專利名稱：光纖有源器件自動激光焊接裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及到光纖器件的亞微米制造理論與關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域，特指一種光纖有源器件自動激光焊接裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中，光纖有源器件包括光源(LD、LED)、探測器、光放大器、光源—光纖耦合器、光源—探測耦合器等各類光電子器件的組件與模塊。光纖有源器件是光纖應(yīng)用系統(tǒng)的核心，不僅影響系統(tǒng)的性能，還對整個(gè)系統(tǒng)的成本有極大的影響。如何將光從光源耦合進(jìn)光纖，獲得高的耦合效率，是光纖有源器件封裝的關(guān)鍵問題。核心技術(shù)是實(shí)現(xiàn)亞微米對準(zhǔn)和焊接。
目前光纖有源器件封裝中的對準(zhǔn)大都是通過手工完成的。首先在顯微鏡的幫助下初步對準(zhǔn)光源器件和單模光纖，使單模光纖獲得一定量的初始耦合功率，然后通過監(jiān)測耦合進(jìn)單模光纖的光功率，手動調(diào)整光源器件與單模光纖的相對位置實(shí)現(xiàn)精密對準(zhǔn)，最后用激光焊接固定封裝組件。由于手工操作，因此特別依賴于操作技工的熟練程度，同時(shí)也具有速度慢、產(chǎn)量低、成品率低、器件性能一致性差、產(chǎn)品成本和價(jià)格高等缺點(diǎn)，目前軍事和民用領(lǐng)域?qū)Ω咝阅?、低成本的光纖有源器件需求越來越大，因此需要研制自動激光焊接裝置，以完成亞微米尺度上的自動對準(zhǔn)和焊接封裝，而在這其中，最關(guān)鍵技術(shù)就在于高運(yùn)動分辨率的對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種具有結(jié)構(gòu)簡單、控制簡單、成本低廉、大行程與高分辨率相結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)光纖有源器件封裝的自動對準(zhǔn)和焊接封裝操作，從而提高器件封裝的成品率的光纖有源器件自動激光焊接裝置。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的解決方案為一種光纖有源器件自動激光焊接裝置，其特征在于它包括工作臺、控制單元、激光焊接機(jī)構(gòu)和精密對接機(jī)構(gòu)，激光焊接機(jī)構(gòu)和精密對接機(jī)構(gòu)都安裝于工作臺上；該精密對接機(jī)構(gòu)包括光纖位置調(diào)整機(jī)構(gòu)和光源器件位置調(diào)整機(jī)構(gòu)，所述光纖位置調(diào)整機(jī)構(gòu)包括三個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的X軸平移臺、Y軸平移臺和Z軸平移臺以及光纖器件夾具，Y軸平移臺、X軸平移臺和Z軸平移臺依次相互垂直疊放，光纖器件夾具固定于Z軸平移臺上；所述光源器件位置調(diào)整機(jī)構(gòu)包括一個(gè)二維的角度傾斜臺和兩個(gè)正交放置結(jié)構(gòu)完全相同的X向微動平臺和Y向微動平臺，X向微動平臺和Y向微動平臺安裝于二維的角度傾斜臺的上方；控制單元包括主控計(jì)算機(jī)和光功率計(jì)，主控計(jì)算機(jī)通過電纜分別與光纖位置調(diào)整機(jī)構(gòu)和光源器件位置調(diào)整機(jī)構(gòu)相連。
所述X向微動平臺和Y向微動平臺采用相同結(jié)構(gòu)的微動平臺，該微動平臺包括步進(jìn)電機(jī)、連接螺桿、壓縮彈簧、微動平臺主體、柔性鉸鏈、平面軸承和微位移輸出單元；連接螺桿的一端固定于步進(jìn)電機(jī)的輸出軸上，另一端通過軸與微動平臺主體相連；軸的前端套上壓縮彈簧，該壓縮彈簧的另一端套在平面軸承上，該壓縮彈簧穿設(shè)于微動平臺主體上開設(shè)的限位槽內(nèi)，平面軸承通過平面軸承定位孔與微位移輸出單元連接；微位移輸出單元通過四個(gè)柔性鉸鏈與微動平臺主體相連，四個(gè)相鄰的柔性鉸鏈構(gòu)成平行四邊形。
