侯柏林，朱國榮

（1.惠州城市職業(yè)學(xué)院，廣東惠州 516025；2.廣東澳德精密機(jī)械有限公司，廣東惠州 516001）

0 引言

隨著我國汽車電子、3C 產(chǎn)品、辦公電子和家用小電器制造技術(shù)不斷進(jìn)步，對(duì)電子元器件制造質(zhì)量、精度、壽命有了更高更精準(zhǔn)的要求，而產(chǎn)品價(jià)格、產(chǎn)品質(zhì)量、使用壽命、焊接質(zhì)量是產(chǎn)品銷量的關(guān)鍵因素。針對(duì)PIN腳焊接自動(dòng)化程度不高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作條件差、生產(chǎn)效率低等不足，本文根據(jù)客戶的要求設(shè)計(jì)開發(fā)了一款基于SOLIDWORKS的PIN腳自動(dòng)焊機(jī)。

PIN 腳自動(dòng)焊機(jī)架的外形設(shè)計(jì)是采用不同于現(xiàn)在國內(nèi)外常用到的懸掛式、立柱式等結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)，而是采用的國內(nèi)目前使用得較多的龍門式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[1]。張郭勇[2]在一個(gè)基于SOLIDWORKS 平臺(tái)開發(fā)針對(duì)各種工業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上使用的一些典型工業(yè)零部件來實(shí)現(xiàn)其個(gè)性化需求的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)技術(shù)展開和大量的研究，提出來構(gòu)建一種面向工業(yè)零部件設(shè)計(jì)的個(gè)性化需求的個(gè)性化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)新技術(shù)方案體系框架和各種新技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法；在氬弧焊接機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)上借鑒了丁衛(wèi)松[3]針對(duì)手工鎢極氬弧焊工藝中采用手動(dòng)機(jī)械操作的送絲勞動(dòng)強(qiáng)度仍然偏大，技術(shù)要求又比較過高，材料資源浪費(fèi)等這些突出問題，利用世界先進(jìn)焊接機(jī)械原理技術(shù)以及通過對(duì)適合我國目前傳統(tǒng)技術(shù)的現(xiàn)代手工氬弧焊的操作中，需要采用對(duì)手動(dòng)機(jī)械送絲方法等問題進(jìn)行的一定深度的再改進(jìn)以及技術(shù)創(chuàng)新，利用新型技術(shù)研制出一種基于手工氬弧焊熔絲接焊工藝的新型自動(dòng)焊接和送絲連接機(jī)構(gòu)，實(shí)用靈活、維護(hù)方便，大幅度降低焊接勞動(dòng)強(qiáng)度，提高焊接質(zhì)量以及大幅降低焊接操作者安全系數(shù)，減少焊材資源消耗等優(yōu)勢。在焊接工藝方面，參考了薛松柏[4]從國內(nèi)外現(xiàn)代通用微電子技術(shù)的焊接及工藝、焊接應(yīng)用技術(shù)、焊接新材料、焊接應(yīng)用材料工藝等方面系統(tǒng)詳盡地闡述及探討當(dāng)代國內(nèi)外的微電子材料與焊接應(yīng)用材料技術(shù)領(lǐng)域及其研究發(fā)展演變歷程特征及典型應(yīng)用。

在性能檢測機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，參考了陳功[5]基于LED技術(shù)應(yīng)用在電子產(chǎn)品自動(dòng)光學(xué)快速檢測系統(tǒng)AOI 檢測系統(tǒng)上的研究及應(yīng)用，提出了應(yīng)用電子產(chǎn)品自動(dòng)快速光學(xué)快速檢測AOI 系統(tǒng)提升降低了電子產(chǎn)品檢測的整體質(zhì)量問題和成本、滿足PCB 板檢測的可靠性要求。借鑒了高堂盼[6]基于機(jī)器視覺的鋰電池極耳焊接缺陷檢測技術(shù)研究與分析文中提出針對(duì)鋰電池極耳在焊接工藝中所產(chǎn)生的極耳翻折、焊點(diǎn)不足以及焊破等缺陷問題，提出機(jī)器視覺對(duì)極耳的焊接缺陷進(jìn)行識(shí)別與檢測。馮廣智等[7]激光焊接應(yīng)用于紫外LED 氣密性封裝文中針對(duì)紫外LED 激光氣密性封裝焊接工藝技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，結(jié)合多年自主研發(fā)激光封焊設(shè)備、LED 封裝材料和激光焊接工藝開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)紫外LED激光氣密性封裝關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。

