專利名稱：用于激光塑料焊接的自動部件反饋補償?shù)闹谱鞣椒?br> 技術領域：
本公開一般涉及塑料焊接，并更特別地涉及用于激光塑料焊接的自動部件反饋補償。
背景技術：
當前，塑料或樹脂部件的焊接工藝包括多種技術，這些技術包括超聲波焊接、熱焊接和最新近的通過透射紅外(TTIr)焊接。
TTIr焊接采用穿過第一塑料部件并進入第二塑料部件的紅外線。在當前工藝中，TTIr焊接能夠使用紅外激光或者非相干紅外線。在當前工藝中，紅外激光能夠由光導纖維、波導或光波導引導穿過第一塑料部件并進入第二塑料部件。該第一塑料部件經(jīng)常被稱作透射件，因為它通常允許來自激光器的激光束從其中穿過。該第二塑料部件經(jīng)常被稱為吸收件，因為該吸收件通常吸收激光束的輻射能量以在焊接區(qū)內產生熱量。焊接區(qū)內的該熱量導致透射件和吸收件被熔化并因此焊接在一起。然而，激光器的控制會是非常困難的，并且當前需要手動調節(jié)激光源的輸出來達到所期望的激光加熱效果。這種手動調節(jié)是用試錯法執(zhí)行的，并且會非常費力和費時。

發(fā)明內容
根據(jù)本教導的原理，期望控制激光源的輸出以確保適當?shù)暮附?，并且更特別地，期望通過使用閉環(huán)反饋控制來控制激光源的輸出。
根據(jù)本文中提供的說明，更多的適用范圍將變得顯而易見。應該理解的是，說明書和具體實例僅僅是為了例證的目的，而不是旨在限制本公開的范圍。


本文中描述的附圖僅是出于例證的目的，而無論如何不是旨在限制本公開的范圍。
圖1是示出通過透射紅外(TTIr)焊接系統(tǒng)的示意圖；圖2是示出使用閉環(huán)反饋控制的通過透射紅外(TTIr)焊接系統(tǒng)的示意圖；圖3是示出包含本公開的教導的紅外焊接機的透視圖；并且圖4是示出具有光電二極管和激光二極管的激光二極管腔的透視圖。
具體實施例方式
下面的說明實質上僅是示例性的，并且并非旨在限制本公開、應用或用途。
如圖1所示，本教導的原理提供了一種用于通過透射紅外(TTIr)焊接的方法和裝置。通常，在TTIr焊接中，通過諸如光波導、波導和/或光導纖維的光學器件，將紅外激光100從一個或多個激光源102引導到待焊接的塑料部件上。在這點上，第一塑料部件110是可透射紅外線的，并且因此允許紅外線從其中穿過。第二塑料部件112是可吸收紅外線的。因此，激光穿過第一透射部件110到達第二吸收部件112，在這里激光被轉換成熱量并繼而在焊縫114處熔化塑料，從而使部件焊接在一起?？蛇x地，兩個部件都可以是可透射紅外線的，在這種情況下，可將一可吸收紅外線的介質定位在焊縫114處來吸收紅外線并將其轉換成熱量以焊接所述部件。然而，根據(jù)本教導的原理，期望控制激光源102的輸出以確保適當?shù)暮附?，并且更特別地，期望通過使用新穎的閉環(huán)反饋控制來控制激光源102的輸出。
現(xiàn)在參考圖2，在一些實施例中，在TTIr激光塑料同步插入(simultaneous plunge)焊接系統(tǒng)10中，采用反饋控制系統(tǒng)12來提供反饋信息，以監(jiān)控激光源14(可以與激光源102類似或相同)下游的激光強度。反饋控制系統(tǒng)12包括定位于激光源14的下游、但是定位于第一透射部件110和第二吸收部件112的上游的光學傳感器16，以及控制模塊17。在一些實施例中，光學傳感器16是光電二極管?？刂颇K17可操作地與光學傳感器16電氣連接，以便接收來自激光源14的實時激光強度信息，并且控制模塊17可操作地與激光源14電氣連接，以便控制激光源14的輸出強度。
