激光焊接装置设计

激光焊接装置设计（精选10篇）

激光焊接装置设计 第1篇

1 断续焊接辅助装置的机械部分设计方案、技术参数及设计要求

本装置采用齿轮啮合传动, 齿轮啮合传动精度足以满足要求。对于电气控制部分, 通过PWM控制器来实现对直流电机的控制, 通过高分辨率计数器的使用, 方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。焊接的间距为8 0 m m～150mm, 装卡的焊枪的外径为13mm, 采用限位开关装在可滑动的滑块上调节焊接间距。在保证焊缝所要求尺寸和质量的前提下, 设定装置的焊接速度为1～10mm/s, 焊接的间距为80mm～150mm, 装卡的焊枪的外径为1 3 m m, 内径为8.8 m m, 其长度为280mm, 夹角为135°。

2 辅助装置机械结构部分的设计

2.1 主传动系统的设计

对于主传动系统, 由于焊接是直线运动, 而要将电机的旋转运动转化为直线运动, 需要有螺旋传动来实现, 它是利用螺杆和螺母的啮合来传递动力和运动的机械传动, 选用梯形丝杠和螺母的配合来实现螺旋传动。梯形丝杠工作原理:按照国标GB/T17587.3-1998及应用实例, 是用来将旋转运动转化为直线运动;或将直线运动转化为旋转运动的执行元件, 并具有传动效率高, 定位准确等特点。

而当丝杠作为主动体时, 螺母就会随丝杠的转动角度按照对应规格的导程转化成直线运动, 被动工件可以通过螺母座和螺母连接, 从而实现对应的直线运动。

2.2 梯形丝杠的设计

梯形丝杠螺母副的承载能力用额定负荷表示, 其动静载强度计算原则与滚动轴承相类似。一般根据额定动负荷选用滚珠丝杠副, 只有当n≤10r/min时, 滚珠丝杠螺母的主要破坏形式是工作表面的疲劳点蚀。

2.3 轴承的选择

滚动轴承是广泛运用的机械支承。其功能是支承轴及轴上的零件, 并与机座作相对旋转、摆动等运动, 使转动副之间的摩擦尽量降低, 以获得较高传动效率。由于本设计的基本额定动载荷径向、轴向都很小, 所以经查询后选择的滚动轴承的型号为:深沟球轴承60000型, 选6202, 内径为15mm, 外径为35mm, 厚度为11mm。

2.4 限位开关的设计

限位开关是安装在相对静止或运动物体上。当动物接近静物时, 开关的连杆驱动开关的接点引起闭合的接点分断或者断开的接点闭合。由开关接点开、合状态的改变去控制电路和机构的动作。行程开关按其结构可分为直动式、滚轮式、微动式和组合式。直动式行程开关其动作原理与按钮开关相同, 但其触点的分合速度取决于生产机械的运行速度, 不宜用于速度低于0.4m/min的场所。

2.5 机械结构部分设计

机械部分的住零件设计完成之后, 进行总装配, 将左右支板、导杆、轴承、丝杠、齿轮等通过内六角螺钉连接。该机器主要传动部分由各个设计零部件通过螺钉、销钉等连接而成, 装配完成后需要调试, 比如焊头的位置, 焊头正常工作的移动速度, 运动平稳性等。

3 电气控制部分的设计

3.1 信号发生器的设计

脉冲宽度调制器的任务是将连续控制信号变换成方波脉冲电压输出, 在一个开关周期内输出正向脉冲宽度或者占空比, 是连续控制信号的函数, 若忽略在一个开关周期内连续控制信号的变化, 用信号系数来定义控制信号与其最大值之比。PWM的输入输出特性, 常用输出脉冲的占空比与控制信号之间的关系来表示。通常输入和输出特性设计成线性关系, 根据该线性可以确定输出脉冲宽度的变化范围和持续时间。

脉宽调制器也常用三角波代替锯齿波脉冲源, 也通过电压比较器获得脉冲宽度可控的调制信号。使其电动机正常运行。

3.2 脉冲宽度调制具体过程

脉冲宽度调制 (PWM) 是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用, 方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的, 因为在给定的任何时刻, 满幅值的直流供电要么完全有 (ON) , 要么完全无 (OFF) 。电压或电流源是以一种通 (ON) 或断 (OFF) 的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候, 断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够, 任何模拟值都可以使用PWM进行编码。

PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的, 无需进行数模转换。对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点。PWM既经济、节约空间、抗噪性能强, 是一种值得广大工程师在许多设计应用中使用的有效技术。

3.3 脉冲宽度调制控制方法

采样控制理论中有一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时, 其效果基本相同。PWM控制技术就是以该结论为理论基础, 对半导体开关器件的导通和关断进行控制, 使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲, 用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制, 既可改变逆变电路输出电压的大小, 也可改变输出频率。

3.4 PWM硬件的设计

在控制指令的作用下, 在一个开关周期内, 电动机电枢两端的调制脉冲电压是单一极性的。同频, 系指PWM功率转换电路输出的调制脉冲电压频率与频率发生器给定的基准频率相同。H型单极同频可逆PWM控制的基本方法是在电枢同侧两个晶体基极加相位相反的基极驱动电压。

本设计的设计要求为焊枪自动焊接装置, 本设计的主要目的改善焊接工人劳动强度, 在给定的限定条件下, 由于给定的焊接长度较短, 选择导轨方式移动焊枪;由于移动速度很低, 电机转速相对较高, 这就要求传动系统的降速比非常大;由于是焊接装置, 需要设计不要太复杂, 复杂带来的直接结果是重量的增加, 这对需要经常移动的实际操作要求来说非常不利, 所以选择了丝杠结构传动, 同时具备上述各项要求;对于电机的选取, 采用普通直流伺服电机即可完成设计要求。对于电气控制部分, 由于采用驱动芯片LMD18200芯片, 使电路设计大为简化, 只需要设计这款芯片的控制系统完成相应的动作即可。

参考文献

[1]卢秉恒.机械制造技术基础 (第3版) [M].北京:机械工业出版社, 2007 (12) .

[2]刘品, 李哲.机械精度设计与检测基础[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 2007 (7) .

激光焊接装置设计 第2篇

硕：上学位论文

附表索引

表2．1激光器主要技术参数…………………………………………………………………．13表2．2龙门式混合光路和飞行光路比较…………………………………………………．15表2．3三维激光切割机床主要技术参数……………………………………………．15表2．4不同种类激光器性能比较………………………………………………………．18表2．5不同机器人性能比较…………………………………………………………．19表2．6ABBIRB4400／L30型号机器人的主要技术参数………………………．．20表3．1钢与锌的熔沸点比较……………………………………………………………………．32表3．2镀锌板常用几种焊接方法比较………………………………………………………32表4．1ROFINDC025激光器主要技术参数………………………………………………．46表4．2试验材料的力学性能和化学成分（质量分数，％）………………………47表4．3正交试验因素水平表……………………………………………………………………．．48表4．4正交试验方案………………………………………………………………………………．49表4．5入射角试验参数………………………………………………………………………．50lX

硕‘Ij学位论文

第1章绪论

1．1激光加工概况

激光技术是二十世纪与原子能、半导体及计算机齐名的四大发明之一。1960年6月，美国人T．H．Maiman研制出了世界上第一台实用的红宝石激光器。激光加工技术经过几十年的发展，已经成为工业生产中的～项常用技术。激光加工作为一种非接触、低噪声、无污染、节省材料的绿色加工技术还具有信息化的特点，便于实现智能控制和加工技术的高度柔性化，是典型的集光、机、电、材料、热物理等诸多学科于一体的先进加工技术。激光技术已在工农业生产、通信、军事、医疗卫生、能源等许多方面获得了重要应用…。