因此本PIN 腳自動(dòng)焊機(jī)的設(shè)計(jì)基于SOLIDWORKS 對(duì)PIN 腳自動(dòng)焊機(jī)的整體結(jié)構(gòu)及主要零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)、參數(shù)優(yōu)化、動(dòng)作節(jié)拍進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)、生產(chǎn)模擬等環(huán)節(jié)，最終通過樣機(jī)的組裝調(diào)試、樣件生產(chǎn)等環(huán)節(jié)達(dá)到預(yù)期效果，獲得客戶的一致好評(píng)，本文設(shè)計(jì)的PIN 腳自動(dòng)焊機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 PIN腳自動(dòng)焊機(jī)整體結(jié)構(gòu)

1 PIN腳自動(dòng)焊機(jī)設(shè)計(jì)原理

PIN 腳自動(dòng)焊機(jī)整體結(jié)構(gòu)主要有卸料上料機(jī)構(gòu)、氬弧焊接機(jī)構(gòu)、性能檢測機(jī)構(gòu)、不良剔除機(jī)構(gòu)等機(jī)構(gòu)構(gòu)成，以及電機(jī)、變速機(jī)構(gòu)、伏焊機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)盤、電機(jī)、分格器、機(jī)架、伺服機(jī)構(gòu)、PLC及相應(yīng)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)組成[8]等主要零件組成；焊機(jī)的主要?jiǎng)幼魇峭ㄟ^卸料上料工位、氬弧焊接工位、性能檢測工位、不良剔除工位等4 個(gè)工位實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的PIN腳的自動(dòng)焊接。

設(shè)計(jì)中，氬弧焊接機(jī)構(gòu)中的感應(yīng)模式選擇至關(guān)重要，在參考了王龍騰[9]基于高頻渦流模式下的高效率電烙鐵應(yīng)用研究中提出優(yōu)化的電磁感應(yīng)模式應(yīng)用電子元器件時(shí)焊接加熱時(shí)間明顯縮短，加熱效率顯著提高，本文優(yōu)先選擇氬弧焊的質(zhì)量好、效率高、變形小、材料適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)中在自動(dòng)化方面，本文參考了合肥工業(yè)大學(xué)[10]2010年研制開發(fā)了性價(jià)比優(yōu)良的單臂和雙臂數(shù)控自動(dòng)焊接機(jī)，替代工廠原有的手工焊接方式，焊縫光滑飽滿，優(yōu)于手工焊縫，大大提高了企業(yè)效益，改善工人的工作環(huán)境和勞動(dòng)強(qiáng)度。吳凱等[11]焊接機(jī)械裝備中的一種多自由度、伺服控制焊件變位機(jī)械設(shè)計(jì)中通過分析汽車燃油管自動(dòng)化裝配生產(chǎn)線焊件變位機(jī)械的功能，設(shè)計(jì)出一種多自由度、伺服控制的焊件變位機(jī)，對(duì)于設(shè)計(jì)開發(fā)多功能、多種類的焊接變位機(jī)有一定的參考意義。

本文設(shè)計(jì)的PIN 腳自動(dòng)焊機(jī)基于變速機(jī)構(gòu)及伺服機(jī)構(gòu)、PLC 等數(shù)字化控制實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，利用傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)到位信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)焊接整體速度、效率的提升。李俊穎等[12]基于FPGA 的永磁同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)文中為了研究與實(shí)現(xiàn)高性能的永磁同步電機(jī)（PMSM）伺服控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了基于FPGA 的伺服控制方案，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性，并且具有較好的位置精度和動(dòng)態(tài)性能。為了產(chǎn)品能迅速提高車間現(xiàn)場產(chǎn)品焊接與生產(chǎn)操作質(zhì)量、降低崗位員工產(chǎn)品焊接質(zhì)量和生產(chǎn)工作勞動(dòng)強(qiáng)度、實(shí)現(xiàn)車間生產(chǎn)線全程自動(dòng)化連續(xù)作業(yè)生產(chǎn)等，根據(jù)目前廣大焊機(jī)客戶提出的產(chǎn)品要求而特別研制生產(chǎn)而研制出了一款具有新型模塊化設(shè)計(jì)原理的專門的適用于焊接生產(chǎn)的3C 認(rèn)證產(chǎn)品等安全環(huán)保產(chǎn)品焊機(jī)系列的PIN腳自動(dòng)焊機(jī)，該系列焊機(jī)產(chǎn)品除了具有產(chǎn)品整機(jī)結(jié)構(gòu)外形比較簡潔緊湊、使用與維護(hù)簡單效率價(jià)格比極較高等特點(diǎn)的產(chǎn)品特點(diǎn)，并且還能夠充分地保證了產(chǎn)品的焊接質(zhì)量。

2 主要部件結(jié)構(gòu)及動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)

