微波組件連接器自動(dòng)化裝配技術(shù)研究

趙涌，曹向榮，吳偉偉，羅燕

(上海航天電子通訊設(shè)備研究所，上海，201109)

0 引言

微波組件廣泛應(yīng)用于航空、航天、地面電子偵察、測(cè)控等領(lǐng)域的有源相控陣?yán)走_(dá)中，有源相控陣?yán)走_(dá)中每個(gè)或數(shù)個(gè)輻射單元后均接有一個(gè)固態(tài)微波組件，一部有源相控陣?yán)走_(dá)，少者需幾十?dāng)?shù)百，多則要成千上萬(wàn)個(gè)微波組件。對(duì)發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行大功率放大，所接收到的信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大，為實(shí)現(xiàn)波束控制對(duì)收/發(fā)信號(hào)進(jìn)行幅度和相位的控制，微波組件性能的好壞直接影響整個(gè)雷達(dá)的性能，可見微波組件是固態(tài)有源相控陣?yán)走_(dá)的核心部件[1]。在微波組件中，連接器和盒體裝配焊接是組件生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。在結(jié)構(gòu)方面，連接器起到機(jī)械支撐、定位和物理保護(hù)的作用，同時(shí)要求連接和盒體之間氣密性，從而保護(hù)微波組件內(nèi)大量裸芯片與外部環(huán)境隔絕，免受外界惡劣環(huán)境的影響；在信號(hào)傳輸方面，連接器起到信號(hào)傳輸通道作用，連接器在結(jié)構(gòu)、裝配等方面影響組件的插入損耗和駐波。因此，連接器在微波組件中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用[2]。

國(guó)外微波組件研究起步較早，精密機(jī)器人的裝配精度較高，組件的生產(chǎn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。國(guó)內(nèi)雖然開展微波組件的研制起步較晚，但近幾年相關(guān)單位結(jié)合自己產(chǎn)品的特點(diǎn)正大力發(fā)展微波組件自動(dòng)化裝配。目前微波組件批量生產(chǎn)中，連接器和盒體的裝配焊接主要采用手工裝配操作，部分裝配動(dòng)作在顯微鏡下進(jìn)行，裝配效率較低，裝配質(zhì)量一致性無(wú)法控制。隨著微波組件通道數(shù)增加和需求量大幅提升，連接器手工裝配效率已遠(yuǎn)不能滿足大批量生產(chǎn)要求，因此，微波組件連接器裝配由純手工模式向自動(dòng)化裝配升級(jí)是提升微波組件生產(chǎn)效率和質(zhì)量一致性的有效途徑。

1 連接器自動(dòng)化裝配工藝設(shè)計(jì)

本文通過(guò)研究適合機(jī)器人操作的連接器裝配工藝流程實(shí)現(xiàn)連接器與盒體的自動(dòng)化裝配。通過(guò)精密機(jī)器人、視覺識(shí)別、物料供應(yīng)、控制等技術(shù)。針對(duì)連接器與盒體的自動(dòng)化裝配與特點(diǎn)，利用自動(dòng)化技術(shù)，在連接器裝配工藝流程、專用裝配夾具等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)合上述設(shè)計(jì)制備自動(dòng)化裝配設(shè)備，實(shí)現(xiàn)連接器和盒體自動(dòng)化裝配。

1.1 連接器自動(dòng)化裝配工藝流程研究

連接器包括混合連接器和高頻連接器，分別裝配在盒體的兩個(gè)端面。目前連接器與盒體手工裝焊流程需進(jìn)行多次焊接，很難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，須進(jìn)行自動(dòng)化裝焊流程改進(jìn)。連接器和盒體依次裝配后局部加熱，多次加熱焊接不易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。為此，將連接器依次裝配在盒體的兩個(gè)端面上，通過(guò)一體化焊接夾具固定，再盒體整體回流焊接。連接器與盒體焊接通常采用焊片或者焊膏。在連接器自動(dòng)化裝配工藝流程中，高頻連接器和盒體之間的間隙小，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊膏點(diǎn)涂。連接器和盒體間采用焊料環(huán)，先將焊料環(huán)裝配在盒體內(nèi)，然后將高頻連接器裝配在盒體上。連接器和盒體自動(dòng)化裝焊流程是先將基板和盒體裝配固定，和連接器與盒體一起回流焊接。然后依次裝配高頻連接器和混合連接器，其中高頻連接器采用焊料環(huán)和盒體焊接，混合連接器采用焊膏和盒體焊接；連接器和盒體之間通過(guò)夾具固定。最后，連機(jī)器、基板和盒體進(jìn)行回流焊接。基板、焊片和盒體裝配動(dòng)作相對(duì)簡(jiǎn)單，可采用工裝配，裝配后通過(guò)夾具固定再送入自動(dòng)裝配線體。連接器和盒體裝焊全程需要夾具輔助，夾具起傳輸、固定和定位的作用。連接器裝配在盒體的兩個(gè)端面，在裝配過(guò)程中需要將盒體端面翻轉(zhuǎn)至水平面，易于相機(jī)定位和裝配。連接器裝配在盒體上，通過(guò)夾具固定，然后盒體和夾具一起回流加熱，回流冷卻后將夾具拆卸并取出盒體。