激光（LightAmpli6cationbyStimulatedEmissionofRadiation）是原子核电子受激辐射经光放大而形成的光辐射，具有很多不同于普通光的特性，如：单色性、相干性、方向性和高光强等。因此，激光束作为一种特种加工的能源，和传统加工相比具有一系列的优点：激光束易于传输，其时间特性和空间分布容易控制，易于实现自动化；激光束聚焦后的光斑具有极高的功率密度，可以加热熔化甚至汽化任何材料，可以进行局部区域的精细快速加工；加工过程中工件的热影响和热变形都很小等。这些优点极大地推动了激光在材料加工行业中的应用，激光被誉为“未来制造系统的共同加工手段’’n吨1。

探讨激光焊接技术 第3篇

关键词：激光焊接 现状 应用领域

中图分类号：TG44文献标识码：A文章编号：1674-098X（2012）09（b）-0069-02

1 激光技术焊接工艺及工作原理

激光焊接是通过利用激光的辐射能量的方式实现高效焊接的一种工艺，其工作原理是：通过特定的方法来激发起激光活性介质，令其在谐振腔中往返振荡，进而转化成受激辐射光束，当光束和工件相互接触时，其能量则被工件全部吸收，当在温度高达材料的熔点时即可进行焊接[1]。

2 激光焊接的焊缝形状与组织性能

由于激光器形成的聚焦光斑的面积都比较小，其作用在焊缝四周的热影响区比较小，无法与普通焊接工艺相比，而且激光焊接通常不用填充金属，因此焊缝表面均匀、美观，没有气孔、裂纹等缺陷，对于焊接外形严格的场合来说，激光焊接十分适用。尽管聚焦的面积相对较小，但是激光束的能量密度非常大，一般都能达到103～108W/cm2。在焊接过程中，金属可迅速被加热或者冷却，熔池周边的温度梯度也比较大，促使其接头强度通常会比母材高，反之接头的塑性则比较低。目前来说已经研制出新的技术改善接头质量，例如通过双焦点技术或者复合焊接技术来实现。

3 激光焊接技术的优缺点

激光焊接受到高度重视的原因是本身具备众多优点：（1）激光焊接可以确保高质量的接头强度以及较大的深宽比，而且焊接速度非常快。（2）由于激光焊接不用在真空环境中进行，因此可以利用透镜与光纤方式实现远程控制以及自动化生产。（3）激光的功率密度很大，对焊接难度大的钛、石英等具有很好的效果，而且可以对不同性能的材料进行焊接。当然，激光焊接也有一些缺点：（1）激光器与焊接系统相关配件比较昂贵，导致初期投资与维护成本则相对较高。（2）固体材料吸收激光的效率比较低，因此激光焊接的转化效率都偏低，一般是5%—30%。3激光焊接的聚焦光斑比较小，对于工件接头的装备精度就比较高，焊接时可能会出现偏差，导致加工误差[2]。随着激光焊接的不断普及应用，激光设备的价格也会不断下降，而激光焊接转化效率偏低的缺点也会得到更好的改善，不久的将来，激光焊接则会逐渐取代传统的焊接工艺，成为工业焊接的主要方式。

4 国内激光焊接技术的现状

目前，我国的激光设备和生产单位大都是生产kW级别的CO2激光设备1kW以下的固体YAG激光设备。激光焊接主要研究方向是激光焊接等离子体产生的机理、特性分析与检测、深熔激光焊接的模拟、激光电弧复合热源的应用、激光堆焊接、超级钢焊接等等。清华大学彭云等详细研究超细晶粒钢的焊接性以及激光焊接的相关特点，同时实施了两种超细晶粒钢的激光焊接试验：400MPa与800MPa，同时和等离子弧、MAG焊接进行了比较。

无论是碳钢或者经过合金强化的高强度钢，亦或经过特殊冶金加工的高强度钢，在加热与冷却速度非常迅速的激光焊条件下，接头的硬度远远高于母材，导致接头容易出现裂纹；同时激光的再热作用也会导致HAZ形成软化区。目前，高强度钢激光焊接性能的研究依然缺乏，其应用数据明显不足，需要进行更深的研究。

5 激光焊接技术的应用

5.1 制造行业的应用

目前，激光焊接的应用领域非常广，例如制造业、粉末冶金领域、汽车工业、电子工业、生物医学、造船工业等等。

5.2 粉末冶金领域的应用

由于粉末冶金材料的性能相对特殊，而且制造优点比较突出，在一些领域上例如汽车制造、航空以及工具刃具制造业中，正在逐渐取代传统的冶金材料。随着粉末冶金材料的不断发展，其与其他零件之间的连接问题不断凸显，导致粉末冶金材料在这些领域的应用受到很大的限制。在20世纪80年代初期，激光焊接的独特优势受到粉末冶金材料加工领域的广泛关注与应用，较好地解决了上述问题，为粉末冶金材料的应用打开了新的方向，通过激光焊接显著提高了焊接强度与耐高温性能[3]。

5.3 汽车工业的应用

激光焊接广泛地应用于汽车领域，例如德国的奥迪、奔驰、大众，瑞典的沃尔沃等国外的汽车制造厂早已在20世纪80年代就率先使用这一技术，将激光焊接引用到车顶、车身以及侧框等钣金的焊接；到了20世纪90年代，美国的通用、福特以及克莱斯勒汽车公司也相继引入激光焊接，虽然起步稍晚，但是其发展速度非常快。日本的本田、丰田等汽车公司也相继在车身上运用了激光焊接与切割工艺。高强钢激光焊接装配件由于性能十分优良，因此被广泛应用于汽车车身制造，随后激光焊接则被快速应用到汽车部件的制造当中，例如变速箱齿轮、半轴、传动轴、散热器等等，并且逐渐成为汽车零部件制造的标准工艺[4]。而我国科研院所在某些特色领域上也获得优异的成绩。随着我国汽车工业的蓬勃发展，激光焊接技术必定在将来的汽车制造领域中获得更加优异的成果。

5.4 电子工业的应用

激光焊接在电子工业中也被广泛的应用，尤其是微电子工业，在集成电路以及半导体器件壳体的封装中，表现出巨大的、独特的优越性。激光焊接也被引用到了真空器件的研发当中，例如钼聚焦极和不锈钢支持环、快热阴极灯丝组件等等。例如传感器或者温控器中的弹性薄壁波纹片的厚度在0.05～0.1mm范围之内，传统焊接方法很难实现，采取TIG焊极易焊穿，而且等离子的稳定性比较差，影响因素又很多，因而选择激光焊接的效果比较好，可以有效解决上诉问题。

5.5 生物医学的应用

激光焊接开始应用于生物组织的时间是20世纪70年代，Klink等采用激光焊接输卵管与血管的成功，展现出了激光焊接巨大的优越性，促使更多研究人员开始尝试焊接各类生物组织，并且将其引用到其他组织的焊接。而激光焊接神经方面是目前国内外生物医学研究的主要方向，并且集中于激光波长、劑量、功能的恢复等这些方面进行研究。激光焊接是一种新型的焊接牙科合金的技术，经过多年的设备研究与改进，技术得以不断更新，在口腔修复领域的应用日益增多，逐渐走向成熟。

