒃摴β试O(shè)定在部件110、112的焊接閾值之下,從而允許在不犧牲部件110、112的完整性的情況下來(lái)測(cè)量反饋信號(hào)。
在閉環(huán)模式下的實(shí)際焊接期間,將反饋信號(hào)Vactual修正為校正值Vcorrected,如下所示Vcorrected=Vactual(Vinitial%Pinitial)(Vpart%Ppart)---(1)]]>其中Vcorrected=由閉環(huán)處理器實(shí)際使用的校正的反饋信號(hào);Vactual=在實(shí)際焊接周期期間由光學(xué)反饋傳感器16讀取的反饋信號(hào);
Vinitial=在沒(méi)有工具和沒(méi)有部件的情況下最初讀取的反饋信號(hào);%Pinitial=在沒(méi)有工具和沒(méi)有部件的情況下在開環(huán)狀態(tài)下使用的總功率的百分比;Vpart=在功率為總功率的一定百分比并且?guī)в泄ぞ吆筒考那闆r下在開環(huán)狀態(tài)下最初讀取的反饋信號(hào);并且%Ppart=在帶有工具和部件的情況下在開環(huán)狀態(tài)下使用的總功率的百分比。
由閉環(huán)處理器使用的校正的反饋值Vcorrected,將小于由光學(xué)反饋傳感器16檢測(cè)到的實(shí)際反饋信號(hào)Vactual。實(shí)際反饋信號(hào)包括附加的虛假的反射信號(hào)。校正的反饋消除了附加的虛假的量。這允許閉環(huán)控制的激光功率以按照機(jī)器的初始校準(zhǔn)所指定的已知量被傳遞到部件的頂部。
只需要測(cè)量步驟一和四以校正反饋信號(hào),以便已知量的激光功率能夠到達(dá)部件110的頂部。部件110具有一定的反射率,使傳遞的功率中的一定百分比反射離開位于部件110的遠(yuǎn)端面的焊縫114。這能夠通過(guò)步驟二和三得到進(jìn)一步補(bǔ)償。在部件110的實(shí)際反射率已知的情況下,可以提高激光源14的功率以使傳遞到焊縫114處的功率等于所需要的量(減去激光功率在部件110中的任何耗散)。
部件的反射率Rpart可以計(jì)算如下Ppart=(Vpart%Ppart)-(Vtool%Ptool)(Vmirror%Pmirror)-(Vtool%Ptool)×Rmirror---(2)]]>其中Rpart=部件的反射率;Rmirror=已知的部分反射鏡的反射率;Vtool=在帶有工具但沒(méi)有部件的情況下在開環(huán)狀態(tài)下讀取的反饋信號(hào);%Ptool=在帶有工具但沒(méi)有部件的情況下在開環(huán)狀態(tài)下使用的總功率的百分比;Vmirror=在帶有工具和已知的部分反射鏡的情況下在開環(huán)狀態(tài)下讀取的反饋信號(hào);并且%Pmirror=在帶有工具和已知的部分反射鏡的情況下在開環(huán)狀態(tài)下使用的總功率的百分比。
由于部件的反射,不僅反饋信號(hào)由反射信號(hào)增強(qiáng),而且使更小的激光功率到達(dá)焊縫114。如果根據(jù)被反射功率的量來(lái)增強(qiáng)激光源14的輸出功率,則可以對(duì)焊縫114處由于反射而引起的激光功率的減小進(jìn)行補(bǔ)償。達(dá)到該新的功率級(jí)所必需的新的補(bǔ)償?shù)姆答乂compensated為Vcompensated=Vcorrected×1(Rpart+1)---(3)]]>其中Vcompensated=由閉環(huán)微控制器使用的反饋信號(hào),該閉環(huán)微控制器提高到達(dá)焊縫114的激光功率以補(bǔ)償部件的反射。
現(xiàn)在,在將實(shí)際光學(xué)反饋Vactual修正為新的補(bǔ)償?shù)姆答乂compensated的情況下,在閉環(huán)狀態(tài)下運(yùn)行TTIr焊接系統(tǒng)10,以便現(xiàn)在將所需的激光功率自動(dòng)地傳遞到焊縫114。
部件110、112內(nèi)的光吸收也會(huì)減小到達(dá)焊縫114的激光功率的量。如果根據(jù)被反射功率的量和被吸收功率的量這二者來(lái)提高激光源14的功率,則來(lái)自激光源14的到達(dá)焊縫114的功率將準(zhǔn)確地為指定的量。
上述等式(1)、(2)和(3)假定反饋信號(hào)與光學(xué)傳感器16上的光沖擊成線性關(guān)系。如果在一些實(shí)施例中響應(yīng)是非線性的,則可以對(duì)光學(xué)傳感器16使用適當(dāng)?shù)牟檎冶砀?,以便可以將信?hào)修正為線性響應(yīng)。
控制激光源14的反饋環(huán)可以嵌入到電子硬件中,嵌入到機(jī)械硬件中,嵌入到固件中,嵌入到軟件中,等等。在一些實(shí)施例中,軟件和固件可以提供實(shí)現(xiàn)方面的改善的靈活性。
