孫檀，徐剛，張萍，徐元杰，張偉

（寧波市江北九方和榮電氣有限公司，浙江 寧波 315033）

0 引言

金屬化薄膜電容器因在中、高壓范圍內(nèi)的性能、壽命、可靠性等方面有極大優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于機車、軌道交通、風(fēng)電等領(lǐng)域[1-3]。自動錫焊概念是針對電子產(chǎn)品的高精度裝配與焊接要求提出的，通過對機器人工作路徑的程序編輯，引入機器視覺技術(shù)，修正誤差，實現(xiàn)焊點的精確定位[4-5]。由于金屬化薄膜電容器普遍容量較大，數(shù)量和種類較多，加之其材料的特殊性，影響其焊點成型的因素眾多，使得目前金屬化薄膜電容器元件組的錫焊難以實現(xiàn)自動化，多為手工作業(yè)。

金屬化薄膜電容器元件的焊點較大，成型以表面圓潤、光滑、無毛刺尖角為宜，而手工焊接的焊點形成機理為熔融錫-鉛焊料、銅片與元件表面機械嚙合，利用他的浸潤性在表面擴散，后冷卻形成合金[6-7]。因此手工錫焊只能憑借經(jīng)驗和操作熟練度來控制焊點的成型，使得焊點大小不一，過程較難控制，質(zhì)量穩(wěn)定性及一致性較差[8]。

因此本文結(jié)合金屬化薄膜電容器的特點，研發(fā)一套集元件擺放、定位、錫焊、檢測為一體的自動焊接技術(shù)，避免手工焊接過程的不可控、焊點大小不一、勞動強度大等缺點[9-10]，極大提高焊點質(zhì)量穩(wěn)定性和焊接生產(chǎn)效率。

1 元件擺入裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

電容器由多個元件組合拼裝焊接而成，元件數(shù)量和尺寸規(guī)格較多，必須依據(jù)不同尺寸規(guī)格制作擺放工裝以定位來保證正常焊接，因此占用工裝較多，兼容性差，且電容器元件較重，翻轉(zhuǎn)由員工手工操作，勞動強度較大。因此，本文設(shè)計一款元件擺入工裝，兼容多款多組元件的擺放，滿足多尺寸規(guī)格電容器元件的焊接定位，見圖1。

圖1 元件擺入裝置Fig.1 Placement device of element

由圖1 可知，裝置外部框架固定，在裝置內(nèi)部橫縱方向各添加可水平移動的滑桿，依據(jù)產(chǎn)品移動到所需位置并固定，橫向滑竿上方配有可伸縮硅膠模塊，既滿足元件組橫向位置鎖定，又可緩沖外力，避免因鎖緊力過大而損傷元件。裝置底面裝有通過磁力吸附的擋塊（可拆卸），滿足2 組或3 組元件同時擺放定位。裝置外側(cè)裝有鎖緊氣缸，使框架面保持水平，并通過控制齒輪轉(zhuǎn)動實現(xiàn)框架的翻轉(zhuǎn)，裝置的使用效果見圖2。

圖2 元件擺入效果Fig.2 Placement effect of element

2 自動錫焊系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

元件擺入工裝后，進入預(yù)定位置準(zhǔn)備自動錫焊。在進行元件錫焊前，必須要先考慮對元件組表面各待焊位置的確定、銅片的抓取及焊錫的成型等一系列因素，所以要設(shè)計一套集成機器視覺的自動錫焊系統(tǒng)，系統(tǒng)流程見圖3，結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖4。

圖3 自動錫焊系統(tǒng)流程圖Fig.3 Flow chart of automatic soldering system

圖4中，主要由六軸機械手配合整個錫焊機構(gòu)實現(xiàn)焊接位置，通過視覺相機和激光傳感器組合為視覺系統(tǒng)，分別引導(dǎo)機械手在待焊接平面的位置及落點高度，確定機械手的空間位移，電烙鐵和加熱芯組成加熱機構(gòu)，促進焊錫絲的融化及焊點的形成，送錫管斜對烙鐵頭上方，提供定量送錫，配合電烙鐵在元件表面形成焊點，伸縮桿與壓塊組成錫焊輔助機構(gòu)，既壓合銅片與元件表面的接觸，防止溶錫的無規(guī)則串流，影響焊點的成型，又避免已有焊點造成的高度不平，而影響后續(xù)點位的焊接及當(dāng)外力過大時對元件表面的損傷，抓取機構(gòu)則為根據(jù)要連接的銅片類型，吸合不同的工裝，進而抓取銅片放在元件表面，通過錫焊實現(xiàn)銅片與元件間的連接。

