程輝輝，李天龍，溫 聰，閆鑫鑫，杜建銘※，苑春曉

（1.深圳市德富強(qiáng)機(jī)器人有限公司，廣東深圳 518060；2.深圳大學(xué)機(jī)電與控制工程學(xué)院，廣東深圳 518060；3.深圳市飛泰科自動化裝備有限公司，廣東深圳 518060）

0 引言

氫氧微火焰焊接機(jī)是一種可以普遍應(yīng)用的、可以基本勝任各種火焰焊接任務(wù)的焊接機(jī)。但氫氧焊接中人工操作比率大，人工焊接存在兩個方面的問題，一方面焊接加熱時間是人為控制，無法精確定時；另一方面人為確定焊點位置無法保證精確定位的需求，經(jīng)過這樣焊接以后的產(chǎn)品一致性較差[1]，不能大規(guī)模、批量化的生產(chǎn)。

此項目為了研制出能用于PCB插件、變壓器出線端子等多種零部件的自動錫焊設(shè)備，選擇采用了高精度運(yùn)動控制系統(tǒng)的微火焰自動錫焊設(shè)備[2]。解決了電子器件手動錫焊時產(chǎn)生的質(zhì)量不良的問題，如虛焊、焊點飽和度不夠、透錫率不夠[3]等，同時也避免了常規(guī)烙鐵焊接過程中有毒氣體污染等問題。

1 總體設(shè)計

1.1 功能劃分與實現(xiàn)

氫氧微火焰自動錫焊系統(tǒng)主要由四大模塊組成，分別是氫氧微火焰發(fā)生模塊、送絲模塊、焊針和送絲針頭進(jìn)給控制模塊、焊點定位模塊。四大模塊可以實現(xiàn)單獨控制，并由上位機(jī)示教器進(jìn)行焊接參數(shù)設(shè)置，之后和外部安全設(shè)施部分、供電部分、外部支撐部分組合，構(gòu)成整個氫氧微火焰自動錫焊系統(tǒng)，其架構(gòu)如圖1所示。

1.1.1 氫氧微火焰發(fā)生模塊

氫氧微火焰發(fā)生模塊由氣體發(fā)生器、防回火安全裝置、火焰針頭等組成，其構(gòu)成如圖2所示。

氣體發(fā)生器，通過電離去離子水生成穩(wěn)定的氫氧混合氣體；防回火安全裝置是氫氧微火焰發(fā)生器的主動防御裝置，在氣體管路中安裝防回火裝置能阻止氫氧焰火返回氣體管路，保證系統(tǒng)中氣體的燃燒安全[4]；焊接火焰針頭（焊針），位于氫氧焰管路末端，根據(jù)不同焊接對象對焊接工藝的要求，可選擇不同孔徑的火焰針頭，確保焊接質(zhì)量和焊接效率。用戶通過調(diào)節(jié)氣體發(fā)生器上的流量旋鈕控制氣壓大小，生成穩(wěn)定合適的氫氧微火焰焊接熱源。

圖1 氫氧微火焰自動錫焊機(jī)總體框圖

圖2 氫氧微火焰發(fā)生模塊構(gòu)成框圖

1.1.2 送絲模塊

送絲模塊的主要作用是將錫絲按照工藝要求的速度和長度、準(zhǔn)確地輸送到焊接目標(biāo)點。該模塊主要由示教器、運(yùn)動控制器[5]、R軸步進(jìn)驅(qū)動器及電機(jī)、送絲輪傳動機(jī)構(gòu)組成，其模塊架構(gòu)如圖3所示。該模塊選用示教器為上位機(jī)，示教器可對用戶及送絲工藝進(jìn)行選擇設(shè)置并將設(shè)置參數(shù)傳至運(yùn)動控制器。運(yùn)動控制器將接收到的參數(shù)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號并傳遞向R軸步進(jìn)驅(qū)動器及電機(jī)，電機(jī)運(yùn)行控制送絲模塊運(yùn)作，將錫絲送至指定位置。