5.6 造船工业的应用

造船业是激光焊接应用当中另一个重要的领域，造船最主要的工艺就是焊接，采用激光焊接可以获得高强度的焊件，进而在设计上可以大大缩减所用材料的厚度，实现轻重量、高强度的要求。美国经过计算得出这样的结论，航空母舰如果采用激光焊接技术制造可以大大地减轻重量200t。实际上，目前欧洲的大型游轮的建造当中，激光焊接的应用已经达到了20%，而近期的目标更是高达50%左右。另外，海洋平台、潜艇的结构件也已经广泛应用了激光焊接[5]。随着现代焊接工艺以及技术的进一步发展，激光焊接技术发展潜力十分巨大，其前景必然非常广阔，国内外技术研究部门必须坚持不懈地研究与探索，才能不断地促进激光焊接技术的进一步发展。

6 结语

激光焊接技术是一项综合性比较强的技术，集中了激光技术、焊接技术、自动化技术、材料技术、机械制造技术以及产品设计。汽车工业对于焊接质量的要求非常高，而激光焊接本身具有高能量密度、深穿透力、精度高、适应性强等等优势，使其在汽车工业中发挥着巨大的优势，不仅其生产率远远高于传统焊接，而且焊接质量也十分显著。激光焊接技术必将逐渐取代电弧焊、电阻焊等传统焊接方式。因此，今后激光焊接技术将会得到更加广泛地应用，必将在材料连接领域起到越来越重要的作用。

参考文献

[1]陆斌锋，芦凤桂，唐新华，等.激光焊接工艺的现状与进展.焊接，2008（4）：53.

[2]马涛，黄升.激光焊接技术.柳钢科技，2011（6）：57.

[3]张文举.浅析激光焊接技术的工艺与方法.黑龙江科技信息，2011（2）：67.

[4]游德勇，高向东.激光焊接技术的研究现状与展望.焊接技术，2008（8）：8.

矿用激光甲烷遥测装置设计 第4篇

1 激光甲烷遥测技术

1.1 激光甲烷检测技术

TDLAS是目前激光甲烷检测中普遍采用的技术解决方案。对驱动电流的调制引起半导体激光器发射波长出现周期性的变化。发射波长的变化通过甲烷光谱吸收谱线作用于透射光强, 透射光强的变化形式与驱动电流的调制形式及甲烷光谱吸收谱线的状态有关, 其中甲烷光谱吸收谱线的状态主要由气体浓度及温度、压强等环境因素影响。在环境不变, 驱动电流的调制形式不变的情况下, 透射光强的变化形式与气体浓度构成唯一的映射关系。

1.2 噪声抑制技术

TDLAS技术中也存在着大量的噪声影响着测量的准确性。噪声抑制技术是决定设计成败的关键环节。

首先, 激光器的温度控制采用PWM控制锁定激光器的中心波长, 实际情况是激光器的中心波长在很小的范围内围绕着设定波长来回波动, 及引入了发射波长的调制形式的不确定性, 从而影响了透射光强与气体浓度间的确定关系。

根据PWM控制的基本特性, 在多个周期内, 其正反向的超调幅度的总和趋于零, 这样当测量周期远高于PWM控制的周期时, 激光器的中心波长的波动造成的测量噪声将得到有效抑制。但是当甲烷浓度较低时, 由于测量信号处于零线附近, PWM控制的中心波长的波动可能造成信号符号的反转, 造成正反向信号的绝对值之和出现较大的波动。人为的调整驱动电流的调制形式, 将低甲烷浓度对应的测量信号调整至远离零线的位置, 可获得较好的噪声抑制效果。

其次, 空间环境中的气体流动造成的折射率变化, 目标物材料的变化, 入射角的改变等因素都造成透射光强的剧烈变化, 这是激光甲烷遥测技术相较于单点传感器的主要技术难点。遥测信号中还包含有大量随机背景噪声, 有些情况下有用信号会淹没在背景噪声之中, 而且这些随机背景噪声具有非平稳噪声特性, 基于频谱变换的滤波器对此类噪声的滤波效果不能达到应用要求。而基于小波变换的滤波器, 可以根据输入信号特征自适应调整滤波器的特性更适合于对非平稳噪声的滤除。

1.3 面/体测量技术

激光甲烷遥测技术问世之前, 煤矿甲烷传感器只能进行单点的甲烷检测, 激光甲烷遥测技术本身可以看作是一种线型的甲烷检测技术, 相对于单点检测, 对空间甲烷浓度有更全面的认识, 而从线型检测延伸至面或体的检测需要多条线型检测的配合。采用光纤耦合输出的半导体激光光源, 可将测量光信号分配到多条线型检测通道中, 配合多通道同步采样及分析设备, 是实现面/体甲烷检测的有效方式。

2 激光甲烷遥测装置设计

2.1 硬件架构

采用光纤耦合输出的DBF激光器作为装置的激光光源, 相较于其他的激光光源, DFB激光器具有体积小, 功率高, 稳定性好等技术优势。

选用铟镓砷In Ga As光电探测器实现光电转换, 该类探测器在光纤通信中得到了广泛的应用, 具有无需制冷, 响应速度快, 灵敏度高等特点。由于选用的甲烷吸收峰谱线位于探测器响应的下降沿, 光电转换效率受温度影响较大, 适当调整探测器的材料, 可以避免温度特性对测量结果产生重大偏差。

采用NI USB-6356多通道同步数采卡完成调制信号的生成及测量数据的采集。同步数采卡的使用保证了调制信号与数据采集的时序关系, 也支持多通道的同步数据采集。

激光器的驱动控制选用LDC-3724B激光控制器。该型控制器可驱动半导体激光二极管, 精确控制激光器驱动电流, 即精确控制激光器输出光强及波长调制形式, 可提供最大500m A驱动电流, 0.02%的功率反馈精度。还可以驱动激光二极管半导体制冷器, 精确控制激光器运行温度, 即精确控制激光器输出光波长, 可提供-100~199℃的控温范围, 0.1℃的控温精度。并可外接调制信号, 可向激光器输出加载的光强 (波长) 调制信息。

2.2 光路设计

如图1所示, 光路系统分为参考通道与测量通道, DFB激光器输出光信号耦合至光纤中, 连接1×2无源光纤分光器将光信号分别导入参考通道与测量通道。其中测量通道光信号通过光纤准直器投射进入空间区域, 并在反射目标上反射, 部分反射光返回接收透镜与汇聚透镜组成的望远系统, 最后进入光电探测器转换为电信号输出给信号处理单元, 如图2所示。

参考通道光信号通过光纤进入参考气室, 最后进入光纤耦合的光电探测器转换为电信号输出给信号处理单元。

2.3 软件设计

软件分为两个主要功能模块, 测量控制模块与信号处理模块。测量控制模块主要负责驱动调制信号的生成, 控制调制信号与数据采集的时序。信号处理模块主要负责光强信号的滤波, 光强信号与甲烷浓度之间的解算及其他补偿算法的实现。

3 工作稳定性研究

为了初步验证装置的应用性能, 使用一段封闭的长管路 (1m) 代替现场的开放空间, 持续通入一定浓度的甲烷气体, 连续2小时。观察装置测量数值的实时变化, 如图3、图4所示。

4 结论

激光甲烷遥测装置为实现对煤矿巷道开放空间甲烷浓度的实时检测提供了有效的技术手段, 根据2小时测试数据可以看出, 甲烷浓度测量精度为真值的±20%, 在下一步的研究中, 通过改进光路设计提高接收单元的信号强度将大幅增加测量精度指标, 达到煤矿对在线甲烷浓度监测的应用需求。

参考文献

[1]张卓, 张丽英.基于TDLAS的激光遥测技术[J].长春大学学报, 2011 (06) :9-12.

龙门机器人激光焊接系统研制 第5篇

关键词： 龙门； 焊接机器人； 激光焊接系统

中图分类号： TG432

Abstract： In this paper， the structure characteristics and application condition of gantry robot laser welding system are mainly introduced. It also summarized the gantry robot laser system and its characteristics of welding production. The technical index robot， laser generator control system and operation interface is described in detail. At the same time the system working state is also introduced.

