一種射頻同軸電纜的激光焊接方案

唐少雄 陳柯嵐 喻簫

摘要：射頻電纜接頭作為一種重要的部件被廣泛地使用在大多數(shù)電力系統(tǒng)中，而同軸電纜作為電力系統(tǒng)中不可缺少的重要材料，同軸電纜通過(guò)外導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)屏蔽的作用，采用焊接帶有薄帶卷管組成其結(jié)構(gòu)。本文針對(duì)目前人工手動(dòng)焊接存在的缺陷，設(shè)計(jì)了一套射頻同軸電纜接頭的激光焊接系統(tǒng)的整機(jī)圖紙，并給出了相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)方法，最終提供了一種射頻同軸電纜接頭的激光焊接方案。對(duì)電力系統(tǒng)中同軸電纜的焊接工作具有重要意義。

關(guān)鍵詞：射頻同軸電纜 電力系統(tǒng) 激光焊接方案

一、引言

隨著工業(yè)和制造業(yè)的快速發(fā)展，焊接技術(shù)水平也越來(lái)越高。新的焊接工藝方法不斷涌現(xiàn)，專(zhuān)業(yè)焊接設(shè)備日新月異。在電力系統(tǒng)中，射頻電纜接頭被普遍使用，而同軸電纜也是電力系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，其外導(dǎo)體起重要的屏蔽作用，它是由薄帶卷管焊接而成，所以研究其焊接工藝，提高焊接質(zhì)量十分重要[1]。同軸電纜的物理連接主要包括連接器、同軸線以及射頻接頭焊接部位。連接器、同軸線、射頻接頭焊接部位的連接情況均會(huì)影響傳輸電纜的電抗特性。其中影響最大的就是接頭焊接部位的一致性和均勻性較難控制，這種不確定導(dǎo)致了傳輸線纜的電抗特性變化[2]。換而言之，在信號(hào)傳輸?shù)母咚倩涂煽炕陌l(fā)展進(jìn)程中，保護(hù)信號(hào)完整性的難度不斷提高，實(shí)際上就是對(duì)電纜焊接工藝提出了高要求和新標(biāo)準(zhǔn)，更是對(duì)傳統(tǒng)電纜制作過(guò)程提出了新的挑戰(zhàn)。而射頻接頭焊接作為同軸電纜制作過(guò)程中最重要最基本的環(huán)節(jié)之一，只有深入研究焊接工藝對(duì)射頻接頭信號(hào)完整性影響的主要因素，并且找出焊接工藝方法的改進(jìn)辦法，了解工藝參數(shù)的合適范圍，才是保證信號(hào)完整性的根本途徑。

本文提供了一種射頻同軸電纜接頭的激光焊接方案，該方案可通過(guò)可視化界面全程控制同軸電纜與射頻電纜接頭的自動(dòng)焊接過(guò)程，同時(shí)可對(duì)焊接結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，能夠極大提高焊接速度、焊接精密度和成品率;可以解決手動(dòng)焊接時(shí)所造成的虛焊以及焊接不牢等弊端，為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供有力保障。

二、機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)：

設(shè)備包括底座110、升降機(jī)構(gòu)120、激光焊接機(jī)構(gòu)130、焊錫機(jī)構(gòu)140、同軸固定機(jī)構(gòu)150、夾線機(jī)構(gòu)160和導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)170。其整機(jī)結(jié)構(gòu)渲染圖如圖2.1所示。

其中，升降機(jī)構(gòu)120支撐在底座110上，激光焊接機(jī)構(gòu)130可拆卸連接升降機(jī)構(gòu)120，并能夠隨升降機(jī)構(gòu)120移動(dòng);焊錫機(jī)構(gòu)140連接激光焊接機(jī)構(gòu)130，能夠盛裝并輸送焊錫;同軸固定機(jī)構(gòu)150設(shè)置在焊錫機(jī)構(gòu)140底部，并能夠夾持射頻接頭;夾線機(jī)構(gòu)160能夠夾持光纜;導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)170支撐在底座110上，夾線機(jī)構(gòu)160能夠沿導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)170滑動(dòng)，并將光纜的接頭插入射頻接頭內(nèi)，在本實(shí)施例中射頻接頭為2M接頭。

