自動平行縫焊機中對位機構的設計

張澤義，張 媛，田志峰

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024)

平行縫焊工藝作為一種高可靠的氣密性封裝方法，在金屬陶瓷管殼及金屬管殼封裝中應用廣泛[1]。隨著軍工、航空、航天等領域電子信息裝備中對電子器件的要求越來越苛刻，低效率的手動平行縫焊封蓋方式已不能滿足裝備快速發(fā)展的需求。半自動平行縫焊設備的人為干預因素較多，導致平行縫焊質(zhì)量波動較大，生產(chǎn)效率低；手動方式的平行縫焊還存在一系列問題，如蓋板對準偏差和污染，對準偏差大導致焊接時打火燒蝕表面焊縫，焊接面污染易形成氣孔、夾渣等缺陷，這些最終導致氣密性降低。本文介紹自動平行縫焊機設備中的自動對位機構，該機構可以實現(xiàn)管殼蓋板的自動對位，有效的解決了半自動設備人工對位的諸多缺點，對生產(chǎn)線的自動化操作具有重大意義[2-4]。

1 管殼蓋板對位機構設計原理

實現(xiàn)蓋板與管殼對位的方法有以下三種：

（1）管殼在視場坐標系中位置固定，將蓋板移動到管殼位置；

（2）蓋板在視場坐標系中位置固定，將管殼移動到管殼位置；

（3）視覺系統(tǒng)分別對管殼、蓋板進行圖像處理建立位置關系，然后對位。

對這三種方法進行分析，第一、第二兩種方法都需要將蓋板或者管殼進行轉(zhuǎn)移，管殼和蓋板相比較，蓋板的轉(zhuǎn)移更方便，所以排除第一種方法；第三種需要對蓋板和管殼分別進行圖像處理，需要兩個相機，因此，對位機構的結構布置很復雜，而且成本較高，綜合考慮優(yōu)選第二種方法。

根據(jù)第二種對位方法，對位機構的工藝流程為：

（1）將蓋板從蓋板上料機構中取出，置于蓋板校正臺上進行定位；

（2）經(jīng)過視覺系統(tǒng)的分析，管殼移動平臺對管殼的位置進行校正；

（3）將定位后的蓋板放到管殼上，并進行點焊。

工藝流程圖如圖1所示。

圖1 工藝流程圖

2 對位機構的結構設計

對位機構需要完成兩個功能：管殼蓋板對位與點焊。因此，對位機構由蓋板送料機構、蓋板校正機構、管殼移動平臺和點焊機構組成，各個部件按90°均勻布于同心圓上，且采用雙工位對稱布置，可以使效率提高1倍，如圖2所示。

圖2 對位機構示意圖

2.1 蓋板送料機構

蓋板自動送料機構的功能是將蓋板自動送到固定位置。由于產(chǎn)品的不同，蓋板的外形各不相同，有的蓋板無正、反面之分，且無方向要求，有的蓋板正、反面不同，根據(jù)蓋板的情況，蓋板自動送料機構有兩種方式：抖料盤式和子彈式。兩種方式優(yōu)缺點如表1所示。送料方式的選擇原則是在蓋板容許的情況下盡可能優(yōu)先選擇抖料盤送料方式。由于我們設計的全自動平行縫焊機產(chǎn)品種類繁多，所以采用子彈式送料方式，如圖3所示。

表1 抖料盤式和子彈式送料方式的優(yōu)缺點

圖3 子彈式送料機構

2.2 蓋板校正臺

我們選擇的這種對位方法，需要對蓋板進行機械校正，建立蓋板的基準位置，來保證蓋板位置的一致性，從而保證定位精度。由于蓋板的形狀是方形的，所以我們選擇四爪校正機構進行定位，如圖4所示，其中兩個相鄰的卡爪是基準爪，另外兩個是輔助爪，卡爪夾緊后基準爪位置是固定的；選擇擺動氣缸、凸輪和彈簧的機構來實現(xiàn)四爪機構的夾緊與松開。