所述角度傾斜臺包括傾斜臺底座、第一角度傾斜板、第二角度傾斜板、傾斜工作臺、第一步進(jìn)電機(jī)、第二步進(jìn)電機(jī)、第一壓縮彈簧、第二壓縮彈簧和鋼球，傾斜臺底座安裝于工作臺上，第一角度傾斜板和第二角度傾斜板依次疊放于傾斜臺底座的上方，傾斜工作臺固定于第二角度傾斜板的上方，且第一角度傾斜板與第二角度傾斜板以及第一角度傾斜板與傾斜臺底座之間均設(shè)有鋼球；第一步進(jìn)電機(jī)通過第一步進(jìn)電機(jī)固定件固定于傾斜臺底座的一側(cè)上，第一步進(jìn)電機(jī)的輸出軸與設(shè)置于第一角度傾斜板一側(cè)上的第一壓縮彈簧相連；第二步進(jìn)電機(jī)通過第二步進(jìn)電機(jī)固定件固定于傾斜工作臺的上方，第二步進(jìn)電機(jī)的輸出軸與設(shè)置于傾斜工作臺上的第二壓縮彈簧相連。
所述X軸平移臺、Y軸平移臺和Z軸平移臺采用相同的一維運(yùn)動平移臺，該一維運(yùn)動平移臺包括步進(jìn)電機(jī)固定件、步進(jìn)電機(jī)、聯(lián)軸器、螺紋絲杠、平移臺本體、滾珠導(dǎo)軌以及平移臺工作面，步進(jìn)電機(jī)通過步進(jìn)電機(jī)固定件安裝于平移臺本體的一側(cè)，螺紋絲杠位于平移臺本體中部鏤空部，螺紋絲杠的一端通過聯(lián)軸器與步進(jìn)電機(jī)的輸出軸相連，平移臺工作面安裝于螺紋絲杠上且與平移臺本體保持面接觸連接，于平移臺工作面和平移臺本體的接觸面上設(shè)有滾珠導(dǎo)軌。
所述激光焊接機(jī)構(gòu)包括固體激光器、分光器、三根相同的傳輸光纖、三個(gè)完全相同的聚焦鏡以及聚焦鏡調(diào)整機(jī)構(gòu)，三個(gè)聚焦鏡通過聚焦鏡調(diào)整機(jī)構(gòu)均布于工作臺上，每兩個(gè)聚焦鏡之間呈120°的夾角，每個(gè)聚焦鏡通過傳輸光纖依次與固體激光器、分光器以及控制單元相連。
所述光纖夾具包括主夾頭、副夾頭、連接軸和彈簧，該光纖夾具通過光纖夾具支架固定于Z軸平移臺上，主夾頭和副夾頭通過連接軸鉸接，并于主夾頭和副夾頭之間設(shè)有一彈簧。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1、本發(fā)明的光纖有源器件自動激光焊接裝置中精密對接機(jī)構(gòu)的機(jī)械本體采用模塊化設(shè)計(jì)，通過積木式組合實(shí)現(xiàn)多自由度的位置調(diào)整，其適應(yīng)性強(qiáng)、靈活性大根據(jù)器件與光纖對準(zhǔn)時(shí)不同方向的對準(zhǔn)精度的不同要求，運(yùn)動系統(tǒng)采用粗調(diào)節(jié)和精調(diào)節(jié)結(jié)合的方式，既能滿足大行程的要求，又能達(dá)到高精度的要求；2、本發(fā)明的光纖有源器件自動激光焊接裝置中光纖位置調(diào)整機(jī)構(gòu)使用三個(gè)絲杠驅(qū)動，滾珠導(dǎo)軌傳動的一維精密平移臺組合成X方向、Y方向以及Z方向三個(gè)自由度的運(yùn)動，進(jìn)行光纖與器件在這三個(gè)方向上的對準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)X方向和Y方向粗對準(zhǔn)的位置調(diào)整以及Z方向的對準(zhǔn)位置調(diào)整；3、本發(fā)明的光纖有源器件自動激光焊接裝置的光源器件位置調(diào)整機(jī)構(gòu)使用了一個(gè)二維角度傾斜臺，從而可以調(diào)整光源器件與光纖的平行度，盡量消除它們之間的角度偏差。由于器件與光纖的最佳耦合受垂直于光軸的橫向錯(cuò)位影響最大，因此橫向?qū)?zhǔn)需要更高運(yùn)動分辨率的運(yùn)動平臺。器件位置調(diào)整機(jī)構(gòu)中包括兩個(gè)自行設(shè)計(jì)的微動平臺，實(shí)現(xiàn)X方向和Y方向的精密對準(zhǔn)；4、本發(fā)明的光纖有源器件自動激光焊接裝置所設(shè)計(jì)的微動平臺通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，利用柔性鉸鏈的彈性變形實(shí)現(xiàn)高運(yùn)動分辨率的微位移，由于采用平行四邊形的柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)，避免了在X、Y的垂直方向上產(chǎn)生交叉耦合位移，保證了輸出位移的直線性；5、本發(fā)明的光纖有源器件自動激光焊接裝置所有運(yùn)動平臺都由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，控制簡單，系統(tǒng)成本低。通過運(yùn)動平臺的上述組合，實(shí)現(xiàn)器件與光纖在X、Y、Z、θX、θY五個(gè)自由度上的對準(zhǔn)。