圖4 自動錫焊系統(tǒng)Fig.4 Automatic soldering system

2.2 自動錫焊

人工上料完成后放行進入自動錫焊工位，機械手搭載的視覺系統(tǒng)預(yù)先對元件表面進行尺寸掃描，然后機械手吸合抓取機構(gòu)對疊放在上料區(qū)的銅片進行抓取，按照預(yù)先掃描的元件尺寸位置，銅片準(zhǔn)確的落在元件表面，抓取機構(gòu)松開。然后視覺相機對銅片觸角進行掃描定位，至銅片觸角邊緣中心位置，烙鐵頭落點與視覺照片效果保持一致，可進行焊接作業(yè)，視覺定位效果見圖5。

圖5 視覺定位Fig.5 Visual positioning

按照預(yù)設(shè)好的錫焊參數(shù)進行元件正反面自動焊接作業(yè)，見圖6，根據(jù)焊接結(jié)果可看到，焊點圓心均為銅片觸角邊緣中心，符合視覺定位及烙鐵頭落點要求，觀察到焊點表面空洞個數(shù)為0，焊錫均能覆蓋住銅片連接位，外圍存在小面積區(qū)域缺陷個數(shù)為7 個，經(jīng)初步判斷，自動錫焊的焊點外觀基本符合工藝要求。

圖6 元件正反面自動錫焊效果Fig.6 Automatic soldering result on both sides of element

3 焊點檢測

3.1 視覺三維檢測

作為非接觸型測量技術(shù)，激光檢測更加穩(wěn)定高效，被應(yīng)用于各個發(fā)展領(lǐng)域[11-15]。圖7 為視覺檢測系統(tǒng)，本文運用伺服機構(gòu)控制運動，上方配置激光掃描相機，針對不同產(chǎn)品的焊點排列、掃描區(qū)域進行編程，從而對焊點的外圍輪廓進行圈定，得到焊點的平面中心位置，即為標(biāo)準(zhǔn)焊點的中心位置，輔以給定的標(biāo)準(zhǔn)焊點要求，顯像出標(biāo)準(zhǔn)焊點區(qū)域，將實際焊點與標(biāo)準(zhǔn)焊點區(qū)域進行擬合對比，對焊點的高度、大小及空缺狀態(tài)進行判定，并輸出判定結(jié)果。

圖7 視覺檢測系統(tǒng)Fig.7 Visual inspection system

在自動錫焊作業(yè)完成后，產(chǎn)品將自動流入視覺檢測工位，給定標(biāo)準(zhǔn)焊點要求：最大高度1~2 mm，直徑10~15 mm，10 mm 直徑范圍內(nèi)無焊錫缺失，直徑10~15 mm 間焊錫面積缺陷不超過焊點面積的20%，得到的焊點掃描結(jié)果如下：

圖8所示為視覺檢測照片，根據(jù)判定結(jié)果可看出，無焊點高度、內(nèi)部空洞現(xiàn)象，焊點外圍缺陷造成的不合格數(shù)量為4 個，經(jīng)人工復(fù)檢判定基本情況一致，視覺檢測結(jié)果可滿足要求。

圖8 視覺檢測照片F(xiàn)ig.8 Visual inspection picture

3.2 焊接拉力測試

焊點是焊接過程的輸出產(chǎn)物，是元器件與銅片電氣連接和機械連接的連接點，對產(chǎn)品的傳導(dǎo)性能有至關(guān)重要的影響[16-18]。對已焊接的元件沿銅片進行剪切，分離成單個元件，并以A1~A13、B1~B13編號，元件底端固定在拉力機平臺上，在每個焊點對應(yīng)的銅片上焊接銅帶，拉力測試機鉤住銅帶，以垂直焊點方向向上緩緩拉起，至焊點完全脫離元件，見圖9。

圖9 拉力測試Fig.9 Tensile testing

圖10所示為焊接拉力測試值，通過對元件表面的焊點拉脫試驗，測得焊點拉脫時的拉力值較為穩(wěn)定，多分布在6~7 kgf 間，最小拉力值為5.53 kgf，均滿足焊點拉力值應(yīng)超過4 kgf 的要求。

圖10 焊點拉力測試值Fig.10 Tensile testing value of the soldering joint

4 結(jié)語

通過對金屬化薄膜電容器錫焊過程的分析，搭建自動錫焊生產(chǎn)線各工位模塊。對各模塊的內(nèi)容，包括元件擺入通用工裝的設(shè)計制作、自動錫焊、視覺檢測系統(tǒng)的構(gòu)造，實現(xiàn)了一套集生產(chǎn)與檢測技術(shù)于一體的自動化錫焊流水線，并通過對焊點結(jié)果的分析，驗證了此系統(tǒng)的可行性，為后續(xù)多類型金屬化薄膜元件的自動化錫焊提供了指導(dǎo)與依據(jù)。

本文的視覺檢測僅限于焊點外圍形狀判定，后續(xù)的工作將引入超聲波對焊點內(nèi)部探測進行研究，使得不進行焊點的破壞性試驗即可觀察到焊點內(nèi)部填充狀態(tài)，以更全方位對焊接質(zhì)量進行分析。