孫檀，徐剛，張萍，徐元杰，張偉

（寧波市江北九方和榮電氣有限公司，浙江 寧波 315033）

0 引言

金屬化薄膜電容器因在中、高壓范圍內(nèi)的性能、壽命、可靠性等方面有極大優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于機(jī)車(chē)、軌道交通、風(fēng)電等領(lǐng)域[1-3]。自動(dòng)錫焊概念是針對(duì)電子產(chǎn)品的高精度裝配與焊接要求提出的，通過(guò)對(duì)機(jī)器人工作路徑的程序編輯，引入機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，修正誤差，實(shí)現(xiàn)焊點(diǎn)的精確定位[4-5]。由于金屬化薄膜電容器普遍容量較大，數(shù)量和種類(lèi)較多，加之其材料的特殊性，影響其焊點(diǎn)成型的因素眾多，使得目前金屬化薄膜電容器元件組的錫焊難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，多為手工作業(yè)。

金屬化薄膜電容器元件的焊點(diǎn)較大，成型以表面圓潤(rùn)、光滑、無(wú)毛刺尖角為宜，而手工焊接的焊點(diǎn)形成機(jī)理為熔融錫-鉛焊料、銅片與元件表面機(jī)械嚙合，利用他的浸潤(rùn)性在表面擴(kuò)散，后冷卻形成合金[6-7]。因此手工錫焊只能憑借經(jīng)驗(yàn)和操作熟練度來(lái)控制焊點(diǎn)的成型，使得焊點(diǎn)大小不一，過(guò)程較難控制，質(zhì)量穩(wěn)定性及一致性較差[8]。

因此本文結(jié)合金屬化薄膜電容器的特點(diǎn)，研發(fā)一套集元件擺放、定位、錫焊、檢測(cè)為一體的自動(dòng)焊接技術(shù)，避免手工焊接過(guò)程的不可控、焊點(diǎn)大小不一、勞動(dòng)強(qiáng)度大等缺點(diǎn)[9-10]，極大提高焊點(diǎn)質(zhì)量穩(wěn)定性和焊接生產(chǎn)效率。

1 元件擺入裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電容器由多個(gè)元件組合拼裝焊接而成，元件數(shù)量和尺寸規(guī)格較多，必須依據(jù)不同尺寸規(guī)格制作擺放工裝以定位來(lái)保證正常焊接，因此占用工裝較多，兼容性差，且電容器元件較重，翻轉(zhuǎn)由員工手工操作，勞動(dòng)強(qiáng)度較大。因此，本文設(shè)計(jì)一款元件擺入工裝，兼容多款多組元件的擺放，滿(mǎn)足多尺寸規(guī)格電容器元件的焊接定位，見(jiàn)圖1。

圖1 元件擺入裝置Fig.1 Placement device of element

由圖1 可知，裝置外部框架固定，在裝置內(nèi)部橫縱方向各添加可水平移動(dòng)的滑桿，依據(jù)產(chǎn)品移動(dòng)到所需位置并固定，橫向滑竿上方配有可伸縮硅膠模塊，既滿(mǎn)足元件組橫向位置鎖定，又可緩沖外力，避免因鎖緊力過(guò)大而損傷元件。裝置底面裝有通過(guò)磁力吸附的擋塊（可拆卸），滿(mǎn)足2 組或3 組元件同時(shí)擺放定位。裝置外側(cè)裝有鎖緊氣缸，使框架面保持水平，并通過(guò)控制齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)框架的翻轉(zhuǎn)，裝置的使用效果見(jiàn)圖2。

圖2 元件擺入效果Fig.2 Placement effect of element

2 自動(dòng)錫焊系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

元件擺入工裝后，進(jìn)入預(yù)定位置準(zhǔn)備自動(dòng)錫焊。在進(jìn)行元件錫焊前，必須要先考慮對(duì)元件組表面各待焊位置的確定、銅片的抓取及焊錫的成型等一系列因素，所以要設(shè)計(jì)一套集成機(jī)器視覺(jué)的自動(dòng)錫焊系統(tǒng)，系統(tǒng)流程見(jiàn)圖3，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖4。