Key words： gantry； welding robot； laser welding system

0 前言

随着我国轨道运输与交通建设的快速发展，车辆需求规模以及运行速度不断提高。车体作为轨道车辆的主要组成部分，需求大量增加同时对焊接质量与生产效率提出了更高的要求，在车体部件实际生产中手工焊已经越来越难以满足生产需要，如何提高效率和焊接质量成为首先需要解决的问题，新的焊接技术和高效能的自动化设备成为了必然的选择，自动化程度越高越能保证焊接质量的稳定性[1]。

焊接机器人具有一系列明显的优势：稳定和提高焊接质量，保证焊缝均一性；改善工人的劳动条件；提高单位劳动生产率等。焊接机器人近几年在我国焊接行业中获得了长足的发展。激光加工技术是一种集光、机、电于一体的综合性高新技术，属于无接触加工。其主要特点也就是无惰性，因此其加工速度快、无噪声。由于光束的能量和光的移动速度都可以调节，因此可实现各种加工的目的。由于光束照射到物体的表面是局部的，虽然加工部位的热量很大、温度很高，但移动速度快，对非照射的部位没有什么影响，因此其热影响区很小。尤其适合于薄板的高速焊接。目前激光加工正以自己独特的优势，逐步取代传统加工工艺，越来越受到工业界的青睐。

哈尔滨焊接研究所利用30多年研发、制造焊接专用设备的经验，结合在机器人应用、激光焊接技术以及在焊接材料研究等领域的成果，针对轨道车辆大型薄壁构件的焊接，研制了龙门机器人激光焊接系统，可以焊接接头形式为1 mm+1 mm、2 mm+2 mm、4 mm+4 mm的对接焊缝，也可以用于其他类似工件的对接、搭接及角焊缝焊接。该系统可以实现激光自熔与激光填丝两种不同的焊接方式，可以有效地提高薄壁构件的焊接质量与工作效率，并有扩展能力，以便于适应其它的方式方法，具有很好的应用前景。

1 系统结构与基本技术数据

“龙门机器人激光焊接系统”主要由机械系统、电控系统、机器人、激光器、水冷器等组成，设备见图1。

该系统采用龙门架结构，配备大功率光纤激光焊接系统，焊接工艺采用激光自熔、填丝焊。龙门架沿地面轨道行走，在龙门横梁上装有移动装置，焊接机器人倒挂在移动龙门横梁的悬臂上，移动龙门采用交流伺服双侧同步驱动，机器人沿龙门架横梁的移动为机器人的外部扩展轴。在龙门移动双侧导轨中间以及龙门导轨端头可以摆放多套工装夹具，实现交替装夹与焊接，以提高生产效率及激光器的利用率。焊接生产时龙门系统保持静止，焊接过程靠机器人和外部轴的协调移动完成。激光发生器、激光器水冷机、机器人控制柜、送丝机等均安放在龙门后方的平台上，保护气瓶安放在龙门侧面，便于更换。

龙门机器人激光焊接系统基本技术数据见表1。

2 系统主要部分组成

2.1 龙门架及行走系统

龙门架及行走系统：包括龙门架行走导轨、2套龙门架行走小车（含2套交流伺服驱动机构）、1套龙门架（含2个立柱、平台）、1套移动滑台和电缆拖链等。

龙门架行走导轨固定在工件组装夹具的两侧，是由钢轨经精密加工而成，两侧导轨的内侧镶有传动齿条。龙门架行走小车固定在其上，由交流伺服系统通过齿轮齿条驱动，在导轨上做沿工件组装胎具的纵向运动，以实现多工位的焊接。

龙门架行走小车是由坚固稳定的钢结构所组成，左右各1个，其上装有双侧交流伺服驱动机构，两侧可横向调节的导向轮，保证龙门行走方向的精确引导，在小车的前后行走方向设置有安全缓冲器。龙门架行走小车下面固定在行走导轨上，上面安装主龙门架，并携带安放在主龙门架上的控制柜、激光电源、空气压缩机、保护气体气瓶等一同运行。

主龙门架包括2个立柱、横梁、载物平台和横向导轨。龙门导轨宽为6 m。龙门架的行走，由两侧立柱下面的小车通过双侧交流伺服电机驱动夹紧在龙门架行走导轨上的齿轮转动而行走（称为1，2轴）。通过二轴定位模块可以保证两侧的交流伺服电机同步驱动，保证行走平稳、无爬行。

在主龙门的横梁上安装有1个移动滑台，滑台采用交流伺服驱动（称为机器人外部轴），滑台上带有机器人安装底座，机器人倒挂安装在底座上，滑台可沿龙门横梁作横向移动，可实现0.3～10 m/min之间无级调速。电缆拖链安装在横梁的上方。各种电缆、气管、冷却水管等均安装在电缆拖链的内部。

2.2 光纤激光焊接系统

光纤激光焊接系统主要由光纤激光发生器、光路耦合系统、激光器水冷机、操作光纤、激光焊接头及激光防护装置构成。

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激光发生器采用德国IPG公司生产的4 kW光纤激光发生器，型号YLS-4000-CT，最大额定输出功率4 kW。该激光发生器的激光输出模式为连续（CW）输出模式，随机偏振，也可以变脉冲输出模式，脉冲频率最高可为5 kHz。激光器配备LaserNet控制软件，可自行控制激光器各种动作，并可对输出激光进行波形控制 （例如：脉冲调制，方型光波，正弦波形，能量的缓升缓降等波形）， LaserNet软件最多可以存贮50组激光程序，如与机械手或机床集成，则可由外部设备存储更多激光程序；激光器配备以太网接口、Device Net或PRORIBUS接口。

2.3 焊接机器人及其配套设备

机器人选配库卡公司KR30HA系统。机器人由肘节式本体，KRC4控制柜、示教控制器KCP组成。焊接机器人本体铝合金，最大范围2 033 mm，有效负载30 kg，更适合激光焊接及激光切割。KRC4控制器是库卡开发了一个全新的、结构清晰且注重使用开放高效数据标准的控制系统，具有更高效、更安全、更灵活、更智能化，采用熟悉的个人电脑WINDOWS操作界面，中英文多种语言菜单，标准的工业计算机。示教器具有示教、编程、安全保护功能；控制系统具有绝对位置记忆、软PLC（选项）功能。支持多种标准工业控制总线。

与机器人相配套的设备主要包括激光填丝焊枪和填丝机。如图2和图3所示。作为激光填丝工艺的核心部件激光填丝焊枪是哈尔滨焊接研究所自主开发的最新一代焊枪，具有结构简单、维护容易、填丝效果稳定等特点。填丝系统采用FRONIUS的KD7000送丝机。该送丝机采用推拉丝送丝机构，送丝精度高，指向精准，可靠性高，特别适合激光填丝焊工艺。

3 系统控制单元及管理界面

控制单元包括硬件及软件部分。如图4a所示，硬件部分上位机采用研华工业级触屏计算机，下位机采用西门子PLC（可编程序控制器）控制，PLC与机器人和激光器采用Profibus总线数字通讯控制，与工控机采用MPI总线方式通讯，送丝机采用开关量+模拟量控制方式，龙门行走机构采用西门子伺服定位模块及三菱伺服控制器实现2台伺服电机的同步以及准确定位。