需要特別說(shuō)明的是，本文采用焊錫機(jī)構(gòu)、同軸固定機(jī)構(gòu)和導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)進(jìn)行導(dǎo)引，能夠?qū)⒓す夂附訖C(jī)構(gòu)放置在離工件適當(dāng)距離的位置上，可在工件周?chē)臋C(jī)具或障礙間再導(dǎo)引，且在焊接的全過(guò)程中無(wú)需與焊接目標(biāo)接觸，有效地將機(jī)具的損耗和形變降至最低，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制。

2.1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)：

射頻同軸電纜的可視化智能激光焊接設(shè)備主要由機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、焊接監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、碎屑清理系統(tǒng)和電機(jī)控制系統(tǒng)組成。其中電機(jī)控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)焊接頭與焊錫的供給系統(tǒng)和2M頭的結(jié)構(gòu)控制，分別由步進(jìn)電機(jī)裝置實(shí)現(xiàn)，溫度控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)2M頭的溫度控制功能。其原理圖如圖2.2所示。

其中各系統(tǒng)主要包括：

1）供電部分：整個(gè)系統(tǒng)的供電包含220V-24V、3.3V、±5V、±12V。

2）機(jī)械系統(tǒng)：包括彈出式放件結(jié)構(gòu)、夾線結(jié)構(gòu)、進(jìn)線結(jié)構(gòu)、壓線結(jié)構(gòu)、自動(dòng)焊接結(jié)構(gòu)5大部分，其中自動(dòng)焊接系統(tǒng)又包括激光器結(jié)構(gòu)、自動(dòng)進(jìn)錫結(jié)構(gòu)。

3）控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)包括溫度控制、電機(jī)控制、圖像采集顯示、焊接短路斷路檢測(cè)、壓線結(jié)構(gòu)控制等。

根據(jù)上述的2M頭同軸電纜可視化自動(dòng)焊接系統(tǒng)的組成單元，其工作流程如圖2所示。

2.2 具體機(jī)械結(jié)構(gòu)及工作原理

1）升降機(jī)構(gòu)

如圖2.3所示，升降機(jī)構(gòu)120包括：升降導(dǎo)軌121、升降滑塊122、升降支撐板123和升降電機(jī)124。

升降導(dǎo)軌121，其一端支撐在底座110上，在本實(shí)施例中升降導(dǎo)軌121由兩根導(dǎo)軌組成;升降滑塊122可滑動(dòng)設(shè)置在升降導(dǎo)軌121上;升降支撐板123設(shè)置在升降導(dǎo)軌121另一端，以限制升降滑塊122的滑動(dòng)位置;升降電機(jī)124設(shè)置在升降支撐板123上，能夠驅(qū)動(dòng)升降滑塊122沿升降導(dǎo)軌121滑動(dòng)。

需要特別說(shuō)明的是，本文選用升降機(jī)構(gòu)120固定激光焊接機(jī)構(gòu)130，通過(guò)升降機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)了激光焊接機(jī)構(gòu)的位置的自由調(diào)整，以保證焊接精度。

2） 激光焊接系統(tǒng)

激光焊接機(jī)構(gòu)130包括：激光固定座131和激光器132，其中激光器固定做131可拆卸連接升降滑塊122;激光器132可拆卸設(shè)置在激光固定座131上，作為一種優(yōu)選，激光器132與激光固定座132螺紋配合。

如圖2.4所示，焊錫機(jī)構(gòu)140包括：焊錫架141、送錫輪142、送錫管143和送錫電機(jī)144。

焊錫架141支撐在底座110上;送錫輪142可旋轉(zhuǎn)支撐在焊錫架141上，以放置焊錫;送錫管143一端連接送錫輪142，另一端固定在激光器132底部;送錫電機(jī)144連接送錫輪142，并驅(qū)動(dòng)送錫輪142旋轉(zhuǎn)，以使焊錫串接在送錫管143內(nèi)。其中，焊錫卷繞在送錫輪142上，送錫電機(jī)144連接送錫輪142，能夠拉拽焊錫，使焊錫串接在送錫管143內(nèi)，使焊錫位于激光器132底部。