圖3 自動(dòng)錫焊系統(tǒng)流程圖Fig.3 Flow chart of automatic soldering system

圖4中，主要由六軸機(jī)械手配合整個(gè)錫焊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)焊接位置，通過(guò)視覺(jué)相機(jī)和激光傳感器組合為視覺(jué)系統(tǒng)，分別引導(dǎo)機(jī)械手在待焊接平面的位置及落點(diǎn)高度，確定機(jī)械手的空間位移，電烙鐵和加熱芯組成加熱機(jī)構(gòu)，促進(jìn)焊錫絲的融化及焊點(diǎn)的形成，送錫管斜對(duì)烙鐵頭上方，提供定量送錫，配合電烙鐵在元件表面形成焊點(diǎn)，伸縮桿與壓塊組成錫焊輔助機(jī)構(gòu)，既壓合銅片與元件表面的接觸，防止溶錫的無(wú)規(guī)則串流，影響焊點(diǎn)的成型，又避免已有焊點(diǎn)造成的高度不平，而影響后續(xù)點(diǎn)位的焊接及當(dāng)外力過(guò)大時(shí)對(duì)元件表面的損傷，抓取機(jī)構(gòu)則為根據(jù)要連接的銅片類(lèi)型，吸合不同的工裝，進(jìn)而抓取銅片放在元件表面，通過(guò)錫焊實(shí)現(xiàn)銅片與元件間的連接。

圖4 自動(dòng)錫焊系統(tǒng)Fig.4 Automatic soldering system

2.2 自動(dòng)錫焊

人工上料完成后放行進(jìn)入自動(dòng)錫焊工位，機(jī)械手搭載的視覺(jué)系統(tǒng)預(yù)先對(duì)元件表面進(jìn)行尺寸掃描，然后機(jī)械手吸合抓取機(jī)構(gòu)對(duì)疊放在上料區(qū)的銅片進(jìn)行抓取，按照預(yù)先掃描的元件尺寸位置，銅片準(zhǔn)確的落在元件表面，抓取機(jī)構(gòu)松開(kāi)。然后視覺(jué)相機(jī)對(duì)銅片觸角進(jìn)行掃描定位，至銅片觸角邊緣中心位置，烙鐵頭落點(diǎn)與視覺(jué)照片效果保持一致，可進(jìn)行焊接作業(yè)，視覺(jué)定位效果見(jiàn)圖5。

圖5 視覺(jué)定位Fig.5 Visual positioning

按照預(yù)設(shè)好的錫焊參數(shù)進(jìn)行元件正反面自動(dòng)焊接作業(yè)，見(jiàn)圖6，根據(jù)焊接結(jié)果可看到，焊點(diǎn)圓心均為銅片觸角邊緣中心，符合視覺(jué)定位及烙鐵頭落點(diǎn)要求，觀察到焊點(diǎn)表面空洞個(gè)數(shù)為0，焊錫均能覆蓋住銅片連接位，外圍存在小面積區(qū)域缺陷個(gè)數(shù)為7 個(gè)，經(jīng)初步判斷，自動(dòng)錫焊的焊點(diǎn)外觀基本符合工藝要求。

圖6 元件正反面自動(dòng)錫焊效果Fig.6 Automatic soldering result on both sides of element

3 焊點(diǎn)檢測(cè)

3.1 視覺(jué)三維檢測(cè)

作為非接觸型測(cè)量技術(shù)，激光檢測(cè)更加穩(wěn)定高效，被應(yīng)用于各個(gè)發(fā)展領(lǐng)域[11-15]。圖7 為視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)，本文運(yùn)用伺服機(jī)構(gòu)控制運(yùn)動(dòng)，上方配置激光掃描相機(jī)，針對(duì)不同產(chǎn)品的焊點(diǎn)排列、掃描區(qū)域進(jìn)行編程，從而對(duì)焊點(diǎn)的外圍輪廓進(jìn)行圈定，得到焊點(diǎn)的平面中心位置，即為標(biāo)準(zhǔn)焊點(diǎn)的中心位置，輔以給定的標(biāo)準(zhǔn)焊點(diǎn)要求，顯像出標(biāo)準(zhǔn)焊點(diǎn)區(qū)域，將實(shí)際焊點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)焊點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行擬合對(duì)比，對(duì)焊點(diǎn)的高度、大小及空缺狀態(tài)進(jìn)行判定，并輸出判定結(jié)果。