在一些實施例中，可以將光學傳感器16定位在光導纖維元件18和/或波導20的上游(如圖所示)，或者也可以將其定位在一個或多個光導纖維元件18和波導20的下游。換言之，可以將光學傳感器16定位在激光源14和第一透射部件110之間的任何位置。然而，在監(jiān)控之前，應該將激光源14校準到設定值。理想地，在沒有部件或其它工具就位的情況下執(zhí)行這種校準過程。在一些實施例中，光學反饋傳感器16被定位在諸如光導纖維元件18和/或波導20的工具的上游，從而消除了在變換部件或工具期間，變換或替換光學反饋傳感器16或反饋控制系統(tǒng)12的需要。
本公開的教導通過使用閉環(huán)反饋控制來自動補償TTIr焊接系統(tǒng)10中的諸如部件和工具之類物體的反射，其中閉環(huán)反饋控制使快速和方便地變換工具成為可能。更特別地，本公開的教導允許在反饋控制系統(tǒng)12被最初校準之后進行工具變換和部件變換，而不會斷開反饋信號或對反饋信號施加相反的影響。
步驟1-為了對TTIr焊接系統(tǒng)10的反饋控制系統(tǒng)12進行初始校準，首先在沒有任何工具(即光導纖維元件18和/或波導20)或待焊接部件存在的情況下，在開環(huán)模式下以初始功率級百分比％Pinitial開啟激光源14，其中％Pinitial由外部的儀表來驗證。在這種條件下，測量來自光學反饋傳感器16的信號作為初始光學反饋信號Vinitial，將其以電子方式存儲并用作基線。該步驟可以在TTIr焊接系統(tǒng)10最初被制造時執(zhí)行，或者在其后的任何時間執(zhí)行，但只需執(zhí)行一次。
步驟2-然后，可以在光導纖維元件18和/或波導20就位的情況下，在開環(huán)模式下以某個已知的功率百分比級％Ptool開啟激光源14。然后測量光學反饋信號作為Vtool，并以電子形式將其存儲。帶有工具情況下的光學反饋信號Vtool，由于從工具返回的反射光而將高于初始光學反饋信號Vinitial。換言之，當光從激光源14輸出時，它將沿著光導纖維元件18和/或波導20向下傳播。光學反饋傳感器16將部分地檢測到該輸出光。然而，光學反饋傳感器16也將檢測到從光導纖維元件18和/或波導20反射回到光學反饋傳感器16處的一部分光。因此，帶有工具情況下的光學反饋信號Vtool，包括來自激光源14的實際輸出的光與由于工具而反射回到光學反饋傳感器16處的光的量的和。該步驟只有在變換工具時才需要執(zhí)行。
步驟3-然后可以在工具就位并且將具有已知反射率Rmirror的反射鏡放置在部件110、112稍后將被放置的地方的情況下，在開環(huán)模式下以全功率級的百分比％Pmirror開啟激光源14。測量光學反饋作為Vmirror，并以電子形式將其存儲。該步驟只有在更換工具時才需要執(zhí)行。
然而，應該注意的是，在工具就位情況下在開環(huán)狀態(tài)下對光學反饋信號的測量(即步驟2)，以及在工具和反射鏡都就位的情況下在開環(huán)狀態(tài)下對光學反饋信號的測量(即步驟3)，都不是為校正傳遞到部件110頂部的激光功率所必需的步驟。然而，這些步驟是為補償通過部件110向下傳遞到焊接區(qū)114的激光功率所必需的。換言之，部件110的反射和/或吸收會減小到達焊縫114的激光的量，因此，對于這種影響，應該對激光源14進行補償。
步驟4-最后，在工具和部件110、112都就位的情況下，在開環(huán)模式下以全功率級的某個百分比％Ppart開啟激光源14。測量該光學反饋信號作為Vpart，并再一次以電子形式將其存儲?？梢栽谛虏考某跏疾考\行之前執(zhí)行一次該步驟，或者可以在一系列新的部件之前執(zhí)行一次該步驟以解決部件批次之間的變化性，或者可以甚至在每個單個的部件之前執(zhí)行一次該步驟以解決單個部件的變化性。由于只使用了全激光功率的一定的百分比，所以能夠將該功率設定在部件110、112的焊接閾值之下，從而允許在不犧牲部件110、112的完整性的情況下來測量反饋信號。