如圖2.5所示，夾線機(jī)構(gòu)160包括第一夾線板161和第二夾線板162;第二夾線板162與第一夾線板161平行設(shè)置，以?shī)A持電纜。

導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)170包括：滑軌固定支座171、第一滑軌172、第二滑軌173、連接架174和翻轉(zhuǎn)架175?；壒潭ㄖё?71支撐在底座110上;第二滑軌173與第一滑軌172平行設(shè)置;連接架174連接第一滑軌172和第二滑軌173;

翻轉(zhuǎn)架175支撐在連接架上，并支撐在所述滑軌固定支架上，以實(shí)現(xiàn)所述滑軌翻轉(zhuǎn)。作為一種優(yōu)選，還包括旋轉(zhuǎn)桿176支撐在夾線機(jī)構(gòu)160一端。

還包括：攝像頭支撐架210、攝像頭220和補(bǔ)光燈230。

3） 可視化成像系統(tǒng)

攝像頭支撐架210支撐在底座110上，位于導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)170一端;攝像頭220可拆卸連接攝像頭支撐架210，補(bǔ)光燈230其設(shè)置在攝像頭支撐架210上;攝像頭與補(bǔ)光燈整體通過(guò)螺絲螺母固定在攝像頭固定板及固定塊上，攝像頭與水平位置呈65度夾角。

還包括檢測(cè)機(jī)構(gòu)300，其設(shè)置在導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)170上，以進(jìn)行短路和斷路檢測(cè)。

實(shí)施以射頻接頭與同軸電纜可視化激光焊接系統(tǒng)的工作過(guò)程為例，做進(jìn)一步說(shuō)明：

將焊錫放入焊錫架并將焊錫與送錫機(jī)構(gòu)連接，再將橡膠導(dǎo)管與導(dǎo)管接入口連接使送錫機(jī)構(gòu)與焊接機(jī)構(gòu)上的送錫管連接形成整套裝錫過(guò)程;將2M頭放入2M頭固定支座上，將通路檢測(cè)機(jī)構(gòu)向右移動(dòng)與2M頭連接;將同軸線放入夾線機(jī)構(gòu)中，把露出的線芯通過(guò)向左移動(dòng)夾線機(jī)構(gòu)插入2M頭芯，完成整套裝線過(guò)程;開(kāi)啟自動(dòng)控制系統(tǒng)，送錫電機(jī)將焊錫通過(guò)橡膠導(dǎo)管送入送錫管中直至焊錫出現(xiàn)在2M頭的正上方，升降電機(jī)1帶動(dòng)升降機(jī)構(gòu)和焊接機(jī)構(gòu)向下移動(dòng)，帶著焊錫插入2M頭芯中與同軸線線芯連接，升降電機(jī)帶動(dòng)升降機(jī)構(gòu)和焊錫機(jī)構(gòu)向上移動(dòng)回到初始位置完成整套送錫焊接過(guò)程;裝錫過(guò)程、裝線過(guò)程以及送錫焊接過(guò)程都可通過(guò)攝像在外部電子屏幕上觀察。

三、系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)與研發(fā)。

系統(tǒng)由液壓裝置、步進(jìn)電機(jī)和絲杠裝置、圖像采集裝置和外部通信裝置等組成，其硬件的設(shè)計(jì)是本文的主要研究?jī)?nèi)容;

本文對(duì)硬件電路的設(shè)計(jì)給出了設(shè)計(jì)方法，具體如下：

1）步進(jìn)電機(jī)控制方法：根據(jù)細(xì)分?jǐn)?shù)，將整步的步距角或是半步的步距角，劃分成為 n 個(gè)步距角度，并保證均勻性，從而使電機(jī)能夠通過(guò) n 步轉(zhuǎn)過(guò)整步或半步的步距角[3]。本文使用的步進(jìn)電機(jī)為57BYG250-56 2相步進(jìn)電機(jī) 扭矩0，9MM