软件部分主控软件采用C++语言定制开发，建立工艺库，实现激光焊接工艺数字可控，与机器人及激光器数字通讯，实现状态显示，报警错误识别。

工控机主界面显示了设备各个部分，包括机器人、激光器、送丝机、龙门的运行状态和报警信息，工作站的工位信息，工艺数据信息以及激光器、龙门和机器人的管理信息，如图4b所示，界面与PLC联机，除了可以监视运行状态、设置和修改工艺参数之外，还可提供调整维修用手动面板。整套控制系统实现龙门、激光器、机器人三部分通讯，可以协调进行工作。

系统运行管理界面是用于检查焊接及运动过程中，各个检测开关所处的位置都在该界面中有所显示，通过该界面可以使操作者处理一些简单的问题并给出判断，主要为激光管理、龙门管理、机器人管理三个界面为主。

4 实际应用

龙门机器人激光焊接系统目前安装完成后，整个系统运行平稳，各项功能指标达到设计要求。进行了工艺评定的试件焊接，检验结果符合工艺设计要求，经过工艺评定以及实际焊接工作的检验，基本上达到设计的要求，如图5所示。该系统可以配套多种不同类型的工装夹具，可以完成不同类型的任务，并能存储不同的工艺参数，为以后车间的技术提升，奠定了基础。

图5 龙门机器人激光焊接系统现场应用

参考文献

[1] 张善保，轨道车辆车体铝合金部件自动化设备研制.焊接，2011（5）：10.

收稿日期：2014-03-15

杨永波简介：1970年出生，学士，研究员，主要从事焊接机器人生产线及焊接专用设备的研制与工艺工作。

多工位电子束焊接装置设计及控制 第6篇

1 总体方案设计

根据焊接零件的尺寸及设备的工作空间, 多工位焊接装置由分度机构和夹头转动机构组成。焊接时零件旋转的动力由焊机转盘夹头输入, 通过齿轮传动系统带动零件旋转。传动系统的输入、输出齿轮啮合尺寸完全相同, 保证零件旋转速度与电子束焊机转盘夹头一致, 分度时还可使零件通过自转与公转始终保持装夹时的垂直位置。工位转换由伺服电机带动分度盘实现。控制系统可实现定角度的自动分度, 也可实现任意角度的手动分度。分度机构由伺服电机、传动机构、分度盘、底座组成。当一个工作位置的焊接工作结束后, 分度转盘由伺服电机带动转到下个焊接工作位置。为保证分度过程的平稳, 分度盘的旋转速度设计为2rpm。分度角度可预先设置, 由控制系统控制伺服电机自动完成预设角度, 如需做调整, 也可使用设备的手动调整功能, 实现正反方向任意角度的手动微调。根据零件细长的外型特点, 在设计中采用了主动齿轮与被焊零件分布于分度盘两侧的结构方式, 以节省空间, 采用专用夹头或通用性很强的自定心三爪卡盘夹持零件, 保证零件回转时的精度。

2 多工位焊接装置的控制

多工位焊接装置采用伺服系统实现分度角度、转动速度的控制, 同时设置了手动调节控制功能, 实现任意方向任意角度的手动调节。分度控制系统设计时选用了带有制动器的伺服电机, 保证分度精度及分度后的位置锁定不变。当一个工位的焊接工作结束后, 启动分度控制系统, 控制系统根据预先置入的分度角度参数及分度转速参数驱动伺服电机自动完成从一个焊接工位到下一个焊接工位的转换。在进行多工位电子束焊接时, 同时焊接多个零件, 为使操作者更好地了解目前焊接零件的位置, 控制系统中还设置了工位显示器, 提示操作者目前正在进行焊接的工位。

2.1 控制系统的组成。

控制系统由PLC、伺服电机驱动器、伺服电机、操作单元、显示单元等组成。其中PLC选用CP1H-XA40DT-D, 是小型一体化、高功能的可编程序控制器。伺服电机选用MADDT1205交流伺服电机, 伺服电机驱动器选用与之相配的MSMD012P1V。由于本装置是独立于电子束焊机, 无法构成闭环控制系统, 所以只能靠高精度的伺服电机来保证精度。MADDT1205交流伺服电机它内部的转子是永磁铁, 驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场, 转子在此磁场的作用下转动, 同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器, 驱动器根据反馈值与目标值进行比较, 调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度 (线数) 。

2.2 主回路与控制回路。控制系统的电气原理如图1所示。

2.3 电气原理图。

HL1为电源指示灯, 当QF1闭合后, 电源指示灯亮。SB1为给PLC和伺服电机驱动器供电的按钮, 按下SB1则继电器KM1吸合, PLC和伺服电机驱动器得电, 可以进行对多工位焊接装置的操作。HL2为可以对多工位焊接装置操作的指示灯。SB2为切断PLC和伺服电机驱动器电源的按钮, 按下SB2则无法对多工位焊接装置进行操作。两个电源分别为伺服电机驱动器和PLC的24V电源。HL3和HL6分别为他们的指示灯。

2.4 伺服电机驱动器与分度控制。

伺服电机驱动器有位置、速度和转矩三种控制方式。我们选用的是位置控制方式, 在这种控制方式下, 位置信号输出一个脉冲, 伺服电机旋转一个角度 (由用户自己定义, 本文选用一个脉冲旋转60°) 。COM+和COM-为伺服电机驱动器的24V电源接口。ALM+, 和ALM-为伺服电机驱动器报警信号输出端口, 它们之间为一常闭触点, 当伺服电机驱动器产生报警后, 触点断开。SPV-ON为伺服使能开关, 当不需要控制伺服使能时可以长接电源负极。PG为旋转编码器, 用来保证伺服电机的精度。分度盘的旋转是由伺服电机带动的, 在位置控制方式下, 伺服电机驱动器每接收到一个脉冲信号, 伺服电机旋转60°, 通过减速机带动分度盘旋转一定角度。减速机到分度盘的总传动速比为595×41/20=1219.75。从一个工位转换到下一工位, 分度盘旋转45°, 伺服电机需旋转1219.75×45/360=152.47 (圈) , 则位置信号需要发出的脉冲数应为152.5×360/60=914.8 (个) 。经现场检测验证, 使分度盘旋转一个工位需要915个脉冲, 与理论计算值相同。

2.5 PLC系统。

本系统共有5个开关量输入, 5个开关量输出PLC的。通过程序编写实现多工位装置定角度的自动分度, 也可实现任意角度的手动分度。按下按钮, 分度装置就会旋转一个工位, 系统拥有急停按钮、微调旋钮、分度允许指示灯、分度禁止指示灯。

结语

多工位电子束焊接装置最多可同时装夹八个零件, 可实现预置角度的自动分度和任意角度的手动分度及工位显示, 抽真空时间大幅缩短, 加工效率大幅度提高, 对小型零件的电子束焊接具有广阔的应用前景。

摘要：本文针对小零件电子束焊单件焊接效率低下的问题, 根据现场实际设计了电子束焊多工位焊接装置, 一次抽真空可焊接多个零件, 实现工作过程中工位转换的自动控制。

关键词：电子束焊,多工位焊接,自动控制

参考文献

激光焊接装置设计 第7篇

激光数控切割机靠驱动系统运行, 由于一般的驱动系统抗干扰性差, 会影响切割机的加工精度。随着集成电路技术的发展, 使驱动系统模块化、数字化, 控制定位系统更加可靠、稳定、精确, 加工精度显著提高。在激光数控切割机的驱动控制系统中, 主要采用了脉冲变压器、运算放大器、功率放大器、功率驱动器等集成电路模块组成, 通过脉冲变压器输出脉冲电压给运算放大器, 运算放大器输出控制信号由功率放大器对控制信号进行放大, 然后输出的控制信号给功率驱动器来驱动伺服电动机运动。

