PCB錫焊機器人技術綜述

孫中琪

(上海交通大學 自動化系，上海　200030)

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PCB錫焊機器人技術綜述

孫中琪

(上海交通大學 自動化系，上海200030)

PCB錫焊機器人目前在電子制造業(yè)應用日益廣泛。隨著對焊接效率和質量要求的不斷提高，對其系統(tǒng)設計、工藝、控制等技術提出了新的挑戰(zhàn)。從錫焊機器人的構成與功能、錫焊工藝、控制技術和焊點圖像檢測四方面對錫焊機器人的關鍵技術進行歸納和總結，分析目前存在的主要技術問題，探討未來的發(fā)展方向。

PCB錫焊機器人；錫焊工藝；電烙鐵焊接；高周波焊接；激光焊接；焊點圖像檢測

0　引　言

PCB (Printed Circuit Board) 錫焊機器人(以下簡稱錫焊機器人)，是一種以在PCB上錫焊電子元器件為目的的工業(yè)機器人。它起源于日本，早期主要應用于對自動化要求較高的汽車電子產品上。目前錫焊機器人已經成功應用于汽車制造、電子、數碼、LCD (Liquid Crystal Display) 等行業(yè)[1]。錫焊機器人的關鍵技術是：錫焊工藝、控制技術以及焊點圖像檢測技術。眾所周知，錫焊工藝是錫焊機器人的核心技術[2]，得益于加熱技術的發(fā)展[3]，錫焊機器人的錫焊工藝已擺脫了傳統(tǒng)電烙鐵的束縛，許多更高效更經濟的錫焊工藝脫穎而出。錫焊機器人的控制技術則得益于PLC (Programmable Logic Controller) 等數控技術的發(fā)展[4]，使錫焊機器人在工業(yè)應用中更加簡易方便。在SMT (Surface Mount Technology) 應用中起著舉足輕重作用的圖像檢測技術[5-8]如今也被應用到了錫焊機器人，使得錫焊機器人的錫焊質量控制得到了質的飛躍。本文希望通過對以上關鍵技術及其問題的歸納及分析，在錫焊機器人的開發(fā)及應用方面達到承前啟后、拓展視野的目的。

1　錫焊機器人的構成與錫焊形式

1.1錫焊機器人的構成

錫焊機器人一般由操作臂、焊接單元和人機交互組件組成[9]。采用直角坐標式操作臂構成的錫焊機器人系統(tǒng)構成如圖1所示。

圖1　錫焊機器人的構成

目前多采用三軸或四軸的操作臂。圖1中采用四軸的操作臂，包括X軸、Y軸、Z軸和R軸，分別是平動、平動、平動和旋轉關節(jié)。由于PCB焊接操作是在平面上進行，因此四個自由度能滿足要求。

焊接單元是錫焊機器人的核心，其焊接頭安裝在操作臂的末端，被操作臂帶到需要焊接的位置進行焊接操作。其控制器受控于錫焊機器人的主控制器，負責焊接單元的溫度控制及焊錫絲供給。

人機交互組件主要有觸摸屏和操作盒組成。觸摸屏主要負責機器人示教、焊接程序選擇及焊接進度顯示等人機交互功能，而操作盒主要進行開始、清洗及急停操作，方便操作員操作。

1.2錫焊形式

錫焊形式可以分為二大類：孔焊接和橋焊。

孔焊接是指將電子元氣件的引腳與焊盤焊接起來的錫焊形式。

橋焊是指將兩塊正交放置的基板間的焊盤焊接起來的焊接形式。

2　自動化錫焊工藝介紹

目前用于錫焊機器人的自動化錫焊工藝主要分為電烙鐵焊接、高周波焊接及激光焊接三大類。這三種錫焊工藝各具特點，在不同的應用場合及條件下發(fā)揮著各自的特長。

2.1自動化電烙鐵焊接

2.1.1自動化電烙鐵焊接單元的組成

電烙鐵焊接單元通常由電烙鐵組件、控制器及清洗組件組成。某電烙鐵焊接單元產品的結構和組成如圖2[10]所示。

圖2　某電烙鐵焊接單元的結構與組成

電烙鐵組件由電烙鐵、送錫管及焊接姿態(tài)調整機構組成。其中電烙鐵是核心，它內藏加熱棒和溫度傳感器，配合溫控可以使電烙鐵精確地達到設定的溫度。送錫管導向末端指向電烙鐵先端用于焊接的區(qū)域，配合焊錫供給模塊實現焊錫絲的精確供給。焊接姿態(tài)調整機構用來調整電烙鐵先端與基板的焊接夾角，以期達到預想的焊接效果。