綜上所述，本發(fā)明的光纖有源器件自動激光焊接裝置結(jié)構(gòu)簡單、成本低、控制方便、自動化程度高，微動平臺運(yùn)動分辨率高，無爬行和間隙，不存在不同運(yùn)動方向的交叉耦合，可實(shí)現(xiàn)高分辨率的對準(zhǔn)操作，提高了器件封裝的成品率；其中精密對接機(jī)構(gòu)也可以用于微細(xì)加工、微電子裝配等需要微定位和微操作的場合，而且可以采取不同的組合方式。


圖1是本發(fā)明光纖有源器件自動激光焊接裝置的主視示意圖；圖2是本發(fā)明光纖有源器件自動激光焊接裝置的俯視示意圖；圖3是本發(fā)明精密對接機(jī)構(gòu)中光纖位置調(diào)整機(jī)構(gòu)主視示意圖；圖4是本發(fā)明精密對接機(jī)構(gòu)中光纖位置調(diào)整機(jī)構(gòu)俯視示意圖；圖5是本發(fā)明光纖位置調(diào)整機(jī)構(gòu)中Y軸向平移臺的主視示意圖；圖6是本發(fā)明光纖位置調(diào)整機(jī)構(gòu)中Y軸向平移臺的俯視示意圖；圖7是本發(fā)明光源器件位置調(diào)整機(jī)構(gòu)的主視示意圖；圖8是本發(fā)明光源器件位置調(diào)整機(jī)構(gòu)的俯視示意圖；
圖9是本發(fā)明光源器件位置調(diào)整機(jī)構(gòu)中微動平臺的主視示意圖；圖10是圖9中A-A的剖視示意圖；圖11是光源器件位置調(diào)整機(jī)構(gòu)中二維角度傾斜臺的主視示意圖；圖12是光源器件位置調(diào)整機(jī)構(gòu)中二維角度傾斜臺的俯視示意圖；圖13是本發(fā)明中光纖夾具的主視示意圖；圖14是本發(fā)明中光纖夾具的俯視示意圖；圖15是本發(fā)明光纖有源器件封裝的基于光強(qiáng)分布自動對準(zhǔn)方法的原理示意圖。
圖例說明1.工作臺 2.光源器件位置調(diào)整機(jī)構(gòu)21.二維角度傾斜臺 210.角度傾斜臺底座211.第一角度傾斜板 2111.第一步進(jìn)電機(jī)2112.步進(jìn)電機(jī)固定件2113.第一壓縮彈簧2114.鋼球 2115.第一壓縮彈簧定位軸212.第二角度傾斜板 2121.第二步進(jìn)電機(jī)2122.步進(jìn)電機(jī)固定件2123.第二壓縮彈簧2125.第二壓縮彈簧定位軸213.角度傾斜工作臺2131.工件固定螺紋孔22.X向微動平臺221.步進(jìn)電機(jī) 222.步進(jìn)電機(jī)固定件223.連接螺桿 224.軸225.固定孔 226.限位槽227.壓縮彈簧 228.微動平臺主體229.柔性鉸鏈 2210.平面軸承2211.平面軸承定位孔2212.螺紋孔2214.微位移輸出單元23.Y向微動平臺231.步進(jìn)電機(jī) 232.步進(jìn)電機(jī)固定件24.第一轉(zhuǎn)接板 25.第二轉(zhuǎn)接板26.第三轉(zhuǎn)接板 3.光纖位置調(diào)整機(jī)構(gòu)31.光纖位置調(diào)整機(jī)構(gòu)底座32.X軸平移臺321.步進(jìn)電機(jī)固定件 322.步進(jìn)電機(jī)323.固定孔 33.Y軸移動平臺331.轉(zhuǎn)接板 332.步進(jìn)電機(jī)333.步進(jìn)電機(jī)固定件 334.聯(lián)軸器
335.螺紋絲杠 337.平移臺本體338.滾珠導(dǎo)軌 339.平移臺工作面34.Z軸平移臺 341.固定支架342.步進(jìn)電機(jī) 343.步進(jìn)電機(jī)固定件4.激光焊接部分 41.聚焦鏡42.聚焦鏡調(diào)整機(jī)構(gòu) 51.光源器件夾具52.光纖夾具521.主夾頭522.副夾頭 523.連接軸524.彈簧 53.光纖夾具支架54.光源器件55.光纖56.光纖套筒6.光功率計(jì)7.主控計(jì)算機(jī) 8.固體激光器9.分光器 10.傳輸光纖具體實(shí)施方式
以下將結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