圖3 送絲模塊構(gòu)成框圖

1.1.3 焊針、送絲針頭進(jìn)給控制模塊

焊針、送絲針頭進(jìn)給控制模塊由示教器、運(yùn)動控制器、電磁閥、氣缸、限位傳感器等組成，其構(gòu)成如圖4所示。

圖4 焊接工藝模塊構(gòu)成框圖

運(yùn)動控制器對焊針和送絲針頭進(jìn)行運(yùn)動控制，以特定的位置、時間、焊接順序?qū)更c進(jìn)行錫焊。在示教器中輸入預(yù)熱、加熱、送絲時間等參數(shù)；運(yùn)動控制器在收到上位機(jī)參數(shù)后控制電磁閥進(jìn)行氣缸進(jìn)氣方式，促使火焰針頭和送絲針頭運(yùn)行，完成對單個焊點的焊接工作，火焰針頭和送絲針頭所在軸搭載的限位傳感器對其有限位和歸原作用。

1.1.4 焊點定位模塊

焊點定位模塊，主要實現(xiàn)PCB焊點焊接位置的精確定位。該模塊是由相機(jī)和XYZ笛卡爾直角坐標(biāo)運(yùn)動控制[6]平臺組成。工件上的焊點位置可由CAD圖形自動生成，或是示教標(biāo)定，工件安裝在工作臺上后，相機(jī)自動完成工件識別和定位，在執(zhí)行焊接動作的時候，運(yùn)動控制器負(fù)責(zé)把運(yùn)動分為笛卡爾坐標(biāo)系的X、Y、Z三個方向上的運(yùn)動信號，三軸將接收到的電信號解碼轉(zhuǎn)換為電動機(jī)的驅(qū)動信號并放大信號，之后傳至各軸的電機(jī)，使其運(yùn)行。在運(yùn)動同時，電機(jī)將位置信息信號反饋至運(yùn)動控制器，以實現(xiàn)內(nèi)部循環(huán)控制，從而達(dá)到PCB運(yùn)動平臺、送絲及二維可調(diào)位置夾具的精確定位，整個焊點定位模塊的構(gòu)成如圖5所示。

圖5 焊點定位模塊構(gòu)成框圖

1.2 焊接工藝流程

氫氧微火焰自動錫焊機(jī)采用自動工作方式，操作工將需要焊接的PCB板及元器件裝入工作臺的夾具上，在示教器上輸入相對應(yīng)的焊接工藝參數(shù)和位置信息，啟動運(yùn)行開關(guān)按鈕，設(shè)備即可自動完成焊孔的定位、送絲以及PCB插件的焊接等工序。錫焊工藝流程[7]包括焊前的準(zhǔn)備和自動錫焊階段。

焊前準(zhǔn)備包括接通電源、檢查安全裝置的工作狀態(tài)、調(diào)試氣體發(fā)生器以保證其在安全運(yùn)行區(qū)域、XYZ運(yùn)動控制平臺及火焰針頭和送絲針頭氣動模塊復(fù)位、點燃?xì)溲趸鹧娴取?/p>

完成焊前準(zhǔn)備后，開始循環(huán)焊接工藝，首先通過相機(jī)拍照對第一個焊點坐標(biāo)進(jìn)行XYZ向定位，該位置信息被送到示教器，控制各軸電機(jī)驅(qū)動工作臺運(yùn)動，開始焊點循環(huán)焊接過程，具體錫焊工藝時序圖如圖6所示。

圖6 單個焊點的焊接工藝時序

圖6 具體實施過程如下：經(jīng)過一個焊點定位時間T0后使第一個焊點停止在指定焊接位置處；緊接著送絲針頭和火焰針頭進(jìn)給，同時加熱時間T1開始，經(jīng)過一個預(yù)熱時間T12后，送絲針頭開始運(yùn)行，錫絲送出，達(dá)到T2時間后，停止運(yùn)行，送絲針頭退回；在保溫時間達(dá)到T21后，停火，火焰針頭退回，第一個焊點焊接完成。

完成第一個焊點的焊接工作后，工作臺移至下一個焊點焊接處，重復(fù)焊接工作全過程，直到焊接完所有焊點，自動錫焊工作結(jié)束，焊接工藝過程如圖7所示。

圖7 焊接工藝過程圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)硬件要保證功能的合理性，以達(dá)到整個錫焊過程中系統(tǒng)的調(diào)試效率、錫焊工藝的穩(wěn)定運(yùn)行的目的。