在閉環(huán)模式下的實際焊接期間，將反饋信號Vactual修正為校正值Vcorrected，如下所示Vcorrected=Vactual(Vinitial%Pinitial)(Vpart%Ppart)---(1)]]>其中Vcorrected＝由閉環(huán)處理器實際使用的校正的反饋信號；Vactual＝在實際焊接周期期間由光學反饋傳感器16讀取的反饋信號；
Vinitial＝在沒有工具和沒有部件的情況下最初讀取的反饋信號；％Pinitial＝在沒有工具和沒有部件的情況下在開環(huán)狀態(tài)下使用的總功率的百分比；Vpart＝在功率為總功率的一定百分比并且?guī)в泄ぞ吆筒考那闆r下在開環(huán)狀態(tài)下最初讀取的反饋信號；并且％Ppart＝在帶有工具和部件的情況下在開環(huán)狀態(tài)下使用的總功率的百分比。
由閉環(huán)處理器使用的校正的反饋值Vcorrected，將小于由光學反饋傳感器16檢測到的實際反饋信號Vactual。實際反饋信號包括附加的虛假的反射信號。校正的反饋消除了附加的虛假的量。這允許閉環(huán)控制的激光功率以按照機器的初始校準所指定的已知量被傳遞到部件的頂部。
只需要測量步驟一和四以校正反饋信號，以便已知量的激光功率能夠到達部件110的頂部。部件110具有一定的反射率，使傳遞的功率中的一定百分比反射離開位于部件110的遠端面的焊縫114。這能夠通過步驟二和三得到進一步補償。在部件110的實際反射率已知的情況下，可以提高激光源14的功率以使傳遞到焊縫114處的功率等于所需要的量(減去激光功率在部件110中的任何耗散)。
部件的反射率Rpart可以計算如下Ppart=(Vpart%Ppart)-(Vtool%Ptool)(Vmirror%Pmirror)-(Vtool%Ptool)×Rmirror---(2)]]>其中Rpart＝部件的反射率；Rmirror＝已知的部分反射鏡的反射率；Vtool＝在帶有工具但沒有部件的情況下在開環(huán)狀態(tài)下讀取的反饋信號；％Ptool＝在帶有工具但沒有部件的情況下在開環(huán)狀態(tài)下使用的總功率的百分比；Vmirror＝在帶有工具和已知的部分反射鏡的情況下在開環(huán)狀態(tài)下讀取的反饋信號；并且％Pmirror＝在帶有工具和已知的部分反射鏡的情況下在開環(huán)狀態(tài)下使用的總功率的百分比。
由于部件的反射，不僅反饋信號由反射信號增強，而且使更小的激光功率到達焊縫114。如果根據(jù)被反射功率的量來增強激光源14的輸出功率，則可以對焊縫114處由于反射而引起的激光功率的減小進行補償。達到該新的功率級所必需的新的補償?shù)姆答乂compensated為Vcompensated=Vcorrected×1(Rpart+1)---(3)]]>其中Vcompensated＝由閉環(huán)微控制器使用的反饋信號，該閉環(huán)微控制器提高到達焊縫114的激光功率以補償部件的反射。
現(xiàn)在，在將實際光學反饋Vactual修正為新的補償?shù)姆答乂compensated的情況下，在閉環(huán)狀態(tài)下運行TTIr焊接系統(tǒng)10，以便現(xiàn)在將所需的激光功率自動地傳遞到焊縫114。
部件110、112內的光吸收也會減小到達焊縫114的激光功率的量。如果根據(jù)被反射功率的量和被吸收功率的量這二者來提高激光源14的功率，則來自激光源14的到達焊縫114的功率將準確地為指定的量。