控制器主要由焊錫絲供給模塊、溫控器及控制面板組成。焊錫絲供給模塊通過由步進電機驅動的供給輪將焊錫絲按設定要求(長度、速度)供給至電烙鐵先端，從而完成焊接時必要的送錫工作。溫控器(一般為PID (Proportion Integral Derivative) 控制)通過電烙鐵內藏的溫度傳感器和加熱棒按設定的溫度實現對電烙鐵的加熱和溫度控制。用戶可以通過控制面板在控制器里設定并存儲不同焊接條件(送錫長度、速度、加熱時間)從而實現不同焊點的焊接條件差異化管理。

清洗組件由清洗氣嘴和廢錫收集盒組成。每次焊接開始前，電烙鐵會先移動到清洗組件上方，對準清洗氣嘴，然后經由壓縮空氣將電烙鐵先端的廢錫吹到收集盒內。這是為了保證每次焊接時電烙鐵都處于同樣清潔的狀態(tài)從而確保每次焊接的品質都符合要求。

2.1.2自動化電烙鐵焊接的工藝流程

電烙鐵焊接的工藝流程如圖3所示，分為預上錫、預加熱、送錫、后加熱及冷卻五個階段[11]。焊接開始后，由于不能像傳統(tǒng)手工電烙鐵焊接那樣用電烙鐵緊貼引腳加熱(否則電烙鐵下降時會頂在引腳上)，為保證引腳被充分而高效地加熱，在電烙鐵下降加熱前，首先會在電烙鐵上預送一定量的焊錫，這一階段被稱之為預上錫；隨即電烙鐵下降，先端的焊錫加熱引腳，而電烙鐵下端亦開始加熱焊盤；之后焊錫絲被送達至焊盤，逐步熔化；在指定量的焊錫絲送給完畢后，電烙鐵持續(xù)加熱焊點直至焊錫充分包圍焊盤完成焊接；焊接完成后，電烙鐵上升，焊盤冷卻至常溫。

圖3　電烙鐵焊接的工藝流程

2.2自動化高周波焊接

2.2.1自動化高周波焊接單元的組成

高周波是指頻率大于100 kHz的電磁波，它利用高頻電磁場使物料內部分子間互相激烈碰撞產生高溫達到焊接的目的[3]。高周波焊接單元主要由高周波控制器和線圈組成。

高周波控制器的功能主要有：高周波發(fā)生及其功率控制、冷卻水循環(huán)控制和與上位機通信。高周波發(fā)生一般采用高頻振蕩器，其電子管式高頻振蕩器采用諧振腔式振蕩電路產生高周波，最終由線圈傳遞至焊點。冷卻水循環(huán)控制是通過循環(huán)泵使得水在線圈與壓縮機之間循環(huán)，達到冷卻線圈、防止線圈過熱燒壞的目的?？刂破鬟€能與上位機進行通信，使得上位機能夠控制高周波的啟停及其功率大小，并監(jiān)控其狀態(tài)。

圖4　高周波線圈示意圖

高周波線圈如圖4所示，材料為銅，中空設計，內部流通冷卻水。它傳遞的高頻電磁場使得焊盤產生高溫熔化焊錫，從而達到焊接的目的。線圈加熱焊盤的溫度主要取決于線圈與焊盤的距離及高周波的功率，距離并不是越近溫度越高，而是在一定范圍內達到極值。

2.2.2自動化高周波焊接的工藝流程

高周波焊接的工藝流程如圖5所示，分為預加熱、送錫、后加熱及冷卻四個階段。焊接開始后，待焊焊盤被線圈傳遞的高頻電磁場加熱到足以熔化焊錫的溫度；之后焊錫絲隨即被送達至焊盤，逐步熔化；在指定量的焊錫絲送給完畢后，線圈繼續(xù)加熱直至焊錫充分包圍焊盤完成焊接；焊接完成后，線圈停止工作，焊盤冷卻至常溫。