氫氧微火焰自動錫焊控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖8所示，下位機(jī)采用ARM+FPGA的控制器硬件結(jié)構(gòu)，上位機(jī)采用MCU示教器[2]。結(jié)合各部分的特點，下位機(jī)負(fù)責(zé)對上位機(jī)示教器擬定的運(yùn)動信息進(jìn)行分析處理，利用嵌入的LINUX[8]系統(tǒng)和強(qiáng)大的ARM[9]網(wǎng)絡(luò)功能，將處理過的數(shù)據(jù)傳送至FPGA[10]計算，從而實現(xiàn)多軸的動態(tài)控制；上位機(jī)負(fù)責(zé)設(shè)置參數(shù)和程序參數(shù)的管理以進(jìn)行人機(jī)交互作業(yè)。兩部分均采用以太網(wǎng)接口進(jìn)行實時通訊，能更便捷、迅速的完成控制。相比于PC機(jī)，示教器更小、高低廉、開發(fā)難度更低。

圖8 控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

圖9 控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

運(yùn)動控制軟件的開發(fā)，協(xié)調(diào)了各硬件之間的相互作用，能更為合理地調(diào)試硬件之間的運(yùn)行順序，使自動錫焊工作更為流暢、快速。針對本項目采用示教器作為上位機(jī)，以ARM+FPGA為核心組成運(yùn)動控制器作為下位機(jī)的結(jié)構(gòu)特點設(shè)計系統(tǒng)軟件的總體結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9中上位機(jī)軟件主要負(fù)責(zé)對人機(jī)交互界面以及程序參數(shù)部分進(jìn)行管理；下位機(jī)負(fù)責(zé)對上位機(jī)的用戶及工藝信息進(jìn)行分解處理，來達(dá)到對各個系統(tǒng)、各模塊的精確控制和定位任務(wù)；上位機(jī)和下位機(jī)之間通過Socket[11]協(xié)議進(jìn)行通訊。

2.3 上位機(jī)示教器界面設(shè)計

為更好的完成人機(jī)交互，編寫了基于跨系統(tǒng)平臺的QT[12]用戶界面，其界面如圖10所示。示教器的顯示區(qū)中能夠顯示開關(guān)機(jī)信息和示教點等信息；IP地址連接區(qū)，是設(shè)置下位機(jī)運(yùn)動控制器IP地址的區(qū)域；功能按鍵區(qū)是示教任務(wù)的操作按鍵區(qū)域。

圖10 上位機(jī)示教器用戶界面

3 樣機(jī)測試

完成樣機(jī)的設(shè)計、制造以后，需對樣機(jī)進(jìn)行測試。設(shè)計完成的氫氧微火焰自動錫焊機(jī)如圖11所示。

圖11 氫氧微火焰自動錫焊機(jī)

首先，需要對氫氧微火焰自動錫焊系統(tǒng)的基本參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)

然后，完成基本的工藝參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 基本工藝參數(shù)

最后，將火焰針頭、送絲針頭調(diào)整至合適的焊接位置，并保存此時的示教點位置，在工藝配置界面的“抓取與定位”區(qū)域，將相應(yīng)XYZ軸的偏移輸入框中，保存數(shù)據(jù)[12]，然后啟動焊接循環(huán)完成焊接。

經(jīng)過檢驗，焊接完成的樣品達(dá)到了以下的質(zhì)量和效率要求：

（1）焊點質(zhì)量：按IPC-A-610E標(biāo)準(zhǔn)，高質(zhì)量插針可接受性的焊點良率為95%，超過了手工焊接焊點良率的93%；

（2）焊接速度：1.75秒/焊點；

（3）焊機(jī)氣體功耗：108 W。

4 結(jié)束語

本文采用功能模塊化的設(shè)計思想，搭建了氫氧微火焰自動焊接系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，設(shè)計了下位機(jī)控制器軟件及上位機(jī)示教器界面，完成了樣機(jī)研制，并在樣機(jī)上針對PCB插針焊接工藝進(jìn)行了試驗研究，可以滿足IPC標(biāo)準(zhǔn)高質(zhì)量插針錫焊可接受性的焊點良率要求，但是，對焊點質(zhì)量良率的精確控制是需要繼續(xù)的改進(jìn)的方面，在進(jìn)行工藝參數(shù)和設(shè)備結(jié)構(gòu)的更深層次研究之后，理論上能提高焊點良率的精確控制。

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