如圖1和圖2所示，本發(fā)明的光纖有源器件自動激光焊接裝置包括工作臺1、控制單元、激光焊接機(jī)構(gòu)和精密對接機(jī)構(gòu)，激光焊接機(jī)構(gòu)和精密對接機(jī)構(gòu)都安裝于工作臺1上。該精密對接機(jī)構(gòu)包括三自由度的光纖位置調(diào)整機(jī)構(gòu)3和四自由度的光源器件位置調(diào)整機(jī)構(gòu)2，光纖位置調(diào)整機(jī)構(gòu)3夾持光纖，光源器件位置調(diào)整機(jī)構(gòu)2安裝器件，從而可實(shí)現(xiàn)光源器件與光纖五自由度的相對位置調(diào)整。該激光焊接機(jī)構(gòu)包括固體激光器8、分光器9、三根相同的傳輸光纖10、三個(gè)完全相同的聚焦鏡41以及聚焦鏡調(diào)整機(jī)構(gòu)42，三個(gè)聚焦鏡41通過聚焦鏡調(diào)整機(jī)構(gòu)42均布于工作臺1上，每兩個(gè)聚焦鏡41之間120°的夾角，每個(gè)聚焦鏡41通過傳輸光纖10依次與固體激光器8、分光器9以及控制單元相連，該激光焊接機(jī)構(gòu)用于提供120°圓對稱分布的三光束脈沖激光?？刂茊卧ㄖ骺赜?jì)算機(jī)7和JW3202雙通道臺式光功率計(jì)6，該控制單元通過電纜分別與激光焊接機(jī)構(gòu)和精密對接機(jī)構(gòu)相連。光纖夾具52上的光纖連接到光功率計(jì)6的輸入端，光功率計(jì)6的數(shù)據(jù)輸出通過計(jì)算機(jī)串口被主控計(jì)算機(jī)7讀取。
如圖3、圖4、圖5和圖6所示，本發(fā)明的三自由度的光纖位置調(diào)整機(jī)構(gòu)3包括光纖位置調(diào)整機(jī)構(gòu)底座31、三個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的X軸平移臺32、Y軸平移臺33和Z軸平移臺34以及光纖器件夾具5，其中Y軸平移臺33、X軸平移臺32和Z軸平移臺34相互垂直疊放，光纖器件夾具5固定于Z軸平移臺34上。Y軸平移臺33包括轉(zhuǎn)接板331、步進(jìn)電機(jī)固定件333、步進(jìn)電機(jī)332、聯(lián)軸器334、螺紋絲杠335、平移臺本體337、滾珠導(dǎo)軌338以及平移臺工作面339，轉(zhuǎn)接板331安裝在X軸平移臺32的工作面上，Y軸平移臺33固定在轉(zhuǎn)接板331上，均為面接觸連接，因?yàn)槠揭婆_之間不能直接連接，所以需要增加轉(zhuǎn)接板331，Z軸平移臺34通過固定支架341固定于Y軸平移臺33上。步進(jìn)電機(jī)332通過步進(jìn)電機(jī)固定件333安裝于平移臺本體337的一側(cè)，螺紋絲杠335位于平移臺本體337中部鏤空部，螺紋絲杠335一端通過聯(lián)軸器334與步進(jìn)電機(jī)332的輸出軸相連，平移臺工作面339連接于螺紋絲杠335上且與平移臺本體337保持面接觸連接，于平移臺工作面339和平移臺本體337的接觸面上設(shè)有滾珠導(dǎo)軌338，通過步進(jìn)電機(jī)332的輸出軸轉(zhuǎn)動可帶動螺紋絲杠335以及平移臺工作面339一起在Y方向上運(yùn)動。由于X軸平移臺32和Z軸平移臺34與Y軸平移臺33的結(jié)構(gòu)相同，X軸平移臺32同理也包括步進(jìn)電機(jī)固定件321、步進(jìn)電機(jī)322、固定孔323等等，Z軸平移臺34也包括步進(jìn)電機(jī)342、步進(jìn)電機(jī)固定件343等等，因此在此不再贅述。X軸平移臺32位于Y軸平移臺33的上方且固定于平移臺工作面339上，可隨平移臺工作面339一起在Y方向上運(yùn)動，Z軸平移臺34則安裝于X軸平移臺32上，同理可通過X軸平移臺32實(shí)現(xiàn)Z軸平移臺34在X方向上的運(yùn)動。如圖13和圖14所示，設(shè)置于Z軸平移臺上的光纖夾具52包括主夾頭521、副夾頭522、連接軸523和彈簧524，該光纖夾具52通過光纖夾具支架53固定于Z軸平移臺34上，可通過X軸平移臺32、Y軸平移臺33以及Z軸平移臺34的三維運(yùn)動控制實(shí)現(xiàn)XYZ方向上的運(yùn)動及定位，主夾頭521和副夾頭522通過連接軸523鉸接，并于主夾頭521和副夾頭522之間設(shè)有一彈簧524。使用時(shí)，光纖55穿設(shè)于光纖套筒56內(nèi)，光纖套筒56則夾設(shè)于主夾頭521和副夾頭522之間，通過彈簧524的彈簧力夾緊。
如圖7和圖8所示，本發(fā)明四自由度的光源器件位置調(diào)整機(jī)構(gòu)2包括一個(gè)二維的角度傾斜臺21和兩個(gè)正交放置結(jié)構(gòu)完全相同的X向微動平臺22和Y向微動平臺23，X向微動平臺22和Y向微動平臺23安裝于二維的角度傾斜臺21的上方，角度傾斜臺21與X向微動平臺22通過第一轉(zhuǎn)接板24相連，X向微動平臺22與Y向微動平臺23通過第二轉(zhuǎn)接板25相連，光源器件夾具51通過第三轉(zhuǎn)接板26固定。