二、激光数控切割机驱动装置工作特征

激光数控切割机的驱动控制系统由脉冲变压器、运算放大器、功率放大器、功率驱动器等集成电路模块组成, 脉冲变压器能把输出高频的脉宽电压信号变成直流后给运算放大器, 运用运算放大器自身的增益高、输入电阻大、输出电阻低、共模抑制比高、失调与飘移小, 且还具有输入电压为零时输出电压亦为零的特点, 对信号进行带深度负反馈并直接耦合式的直流放大。放大后的直流信号在经过功率放大器, 输出功率放大后的控制信号, 输入功率驱动器。控制信号进入功率驱动器核心的智能功率模块 (IPM) 驱动电路和IPM内部集成的驱动电路, 对伺服电机的过电压、过电流、过热、欠压等故障进行检测和保护;在主回路中还加入软启动电路, 以减小启动过程对驱动器的冲击。控制信号驱动伺服电动机运动, 达到对激光数控切割机的伺服驱动控制装置的控制。

该装置采用了脉冲变压器进行变压, 利用了脉冲变压器可以有效地使驱动信号与功率器件进行信号进行有效的隔离, 从而达到了本驱动装置的抗干扰性强的特点, 使驱动装置在工作中不受外界因素的干扰, 工作定位更加稳定、准确, 使激光数控切割机的加工精度显著提高。脉冲变压器的工作原理如图1所示。功率驱动器和功率放大器结构图见图2。

三、驱动装置的控制实现 (图3)

具体工作流程分为:

1.通过PWM信号把被滤波整流成直流的市电调制成高频的脉宽电压, 再通过脉冲变压器的变压, 滤波整流把变压后的脉宽电压变成直流。

2.从脉冲变压器输出的直流输入到运算放大器经过运算放大器多级直接耦合放大电路组成的高增益模拟集成电路。运用了运算放大器的增益高, 输入电阻大, 输出电阻低, 共模抑制比高, 失调与飘移小, 且还具有输入电压为零时输出。

3.放大后的信号再经过功率放大器, 功率放大器利用了三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。经过对电流与电压的放大, 就完成了对功率放大。

4.放大后的信号再输入功率驱动器, 功率驱动器采用智能功率模块 (IPM) 为核心设计的驱动电路, IPM内部集成了驱动电路, 同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路, 在主回路中还加入软启动电路, 以减小启动过程对驱动器的冲击。功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流, 得到相应的直流电。经过整流的三相电或市电, 再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步交流伺服电机。功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是AC-DC-AC的过程。整流单元 (AC-DC) 主要的拓扑电路是三相全桥不控整流电路。伺服驱动器采用了位置、速度和力矩三种控制方式, 主要应用于高精度的定位。最后把控制信号输入伺服电机以驱动其运动。

四、激光数控切割机驱动装置特点

为了解决现有技术中伺服驱动系统的结构复杂、操作复杂、抗干扰性差等不足, 本驱动装置提供了一种结构简单、抗干扰性强、定位性能准确、性能可靠的伺服驱动系统。本激光数控切割机的伺服驱动装置具有以下效果与优点:结构简单, 体积小, 重量轻;信号隔离性好, 抗干扰性强;发热量小能耗低, 使用寿命长。

五、实际工作中应注意的问题

1.电源电压过压, 很可能造成驱动模块的损坏;对于直流输入的正负极性一定不能接错, 驱动控制器上的电机型号或电流设定值应合适, 电流设定值开始时不要太大。

2.控制信号线联接需牢靠, 工业现场最好要考虑屏蔽问题。

3.不要在一开始时就把所有的线全联接上, 只需联接成最基本的系统, 运行良好后, 再逐步联接。

4.保持驱动器处于干燥处, 防止油污进入驱动器造成驱动器元件短路。

5.定期检查风扇通风是否正常, 对通风口进行清污。

六、结束语

数控伺服系统驱动装置的成功设计, 实现了数控激光切割机伺服系统的准确定位, 使激光数控切割机的加工精度有了显著的提高。

摘要：介绍针对激光数控切割机而设计的数控伺服系统驱动装置, 安装于激光切割机的驱动控制系统中, 主要调节驱动伺服电机的速度, 控制电动机的转矩, 该装置具有结构简单、容易实现控制、成本低、能耗小等优点, 解决了激光数控切割机启动电流较大、干扰较强的问题。

关键词：激光数控切割,抗干扰,脉冲变压,功率驱动,功率放大

参考文献

[1]龚仲华.交流伺服驱动从原理到完全应用.人民邮电出版社[M], 2003.

[2]王水平, 周培志, 张耀进, 宣宗强, 于建国, 王战国.PWM控制与驱动器使用指南及应用电路———SPWM、PFC和IGBT控制与驱动器部分西安电子科技大学出版社[M], 2005.

[3]王瑞华.脉冲变压器设计.科学出版社[M], 1997.

激光焊接装置设计 第8篇

设计一个能够控制激光枪击发、自动报靶及自动瞄准等功能的电子系统。该系统由激光枪及瞄准机构、胸环靶、弹着点检测电路组成, 其结构示意见图1。

1系统方案选择与论证

1.1 各模块方案选择及优缺点

(1) 动力装置方案比较

方案一、直流减速电机。直流减速电机成本低, 振动小, 噪音低, 节能高, 可承受过载能力高。采用单片机输出PWM波控制, 完全可以实现小步进角的转动, 并且在控制寻迹小车等应用方面比较成熟。

方案二、步进电机。步进电机能实现步进角较小的精确控制, 可以实现开环控制, 无需反馈信号。步进电机成本高, 控制不当易产生共振, 且噪声大。

通过以上对比, 由于设计中靶环间距为5cm, 激光枪距离靶环3m, 利用直流减速电机完全可以实现对激光瞄准点的移动控制, 并且结合了自身学习的特点, 充分利用已有的知识储备, 为大赛的后续工作节省了时间。

(2) 着弹点检测方案

方案一、模拟摄像头。模拟摄像头延时小, 价格便宜, 但画面质量不高, 输出的是模拟信号, 后期的模数转换较为复杂, 且在电子产品中应用越来越少。

方案二、数字摄像头。数字摄像头拍摄画面质量较高, 像素可调节, 输出数字信号可直接用于后续模块中。在已有知识储备的基础上, 较容易实现。

两种摄像头各有优势, 但考虑到后续模块的使用, 选择用数字摄像头。

(3) 主控单元方案

根据队伍成员知识储备情况, 结合设计要求, 选择51单片机。

1.2 方案论证

以上方案经过理论分析和实验验证, 能够实现采用二值化算法, 对数字摄像头采集的信息进行处理, 利用51单片机实时显示着弹点信息并控制直流减速电机的二维运动等, 达到题目要求, 方案可行。

2 系统总体设计

2.1 系统硬件总体结构设计框图

采用STC89C52单片机作为主从控制核心, 实时控制垂直和水平两个方向的直流减速电机, 实现激光枪的二维运动, 采集着弹点的位置信息并实时显示。硬件总体框图如2 (a) 所示。

2.2 系统软件总体结构设计框图

在Keil的开发环境下, 以手动控制作为基本部分, 自动控制作为发挥部分, 在主程序框架内, 编写两套并行程序。软件总体设计框图如图2 (b) 所示。

3 理论分析与计算

3.1 激光枪自动控制原理分析与计算

采用垂直和水平两个直流减速电机分别实现激光枪的上下左右移动。设定4个按键分别对应两个直流减速电机的正反转, 利用单片机输出的PWM波控制电机每步转动的角度, 最终实现激光枪射击点的瞄准。借助于弹着点检测原理与结果分析实现激光枪任意设定环数的瞄准射击。通过OV6620数字摄像头将现有弹着点所在位置采集并送入单片机, 控制二维直流减速电机转动, 将激光枪迅速瞄准设定环数并射击。