PIN 腳自動(dòng)焊機(jī)整體設(shè)計(jì)的主要機(jī)構(gòu)由卸料上料機(jī)構(gòu)1、氬弧焊接機(jī)構(gòu)2、性能檢測機(jī)構(gòu)3、不良剔除機(jī)構(gòu)4等機(jī)構(gòu)組成。如圖2所示。動(dòng)作過程：卸料上料工位、氬弧焊接工位、性能檢測工位、不良剔除工位4 個(gè)工位實(shí)現(xiàn)PIN 腳的自動(dòng)焊接。自動(dòng)焊接原理：通過感應(yīng)線圈實(shí)現(xiàn)焊接，本設(shè)備感應(yīng)線圈焊接是10 件一組，轉(zhuǎn)盤為4工位分度盤，轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)時(shí)間約0.5 s，停留工作時(shí)間大于或等于2.5 s。動(dòng)作完成后通過系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)數(shù)，HMI 顯示產(chǎn)量、計(jì)數(shù)效率等。

圖2 四大執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

2.1 卸料上料機(jī)構(gòu)

卸料上料機(jī)構(gòu)主要由定位板、產(chǎn)品卡槽、支撐板、傳感器等結(jié)構(gòu)組成；PIN 腳自動(dòng)焊機(jī)的卸料上料機(jī)構(gòu)工作原理是人工卸料與上料時(shí)，卸料上料機(jī)構(gòu)左右兩側(cè)安裝光柵傳感器進(jìn)行安全檢測，轉(zhuǎn)盤停止，此工序是進(jìn)行安裝工件或卸載工件，同時(shí)系統(tǒng)設(shè)置有計(jì)時(shí)裝置，防止人為長時(shí)間停留在此工位而影響設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)導(dǎo)致產(chǎn)能下降。如圖3所示。其工序?yàn)榈谝徊绞钦∠潞附雍贸善?，第二步是放入串好的半成品，人手離開，觸動(dòng)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)指令。

圖3 卸料上料機(jī)構(gòu)及卸料上料工位

本文設(shè)計(jì)的PIN 腳自動(dòng)焊接機(jī)基于變速機(jī)構(gòu)及伺服機(jī)構(gòu)、PLC 等數(shù)字化控制實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，利用傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)到位信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)PIN 腳的自動(dòng)焊接整體速度、效率的提升。

在檢測中充分利用了光柵式傳感器的高精度、大量程測量兼有高分辨力、可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測量、具有較強(qiáng)的抗干擾能力等特點(diǎn)。

2.2 氬弧焊接機(jī)構(gòu)

如圖4所示。PIN腳自動(dòng)焊機(jī)的氬弧焊接機(jī)構(gòu)主要有焊接頭伺服橫移X軸機(jī)構(gòu)1、焊接頭氣動(dòng)升降機(jī)構(gòu)2、銅極升降機(jī)構(gòu)3 等機(jī)構(gòu)組成；焊接工作過程是焊接工位根據(jù)轉(zhuǎn)盤工位到位信號(hào)，檢測半成品串，無物料則不動(dòng)作，有物料則啟動(dòng)焊接流程：（1）銅極升降機(jī)構(gòu)下降，使銅極緊貼產(chǎn)品焊接PIN 腳；（2）焊接頭氣動(dòng)升降機(jī)構(gòu)上升，離PIN 腳另一端0.5 mm 距離（此距離可根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品要求調(diào)節(jié)）使鎢針到達(dá)產(chǎn)品焊接位置；（3）焊接頭伺服橫移X軸機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)附在上的鎢針在產(chǎn)品串上按順序移動(dòng)并啟動(dòng)焊接PIN 腳，此機(jī)構(gòu)有2 組鎢針頭同時(shí)焊接，移動(dòng)5次即可完成產(chǎn)品串共10個(gè)產(chǎn)品焊接。完成焊接任務(wù)后該機(jī)構(gòu)立即歸位，隨后發(fā)送完成信號(hào)給轉(zhuǎn)盤，該機(jī)構(gòu)復(fù)位，等待下一次焊接循環(huán)。

圖4 氬弧焊接機(jī)構(gòu)

2.3 性能檢測機(jī)構(gòu)

PIN 腳自動(dòng)焊機(jī)的性能檢測機(jī)構(gòu)主要由10 組檢測頭升降機(jī)構(gòu)（圖5）、檢測系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)組成，其工作流程：當(dāng)檢測工位根據(jù)轉(zhuǎn)盤工位到位信號(hào)，啟動(dòng)檢測流程，首先10 組檢測頭同時(shí)下降，到位后啟動(dòng)檢測程序，延時(shí)2 s，等待測試儀檢測結(jié)果，分10 個(gè)變量存儲(chǔ)，并把檢測結(jié)果反饋到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)發(fā)出指令，進(jìn)入不良剔除工位流程，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)移到不良剔除工位，完成檢測后，檢測頭上升回位，返回完成信號(hào)給轉(zhuǎn)盤，等待下一次檢測循環(huán)。