如圖11和圖12所示，角度傾斜臺21包括傾斜臺底座210、第一角度傾斜板211、第二角度傾斜板212、傾斜工作臺213、第一步進(jìn)電機(jī)2111、第二步進(jìn)電機(jī)2121、第一壓縮彈簧2113、第二壓縮彈簧2123和鋼球2114，傾斜臺底座210安裝于工作臺1上，第一角度傾斜板211和第二角度傾斜板212依次疊放于傾斜臺底座210的上方，傾斜工作臺213通過工件固定螺紋孔2131固定于第二角度傾斜板212的上方，且第一角度傾斜板211與第二角度傾斜板212以及第一角度傾斜板211與傾斜臺底座210之間均設(shè)有鋼球2114；第一步進(jìn)電機(jī)2111通過第一步進(jìn)電機(jī)固定件2112固定于傾斜臺底座210的一側(cè)上，第一步進(jìn)電機(jī)2111的輸出軸與設(shè)置于第一角度傾斜板211一側(cè)上的第一壓縮彈簧2113相連，第一壓縮彈簧2113套接在第一壓縮彈簧定位軸2115上；第二步進(jìn)電機(jī)2121通過第二步進(jìn)電機(jī)固定件2122固定于傾斜工作臺213的上方，第二步進(jìn)電機(jī)2121的輸出軸與設(shè)置于傾斜工作臺213上的第二壓縮彈簧2123相連，第二壓縮彈簧2123套接在第一壓縮彈簧定位軸2125上。有源器件54通過光源器件夾具固定于傾斜工作臺213的上方。工作時(shí)，第一步進(jìn)電機(jī)2111和第二步進(jìn)電機(jī)2121輸出軸的旋轉(zhuǎn)分別使第一壓縮彈簧2113和第二壓縮彈簧2123壓縮或回復(fù)，從而使傾斜工作臺213以及第二角度傾斜板212分別以鋼球2114為支點(diǎn)擺動，實(shí)現(xiàn)角度的調(diào)節(jié)；另一個(gè)方向的擺動原理相同。如圖9和圖10所示的本發(fā)明的X向微動平臺22，該微動平臺22包括步進(jìn)電機(jī)221、連接螺桿223、軸224、限位槽226、壓縮彈簧227、微動平臺主體228、柔性鉸鏈229、平面軸承2210和微位移輸出單元；連接螺桿223的一端固定于步進(jìn)電機(jī)221的輸出軸上，另一端通過外螺紋與軸224配合，軸224的內(nèi)部開有內(nèi)螺紋，軸224的前端套上壓縮彈簧227，壓縮彈簧227的另一端套在平面軸承2210上，該壓縮彈簧227穿設(shè)于微動平臺主體228上開設(shè)的限位槽226內(nèi)，平面軸承2210通過平面軸承定位孔2211與微位移輸出單元2214面接觸連接。軸224與微動平臺的導(dǎo)軌滑動配合，它們之間的配合摩擦和間隙很小，以保證輸入位移的線性和分辨率。微位移輸出單元2214通過四個(gè)柔性鉸鏈229與微動平臺主體228相連，四個(gè)柔性鉸鏈229形成平行四邊形結(jié)構(gòu)。Y向微動平臺23與X向微動平臺22的結(jié)構(gòu)完全相同，它同樣包括步進(jìn)電機(jī)231、步進(jìn)電機(jī)固定件232等等，因此在此不在贅述。使用時(shí)，通過步進(jìn)電機(jī)221輸出軸的正反向旋轉(zhuǎn)使連接螺桿223向后拉回或向前推動軸224形成前后運(yùn)動，從而引起壓縮彈簧227的壓縮和回復(fù)，彈性力傳遞到平面軸承2210，通過柔性鉸鏈229的彈性變形形成微位移并通過微位移輸出單元2214將該微位移傳輸出去。輸入位移取決于壓縮彈簧227的變形量，用來安裝壓縮彈簧227的限位槽226的尺寸和位置據(jù)此確定。輸出位移的行程和分辨率取決于輸入位移的行程和分辨率，輸入位移縮小的倍數(shù)取決于系統(tǒng)的剛度。由于微動平臺2采用平行四邊形的柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)，避免了在X、Y的垂直方向上產(chǎn)生交叉耦合位移，保證了輸出位移的直線性。
本發(fā)明的用于光纖有源器件封裝的自動激光焊接裝置自動對準(zhǔn)方法為基于光強(qiáng)分布特征的有源對準(zhǔn)。自動對準(zhǔn)原理如圖15所示，光源器件54發(fā)出的激光存在一個(gè)焦平面，即模場分布的束腰位置，如圖8中的p2，該處光斑半徑最小。此外，激光束在每一個(gè)截面上的光強(qiáng)分布近似為高斯形狀。