圖4 四爪機構

2.3 管殼移動平臺

管殼和蓋板均為方形，管殼移動平臺需要兩個直線運動和一個旋轉(zhuǎn)運動來實現(xiàn)對位，因此，管殼移動平臺由兩個90°安裝的X、Y直線軸和一個θ旋轉(zhuǎn)軸，通過電機驅(qū)動導軌絲杠來實現(xiàn)直線運動，直線運動和軸承的組合來將直線運動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運動，如圖5所示。

圖5 管殼移動平臺

2.4 點焊機構

點焊機構需要完成蓋板在不同工位之間的轉(zhuǎn)移和點焊要求，因此，點焊機構由蓋板轉(zhuǎn)移機構、點焊頭和旋轉(zhuǎn)機構組成。蓋板轉(zhuǎn)移機構實現(xiàn)蓋板的拾取和放置；電焊頭實現(xiàn)蓋板的拾取、放置和管殼蓋板的點焊；旋轉(zhuǎn)機構實現(xiàn)蓋板在不同工位之間的轉(zhuǎn)移，點焊頭結構如圖6所示。

圖6 點焊頭

2.5 視覺系統(tǒng)

在視場坐標系中對經(jīng)過校正后的蓋板建立模板并記錄蓋板的坐標，將管殼移動到視場中，通過圖像處理計算出管殼到模板位置所需要的Δx，Δy，Δθ移動量；通過控制系統(tǒng)控制管殼移動平臺進行移動，從而實現(xiàn)管殼與蓋板的對位。

設備的設計要求中產(chǎn)品尺寸范圍是（2 mm×2.5 mm）～（30 mm×30 mm），相機的工作距離在220 mm以上，根據(jù)以上要求，最終選擇的相機型號是FL3-GE-50S5M-C，它的相數(shù)是500 W，靶面大小是7～8.5 mm，工作距離337.6 mm，景深2 mm；鏡頭型號VSZ-0745+VSZ-03，放大倍數(shù)是0.21X～1.35X；根據(jù)以上參數(shù)可以得出視場范圍是（6.3mm×5.2 mm）～（40 mm×33 mm）。對不同尺寸的管殼進行光學實驗，從結果可以看出相機和鏡頭的選型可以滿足要求，實驗結果如圖7、圖8所示。

圖7 管殼2.5 mm×2 mm

圖8 管殼32 mm×32 mm

3 實驗

為了驗證自動對位機構能否解決手動對位存在的缺陷，我們選取了一組2 mm×2.5 mm產(chǎn)品進行試驗，將對位精度和對位時間和氣密性等指標進行了對比，如表2所示，從對比結果可以看出自動對位在各項指標上都有明顯的提高。因此自動對位在生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量上都具有優(yōu)勢；另外，它還具有對操作員培訓快，適應周期短等優(yōu)點，解決了操作人為因素對產(chǎn)品質(zhì)量和效率的影響。

表2 手工和自動對位平行縫焊各項指標的對比表

4 結 論

針對手動平行縫焊方式，人為因素多引起的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率低等問題，進行了自動對位機構的設計。通過實驗對比，自動對位機構的設計解決了手動對位中存在的缺陷，因此，自動對位機構的設計是合理的。

[1] 張加波，閔志先.自動化平行縫焊工藝現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].科技展望，2016，26(18)：123-124.

[2] 肖清惠，楊娟，趙洋立，等.電極對平行縫焊的影響[J].電子與封裝，2012，(9)：6-9.

[3] 關亞男，劉慶川，劉春巖.采用平行縫焊機封蓋的工藝研究[J].微處理機，2005，26(1)：9-10.

[4] 陳玉華，侯正軍.影響平行縫焊成品率的因素[J].電子與封裝，2003，3(4)：28-31.