一種塑料激光焊接設備的研制

于 海，李何悅

（沈陽新松機器人自動化股份有限公司，遼寧 沈陽 110168）

0 引言

塑料激光焊接技術是一項新興的技術，在歐美等發(fā)達國家已經(jīng)得到了一定程度的應用，發(fā)展前景廣闊，可廣泛應用在航天、汽車、包裝、醫(yī)療器械、各類電子元器件及各類生活用品等領域。但在我國，這方面的技術尚處在起步階段。利用激光來焊接塑料不但可以克服傳統(tǒng)塑料焊接工藝存在的缺點，而且能夠達到理想的焊接質量和外表美觀的效果，隨著激光技術的發(fā)展和應用成本的降低，利用激光焊接塑料零件在制造業(yè)領域將成為一種趨勢。目前，國內企業(yè)在塑料激光焊接方面大都進口國外的設備，所以自主研發(fā)塑料激光焊接設備對我國加工制造業(yè)有著深遠的意義［1］。本文主要介紹一款塑料激光焊接設備，它是一臺將激光焊接技術和自動化裝備相結合的塑料焊接機，其不但自動化水平高、生產(chǎn)批量大，而且可以焊接外形復雜的塑料零件，具有低碳環(huán)保、聚焦光點小、定位精度高、可有效保證產(chǎn)品質量等特點。

1 塑料激光焊接機工作原理

該焊接機利用激光透射原理，將兩個塑料零件進行非接觸焊接。要求條件就是兩零件之一能夠透過激光，而另一個零件必須能吸收激光［2］，激光焊接原理如圖1所示。在焊接夾具將兩個塑料零件夾緊的條件下，激光束3穿過能夠透光的零件1，照射在能夠吸收激光的零件2表面時，產(chǎn)生瞬間高溫，零件2表面融化，并與零件1表面粘結，然后在激光束3移開后瞬間凝固，使兩個零件表面結合在一起。由于塑料零件為注塑件，具有尺寸穩(wěn)定性差、易變形的特點，故每個零件尺寸都有一定偏差。為了使兩個塑料零件的焊接面能夠無縫隙地接合在一起，就必須用特殊的夾具將兩個零件邊緣牢固地夾緊［3］，這樣焊后質量較好。

圖1 激光焊接示意圖

2 塑料激光焊接機系統(tǒng)組成

從結構上來看，該塑料激光焊接機主要包括焊接系統(tǒng)、激光系統(tǒng)、空氣凈化系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和PID及在線檢測5個部分。其中，電氣控制系統(tǒng)通過各種軟件對各系統(tǒng)進行控制，而所有系統(tǒng)都以焊接系統(tǒng)為載體。

2.1 焊接系統(tǒng)

整個焊接系統(tǒng)設置了預擋停、主擋停、焊接、廢料擋停等4個工位。焊接包括夾具定位、舉升、壓緊、焊接、釋放5個過程。整個激光焊接過程如圖2所示。

圖2 激光焊接流程圖

預擋停工位是當零件上料時為保證主擋停工位順暢而設置的工位；主擋停工位是轉存工位，是連接3個工位的橋梁，同時起到定位作用；焊接工位以主擋停工位為基準，是整套設備的核心，其各個動作由傳感器提供信號，通過各軟件程序控制；廢料擋停工位的作用是在排料時對零件進行合格檢測，篩選出不合格品。激光焊接機結構如圖3所示。

圖3 激光焊接機結構圖

整個焊接系統(tǒng)的工作過程均由各種程序進行控制，每個程序都是由設備的內外部狀態(tài)來決定的，當焊接工位上裝夾了某一個夾具，則整個系統(tǒng)的控制程序就已經(jīng)設定完畢（即只能加工與該夾具對應的一種零件），如果在焊接過程中內外部狀態(tài)與程序相矛盾，則該焊接系統(tǒng)將停止工作，起到保護作用，同時做出報警提示。內外部狀態(tài)包括：上下夾具是否一致；夾具與零件是否一致；夾具上是否有零件；夾具是否定位夾緊等。每種狀態(tài)是由各工位上的接近開關或相應的傳感器來識別，其目的是確保各工位選擇正確的零件及放置姿態(tài)正確后進行下一步動作或焊接［4］。

2.2 激光系統(tǒng)