1.2 連接器自動(dòng)化裝配夾具設(shè)計(jì)

連接器和盒體裝配過(guò)程離不開夾具的輔助。裝配夾具選擇鋁合金材料，連接器快速拆裝通用夾具包括高頻連接器加壓模塊、盒體裝配基座、基板加壓模塊、混合連接器加壓模塊四部分構(gòu)成，完成了盒體連接器的一體化裝配。盒體快速定位機(jī)構(gòu)能夠適應(yīng)一定尺寸范圍內(nèi)的不同組件精密定位；卡扣式快速拆裝機(jī)構(gòu)能夠方便地精確定位和鎖緊；壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)通過(guò)鎖緊螺母調(diào)節(jié)壓力，作為獨(dú)立模塊可以快速安裝到指定的壓緊位置。通過(guò)快速拆裝柔性定位技術(shù)能夠滿足微波組件盒體和連接器柔性定位，具備較強(qiáng)的通用性。

1.3 連接器自動(dòng)化裝配設(shè)備研制

本文通過(guò)研究適合機(jī)器人操作的連接器裝配工藝流程實(shí)現(xiàn)連接器與盒體的自動(dòng)化裝配。針對(duì)連接器與盒體的自動(dòng)化裝配與特點(diǎn)，通過(guò)精密機(jī)器人、視覺識(shí)別、物料供應(yīng)、控制等技術(shù)，利用自動(dòng)化技術(shù)，設(shè)計(jì)制備自動(dòng)化裝配設(shè)備，實(shí)現(xiàn)連接器和盒體自動(dòng)化裝配。基于連接器自動(dòng)化裝配工藝設(shè)計(jì)自動(dòng)化裝配單元，本文研制的連接器和盒體自動(dòng)化裝配設(shè)備，依次進(jìn)行盒體裝配、混合連接器和盒體裝配和高頻連接器和盒體裝配，實(shí)現(xiàn)了微波組件的剪接器自動(dòng)化裝配。

2 微波組件連接器自動(dòng)化裝配過(guò)程驗(yàn)證

2.1 裝配精度驗(yàn)證

微波組件高頻連接器的外形尺寸小，而且安裝精度要求較高，盒體定位面和連接器定位面的間隙范圍為0.1mm-0.16mm，因此連接器和盒體之間裝配精度必須優(yōu)于0.05mm才能滿足安裝要求。在連接器裝配單元中利用六軸機(jī)器人進(jìn)行連接器的拾取和放置，六軸機(jī)器人的精度可以達(dá)到0.02mm，然后通過(guò)工業(yè)相機(jī)對(duì)連接器和焊料環(huán)進(jìn)行拍照定位，相機(jī)定位精度優(yōu)于0.02mm，從而保證高頻連接器優(yōu)于0.05mm的裝配精度。高頻連接器中心針的投影和裝配孔之間的同心度測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果如圖3所示，分別檢測(cè)了三種產(chǎn)品的裝配精度，測(cè)試結(jié)果分布在0.05mm~0.07mm之間，優(yōu)于連接器裝配同心度0.1mm的要求，裝配誤差分布均勻，沒(méi)有出現(xiàn)超差的現(xiàn)象，裝配質(zhì)量明顯優(yōu)于操作人員手工裝配。