本公開的教導(dǎo)已經(jīng)在Branson IRAM L-386FAi紅外激光塑料焊接機(jī)(參見圖3)上進(jìn)行了測(cè)試。如圖4中所示,在激光二極管腔204中,通過(guò)設(shè)置在任何光導(dǎo)纖維和波導(dǎo)工具上游的光電二極管206來(lái)檢測(cè)來(lái)自激光二極管202的光。多個(gè)開環(huán)反饋信號(hào)被記錄在存儲(chǔ)器中,并且為補(bǔ)償所需要的用于多個(gè)機(jī)器狀態(tài)的控制算法駐留在機(jī)器控制器中的軟件中。
允許對(duì)來(lái)自光學(xué)反饋傳感器16下游的工具和部件的反射信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)閉環(huán)反饋信號(hào)校正具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。到達(dá)部件的激光源14的功率在數(shù)量上是已知的,并且該過(guò)程是自動(dòng)的。先前的方法需要費(fèi)時(shí)的反復(fù)進(jìn)行的處理,該處理為手動(dòng)地調(diào)節(jié)功率來(lái)在閉環(huán)系統(tǒng)中達(dá)到所期望的功率級(jí),這是因?yàn)榉答佇盘?hào)會(huì)由于反射離開部件而發(fā)生改變。本公開的教導(dǎo)提供了使用精確基線的激光源的自動(dòng)校準(zhǔn)。然后對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償以用于該校準(zhǔn)。精確基線和閉環(huán)控制使得能夠可靠地將激光功率傳遞到焊接區(qū)。
對(duì)本發(fā)明的描述實(shí)質(zhì)上僅是示例性的,因此,不脫離本發(fā)明的要旨的變更應(yīng)該落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。這種變更不應(yīng)被認(rèn)為是脫離了本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于控制激光源的反饋控制系統(tǒng),所述反饋控制系統(tǒng)包括輸出激光能量的激光源;檢測(cè)所述激光能量的光學(xué)傳感器,所述光學(xué)傳感器輸出響應(yīng)于所述激光能量的測(cè)量量的測(cè)量信號(hào);接收所述激光能量并將所述激光能量引導(dǎo)到預(yù)定位置的光學(xué)器件,所述光學(xué)器件進(jìn)一步將所述激光能量的第一部分朝所述光學(xué)傳感器反射;和接收來(lái)自所述光學(xué)傳感器的所述測(cè)量信號(hào)的控制器,所述控制器計(jì)算所述激光能量的所述第一部分,所述控制器調(diào)節(jié)所述激光源以校正從所述光學(xué)器件反射的所述激光能量的所述第一部分,以在所述預(yù)定位置處獲得預(yù)定量的激光能量。
2.如權(quán)利要求1所述的反饋控制系統(tǒng),其中所述光學(xué)器件是波導(dǎo)。
3.如權(quán)利要求1所述的反饋控制系統(tǒng),其中所述光學(xué)器件是光導(dǎo)纖維。
4.如權(quán)利要求1所述的反饋控制系統(tǒng),其中所述預(yù)定位置是布置在透射部件和吸收部件之間的焊縫,所述透射部件和所述吸收部件中的至少一個(gè)部件反射和/或吸收所述激光能量的第二部分;并且所述控制器計(jì)算所述激光能量的所述第二部分,所述控制器調(diào)節(jié)所述激光源以校正從所述透射部件和所述吸收部件中的至少一個(gè)部件反射的和/或在所述透射部件和所述吸收部件中的至少一個(gè)部件中吸收的所述激光能量的所述第二部分。
5.如權(quán)利要求1所述的反饋控制系統(tǒng),其中所述控制器記錄來(lái)自所述激光源的初始功率級(jí)輸出和來(lái)自所述光學(xué)傳感器的初始信號(hào),并且在待焊接部件被定位以便進(jìn)行焊接時(shí)進(jìn)一步記錄來(lái)自所述激光源的部件功率級(jí)輸出和來(lái)自所述光學(xué)傳感器的部件信號(hào),所述控制器通過(guò)將所述測(cè)量信號(hào)乘以一個(gè)系數(shù)來(lái)確定補(bǔ)償信號(hào),所述系數(shù)為所述初始信號(hào)除以所述初始功率級(jí)輸出所得的商與所述部件信號(hào)除以所述部件功率級(jí)輸出所得的商之比,所述控制器使用所述補(bǔ)償信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)所述激光源。