圖5 10組檢測頭升降機(jī)構(gòu)

2.4 不良剔除機(jī)構(gòu)

PIN 腳自動(dòng)焊機(jī)的不良剔除機(jī)構(gòu)（圖6）主要由剔除升降機(jī)構(gòu)2、剔除橫移機(jī)構(gòu)3、剔除吸盤4、不良品盒等機(jī)構(gòu)組成。

圖6 不良剔除機(jī)構(gòu)

其工作流程是不良剔除工位根據(jù)轉(zhuǎn)盤工位到位信號(hào)，接收該組產(chǎn)品檢測結(jié)果，不良數(shù)等于0不啟動(dòng)剔除流程，不良數(shù)在1～10 之間啟動(dòng)剔除流程：10 組剔除吸盤頭同時(shí)下降，下降到位后，根據(jù)檢測不良結(jié)果啟動(dòng)相應(yīng)吸盤電磁閥，把相應(yīng)不良品吸住，負(fù)壓到位后延時(shí)0.1 s，剔除機(jī)構(gòu)升起，升起到位橫移退出，到不良品盒上方，解除真空，破真空0.5 s，把不良品完全調(diào)入不良品盒里，完成剔除后，剔除頭橫移回位，返回完成信號(hào)給轉(zhuǎn)盤，等待下一次焊接循環(huán)，同時(shí)統(tǒng)計(jì)不良品數(shù)量，良品產(chǎn)出數(shù)量，生產(chǎn)效率等。

轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)（圖7）是通過電機(jī)及伺服機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤按照傳感器到位信號(hào)及PLC 設(shè)置的間隔時(shí)間實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制、系統(tǒng)優(yōu)化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效率的提升。

圖7 轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)

3 自動(dòng)焊機(jī)整機(jī)技術(shù)參數(shù)

基于以上主要機(jī)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)，根據(jù)客戶需求，調(diào)整優(yōu)化確定設(shè)備的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 PIN腳自動(dòng)焊機(jī)技術(shù)參數(shù)

4 驗(yàn)證性試驗(yàn)

通過樣機(jī)的初步調(diào)試、焊接試驗(yàn)，結(jié)果如圖8示。實(shí)驗(yàn)基于圖中的數(shù)據(jù)顯示自動(dòng)焊機(jī)樣機(jī)的焊接速度是300～500 mm∕s，而手工焊接速度一般低于90 mm∕s，人工焊接速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于樣機(jī)焊接速度，對(duì)比數(shù)據(jù)顯示自動(dòng)焊機(jī)能夠明顯減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率。

圖8 樣機(jī)焊接速度與焊工焊接速度對(duì)比

實(shí)驗(yàn)基于圖9的數(shù)據(jù)可以得出自動(dòng)焊機(jī)樣機(jī)焊接10種樣品，每種樣品的合格率為93%～98%，合格率較高，優(yōu)化后平均合格率提高98%及以上且焊接質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定；而對(duì)比普通人工焊接對(duì)相同10種樣品的焊接合格率為60%左右，明顯合格率偏低且焊接質(zhì)量波動(dòng)較大、穩(wěn)定性較差。

圖9 樣機(jī)焊接、人工焊接合格率、不合格率對(duì)比

5 結(jié)束語

該系統(tǒng)性價(jià)比高，結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、安裝和接線簡單，易操作且控制精度高，設(shè)計(jì)了焊接面底部從而使得焊接強(qiáng)光不會(huì)照射至操作人員眼睛等創(chuàng)新點(diǎn)，該系統(tǒng)焊接參數(shù)可調(diào)節(jié)從而保證穩(wěn)定的焊接質(zhì)量，減少人為因素造成焊接質(zhì)量等不合格等缺陷。

應(yīng)用于實(shí)際結(jié)果顯示本設(shè)備基于觸摸屏進(jìn)行人機(jī)交互，PLC 邏輯脈沖控制，抗干擾能力強(qiáng)，操作簡單，維護(hù)調(diào)試方便，通過大數(shù)據(jù)匯總設(shè)備的各種狀態(tài)信息、報(bào)警信息、生產(chǎn)數(shù)據(jù)等信息。采用自動(dòng)焊機(jī)焊接PIN 腳減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，生產(chǎn)效率由原來1 人焊接一個(gè)產(chǎn)品3 s到應(yīng)用此設(shè)備一個(gè)產(chǎn)品只需要0.3 s，生產(chǎn)效率提高了1 000%。