圖1 高頻連接器中心針裝配精度檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果

2.2 裝配節(jié)拍驗(yàn)證

連接器自動(dòng)裝配分為3個(gè)工位，3個(gè)工位裝配時(shí)間分別為t1、t2、t3，t1、t2和t3中的大者即為裝配單元的裝配節(jié)拍。工位1 需要完成的動(dòng)作依次包括盒體上料、盒體搬運(yùn)、盒體裝入載具、壓力機(jī)構(gòu)壓緊盒體。工位2需要完成的動(dòng)作包括：翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)夾取盒體翻轉(zhuǎn)90°、混合連接器托盤上料、相機(jī)位置糾正、裝配混合連接器、涂混合連接器焊膏、混合連接器固定、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)90°恢復(fù)到原位、將裝好混合連接器盒體放入到夾具中。工位3需要完成的動(dòng)作包括：翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)夾取盒體翻轉(zhuǎn)90°、焊料環(huán)和高頻連接器托盤上料、機(jī)器人分別搬運(yùn)焊料環(huán)和高頻連接器、相機(jī)位置糾正、機(jī)器人裝配高頻連接器和焊料環(huán)、高頻連接器固定、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)90°恢復(fù)到原位。在裝配調(diào)試過(guò)程中，采用了三種產(chǎn)品來(lái)試驗(yàn)，1號(hào)產(chǎn)品的裝配節(jié)拍由12″縮短到了5′10″，裝配效率提升了57%，2號(hào)和3號(hào)產(chǎn)品裝配節(jié)拍由15″縮短到了6′50″，裝配效率提升了54.4%。通過(guò)產(chǎn)品驗(yàn)證結(jié)果可以看出，微波組件連接器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化裝配能夠有效的提高生產(chǎn)效率，適應(yīng)大批量產(chǎn)品的生產(chǎn)需求。

2.3 裝焊質(zhì)量驗(yàn)證

通過(guò)量化控制壓緊力的大小，保證高頻連接器的焊接質(zhì)量。高頻連接器焊接通過(guò)設(shè)計(jì)不同壓力的加壓機(jī)構(gòu)，驗(yàn)證連接器焊接壓力對(duì)焊接效果的影響，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，壓力為5g、10g、15g時(shí)，焊接后高頻連接器中心針未受污染，焊接效果較好，當(dāng)壓力為20g時(shí)，焊接后高頻連接器中心針沾滿焊料，和盒體之間發(fā)生短路現(xiàn)象，焊接效果較差，分析原因是因?yàn)椋?dāng)壓力為20g時(shí)，焊料熔化的一瞬間，連接器向前運(yùn)動(dòng)的速度過(guò)大，將焊料加速擠出到盒體中心孔，導(dǎo)致焊料爬到連接器中心針上污染中心針。因此，通過(guò)試驗(yàn)我們得出，高頻連接器焊接工藝過(guò)程中，焊接壓力控制在10～15g，能夠有效控制高頻連接器的焊接質(zhì)量。

3 結(jié)論

連接器自動(dòng)化裝配焊接可以滿足大批量微波組件高生產(chǎn)效率和質(zhì)量一致性的要求。針對(duì)微波組件連接器的特點(diǎn)，在手工裝配焊接工藝流程的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，將連接器、焊料環(huán)和盒體一體化裝配固定后進(jìn)行回流焊接，研制了連接器自動(dòng)化裝配設(shè)備，進(jìn)行了三種微波組件連接器自動(dòng)化裝配質(zhì)量驗(yàn)證，分析了高頻連接器中心針的投影和裝配孔之間的同心度，三種產(chǎn)品的裝配精度均在0.05mm～0.07mm之間，優(yōu)于連接器裝配同心度0.1mm的要求，裝配質(zhì)量明顯優(yōu)于操作人員手工裝配；三種產(chǎn)品的連接器裝配效率分別提升了57%、54.4%和54.4%；通過(guò)量化控制壓緊力的大小，保證高頻連接器了的焊接質(zhì)量，焊接壓力控制在10~15g時(shí)，高頻連接器的焊接效果最佳。微波組件連接器自動(dòng)化裝配設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)連接器裝配由人工生產(chǎn)方式向自動(dòng)化制造模式的轉(zhuǎn)變，有效提高微波組件的裝配質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

[1]胡明春,周志鵬,嚴(yán)偉.相控陣?yán)走_(dá)收發(fā)組件技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,2010：1-10.

[2] Charles A Harper.電子封裝與互連手冊(cè)[M].賈松良,譯.第4版北京：電子工業(yè)出版社，2009：175-207.