數(shù)字化氫氧微火焰自動(dòng)錫焊系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

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(dòng)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(gè)方面的問(wèn)題，一方面焊接加熱時(shí)間是人為控制，無(wú)法精確定時(shí)；另一方面人為確定焊點(diǎn)位置無(wú)法保證精確定位的需求，經(jīng)過(guò)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(xiàng)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(dòng)錫焊設(shè)備，選擇采用了高精度運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的微火焰自動(dòng)錫焊設(shè)備[2]。解決了電子器件手動(dòng)錫焊時(shí)產(chǎn)生的質(zhì)量不良的問(wèn)題，如虛焊、焊點(diǎn)飽和度不夠、透錫率不夠[3]等，同時(shí)也避免了常規(guī)烙鐵焊接過(guò)程中有毒氣體污染等問(wèn)題。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 功能劃分與實(shí)現(xiàn)

氫氧微火焰自動(dòng)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(diǎn)定位模塊。四大模塊可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)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(gè)氫氧微火焰自動(dòng)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(guò)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(dòng)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(duì)象對(duì)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(guò)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(dòng)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(zhǎng)度、準(zhǔn)確地輸送到焊接目標(biāo)點(diǎn)。該模塊主要由示教器、運(yùn)動(dòng)控制器[5]、R軸步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器及電機(jī)、送絲輪傳動(dòng)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(duì)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(dòng)控制器。運(yùn)動(dòng)控制器將接收到的參數(shù)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)并傳遞向R軸步進(jìn)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)控制器對(duì)焊針和送絲針頭進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，以特定的位置、時(shí)間、焊接順序?qū)更c(diǎn)進(jìn)行錫焊。在示教器中輸入預(yù)熱、加熱、送絲時(shí)間等參數(shù)；運(yùn)動(dòng)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(duì)單個(gè)焊點(diǎn)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(duì)其有限位和歸原作用。

1.1.4 焊點(diǎn)定位模塊

焊點(diǎn)定位模塊，主要實(shí)現(xiàn)PCB焊點(diǎn)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(dòng)控制[6]平臺(tái)組成。工件上的焊點(diǎn)位置可由CAD圖形自動(dòng)生成，或是示教標(biāo)定，工件安裝在工作臺(tái)上后，相機(jī)自動(dòng)完成工件識(shí)別和定位，在執(zhí)行焊接動(dòng)作的時(shí)候，運(yùn)動(dòng)控制器負(fù)責(zé)把運(yùn)動(dòng)分為笛卡爾坐標(biāo)系的X、Y、Z三個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)信號(hào)，三軸將接收到的電信號(hào)解碼轉(zhuǎn)換為電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)并放大信號(hào)，之后傳至各軸的電機(jī)，使其運(yùn)行。在運(yùn)動(dòng)同時(shí)，電機(jī)將位置信息信號(hào)反饋至運(yùn)動(dòng)控制器，以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部循環(huán)控制，從而達(dá)到PCB運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、送絲及二維可調(diào)位置夾具的精確定位，整個(gè)焊點(diǎn)定位模塊的構(gòu)成如圖5所示。

圖5 焊點(diǎn)定位模塊構(gòu)成框圖

1.2 焊接工藝流程

氫氧微火焰自動(dòng)錫焊機(jī)采用自動(dòng)工作方式，操作工將需要焊接的PCB板及元器件裝入工作臺(tái)的夾具上，在示教器上輸入相對(duì)應(yīng)的焊接工藝參數(shù)和位置信息，啟動(dòng)運(yùn)行開(kāi)關(guān)按鈕，設(shè)備即可自動(dòng)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(dòng)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(dòng)控制平臺(tái)及火焰針頭和送絲針頭氣動(dòng)模塊復(fù)位、點(diǎn)燃?xì)溲趸鹧娴取?/p>

完成焊前準(zhǔn)備后，開(kāi)始循環(huán)焊接工藝，首先通過(guò)相機(jī)拍照對(duì)第一個(gè)焊點(diǎn)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(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)，開(kāi)始焊點(diǎn)循環(huán)焊接過(guò)程，具體錫焊工藝時(shí)序圖如圖6所示。

圖6 單個(gè)焊點(diǎn)的焊接工藝時(shí)序

圖6 具體實(shí)施過(guò)程如下：經(jīng)過(guò)一個(gè)焊點(diǎn)定位時(shí)間T0后使第一個(gè)焊點(diǎn)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(shí)加熱時(shí)間T1開(kāi)始，經(jīng)過(guò)一個(gè)預(yù)熱時(shí)間T12后，送絲針頭開(kāi)始運(yùn)行，錫絲送出，達(dá)到T2時(shí)間后，停止運(yùn)行，送絲針頭退回；在保溫時(shí)間達(dá)到T21后，?；穑鹧驷橆^退回，第一個(gè)焊點(diǎn)焊接完成。

完成第一個(gè)焊點(diǎn)的焊接工作后，工作臺(tái)移至下一個(gè)焊點(diǎn)焊接處，重復(fù)焊接工作全過(guò)程，直到焊接完所有焊點(diǎn)，自動(dòng)錫焊工作結(jié)束，焊接工藝過(guò)程如圖7所示。

圖7 焊接工藝過(guò)程圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)硬件要保證功能的合理性，以達(dá)到整個(gè)錫焊過(guò)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(dòng)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(diǎn)，下位機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)上位機(jī)示教器擬定的運(yùn)動(dòng)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(guò)的數(shù)據(jù)傳送至FPGA[10]計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)多軸的動(dòng)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(shí)時(shí)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(kāi)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(jì)

圖9 控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

運(yùn)動(dòng)控制軟件的開(kāi)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(dòng)錫焊工作更為流暢、快速。針對(duì)本項(xiàng)目采用示教器作為上位機(jī)，以ARM+FPGA為核心組成運(yùn)動(dòng)控制器作為下位機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)上位機(jī)的用戶及工藝信息進(jìn)行分解處理，來(lái)達(dá)到對(duì)各個(gè)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(guò)Socket[11]協(xié)議進(jìn)行通訊。

2.3 上位機(jī)示教器界面設(shè)計(jì)

為更好的完成人機(jī)交互，編寫了基于跨系統(tǒng)平臺(tái)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(kāi)關(guān)機(jī)信息和示教點(diǎn)等信息；IP地址連接區(qū)，是設(shè)置下位機(jī)運(yùn)動(dòng)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(cè)試

完成樣機(jī)的設(shè)計(jì)、制造以后，需對(duì)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試。設(shè)計(jì)完成的氫氧微火焰自動(dòng)錫焊機(jī)如圖11所示。

圖11 氫氧微火焰自動(dòng)錫焊機(jī)

首先，需要對(duì)氫氧微火焰自動(dòng)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(shí)的示教點(diǎn)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(dòng)焊接循環(huán)完成焊接。

經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，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(diǎn)質(zhì)量：按IPC-A-610E標(biāo)準(zhǔn)，高質(zhì)量插針可接受性的焊點(diǎn)良率為95%，超過(guò)了手工焊接焊點(diǎn)良率的93%；

（2）焊接速度：1.75秒/焊點(diǎn)；

（3）焊機(jī)氣體功耗：108 W。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用功能模塊化的設(shè)計(jì)思想，搭建了氫氧微火焰自動(dòng)焊接系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)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(duì)PCB插針焊接工藝進(jìn)行了試驗(yàn)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(diǎn)良率要求，但是，對(duì)焊點(diǎn)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(diǎn)良率的精確控制。

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