圖7 視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)Fig.7 Visual inspection system

在自動(dòng)錫焊作業(yè)完成后，產(chǎn)品將自動(dòng)流入視覺(jué)檢測(cè)工位，給定標(biāo)準(zhǔn)焊點(diǎn)要求：最大高度1~2 mm，直徑10~15 mm，10 mm 直徑范圍內(nèi)無(wú)焊錫缺失，直徑10~15 mm 間焊錫面積缺陷不超過(guò)焊點(diǎn)面積的20%，得到的焊點(diǎn)掃描結(jié)果如下：

圖8所示為視覺(jué)檢測(cè)照片，根據(jù)判定結(jié)果可看出，無(wú)焊點(diǎn)高度、內(nèi)部空洞現(xiàn)象，焊點(diǎn)外圍缺陷造成的不合格數(shù)量為4 個(gè)，經(jīng)人工復(fù)檢判定基本情況一致，視覺(jué)檢測(cè)結(jié)果可滿(mǎn)足要求。

圖8 視覺(jué)檢測(cè)照片F(xiàn)ig.8 Visual inspection picture

3.2 焊接拉力測(cè)試

焊點(diǎn)是焊接過(guò)程的輸出產(chǎn)物，是元器件與銅片電氣連接和機(jī)械連接的連接點(diǎn)，對(duì)產(chǎn)品的傳導(dǎo)性能有至關(guān)重要的影響[16-18]。對(duì)已焊接的元件沿銅片進(jìn)行剪切，分離成單個(gè)元件，并以A1~A13、B1~B13編號(hào)，元件底端固定在拉力機(jī)平臺(tái)上，在每個(gè)焊點(diǎn)對(duì)應(yīng)的銅片上焊接銅帶，拉力測(cè)試機(jī)鉤住銅帶，以垂直焊點(diǎn)方向向上緩緩拉起，至焊點(diǎn)完全脫離元件，見(jiàn)圖9。

圖9 拉力測(cè)試Fig.9 Tensile testing

圖10所示為焊接拉力測(cè)試值，通過(guò)對(duì)元件表面的焊點(diǎn)拉脫試驗(yàn)，測(cè)得焊點(diǎn)拉脫時(shí)的拉力值較為穩(wěn)定，多分布在6~7 kgf 間，最小拉力值為5.53 kgf，均滿(mǎn)足焊點(diǎn)拉力值應(yīng)超過(guò)4 kgf 的要求。

圖10 焊點(diǎn)拉力測(cè)試值Fig.10 Tensile testing value of the soldering joint

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)金屬化薄膜電容器錫焊過(guò)程的分析，搭建自動(dòng)錫焊生產(chǎn)線各工位模塊。對(duì)各模塊的內(nèi)容，包括元件擺入通用工裝的設(shè)計(jì)制作、自動(dòng)錫焊、視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)了一套集生產(chǎn)與檢測(cè)技術(shù)于一體的自動(dòng)化錫焊流水線，并通過(guò)對(duì)焊點(diǎn)結(jié)果的分析，驗(yàn)證了此系統(tǒng)的可行性，為后續(xù)多類(lèi)型金屬化薄膜元件的自動(dòng)化錫焊提供了指導(dǎo)與依據(jù)。

本文的視覺(jué)檢測(cè)僅限于焊點(diǎn)外圍形狀判定，后續(xù)的工作將引入超聲波對(duì)焊點(diǎn)內(nèi)部探測(cè)進(jìn)行研究，使得不進(jìn)行焊點(diǎn)的破壞性試驗(yàn)即可觀察到焊點(diǎn)內(nèi)部填充狀態(tài)，以更全方位對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行分析。