3.2 弹着点检测原理分析与计算

(1) 、基于数码摄像头图像采集与数据处理分析

采用OV6200单片CMOS CIF数字摄像头模块采集靶环图像。调节摄像头位置, 使得摄像头中心与靶环中心共轴。调节摄像头与靶环之间的距离, 使得整个靶环刚好填满镜头。考虑到靶环线间距为5cm, 结合52单片机片内资源, 设定20×20的采集阵列, 将相应位置的像素值以二进制数的形式送到单片机, 通过与设定的阈值比较将各像素位上的像素值二值化。

在激光射击之前, 先有摄像头采集一帧图像的数据, 作为背景值存入到单片机内已定义好的数组内。射击时, 采集实时的图像数据送入单片机二值化后, 与数组内的背景值一一对比, 筛选出发生变化的数组位置, 通过模糊算法, 确定光斑所对应的数组位置, 进而得到中靶环数。

(2) 、基于极坐标理论的弹着点位置确定分析与计算

将胸环靶从两个角度进行区域划分。一种是与摄像头采集阵列相同。一种采用极坐标形式将整个胸环靶分为41个区域, 分别对应着弹点的不同方位。以同心圆圆心作为坐标原点, 以向右为坐标0°。上半圆沿逆时针方向为0°→180°, 下半圆沿顺时针方向为0°→-180°, 如图3所示。将极坐标分区与通过图像处理所确定的光斑对应数组位置进行对比, 得出弹着点的环数及方位。

4 系统模块电路设计

4.1 直流减速电机驱动模块设计

直流减速电机采用LM293驱动, 焊接板如图4 (a) 所示。

4.2 激光枪二维控制模块设计

激光枪二维控制模块由垂直和水平两个直流减速电机组成。垂直放置的电机实现激光枪的左右移动, 水平放置的电机实现激光枪的上下移动, 实物图如图7所示。由单片机输出PWM波, 控制两个电机的转速和转向。单片机自制最小系统实物图如图4 (b) 所示。

4.3 弹着点检测模块硬件设计

弹着点检测模块由OV6620数码摄像头, C3088驱动芯片, AL422B FIFO以及STC89C52单片机组成, 如图4 (c) 所示。

5 系统整体调试

5.1 激光枪两维控制调试

随意给定5~10环中的其中一环, 利用按键调节两电机寻找目标靶位, 在调试的过程中通过逐步细化, 尽量减少调节时间使其尽快找到目标靶位。

5.2 弹着点检测调试

通过调节摄像头自身焦距及距离靶位的位置, 利用串口助手来观察摄像头对不同颜色的采集效果, 进而逐步确定摄像头分辨激光的最优算法, 并不断细化确定分辨率来达到弹着点精确检测的目的。

5.3 报靶显示调试

通过激光笔打在靶位的不同区域, 利用摄像头采集经MCU处理发送给12864液晶显示, 通过12864显示所打成绩及所打位置, 通过调试12864使所打环数及位置闪烁便于分辨不同打靶成绩。

6 部分设计亮点

6.1 低速MCU主从系统设计

采用低速51系列单片机实现图像采集和信息处理。在保证实现设计要求的前提下, 采用低速主从两片MCU组建系统控制核心。从MCU主要实现图像的采集和图像数据的处理与传输, 主MCU实现直流减速电机的控制, 接受从MCU的数据, 并实时显示。降低了设计目标的实现难度, 节约了成本, 充分利用了片内资源。

6.2 软件算法构思精髓

采用同一区域两种划分方法的算法实现弹着点的位置确定。图像采集阶段, 将胸环靶按照像素采集阵列进行划分, 并将相应位置的色素值二值化之后存入对应的数组内。弹着点确定阶段, 将胸环靶在极坐标系内进行区域划分, 对照像素值发生变化的数组位置, 确定胸环靶上的极坐标值, 实现弹着点的检测。

参考文献

[1]郭天祥.51单片机C语言教程[M].北京:电子工业出版社, 2008

[2]李静, 程安宇, 陈卓.快速学习.51单片机C语言程序设计[M].北京:人民邮电出版社, 2010

[3]温子祺, 刘志峰, 洗安胜.51单片机C语言创新教程[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2011

激光焊接装置设计 第9篇

由VCSEL (垂直腔面发射激光器) 激光二极管组成的激光器具有线宽窄、调制效率高、成本低、体积小等优点[1], 因此VCSEL激光器被广泛地应用于医疗设备、光通信、光电系统等等。温度对VCSEL激光二极管性能的影响非常之大, 如输出光功率、波长等都随温度的变化而变化[2] (如图1所示) 。从图1 (a) 中可以看出随着温度的增加, 激光器的P-I曲线向右移动, 使得阈值电流增大, 输出光功率减小, 从而降低了激光器的性能。图1 (b) 为发射波长λ随温度的变化, 当驱动电流恒定时, 激光器的发射波长随着温度的升高而增大, 因此要获得性能稳定的VCSEL激光就必须精确地控制VCSEL激光二极管周围的温度[3]。

在VCSEL激光二极管温控系统中, 热沉、TEC (热电制冷器) 和冷却板的面积起着举足轻重的作用, 它影响着温度控制的精度及灵敏度, 因此尽可能地提高热沉、TEC和冷却板的面积是提高VCSEL激光二极管温度性能的有效方法。

2传统温控装置组成

传统的VCSEL激光二极管温度控制装置中的热沉、TEC和冷却板均为平面状 (如图2所示) , 这种结构的设计使得冷却板与激光二极管的有效接触面积非常有限, 也限制了热沉和TEC的面积, 进一步制约了热沉上鳍片的数量。

如果一个热沉的设计对于其应用来说是有所欠缺的, 那么系统就可能会进入一种被称为热控制失调的状况。当热电制冷器的热沉不能够非常快地将抽取给它的热量散发掉时, 冷表面的温度便会增加。当控制器敏感到其冷表面温度的上升情况时, 它便会增加其输出电流, 以便进行补偿。而增加的电流将大量的热量抽取到热沉内, 由于热沉无法散发掉这些热量, 再加上热电制冷器本身所产生的能量, 从而进一步加热了热电制冷器的冷表面。这种恶性循环将一直延续到控制器的极限电流为止。负载不再受到控制, 并将达到一个不希望的温度。

基于以上原因, 我们提出了一种新型散热装置的设计, 它可以有效地避免由于冷却板与激光二极管的有效接触面积有限所带来的危害。

1—鳍片热沉;2—TEC;3—冷却板;4—被测装置固定架

3一种新型散热装置

本文设计了一种新型的、能够有效控制VCSEL激光管温度的温度控制装置, 其作用是将物体的温度控制在设定的温度值。温度控制装置的工作原理为:温度传感器将激光二极管的温度传递给控制系统, 这时控制系统将物体的温度与系统设定的温度进行比较, 如果物体的温度较高则需要对物体制冷;如果物体的温度较低则需要对物体加热。