圖5　高周波焊接的工藝流程

2.3自動化激光焊接

2.3.1自動化激光焊接單元的組成

激光焊接單元一般由激光發(fā)生器(含控制器)和激光鏡頭組成(如圖6所示)。

圖6　激光鏡頭

圖7　激光鏡頭的工作原理

激光發(fā)生器主要分光纖耦合式和二氧化碳式兩種類別[12]。目前常用的是光纖耦合式激光發(fā)生器，其特點是光斑直徑小、光能轉換效率高、對環(huán)境無污染、易于維護且使用壽命長[13]，雖然一次性投入的費用比二氧化碳式的高，但從整個使用周期(能耗、維護)來看，反而比二氧化碳式的更經濟。激光發(fā)生器的控制器用來控制發(fā)生器的投光與否、投光功率大小、狀態(tài)監(jiān)視及與上位機的通信，控制器內部可以存儲多個離散的功率值設定，通過與上位機通信來實現焊接過程的不同功率輸出。

激光鏡頭的作用是將激光光束聚焦到一個點上，瞬時產生高溫熔化焊錫，從而實現焊接[14]。其工作原理如圖7所示，光束通過傳導光纖傳導至鏡頭，經過凹透鏡+凸透鏡組完成光束的準直，再經由凸透鏡完成光束的匯聚。

2.3.2自動化激光焊接的工藝流程

激光焊接的工藝流程如圖8所示，分為預加熱、送錫、后加熱及冷卻四個階段。焊接開始后，待焊焊盤被激光在極短時間內迅速加熱到足以熔化焊錫的溫度；之后焊錫絲隨即被送達至焊盤，逐步熔化；在指定量的焊錫絲送給完畢后，激光繼續(xù)照射直至焊錫充分包圍焊盤完成焊接；焊接完成后，激光停止照射，焊盤冷卻至常溫。

圖8　激光焊接的工藝流程

2.4三種錫焊工藝的比較

三種錫焊工藝的比較如表1所示。在焊錫速度方面，由于高周波焊接的線圈可以定制，可以實現多個焊盤同時焊接，因此其焊接速度最快。在生產柔性方面，如果想變更產線生產的機種，激光焊接由于只需要變化焊接高度改變光斑大小即可對應不同尺寸的焊盤，因此其生產柔性最高[15]。在設備尺寸方面，由于激光焊接和高周波焊接的控制器體積較電烙鐵焊接的大得多，因此整個設備尺寸也較電烙鐵焊接的大得多。在成本方面，雖然高周波焊接和激光焊接首次投入的成本較電烙鐵焊接大得多，但是由于不像電烙鐵焊接需要日常更換電烙鐵，因此它們的日常維護成本相對較低。最后針對高周波焊接和激光焊接這兩種特殊焊接工藝自身的特點，激光焊接可以利用其光斑微小這一特點從而對應面積微小的焊盤，而高周波焊接由于其焊接的原理則可能存在損傷電氣元件的風險。

表1　三種錫焊工藝的比較

3　控制技術

圖9　錫焊機器人控制系統(tǒng)結構

錫焊機器人控制系統(tǒng)架構如圖9所示(以四軸機器人為例)。它由主控單元、焊接單元、人機交互、操作臂本體及其驅動器組成，所要達到的功能是焊接位置、參數的示教、存儲與再現，以及系統(tǒng)監(jiān)視與報警。

目前工業(yè)用錫焊機器人的主控單元多由PLC擔當。當今PLC控制技術已經非常成熟，除了能勝任一般控制器的輸入輸出、邏輯判斷、運動控制、通信等功能外，其在工業(yè)級條件下出色的穩(wěn)定性顯得尤為突出，豐富而成熟的現場總線控制技術也使得它在工業(yè)級應用中游刃有余[4,16]。

焊接單元控制器與主控單元之間的通信一般采用串口通信，主要交互的內容為焊接參數及狀態(tài)監(jiān)視，使得主控單元能夠控制并監(jiān)視焊接單元執(zhí)行焊接作業(yè)?？刂破鲗τ诤附宇^的控制主要是PID溫度控制和焊錫絲送給長度與速度的控制，從而保證焊接在規(guī)定的參數下完成。

人機交互主要由觸摸屏和操作盒來完成。觸摸屏實際就是一個組態(tài)系統(tǒng)，它能編制操作畫面，并組態(tài)主控單元內的存儲單元從而實現人機交互。操作盒主要是將常用的功能以按鈕的形式呈現在操作員面前，從而提高操作效率，一般與主控單元采用I/O (Input/Output) 點方式連接。