上述等式(1)、(2)和(3)假定反饋信號與光學傳感器16上的光沖擊成線性關系。如果在一些實施例中響應是非線性的，則可以對光學傳感器16使用適當?shù)牟檎冶砀瘢员憧梢詫⑿盘栃拚秊榫€性響應。
控制激光源14的反饋環(huán)可以嵌入到電子硬件中，嵌入到機械硬件中，嵌入到固件中，嵌入到軟件中，等等。在一些實施例中，軟件和固件可以提供實現(xiàn)方面的改善的靈活性。
本公開的教導已經(jīng)在Branson IRAM L-386FAi紅外激光塑料焊接機(參見圖3)上進行了測試。如圖4中所示，在激光二極管腔204中，通過設置在任何光導纖維和波導工具上游的光電二極管206來檢測來自激光二極管202的光。多個開環(huán)反饋信號被記錄在存儲器中，并且為補償所需要的用于多個機器狀態(tài)的控制算法駐留在機器控制器中的軟件中。
允許對來自光學反饋傳感器16下游的工具和部件的反射信號進行自動閉環(huán)反饋信號校正具有顯著的優(yōu)點。到達部件的激光源14的功率在數(shù)量上是已知的，并且該過程是自動的。先前的方法需要費時的反復進行的處理，該處理為手動地調節(jié)功率來在閉環(huán)系統(tǒng)中達到所期望的功率級，這是因為反饋信號會由于反射離開部件而發(fā)生改變。本公開的教導提供了使用精確基線的激光源的自動校準。然后對反饋信號進行補償以用于該校準。精確基線和閉環(huán)控制使得能夠可靠地將激光功率傳遞到焊接區(qū)。
對本發(fā)明的描述實質上僅是示例性的，因此，不脫離本發(fā)明的要旨的變更應該落在本發(fā)明的范圍內。這種變更不應被認為是脫離了本發(fā)明的精神和范圍。
權利要求
1.一種用于控制激光源的反饋控制系統(tǒng)，所述反饋控制系統(tǒng)包括輸出激光能量的激光源；檢測所述激光能量的光學傳感器，所述光學傳感器輸出響應于所述激光能量的測量量的測量信號；接收所述激光能量并將所述激光能量引導到預定位置的光學器件，所述光學器件進一步將所述激光能量的第一部分朝所述光學傳感器反射；和接收來自所述光學傳感器的所述測量信號的控制器，所述控制器計算所述激光能量的所述第一部分，所述控制器調節(jié)所述激光源以校正從所述光學器件反射的所述激光能量的所述第一部分，以在所述預定位置處獲得預定量的激光能量。
2.如權利要求1所述的反饋控制系統(tǒng)，其中所述光學器件是波導。
3.如權利要求1所述的反饋控制系統(tǒng)，其中所述光學器件是光導纖維。
4.如權利要求1所述的反饋控制系統(tǒng)，其中所述預定位置是布置在透射部件和吸收部件之間的焊縫，所述透射部件和所述吸收部件中的至少一個部件反射和/或吸收所述激光能量的第二部分；并且所述控制器計算所述激光能量的所述第二部分，所述控制器調節(jié)所述激光源以校正從所述透射部件和所述吸收部件中的至少一個部件反射的和/或在所述透射部件和所述吸收部件中的至少一個部件中吸收的所述激光能量的所述第二部分。
5.如權利要求1所述的反饋控制系統(tǒng)，其中所述控制器記錄來自所述激光源的初始功率級輸出和來自所述光學傳感器的初始信號，并且在待焊接部件被定位以便進行焊接時進一步記錄來自所述激光源的部件功率級輸出和來自所述光學傳感器的部件信號，所述控制器通過將所述測量信號乘以一個系數(shù)來確定補償信號，所述系數(shù)為所述初始信號除以所述初始功率級輸出所得的商與所述部件信號除以所述部件功率級輸出所得的商之比，所述控制器使用所述補償信號來調節(jié)所述激光源。