根據(jù)激光束光強(qiáng)分布的這一特點(diǎn)，自動對準(zhǔn)按如下方法進(jìn)行從安裝調(diào)整后初始位置開始，首先利用光纖位置調(diào)整機(jī)構(gòu)3的X軸平移臺32、Y軸平移臺33和Z軸平移臺34在X、Y、Z三個(gè)自由度上進(jìn)行粗對準(zhǔn)，找到一定初始耦合功率的位置，進(jìn)入耦合區(qū)；然后，進(jìn)行精密對準(zhǔn)，精密對準(zhǔn)先使用光源器件位置調(diào)整機(jī)構(gòu)2的兩個(gè)正交放置結(jié)構(gòu)完全相同的X向微動平臺22和Y向微動平臺23在X、Y平面內(nèi)找到二維最大值，截平面可能在p1，也可能在p3，然后使用光纖位置調(diào)整機(jī)構(gòu)3中的Z向平移臺34沿Z軸進(jìn)行調(diào)整，尋找Z軸的最大點(diǎn)位置，即找到焦平面p2，此時(shí)，利用光源器件位置調(diào)整機(jī)構(gòu)2中的二維角度傾斜臺21進(jìn)行角度對準(zhǔn)，此后再次使用光源器件位置調(diào)整機(jī)構(gòu)2中的兩個(gè)正交放置結(jié)構(gòu)完全相同的X向微動平臺22和Y向微動平臺23在X、Y平面內(nèi)尋找二維最大值，以消除誤差因素的影響，從而獲得最大耦合功率。整個(gè)對準(zhǔn)過程都利用光功率反饋進(jìn)行，即對準(zhǔn)時(shí)，運(yùn)動平臺每次移動后，光功率計(jì)6測量耦合進(jìn)光纖55的功率值，計(jì)算機(jī)7讀取光功率計(jì)6的測量值，根據(jù)讀取的當(dāng)前光功率數(shù)據(jù)和前一次數(shù)據(jù)的比較給出的信息，控制軟件判別下一步運(yùn)動方式，計(jì)算機(jī)7通過I/O卡和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動相應(yīng)的運(yùn)動平臺。對準(zhǔn)后的焊接封裝工作由激光焊接部分完成。固體激光器8產(chǎn)生的高功率脈沖激光通過分光器9形成三束激光，由三根同樣的傳輸光纖10送入三個(gè)完全相同的聚焦鏡41，經(jīng)聚焦形成用于焊接的光點(diǎn)。三束激光以120度角圓對稱分布，入射角為45度。聚焦鏡41通過固定在聚焦鏡調(diào)整機(jī)構(gòu)42上，可以微調(diào)入射角度和焦點(diǎn)位置。計(jì)算機(jī)7可以控制固體激光器8發(fā)射激光的脈沖能量和脈沖時(shí)間。
工作過程本發(fā)明光纖有源器件自動激光焊接裝置的工作過程可分為有源自動對準(zhǔn)和焊接兩個(gè)過程。首先打開激光光源和光功率計(jì)6，光功率計(jì)6測試耦合進(jìn)光纖的功率，計(jì)算機(jī)7讀入測試數(shù)據(jù)，根據(jù)控制軟件中的對準(zhǔn)算法開始有源自動對準(zhǔn)過程。粗對準(zhǔn)時(shí)，根據(jù)光功率計(jì)6的實(shí)時(shí)測量數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)7控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動光纖位置調(diào)整機(jī)構(gòu)3中的X軸平移臺32、Y軸平移臺33和Z軸平移臺34，在X、Y和Z方向上進(jìn)行光功率搜索，當(dāng)檢測到的光功率達(dá)到某一設(shè)定的噪聲水平，啟動精密對準(zhǔn)程序；通過控制單元調(diào)整裝置中X向微動平臺22、Y向微動平臺23、角度傾斜臺21以及光纖位置調(diào)整機(jī)構(gòu)3中的Z軸平移臺34，利用光功率反饋進(jìn)行精密對準(zhǔn)。精密對準(zhǔn)時(shí)，首先利用X向微動平臺22和Y向微動平臺23在X和Y方向同時(shí)搜索，接著，用光纖位置調(diào)整機(jī)構(gòu)3中中的Z軸平移臺34進(jìn)行Z方向上的調(diào)整；此后，用光源器件位置調(diào)整機(jī)構(gòu)2中的角度傾斜臺21進(jìn)行角度對準(zhǔn)，最后，再次利用X向微動平臺22和Y向微動平臺23在X、Y平面內(nèi)搜索，以消除各種誤差因素的影響，獲得最大耦合功率。自動對準(zhǔn)完成后，啟用激光焊接程序完成封裝。
權(quán)利要求
1.一種光纖有源器件自動激光焊接裝置，其特征在于它包括工作臺(1)、控制單元、激光焊接機(jī)構(gòu)和精密對接機(jī)構(gòu)，激光焊接機(jī)構(gòu)和精密對接機(jī)構(gòu)都安裝于工作臺(1)上；該精密對接機(jī)構(gòu)包括光纖位置調(diào)整機(jī)構(gòu)(3)和光源器件位置調(diào)整機(jī)構(gòu)(2)，所述光纖位置調(diào)整機(jī)構(gòu)(3)包括三個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的X軸平移臺(32)、Y軸平移臺(33)和Z軸平移臺(34)以及光纖器件夾具(5)，Y軸平移臺(33)、X軸平移臺(32)和Z軸平移臺(34)依次相互垂直疊放，光纖器件夾具(5)固定于Z軸平移