如圖3.1所示，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的控制脈沖由嵌入式系統(tǒng)的電機(jī)控制端口輸出，控制信號(hào)經(jīng)74LS14反相后進(jìn)入9014，經(jīng)9014放大后控制光電開(kāi)關(guān)，光電隔離后，由功率管TIP122將脈沖信號(hào)進(jìn)行電壓和電流放大，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組。使步進(jìn)電機(jī)隨著不同的脈沖信號(hào)分別作正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速和停止等動(dòng)作。

2）激光器輸出控制方法：如圖3.2所示，激光器輸出控制電路圖，其工作原理是通過(guò)單片機(jī)引腳輸出低電平使得三極管導(dǎo)通，芯片MOC3023觸發(fā)控制BAT16-600BT1和T2腳導(dǎo)通，從而220V市電接入激光器的電源，激光器發(fā)出激光作用至焊接位置完成焊接。

3）圖像采集裝置的實(shí)現(xiàn)方法：在處理器速度快或圖像采集速度要求不高的應(yīng)用中I/O接口方式是普遍的選擇[4]。本文應(yīng)用的就是I/O接口方式。如圖3.3所示，圖像采集系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路圖，圖像采集系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)焊接狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示和狀態(tài)判斷功能，嵌入系統(tǒng)通過(guò)圖像采集驅(qū)動(dòng)電路控制帶自動(dòng)聚焦功能的攝像頭，利用兩個(gè)鎖存器分別鎖存狀態(tài)和圖像數(shù)據(jù)，處理器通過(guò)兩個(gè)I/O端口分別讀取。在采樣時(shí)鐘的上升沿?cái)?shù)據(jù)鎖存器保存?zhèn)鞲衅鬏敵龅膱D像數(shù)據(jù)，當(dāng)處理器通過(guò)I/O口讀取圖像時(shí)，數(shù)據(jù)鎖存器輸出數(shù)據(jù)。其它情況下，鎖存器輸出處于高阻狀態(tài)。處理器通過(guò)狀態(tài)鎖存器讀取同步信號(hào)和圖像就緒（Ready）指示信號(hào)。在數(shù)據(jù)鎖存器保存圖像數(shù)據(jù)的同時(shí)，狀態(tài)鎖存器產(chǎn)生Ready信號(hào)（從‘0’到‘1’）。處理器讀取圖像數(shù)據(jù)時(shí)，Ready信號(hào)自動(dòng)清除（從‘1’到‘0’）。處理器讀取狀態(tài)時(shí)鎖存器驅(qū)動(dòng)總線，其他情況下輸出處于高阻狀態(tài)。

4）外部通信裝置控制方法：如圖3.4所示，其中各個(gè)模塊之間的連接關(guān)系，單片機(jī)控制電控功能圖由圖可以看出通過(guò)單片機(jī)，對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、溫度獲取、溫度控制、矯正位置、補(bǔ)光燈控制、通信單元進(jìn)行合理化控制。

5）機(jī)器視覺(jué)仿真技術(shù)：機(jī)器視覺(jué)在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用[5]，特別是在工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域[6]。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)是本系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，該技術(shù)決定了最終設(shè)計(jì)效果，其主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并通過(guò)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制;

6）嵌入式中控系統(tǒng)技術(shù)：嵌入式系統(tǒng)是目前的主流技術(shù)，其特點(diǎn)眾多，并且由于系統(tǒng)要完成的功能較為復(fù)雜，外圍電路較多，并且要完成復(fù)雜的算法功能，一般的單片機(jī)無(wú)法滿(mǎn)足要求;如圖3.5所示，射頻同軸電纜的可視化智能激光焊接設(shè)備的硬件電路主要由液壓驅(qū)動(dòng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、圖像采集系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)、顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)和溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等幾部分組成。電控部分功能包括：電機(jī)驅(qū)動(dòng)、溫度獲取、溫度控制、矯正位置、補(bǔ)光燈控制、通信單元。

