一种塑料激光焊接设备的研制

于 海，李何悦

（沈阳新松机器人自动化股份有限公司，辽宁 沈阳 110168）

0 引言

塑料激光焊接技术是一项新兴的技术，在欧美等发达国家已经得到了一定程度的应用，发展前景广阔，可广泛应用在航天、汽车、包装、医疗器械、各类电子元器件及各类生活用品等领域。但在我国，这方面的技术尚处在起步阶段。利用激光来焊接塑料不但可以克服传统塑料焊接工艺存在的缺点，而且能够达到理想的焊接质量和外表美观的效果，随着激光技术的发展和应用成本的降低，利用激光焊接塑料零件在制造业领域将成为一种趋势。目前，国内企业在塑料激光焊接方面大都进口国外的设备，所以自主研发塑料激光焊接设备对我国加工制造业有着深远的意义［1］。本文主要介绍一款塑料激光焊接设备，它是一台将激光焊接技术和自动化装备相结合的塑料焊接机，其不但自动化水平高、生产批量大，而且可以焊接外形复杂的塑料零件，具有低碳环保、聚焦光点小、定位精度高、可有效保证产品质量等特点。

1 塑料激光焊接机工作原理

该焊接机利用激光透射原理，将两个塑料零件进行非接触焊接。要求条件就是两零件之一能够透过激光，而另一个零件必须能吸收激光［2］，激光焊接原理如图1所示。在焊接夹具将两个塑料零件夹紧的条件下，激光束3穿过能够透光的零件1，照射在能够吸收激光的零件2表面时，产生瞬间高温，零件2表面融化，并与零件1表面粘结，然后在激光束3移开后瞬间凝固，使两个零件表面结合在一起。由于塑料零件为注塑件，具有尺寸稳定性差、易变形的特点，故每个零件尺寸都有一定偏差。为了使两个塑料零件的焊接面能够无缝隙地接合在一起，就必须用特殊的夹具将两个零件边缘牢固地夹紧［3］，这样焊后质量较好。

图1 激光焊接示意图

2 塑料激光焊接机系统组成

从结构上来看，该塑料激光焊接机主要包括焊接系统、激光系统、空气净化系统、电气控制系统和PID及在线检测5个部分。其中，电气控制系统通过各种软件对各系统进行控制，而所有系统都以焊接系统为载体。

2.1 焊接系统

整个焊接系统设置了预挡停、主挡停、焊接、废料挡停等4个工位。焊接包括夹具定位、举升、压紧、焊接、释放5个过程。整个激光焊接过程如图2所示。

图2 激光焊接流程图

预挡停工位是当零件上料时为保证主挡停工位顺畅而设置的工位；主挡停工位是转存工位，是连接3个工位的桥梁，同时起到定位作用；焊接工位以主挡停工位为基准，是整套设备的核心，其各个动作由传感器提供信号，通过各软件程序控制；废料挡停工位的作用是在排料时对零件进行合格检测，筛选出不合格品。激光焊接机结构如图3所示。

图3 激光焊接机结构图

整个焊接系统的工作过程均由各种程序进行控制，每个程序都是由设备的内外部状态来决定的，当焊接工位上装夹了某一个夹具，则整个系统的控制程序就已经设定完毕（即只能加工与该夹具对应的一种零件），如果在焊接过程中内外部状态与程序相矛盾，则该焊接系统将停止工作，起到保护作用，同时做出报警提示。内外部状态包括：上下夹具是否一致；夹具与零件是否一致；夹具上是否有零件；夹具是否定位夹紧等。每种状态是由各工位上的接近开关或相应的传感器来识别，其目的是确保各工位选择正确的零件及放置姿态正确后进行下一步动作或焊接［4］。

2.2 激光系统

该系统是激光焊接机的重要组成部分，是实现焊接功能的关键设备。它主要由激光发射器、光纤以及激光头等组成。激光发射器内部有产生激光的模块，通过光纤导入激光头，从而使其发射激光。在焊接时，两坐标机器人载着激光头运动，完成焊接轨迹。

2.3 空气净化系统

在焊接过程中难免会产生一些气味，为了达到环保的目的，配备空气净化系统，过滤空气。

2.4 电气控制系统

控制核心采用SIEMENS S7-300PLC，完成对两坐标机器人、激光器、传输带的控制，PLC具备Profibus DP接口。

人机界面采用触摸屏，工作站设有报警灯，可实时显示设备的工作状态。在系统总进气口装有压力传感器实时监控系统压力，如果气体压力小于设备正常工作时需要的气体压力值，控制系统停止设备工作并报警。控制系统组成如图4所示。

2.5 PID及在线检测

在PID控制器中，比例环节起到了及时准确地反映系统偏差信号的作用，在较短时间内产生控制指令，使偏差向减小的方向变化；积分的作用主要是确保被控量在稳态时对设定值的无静差跟踪；微分环节在提高闭环系统的稳定性和响应的快速性方面起到积极的作用。由系统设定值和系统实际输出值产生出控制偏差，通过对其进行比例、积分和微分的线性运算来产生控制量，进而对被控对象进行控制分析。在该焊接机的控制系统中应用的离散形式表达式如下［5］：

其中：k为采样序号，k=0，1，2，…；u（k）为第k次采样控制器输出；e（k）为第k次采样输入；Kp为比例系数；Ki为积分系数；Kd为微分系数。

在上述控制系统的基础上，开发焊接质量检测软件，在线检测焊接质量，并通过焊接过程中采集的温度、功率以及能量等参数，绘制焊接曲线图，如图5所示。

图4 控制系统组成

图5中横坐标为时间，上面曲线代表温度变化，下面曲线代表功率变化。由图5可以看出，当温度设定在260℃，Kp=1 750，Ki=100时，大部分区间段曲线基本平稳，实践证明该曲线是正常焊接时的反馈；但是，图5中剧烈波动的部分温度曲线偏低，而功率曲线偏高，说明该段的焊接质量不好。由于实际的焊接速度是匀速的，因此可以根据图示的位置找到工件对应的焊接无效的位置。

图5 焊接质量在线检测曲线图

3 结语

通过上述可以看出，该焊接机以自动化生产线为基础，将激光技术应用在塑料加工领域中，为塑料焊接行业提供了新思路；将塑料激光焊接思路与自动化生产设备相结合，为我国激光焊接塑料成套设备开拓了新的发展方向。该焊接机低碳、环保、劳动强度低、生产效率高，适用于产业化集群的大批量生产，大大降低了生产成本。它的推广不仅可以为我国激光应用领域提供一个新的发展方向，更重要的是使我国塑料加工行业进入了新的征程。

［1］ 于海，韩旭，周健，等.国内塑料激光焊接设备的研发进展［J］.科技致富向导，2014（14）：123.

［2］ 刘会霞，张惠中，季进清，等.激光焊接塑料的方法及发展现状［J］.激光技术，2008，32（2）：167-170.

［3］ 杭争翔，唱丽丽，甘洪岩，等.激光焊接塑料的原理及特性［J］.焊接技术，2010（8）：4-8.

［4］ 欧阳惠斌，阳武娇.PID参数整定法的仿真［J］.计算机仿真，2007，24（7）：56-57.