全自動平行縫焊機控制系統設計

李文杰，喬 麗，邊國敏

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024)

全自動平行縫焊機應用于金屬化陶瓷和金屬的氣密性封裝。主要針對聲表和晶振領域的石英晶體和微電子傳感器。

全自動平行縫焊機采用陣列方式焊接，具有自動熱處理、自動圖像對位、自動預焊、自動縫焊、自動上下料功能。

1 焊接原理

焊接原理，利用逆變電源產生的大電流，通過電極輪流過電阻發熱的原理，當達到表層金屬融化溫度時，兩種金屬便熔在一起，使腔體內部形成與外界隔絕的小環境，如圖1所示。

2 設備構成

全自動平行縫焊機主要由烘箱、管殼上料機構、傳輸機構、管殼校正平臺、蓋板上料機構、預焊機構、Y向縫焊機構、X向縫焊機構、下料機構、視覺系統、控制系統、氣路系統、手套箱支架等組成。

3 工藝流程

產品經烘箱熱處理后，由上料機構將放有管殼的托盤取出，放置在存儲架上，然后再轉移到托盤上料緩存位→通過傳輸機構，將托盤傳輸到管殼校正臺，經過視覺系統的分析，平臺校正，將管殼和蓋板精確對位，并在預焊臺進行點焊→傳輸機構將托盤傳輸到下一工位進行Y方向的縫焊→然后再將托盤傳輸到下一工位進行X方向的縫焊→傳輸托盤到下料緩存位→下料機構將托盤拉出，放到下料緩存區，如圖2所示。

4 電氣控制系統組成

全自動平行縫焊機對設備的可靠性、穩定性、實時性提出了很高的要求，對于小產品、大批量封裝設備來說，必須具備對位精確、快速、成品率高、性能穩定、操作簡單等特點。本設備具有兩個重要的技術指標要求：

圖2 全自動平行縫焊機工藝流程圖

·縫焊焊接速度：1.8 s/個

·管殼焊環與蓋板的對位精度：≤0.05 mm

如何在極短時間內完成一系列復雜動作，又保證對位精度，對于全自動平行縫焊機的運動控制系統提出了很高的要求。

本設備運動系統的核心是基于計算機標準總線的運動控制卡，它是利用工業計算機硬件和操作系統，并結合用戶開發的運動控制應用程序來實現，具有高速的處理能力。因此我們選用工控機作為上位機，并采用C#開發控制界面，利用PCI插槽內插入安川運動控制卡的方式，通過MIII總線與伺服通信。

為保證管殼與蓋板的對位精度小于50 μm，蓋板的定位與放置就是關鍵工序。蓋板的定位精度由機械保證，蓋板的拾放機構扭矩較大，動作頻率較快，因此我們選用直驅電機帶動點焊頭旋轉，進行蓋板的拾放和點焊。

管殼的位置由視覺系統和對位平臺綜合保證（以蓋板為模版，確定管殼的目標位置），最終保證精度控制在50 μm之內。由于設備涵蓋產品尺寸較寬：（2×2.5）mm～（30×30）mm，因此我們選用500萬像素相機+遠心變倍鏡頭進行視覺對位，靶面大小是7～8.5 mm，工作距離337.6 mm，景深2 mm，鏡頭放大倍數是0.21～1.35X，得出視場范圍是（6.3×5.2）mm～（40×33）mm。通過視覺計算出管殼的中心和斜對角線，將蓋板的中心和斜對角線與管殼的中心和斜對角線對應重合，達到適應管殼尺寸公差的目的，最終像素當量是2.55 μm。

除DDR外，該設備還有21個伺服單元和34個汽缸作為執行元件。

焊接效果是整個工藝過程核心，焊接電源的能力與控制成為本設備的關鍵，通過與廠商合作，對焊接電源輸出電流進行監控，實現閉環反饋與控制。并且在波形控制和控制精度上改進，最終使焊接成品的氣密性和焊縫外觀達到了很好效果。

電氣控制框圖見圖3所示。

圖3 全自動平行縫焊機控制系統組成圖

5 網絡結構

主機PCI插槽內插入MP2100運動控制卡，最大可以帶32軸，掃描周期為0.5 ms，上位開發平臺選用VS2010，通過調用API函數，經由PCI總線訪問MP2100寄存器。

控制層使用MPE720工具軟件開發，I/O信號通過2塊64入64出的2310模塊采集并控制電磁閥等輸出，I/O 2310與所有伺服驅動器通過總線連接，現場網絡為MECHTROLIKE III總線，傳送速度為100 Mbps。

所有伺服系統均為總線式，選用安川SG7系列，內置24位增量式編碼器，最大轉矩350%。

焊接電源用途分別為點焊、Y方向縫焊、X方向縫焊。3個焊接電源自帶232口，通過串行線連接到PCI插槽上串口卡接口，與上位機通訊。為了防止串口通訊干擾，選用帶隔離的232串口卡。PCIE插槽插入視覺采集卡，配有千兆網口，采集圖像信息。相機型號是FL3-GE-50S5M-C，鏡頭型號VSZ-0745+VSZ-03。

網絡結構見圖4所示。

圖4 全自動平行縫焊機網絡結構圖

6 上位軟件界面

軟件需實現與圖像采集卡、溫控模塊、運動控制卡、數字量及模擬量數據采集卡的數據通訊，同時具備接受界面輸入的參數，經過運算、控制邏輯，完成設備的控制。軟件具有初始化、視覺定位、參數設置、軸測試、診斷功能；為了保證軟件控制的可靠性，需配備診斷功能、維護功能。為保證數據的真實性、可靠性，需配備示教功能、校驗功能。軟件采用模塊化設計，包括用戶、文件、初始化，參數設置，操作模式、狀態監控、設備維護等模塊，其組成如圖5所示。

圖5 全自動平行縫焊機上位界面組成圖

用戶模塊主要用于設置不同的用戶等級和相應的密碼。不同的等級有不同的訪問權限。

文件模塊主要用于新建文件、保存、刪除和另存文件等操作。其中文件的命名可根據所焊接管殼的外形尺寸來定義。

初始化模塊主要用于開機后，設備各個運動部件回歸原點以及參數初始化。

參數設置用于設置工藝參數、軸參數、系統參數等數據信息，主要包括位置參數，產品參數和電源參數，位置參數主要用于設定設備本身固有的一些參數，產品參數主要設定與焊接產品本身相關的參數，比如管殼和夾具的長寬高等。電源參數主要用于調試點焊和縫焊所用焊接電源的相關參數。

操作模式包括手動模式、自動模式和演示模式。

狀態監控主要用于監控電機運行的速度、位置、加減速、汽缸的位置、各個傳感器的狀態、焊接電源當前所用的參數組等。

視覺操作，主要用于視覺標定，視覺校驗等視覺相關操作。

設備維護包括設備常見錯誤及故障的分析和處理方法，以及告知用戶設備操作規范和相關的技術支持。

7 下位運動控制

本系統下位運動控制部分采用安川的編程工具MPE720 Ver.7進行開發，程序采用模塊化設計。程序主體結構如圖6所示。

圖6 全自動平行縫焊機下位程序結構圖

8 結 論

全自動平行縫焊機經過連續1年的測試運行，實踐證明，該系統擁有運行穩定可靠、定位準確、控制精度高、故障率低等優點。