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，在歐美等發達國家已經得到了一定程度的應用，發展前景廣闊，可廣泛應用在航天、汽車、包裝、醫療器械、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，隨著激光技術的發展和應用成本的降低，利用激光焊接塑料零件在制造業領域將成為一種趨勢。目前，國內企業在塑料激光焊接方面大都進口國外的設備，所以自主研發塑料激光焊接設備對我國加工制造業有著深遠的意義［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、生產批量大，而且可以焊接外形復雜的塑料零件，具有低碳環保、聚焦光點小、定位精度高、可有效保證產品質量等特點。

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組成

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

2.1 焊接系統

整個焊接系統設置了預擋停、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來決定的，當焊接工位上裝夾了某一個夾具，則整個系統的控制程序就已經設定完畢（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與程序相矛盾，則該焊接系統將停止工作，起到保護作用，同時做出報警提示。內外部狀態包括：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正確后進行下一步動作或焊接［4］。

2.2 激光系統

該系統是激光焊接機的重要組成部分，是實現焊接功能的關鍵設備。它主要由激光發射器、光纖以及激光頭等組成。激光發射器內部有產生激光的模塊，通過光纖導入激光頭，從而使其發射激光。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

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

2.4 電氣控制系統

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。在系統總進氣口裝有壓力傳感器實時監控系統壓力，如果氣體壓力小于設備正常工作時需要的氣體壓力值，控制系統停止設備工作并報警。控制系統組成如圖4所示。

2.5 PID及在線檢測

在PID控制器中，比例環節起到了及時準確地反映系統偏差信號的作用，在較短時間內產生控制指令，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態時對設定值的無靜差跟蹤；微分環節在提高閉環系統的穩定性和響應的快速性方面起到積極的作用。由系統設定值和系統實際輸出值產生出控制偏差，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；Ki為積分系數；Kd為微分系數。

在上述控制系統的基礎上，開發焊接質量檢測軟件，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，繪制焊接曲線圖，如圖5所示。

圖4 控制系統組成

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，大部分區間段曲線基本平穩，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，為塑料焊接行業提供了新思路；將塑料激光焊接思路與自動化生產設備相結合，為我國激光焊接塑料成套設備開拓了新的發展方向。該焊接機低碳、環保、勞動強度低、生產效率高，適用于產業化集群的大批量生產，大大降低了生產成本。它的推廣不僅可以為我國激光應用領域提供一個新的發展方向，更重要的是使我國塑料加工行業進入了新的征程。

［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展現狀［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參數整定法的仿真［J］.計算機仿真，2007，24（7）：56-57.