該系統(tǒng)是激光焊接機的重要組成部分，是實現(xiàn)焊接功能的關鍵設備。它主要由激光發(fā)射器、光纖以及激光頭等組成。激光發(fā)射器內部有產(chǎn)生激光的模塊，通過光纖導入激光頭，從而使其發(fā)射激光。在焊接時，兩坐標機器人載著激光頭運動，完成焊接軌跡。

2.3 空氣凈化系統(tǒng)

在焊接過程中難免會產(chǎn)生一些氣味，為了達到環(huán)保的目的，配備空氣凈化系統(tǒng)，過濾空氣。

2.4 電氣控制系統(tǒng)

控制核心采用SIEMENS S7-300PLC，完成對兩坐標機器人、激光器、傳輸帶的控制，PLC具備Profibus DP接口。

人機界面采用觸摸屏，工作站設有報警燈，可實時顯示設備的工作狀態(tài)。在系統(tǒng)總進氣口裝有壓力傳感器實時監(jiān)控系統(tǒng)壓力，如果氣體壓力小于設備正常工作時需要的氣體壓力值，控制系統(tǒng)停止設備工作并報警?？刂葡到y(tǒng)組成如圖4所示。

2.5 PID及在線檢測

在PID控制器中，比例環(huán)節(jié)起到了及時準確地反映系統(tǒng)偏差信號的作用，在較短時間內產(chǎn)生控制指令，使偏差向減小的方向變化；積分的作用主要是確保被控量在穩(wěn)態(tài)時對設定值的無靜差跟蹤；微分環(huán)節(jié)在提高閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應的快速性方面起到積極的作用。由系統(tǒng)設定值和系統(tǒng)實際輸出值產(chǎn)生出控制偏差，通過對其進行比例、積分和微分的線性運算來產(chǎn)生控制量，進而對被控對象進行控制分析。在該焊接機的控制系統(tǒng)中應用的離散形式表達式如下［5］：

其中：k為采樣序號，k=0，1，2，…；u（k）為第k次采樣控制器輸出；e（k）為第k次采樣輸入；Kp為比例系數(shù)；Ki為積分系數(shù)；Kd為微分系數(shù)。

在上述控制系統(tǒng)的基礎上，開發(fā)焊接質量檢測軟件，在線檢測焊接質量，并通過焊接過程中采集的溫度、功率以及能量等參數(shù)，繪制焊接曲線圖，如圖5所示。

圖4 控制系統(tǒng)組成

圖5中橫坐標為時間，上面曲線代表溫度變化，下面曲線代表功率變化。由圖5可以看出，當溫度設定在260℃，Kp=1 750，Ki=100時，大部分區(qū)間段曲線基本平穩(wěn)，實踐證明該曲線是正常焊接時的反饋；但是，圖5中劇烈波動的部分溫度曲線偏低，而功率曲線偏高，說明該段的焊接質量不好。由于實際的焊接速度是勻速的，因此可以根據(jù)圖示的位置找到工件對應的焊接無效的位置。

圖5 焊接質量在線檢測曲線圖

3 結語

通過上述可以看出，該焊接機以自動化生產(chǎn)線為基礎，將激光技術應用在塑料加工領域中，為塑料焊接行業(yè)提供了新思路；將塑料激光焊接思路與自動化生產(chǎn)設備相結合，為我國激光焊接塑料成套設備開拓了新的發(fā)展方向。該焊接機低碳、環(huán)保、勞動強度低、生產(chǎn)效率高，適用于產(chǎn)業(yè)化集群的大批量生產(chǎn)，大大降低了生產(chǎn)成本。它的推廣不僅可以為我國激光應用領域提供一個新的發(fā)展方向，更重要的是使我國塑料加工行業(yè)進入了新的征程。

［1］ 于海，韓旭，周健，等.國內塑料激光焊接設備的研發(fā)進展［J］.科技致富向導，2014（14）：123.

［2］ 劉會霞，張惠中，季進清，等.激光焊接塑料的方法及發(fā)展現(xiàn)狀［J］.激光技術，2008，32（2）：167-170.

［3］ 杭爭翔，唱麗麗，甘洪巖，等.激光焊接塑料的原理及特性［J］.焊接技術，2010（8）：4-8.

［4］ 歐陽惠斌，陽武嬌.PID參數(shù)整定法的仿真［J］.計算機仿真，2007，24（7）：56-57.