其中控制的單片機(jī)型號(hào)為STM32F103T8U6，它是32bit微控制器，能產(chǎn)生獨(dú)立PWM波，PWM脈寬可調(diào)且頻率可調(diào)，方便步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)試速度[7]。

7）人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)。目前，軟件人機(jī)交互窗口主要是使用一些常用的控件進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化。人機(jī)交互界面是系統(tǒng)與操作者交流的主要接口[8]。我們通過(guò)在系統(tǒng)外殼上嵌入一個(gè)電子屏幕，可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。

四、系統(tǒng)控制總體方案

如圖4.1所示，本文還提供一種射頻接頭與同軸電纜可視化激光焊接系統(tǒng)控制方法：

流程說(shuō)明：

開(kāi)啟攝像頭，并監(jiān)控圖像;

在通電后，調(diào)整放入射頻接頭和電纜;

檢測(cè)并調(diào)整電纜長(zhǎng)度，并判斷線纜是否進(jìn)入凹槽;

通過(guò)送錫機(jī)構(gòu)送入焊錫;

通過(guò)升降機(jī)構(gòu)調(diào)整激光焊接機(jī)構(gòu)的焊接位置，完成焊接就彈出。

具體的說(shuō)，整個(gè)系統(tǒng)工作在密閉的環(huán)境中，放件會(huì)有一個(gè)彈出式結(jié)構(gòu)，在開(kāi)始焊接之前，操作人員需要啟動(dòng)相應(yīng)的按鈕彈出此結(jié)構(gòu)，把工件正確的放置到此結(jié)構(gòu)上，然后推回到相應(yīng)的位置。其次，操作人員把手動(dòng)裁好的線，放在相應(yīng)的夾具上，調(diào)整銅芯裸露的長(zhǎng)度，然后固定。開(kāi)啟焊接按鈕，此時(shí)送線裝置會(huì)按照一定的步進(jìn)量，把線沿著固定的軌跡送到工件的凹槽內(nèi)，如果線沒(méi)有進(jìn)入凹槽，需要重新送線。待進(jìn)線完成后，激光器會(huì)步進(jìn)相應(yīng)的長(zhǎng)度到達(dá)工件凹槽上方但與焊接位置保持一定安全距離，此時(shí)自動(dòng)送錫系統(tǒng)會(huì)送取已經(jīng)設(shè)定好的固定的錫量用于焊接。待焊接完成后，激光器會(huì)退到剛開(kāi)始的位置，接下來(lái)進(jìn)行斷路、短路檢測(cè)，如果檢測(cè)不通過(guò)，會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)啟動(dòng)自動(dòng)修復(fù)功能，重新焊接，與第一次焊接不同的是，當(dāng)?shù)诙魏附拥臅r(shí)候，不會(huì)再次送錫。等待檢測(cè)，再次焊接完成之后，進(jìn)行壓接地線。最后一步是退件，在退件之前，首先會(huì)檢測(cè)工件的溫度，當(dāng)達(dá)不到退件溫度的時(shí)候，會(huì)啟動(dòng)制冷系統(tǒng)，待溫度降到設(shè)定的溫度的時(shí)候，彈出式結(jié)構(gòu)會(huì)自動(dòng)彈出，此時(shí)整個(gè)焊接過(guò)程完成。

結(jié)果與展望

本文通過(guò)對(duì)射頻同軸電纜的激光焊接技術(shù)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一套射頻同軸電纜接頭的激光焊接系統(tǒng)的整機(jī)圖紙，并給出了相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)方法，最終提供了一種射頻同軸電纜接頭的激光焊接方案。對(duì)電力系統(tǒng)中同軸電纜的焊接工作具有重要意義。與此同時(shí)我們將加強(qiáng)技術(shù)攻關(guān)，力爭(zhēng)在第一代射頻同軸電纜的激光焊接系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，推出第二代射頻同軸電纜的手持式激光焊接系統(tǒng)，屆時(shí)將更加便利于電力系統(tǒng)中射頻同軸電纜的焊接工作。

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