6.一種校準(zhǔn)激光源的方法,所述激光源輸出用于將第一部件焊接到第二部件上的激光能量,所述方法包括以初始功率級(jí)百分比%Pinitial啟動(dòng)所述激光源以輸出激光能量,并測(cè)量所述激光能量作為初始光學(xué)反饋信號(hào)Vinitial;以部件功率級(jí)百分比%Ppart啟動(dòng)所述激光源以輸出激光能量,引導(dǎo)作為所述第一部件和所述第二部件中的至少一個(gè)部件的激光能量,測(cè)量所述激光能量作為部件反饋信號(hào)Vpart;根據(jù)以下關(guān)系式確定校準(zhǔn)控制值VcorrectedVcorrected=Vactual(Vinitial%Pinitial)(Vpart%Ppart)]]>其中,Vactual是在實(shí)際焊接操作期間測(cè)量的反饋信號(hào);以及響應(yīng)于所述校準(zhǔn)控制值Vcorrected來(lái)控制所述激光源。
7.如權(quán)利要求6所述的方法,進(jìn)一步包括提供接收來(lái)自所述激光源的激光能量并將所述激光能量引導(dǎo)到預(yù)定位置的光學(xué)器件,所述光學(xué)器件反射所述激光能量的第一部分;以及以工具功率級(jí)百分比%Ptool啟動(dòng)所述激光源以輸出激光能量,并測(cè)量激光能量作為工具反饋信號(hào)Vpart,所述工具反饋信號(hào)響應(yīng)于直接從所述激光源接收的激光能量和由所述光學(xué)器件反射的所述激光能量的所述第一部分。
8.如權(quán)利要求7所述的方法,進(jìn)一步包括提供具有已知的反射率Rsubstrate的基板;以及以基板功率級(jí)百分比%Psubstrate啟動(dòng)所述激光源來(lái)向所述基板輸出激光能量,并測(cè)量激光能量作為基板反饋信號(hào)Vsubstrate。
9.如權(quán)利要求8所述的方法,進(jìn)一步包括根據(jù)以下關(guān)系式確定所述第一部件和所述第二部件中的至少一個(gè)部件的反射率RpartRpart=(Vpart%Ppart)-(Vtool%Ptool)(Vsubstrate%Psubstrate)-(Vtool%Ptool)×Rsubstrate]]>
10.如權(quán)利要求9所述的方法,進(jìn)一步包括根據(jù)以下關(guān)系式確定補(bǔ)償控制值Vcompensated,所述補(bǔ)償控制值補(bǔ)償由于所述第一部件和所述第二部件中的至少一個(gè)部件的吸收而引起的激光能量的損失Vcompensated=Vcorrected×1(Rpart+1)]]>
11.一種控制激光源的方法,所述激光源輸出用于將第一部件焊接到第二部件上的激光能量,所述激光源通過(guò)光學(xué)器件朝所述第一部件和所述第二部件中的至少一個(gè)部件輸出激光能量,所述方法包括確定與所述光學(xué)器件內(nèi)的反射相關(guān)的激光能量的損失量;確定與離開所述第一部件和所述第二部件中的至少一個(gè)部件的反射相關(guān)的激光能量的損失量;確定與所述第一部件和所述第二部件中的至少一個(gè)部件內(nèi)的激光能量的吸收相關(guān)的激光能量的損失量;調(diào)節(jié)所述激光源的輸出以補(bǔ)償與所述光學(xué)器件內(nèi)的反射相關(guān)的激光能量的所述損失,與離開所述第一部件和所述第二部件中的至少一個(gè)部件的反射相關(guān)的激光能量的損失,以及與所述第一部件和所述第二部件中的至少一個(gè)部件內(nèi)的激光能量的吸收相關(guān)的激光能量的所述損失。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于控制激光源的反饋控制系統(tǒng)。該反饋控制系統(tǒng)包括輸出激光能量的激光源和檢測(cè)激光能量的光學(xué)傳感器。光學(xué)傳感器輸出響應(yīng)于激光能量的測(cè)量量的測(cè)量信號(hào)。該系統(tǒng)進(jìn)一步包括接收激光能量并將激光能量引導(dǎo)到預(yù)定位置的光學(xué)器件。該光學(xué)器件將激光能量的第一部分朝光學(xué)傳感器反射。控制器接收來(lái)自光學(xué)傳感器的測(cè)量信號(hào)并計(jì)算激光能量的第一部分的量。然后控制器調(diào)節(jié)激光源以校正與從光學(xué)器件反射的激光能量的第一部分相關(guān)的損耗,以便在預(yù)定位置處獲得預(yù)定量的激光能量。
文檔編號(hào)B23K26/04GK101069990SQ20071012663
公開日2007年11月14日 申請(qǐng)日期2007年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月9日
發(fā)明者S·考德威爾, W·小莫羅, H·麥克奈爾, S·拉托納 申請(qǐng)人:必能信超聲公司