臺(34)上；所述光源器件位置調(diào)整機(jī)構(gòu)(2)包括一個(gè)二維的角度傾斜臺(21)和兩個(gè)正交放置結(jié)構(gòu)完全相同的X向微動平臺(22)和Y向微動平臺(23)，X向微動平臺(22)和Y向微動平臺(23)安裝于二維的角度傾斜臺(21)的上方；控制單元包括主控計(jì)算機(jī)(7)和光功率計(jì)(6)并通過電纜分別與光纖位置調(diào)整機(jī)構(gòu)(3)和光源器件位置調(diào)整機(jī)構(gòu)(2)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖有源器件自動激光焊接裝置，其特征在于所述X向微動平臺(22)和Y向微動平臺(23)采用相同結(jié)構(gòu)的微動平臺，該微動平臺包括步進(jìn)電機(jī)、連接螺桿、壓縮彈簧、微動平臺主體、柔性鉸鏈、平面軸承和微動位移輸出單元；連接螺桿的一端固定于步進(jìn)電機(jī)的輸出軸上，另一端通過軸與微動平臺主體相連；軸的前端套上壓縮彈簧，該壓縮彈簧的另一端套在平面軸承上，該壓縮彈簧穿設(shè)于微動平臺主體上開設(shè)的限位槽內(nèi)，平面軸承通過平面軸承定位孔與微位移輸出單元連接；微位移輸出單元通過四個(gè)柔性鉸鏈與微動平臺主體相連，四個(gè)相鄰的柔性鉸鏈構(gòu)成平行四邊形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光纖有源器件自動激光焊接裝置，其特征在于所述角度傾斜臺(21)包括傾斜臺底座(210)、第一角度傾斜板(211)、第二角度傾斜板(212)、傾斜工作臺(213)、第一步進(jìn)電機(jī)(2111)、第二步進(jìn)電機(jī)(2121)、第一壓縮彈簧(2113)、第二壓縮彈簧(2123)和鋼球(2114)，傾斜臺底座(210)安裝于工作臺(1)上，第一角度傾斜板(211)和第二角度傾斜板(212)依次疊放于傾斜臺底座(210)的上方，傾斜工作臺(213)固定于第二角度傾斜板(212)的上方，且第一角度傾斜板(211)與第二角度傾斜板(212)以及第一角度傾斜板(211)與傾斜臺底座(210)之間均設(shè)有鋼球(2114)；第一步進(jìn)電機(jī)(2111)通過第一步進(jìn)電機(jī)固定件(2112)固定于傾斜臺底座(210)的一側(cè)上，第一步進(jìn)電機(jī)(2111)的輸出軸與設(shè)置于第一角度傾斜板(211)一側(cè)上的第一壓縮彈簧(2113)相連；第二步進(jìn)電機(jī)(2121)通過第二步進(jìn)電機(jī)固定件(2122)固定于傾斜工作臺(213)的上方，第二步進(jìn)電機(jī)(2121)的輸出軸與設(shè)置于傾斜工作臺(213)上的第二壓縮彈簧(2123)相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光纖有源器件自動激光焊接裝置，其特征在于所述X軸平移臺(32)、Y軸平移臺(33)和Z軸平移臺(34)采用相同的一維運(yùn)動平移臺，該一維運(yùn)動平移臺包括步進(jìn)電機(jī)固定件、步進(jìn)電機(jī)、聯(lián)軸器、螺紋絲杠、平移臺本體、滾珠導(dǎo)軌以及平移臺工作面，步進(jìn)電機(jī)通過步進(jìn)電機(jī)固定件安裝于平移臺本體的一側(cè)，螺紋絲杠位于平移臺本體中部鏤空部，螺紋絲杠的一端通過聯(lián)軸器與步進(jìn)電機(jī)的輸出軸相連，平移臺工作面安裝于螺紋絲杠上且與平移臺本體保持面接觸連接，于平移臺工作面和平移臺本體的接觸面上設(shè)有滾珠導(dǎo)軌。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光纖有源器件自動激光焊接裝置，其特征在于所述X軸平移臺(32)、Y軸平移臺(33)和Z軸平移臺(34)采用相同的一維運(yùn)動平移臺，該一維運(yùn)動平移臺包括步進(jìn)電機(jī)固定件、步進(jìn)電機(jī)、聯(lián)軸器、螺紋絲杠、平移臺本體、滾珠導(dǎo)軌以及平移臺工作面，步進(jìn)電機(jī)通過步進(jìn)電機(jī)固定件安裝于平移臺本體的一側(cè)，螺紋絲杠位于平移臺本體中部鏤空部，螺紋絲杠的一端通過聯(lián)軸器與步進(jìn)電機(jī)的輸出軸相連，平移臺工作面安裝于螺紋絲杠上且與平移臺本體保持面接觸連接，于平移臺工作面和平移臺本體的接觸面上設(shè)有滾珠導(dǎo)軌。