操作臂各關節(jié)的驅動器一般為步進電機，部分采用旋轉編碼器實現位置反饋，也有少數采用伺服電機，運動控制由主控單元(如PLC)的運動控制卡實現。

4　焊點圖像檢測技術

4.1圖像檢測系統(tǒng)的組成

圖10　圖像檢測系統(tǒng)組成

圖像檢測系統(tǒng)一般由相機(含鏡頭)、光源、檢測對象和圖像處理器組成[17-18]，如圖10所示，其圖像處理器為電腦。其中，光源負責將檢測對象打亮，使得檢測系統(tǒng)能夠辨識檢測對象。相機負責捕獲檢測對象的圖像，交由電腦(含圖像處理軟件)處理并輸出結果。

4.2圖像檢測的功能

圖像檢測顧名思義就是由機器自動判斷焊點品質優(yōu)劣的功能[19]。

品質合格的焊點如圖11所示，其特征是焊錫呈圓錐形，焊盤全部被焊錫覆蓋。

焊點品質不良主要有三種情況：錫少、露銅和錫多。錫少的焊點如圖12所示，其特征是焊錫斜坡內凹不飽滿。露銅的焊點如圖13所示，其特征是焊盤未被全部覆蓋，露出面積達10%以上。錫多的焊點如圖14所示，其特征是焊錫斜坡外凸。

圖11　焊點合格示意圖　　　圖12　焊點錫少示意圖

圖13　焊點露銅示意圖　　　圖14　焊點錫多示意圖

4.3圖像檢測的實現原理

圖像檢測實現的原理是不同品質的焊點對于入射光的反射不同，導致俯視焊點時焊點各區(qū)域的亮度不同，從而實現焊點品質的分辨[20]。

如圖15所示，當焊點品質合格時，焊錫將入射光全部反射到旁邊去了，從而在相機里看到的焊點亮度很低。

如圖16所示，焊錫少的焊點在外圍由于斜度接近焊盤，因此會將光線垂直向上反射到相機，因此相機看到的焊點在外圍較亮，而內側則是灰暗的。

如圖17所示，露銅的焊點可以直接由相機視野里的黃色面積所辨識并被定量分析。

如圖18所示，與焊錫少的情形相反，焊錫多的焊點在內側靠近引腳的區(qū)域較扁平，因此會將光線垂直向上反射至相機，因此相機看到的焊點在內側較亮，而外圍則是灰暗的。

如上述，不同品質的焊點在相機里特征明顯，且能通過面積定量分析，從而實現焊點的圖像檢測。

圖15　焊點合格光照情形　　　圖16　焊錫少光照情形

圖17　露銅的情形　　　　圖18　焊錫多光照情形

5　結束語

總的來說，錫焊機器人的關鍵技術研究及其發(fā)展方向可以歸納為以下幾點：

(1) 作為錫焊機器人核心技術的錫焊工藝技術目前主流的有電烙鐵焊接、高周波焊接和激光焊接，未來更高效更經濟的錫焊工藝開發(fā)與研究仍將是錫焊機器人發(fā)展的重要方向之一；

(2) 以PLC技術為核心的錫焊機器人控制技術，未來的發(fā)展方向將是由面向單體的控制轉型為面向全生產線的工業(yè)總線控制技術；

(3) 焊點圖像檢測技術使得錫焊機器人由“生產者”升級為涵蓋生產及質量控制于一身的電子錫焊制造解決方案，也使得錫焊質量控制由人工控制升級為機器控制，避免了人工控制的不穩(wěn)定性，并且提升了質量控制的效率，其將成為錫焊機器人發(fā)展的又一熱點。

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A Technical Review of PCB Soldering Robots

SUN Zhong-qi

(Department of Automation, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200030, China)

Nowadays, PCB soldering robots are increasingly widespred in the electronics manufacturing industry. With ever-increasing demands on soldering efficiency and quality, new challenges appear towards its system design, process, control and other technologies. This article summarizes key technologies of soldering robots in four aspects: robost structure and function, soldering technics, control technology and soldering spot image detection. Furthermore, it analyzes existing major technical problems and discusses future development of soldering robots.

PCB soldering robot;soldering technics;iron soldering; high frequcy soldering; laser soldering;soldering spot image detection

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.01.025

TP249

A

1000-3886(2016)01-0078-04

孫中琪(1986-), 男, 上海人, 碩士生, 主要研究方向為工業(yè)自動化。

定稿日期: 2015-08-26