6.一種校準激光源的方法，所述激光源輸出用于將第一部件焊接到第二部件上的激光能量，所述方法包括以初始功率級百分比％Pinitial啟動所述激光源以輸出激光能量，并測量所述激光能量作為初始光學反饋信號Vinitial；以部件功率級百分比％Ppart啟動所述激光源以輸出激光能量，引導作為所述第一部件和所述第二部件中的至少一個部件的激光能量，測量所述激光能量作為部件反饋信號Vpart；根據(jù)以下關系式確定校準控制值VcorrectedVcorrected=Vactual(Vinitial%Pinitial)(Vpart%Ppart)]]>其中，Vactual是在實際焊接操作期間測量的反饋信號；以及響應于所述校準控制值Vcorrected來控制所述激光源。
7.如權利要求6所述的方法，進一步包括提供接收來自所述激光源的激光能量并將所述激光能量引導到預定位置的光學器件，所述光學器件反射所述激光能量的第一部分；以及以工具功率級百分比％Ptool啟動所述激光源以輸出激光能量，并測量激光能量作為工具反饋信號Vpart，所述工具反饋信號響應于直接從所述激光源接收的激光能量和由所述光學器件反射的所述激光能量的所述第一部分。
8.如權利要求7所述的方法，進一步包括提供具有已知的反射率Rsubstrate的基板；以及以基板功率級百分比％Psubstrate啟動所述激光源來向所述基板輸出激光能量，并測量激光能量作為基板反饋信號Vsubstrate。
9.如權利要求8所述的方法，進一步包括根據(jù)以下關系式確定所述第一部件和所述第二部件中的至少一個部件的反射率RpartRpart=(Vpart%Ppart)-(Vtool%Ptool)(Vsubstrate%Psubstrate)-(Vtool%Ptool)×Rsubstrate]]>
10.如權利要求9所述的方法，進一步包括根據(jù)以下關系式確定補償控制值Vcompensated，所述補償控制值補償由于所述第一部件和所述第二部件中的至少一個部件的吸收而引起的激光能量的損失Vcompensated=Vcorrected×1(Rpart+1)]]>
11.一種控制激光源的方法，所述激光源輸出用于將第一部件焊接到第二部件上的激光能量，所述激光源通過光學器件朝所述第一部件和所述第二部件中的至少一個部件輸出激光能量，所述方法包括確定與所述光學器件內的反射相關的激光能量的損失量；確定與離開所述第一部件和所述第二部件中的至少一個部件的反射相關的激光能量的損失量；確定與所述第一部件和所述第二部件中的至少一個部件內的激光能量的吸收相關的激光能量的損失量；調節(jié)所述激光源的輸出以補償與所述光學器件內的反射相關的激光能量的所述損失，與離開所述第一部件和所述第二部件中的至少一個部件的反射相關的激光能量的損失，以及與所述第一部件和所述第二部件中的至少一個部件內的激光能量的吸收相關的激光能量的所述損失。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于控制激光源的反饋控制系統(tǒng)。該反饋控制系統(tǒng)包括輸出激光能量的激光源和檢測激光能量的光學傳感器。光學傳感器輸出響應于激光能量的測量量的測量信號。該系統(tǒng)進一步包括接收激光能量并將激光能量引導到預定位置的光學器件。該光學器件將激光能量的第一部分朝光學傳感器反射。控制器接收來自光學傳感器的測量信號并計算激光能量的第一部分的量。然后控制器調節(jié)激光源以校正與從光學器件反射的激光能量的第一部分相關的損耗，以便在預定位置處獲得預定量的激光能量。
文檔編號B23K26/04GK101069990SQ20071012663
公開日2007年11月14日 申請日期2007年5月8日 優(yōu)先權日2006年5月9日
發(fā)明者S·考德威爾, W·小莫羅, H·麥克奈爾, S·拉托納 申請人:必能信超聲公司