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光纖有源器件自動激光焊接裝置，其特征在于所述激光焊接機(jī)構(gòu)包括固體激光器(8)、分光器(9)、三根相同的傳輸光纖(10)、三個(gè)完全相同的聚焦鏡(41)以及聚焦鏡調(diào)整機(jī)構(gòu)(42)，三個(gè)聚焦鏡(41)通過聚焦鏡調(diào)整機(jī)構(gòu)(42)均布于工作臺(1)上，每兩個(gè)聚焦鏡(41)之間呈120°的夾角，每個(gè)聚焦鏡(41)通過傳輸光纖(10)依次與固體激光器(8)、分光器(9)以及控制單元相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光纖有源器件自動激光焊接裝置，其特征在于所述激光焊接機(jī)構(gòu)包括固體激光器(8)、分光器(9)、三根相同的傳輸光纖(10)、三個(gè)完全相同的聚焦鏡(41)以及聚焦鏡調(diào)整機(jī)構(gòu)(42)，三個(gè)聚焦鏡(41)通過聚焦鏡調(diào)整機(jī)構(gòu)(42)均布于工作臺(1)上，每兩個(gè)聚焦鏡(41)之間呈120°的夾角，每個(gè)聚焦鏡(41)通過傳輸光纖(10)依次與固體激光器(8)、分光器(9)以及控制單元相連。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光纖有源器件自動激光焊接裝置，其特征在于所述激光焊接機(jī)構(gòu)包括固體激光器(8)、分光器(9)、三根相同的傳輸光纖(10)、三個(gè)完全相同的聚焦鏡(41)以及聚焦鏡調(diào)整機(jī)構(gòu)(42)，三個(gè)聚焦鏡(41)通過聚焦鏡調(diào)整機(jī)構(gòu)(42)均布于工作臺(1)上，每兩個(gè)聚焦鏡(41)之間呈120°的夾角，每個(gè)聚焦鏡(41)通過傳輸光纖(10)依次與固體激光器(8)、分光器(9)以及控制單元相連。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光纖有源器件自動激光焊接裝置，其特征在于所述光纖夾具(52)包括主夾頭(521)、副夾頭(522)、連接軸(523)和彈簧(524)，該光纖夾具(52)通過光纖夾具支架(53)固定于Z軸平移臺(34)上，主夾頭(521)和副夾頭(522)通過連接軸(523)鉸接，并于主夾頭(521)和副夾頭(522)之間設(shè)有一彈簧(524)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光纖有源器件自動激光焊接裝置，其特征在于所述光纖夾具(52)包括主夾頭(521)、副夾頭(522)、連接軸(523)和彈簧(524)，該光纖夾具(52)通過光纖夾具支架(53)固定于Z軸平移臺(34)上，主夾頭(521)和副夾頭(522)通過連接軸(523)鉸接，并于主夾頭(521)和副夾頭(522)之間設(shè)有一彈簧(524)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光纖有源器件自動激光焊接裝置，它包括工作臺、控制單元、激光焊接機(jī)構(gòu)和精密對接機(jī)構(gòu)，激光焊接機(jī)構(gòu)和精密對接機(jī)構(gòu)都安裝于工作臺上；該精密對接機(jī)構(gòu)包括光纖位置調(diào)整機(jī)構(gòu)和光源器件位置調(diào)整機(jī)構(gòu)，光纖位置調(diào)整機(jī)構(gòu)包括三個(gè)依次相互垂直疊放的一維平移臺，光纖器件夾具固定于平移臺上；光源器件位置調(diào)整機(jī)構(gòu)包括二維的角度傾斜臺和兩個(gè)正交放置結(jié)構(gòu)完全相同的微動平臺，微動平臺安裝于角度傾斜臺的上方；控制單元包括主控計(jì)算機(jī)和光功率計(jì)，并通過電纜分別與其他機(jī)構(gòu)相連。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、控制簡單、成本低廉、大行程與高分辨率相結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)光纖有源器件封裝的自動對準(zhǔn)和焊接封裝操作，從而提高器件封裝的成品率。
文檔編號B23K26/06GK1788913SQ200510032570
公開日2006年6月21日 申請日期2005年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月19日
發(fā)明者李圣怡, 吳宇列, 戴一帆, 淳靜, 張愛成 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)