如图3所示, 该温控装置由热沉、TEC、凹槽、冷却板和散热鳍片组成。为了提高系统的温度稳定性和控制范围, 热沉、冷却板、鳍片的材料都采用金属铜 (因为铜的热传导系数高) 。把激光二极管放在圆筒状的冷却板内部, 冷却板的内部直径大小要与激光二极管的大小相等, 把温度传感器放在紧贴着激光二极管的凹槽里。冷却板的外层为TEC, 它是利用热电效应 (即帕尔贴效应) 的一种制冷方法, 由N型半导体和P型半导体构成, 其流入电流的方向决定了TEC的内侧是热端还是冷端 (对于外侧来说是冷端还是热端) 。TEC的外层为热沉, 热沉的作用是吸收从热电制冷器的冷表面抽取的功率和自身所产生的热量, 热沉的性能影响着系统的最大温度范围和温度稳定性。虽然热沉能够吸收大量的热量, 但是一旦它们被加热到一定温度, 将不能有效地将其能量扩散到周围的环境中去, 因此为了加大散热效果往往在热沉的外边设计了一些鳍片, 鳍片的面积越大其散热效果越好。在热沉、TEC和冷却板之间要通过热环氧树脂衔接, 这不仅起到固定的作用而且可以加强热的传导。

1—热沉;2—TEC;3—凹槽;4—冷却板;5—鳍片

当系统处于运作状态时, 凹槽里的温度传感器将激光二极管的温度传递给控制系统, 这时控制系统将物体的温度与系统设定的温度进行比较, 根据比较结果决定加载到TEC上的电流方向和大小。如果物体的温度较高则需要对物体制冷, 这时加载到TEC上的电流应使其内表面为冷端、外表面为热端, 即处于散热状态;如果物体的温度较低, 则需要对物体加热, 这时加载到TEC上的电流应使其内表面为热端、外表面为冷端, 即处于加热状态。

4结束语

本文介绍了垂直腔面发射激光器温度控制装置的工作原理及设计方案, 并比较了自行设计的温控装置与传统温控装置的优缺点, 对于不同封装的VCSEL, 恰当地选择TEC和散热装置, 有助于快速稳定地达到所设定的温度值, 以便垂直腔面发射激光器的性能达到最佳。

摘要：介绍一种VCSEL (垂直腔面发射激光器) 激光二极管温度控制装置的设计。该装置采用了圆筒形的热沉、圆筒形TEC (热电制冷器) 和冷却板, 把激光管置于圆筒形的冷却板之内, 由于圆筒形的热沉、TEC和冷却板与激光二极管接触面积较大, 所以无形中提高了温度控制系统的散热和加热效率, 从而提高了系统的温度稳定性和控制范围。

关键词：垂直腔面发射激光器,温控系统,热电制冷器

参考文献

[1]赵英杰, 李铁华, 李林, 等.VCSEL的研究进展及应用前景[J].长春理工大学学报, 2005 (1) :23-26.

[2]渠红伟, 郭霞.垂直腔面发射激光器温度特性的研究[J].激光与红外, 2005 (2) :83-86.

激光焊接装置设计 第10篇

【关键词】混合激光焊接；汽车制造；制造成本

随着焊接工艺在汽车制造中的不断应用和发展，对于焊接的功能实现和外观都有着不断提高的要求，为适应社会需求，人们不断研究新的焊接技术工艺，以达到高质量、高效率、成本低、美观大方的目的。混合激光焊接技术的应用，让我们离目标越来越近。

一、混合激光焊接技术的工作原理

混合激光焊接技术是采用传统的金属及气体电弧焊和激光焊接技术的优点，进行合理化结合，主要利用电弧加热填充金属和工件，达到金属融合的效果。

混合激光焊接技术受气体等因素的影响较多，为达到降低机器成本的目的，我们要通过对各个有影响的参数进行控制，减小谐振腔的尺寸，降低混合激光焊接技术的供能成本，确定混合激光焊接中焊丝的给进位置。激光推动焊丝进入熔融焊池，降低熔融焊丝所需的二次能量，这个过程中为提高焊接速度，我们采用了拖尾式的混合激光焊接技术进行焊丝给进。混和激光焊接的电弧在焊丝填充到达尾部时产生等离子，并对基底材料进行蒸发，这时会在熔融焊接池的边缘出现一个小凹陷，这个凹陷能够起到降低激光光束需要穿透的深度，提高了穿透性能。

二、混合激光焊接技术的特点

混合激光焊接技术在汽车制造中的应用有以下特点：（1）在进行混合激光焊接过程中添加的辅助材料，施加给焊缝晶格组织的影响，使得焊缝的韧性较高；（2）熔深更大，焊缝焊接能力强；（3）减少人工，减少投资；（4）焊缝背面下垂在没有烧穿时的适用范围更加广泛；（5）焊接速度快；（6）焊接热量产生的少；（7）焊缝的宽度和突出小，强度高；（8）生产效率高；（9）光学设备配置性能高；（10）对焊接产生的缝隙弥补合理，效果高；（11）钣金件缝隙的连接能力提高；（12）提高车身刚度，提升汽车安全性；（13）车身重量减小，有省油效果；（14）焊接精度高；（15）前期投入太高，包括配套设备和保护气体的投资。

三、混合激光焊接技术中对保护气体的选择

现在在汽车制造中使用最多的是二氧化碳、氩和氦等气体作为电弧和熔池的保护气体，在这些保护气体中，氦气控制粒子大小最为合理，这是由其平均蒸汽粒子最小决定的。但是在电离率和等离子体电压方面，氦气虽然有着很大的优势，但是分子质量却比氩气小。因此，我们发现，在选用氦气作为保护气时，只有保证流速足够能将激光光束路径上的金属进行蒸发并排出，虽然效果非常好，但是氦气的价格却较高，这无疑是增加了焊接成本，增加了汽车整车成本。为了弥补氦保护气的价格缺陷，同时实现抑制等离子体，排出蒸汽粒子，达到优化保护气，降低成本的目的，我们引进了使用40%～50%的氩气混合气体，这种混合气体的比重越高，对于排除蒸汽粒子的流速需要就越低。混合气体在汽车制造中进行焊接工艺时产生的惰性对焊接起到加速的作用，降低报废率。将二氧化碳或者氦气按照一定的比例混合氩气，用于混合激光焊接过程中的二次保护气，使焊接的性能得到很大的提高，产生电弧电压更高，焊珠的外形扩大，增强了电弧稳定性。因为这些气体的价格高昂，因此在运输过程中一定要确保安全，同时还要相对更为经济，这样我们才能真正达到降低制造成本的目的。

四、混合激光焊接技术在现代汽车制造中的应用

随着激光焊接技术的不断发展，各个汽车企业纷纷引进最新的焊接工艺，直接影响着其在汽车制造业中的行业竞争力，混合激光焊接技术的种种优点在汽车制造中发挥充分，可以大大降低制造成本，提高铝合金材料性能，已经在大众、宝马等知名制造公司。例如：宝马5系列轿车的铝合金隔板；大众Phaeton D1的车门；大众Golf、Audi A4和A6、Passat的车顶等等。在汽车制造中使用混合激光焊接技术的主要汽车公司有：大众、通用、奔驰、日产、菲亚特、福特、宝马、丰田，还有国内的奇瑞。

目前，混合激光焊接技术已经被广泛应用于汽车制造业中，并不断完善，推动汽车制造业的发展，同时汽车制造业的飞速发展，不断提出新的需求，从而反过来促进混合激光焊接技术的不断优化。为了满足人们对汽车质量、功能和外观的新需求，要求我国汽车制造企业一定要根据实际情况，引进最新的焊接工艺，提高汽车制造中的工作效率和产品质量，同时降低成本，从而达到企业稳定、持续发展的目标。因此，在汽车制造中广泛应用混合激光焊接技术等先进工艺，已经成为国内汽车业内人士的关注。在汽车制造业的发展中，混合激光焊接技术的优化，降低成本，运输的经济性和安全性仍需要我们不断探索，推动我国汽车制造业的快速发展。

参考文献

[1]许瑞麟等.汽车车身焊接技术现状及发展趋势[J].电焊机.2010（5）：1～18