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電力系統中，而同軸電纜作為電力系統中不可缺少的重要材料，同軸電纜通過外導體實現屏蔽的作用，采用焊接帶有薄帶卷管組成其結構。本文針對目前人工手動焊接存在的缺陷，設計了一套射頻同軸電纜接頭的激光焊接系統的整機圖紙，并給出了相應的實現方法，最終提供了一種射頻同軸電纜接頭的激光焊接方案。對電力系統中同軸電纜的焊接工作具有重要意義。

關鍵詞：射頻同軸電纜 電力系統 激光焊接方案

一、引言

隨著工業和制造業的快速發展，焊接技術水平也越來越高。新的焊接工藝方法不斷涌現，專業焊接設備日新月異。在電力系統中，射頻電纜接頭被普遍使用，而同軸電纜也是電力系統的重要基礎設施，其外導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，這種不確定導致了傳輸線纜的電抗特性變化[2]。換而言之，在信號傳輸的高速化和可靠化的發展進程中，保護信號完整性的難度不斷提高，實際上就是對電纜焊接工藝提出了高要求和新標準，更是對傳統電纜制作過程提出了新的挑戰。而射頻接頭焊接作為同軸電纜制作過程中最重要最基本的環節之一，只有深入研究焊接工藝對射頻接頭信號完整性影響的主要因素，并且找出焊接工藝方法的改進辦法，了解工藝參數的合適范圍，才是保證信號完整性的根本途徑。

本文提供了一種射頻同軸電纜接頭的激光焊接方案，該方案可通過可視化界面全程控制同軸電纜與射頻電纜接頭的自動焊接過程，同時可對焊接結果進行實時檢測，能夠極大提高焊接速度、焊接精密度和成品率;可以解決手動焊接時所造成的虛焊以及焊接不牢等弊端，為電力系統的穩定運行提供有力保障。

二、機械結構和工作原理

2.1 系統的總體結構及系統設計

2.1.1 機械結構：

設備包括底座110、升降機構120、激光焊接機構130、焊錫機構140、同軸固定機構150、夾線機構160和導軌機構170。其整機結構渲染圖如圖2.1所示。

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

需要特別說明的是，本文采用焊錫機構、同軸固定機構和導軌機構進行導引，能夠將激光焊接機構放置在離工件適當距離的位置上，可在工件周圍的機具或障礙間再導引，且在焊接的全過程中無需與焊接目標接觸，有效地將機具的損耗和形變降至最低，實現了自動化控制。

2.1.2 系統設計：

射頻同軸電纜的可視化智能激光焊接設備主要由機器視覺系統、顯示系統、溫控系統、焊接監測系統、碎屑清理系統和電機控制系統組成。其中電機控制系統主要實現焊接頭與焊錫的供給系統和2M頭的結構控制，分別由步進電機裝置實現，溫度控制系統主要負責2M頭的溫度控制功能。其原理圖如圖2.2所示。

其中各系統主要包括：

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

2）機械系統：包括彈出式放件結構、夾線結構、進線結構、壓線結構、自動焊接結構5大部分，其中自動焊接系統又包括激光器結構、自動進錫結構。

3）控制系統：控制系統包括溫度控制、電機控制、圖像采集顯示、焊接短路斷路檢測、壓線結構控制等。

根據上述的2M頭同軸電纜可視化自動焊接系統的組成單元，其工作流程如圖2所示。

2.2 具體機械結構及工作原理

1）升降機構

如圖2.3所示，升降機構120包括：升降導軌121、升降滑塊122、升降支撐板123和升降電機124。

升降導軌121，其一端支撐在底座110上，在本實施例中升降導軌121由兩根導軌組成;升降滑塊122可滑動設置在升降導軌121上;升降支撐板123設置在升降導軌121另一端，以限制升降滑塊122的滑動位置;升降電機124設置在升降支撐板123上，能夠驅動升降滑塊122沿升降導軌121滑動。

需要特別說明的是，本文選用升降機構120固定激光焊接機構130，通過升降機構能夠實現了激光焊接機構的位置的自由調整，以保證焊接精度。

2） 激光焊接系統

激光焊接機構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可拆卸設置在激光固定座131上，作為一種優選，激光器132與激光固定座132螺紋配合。

如圖2.4所示，焊錫機構140包括：焊錫架141、送錫輪142、送錫管143和送錫電機144。

焊錫架141支撐在底座110上;送錫輪142可旋轉支撐在焊錫架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144連接送錫輪142，并驅動送錫輪142旋轉，以使焊錫串接在送錫管143內。其中，焊錫卷繞在送錫輪142上，送錫電機144連接送錫輪142，能夠拉拽焊錫，使焊錫串接在送錫管143內，使焊錫位于激光器132底部。

如圖2.5所示，夾線機構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平行設置，以夾持電纜。

導軌機構170包括：滑軌固定支座171、第一滑軌172、第二滑軌173、連接架174和翻轉架175。滑軌固定支座171支撐在底座110上;第二滑軌173與第一滑軌172平行設置;連接架174連接第一滑軌172和第二滑軌173;

翻轉架175支撐在連接架上，并支撐在所述滑軌固定支架上，以實現所述滑軌翻轉。作為一種優選，還包括旋轉桿176支撐在夾線機構160一端。

還包括：攝像頭支撐架210、攝像頭220和補光燈230。

3） 可視化成像系統

攝像頭支撐架210支撐在底座110上，位于導軌機構170一端;攝像頭220可拆卸連接攝像頭支撐架210，補光燈230其設置在攝像頭支撐架210上;攝像頭與補光燈整體通過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。

還包括檢測機構300，其設置在導軌機構170上，以進行短路和斷路檢測。

實施以射頻接頭與同軸電纜可視化激光焊接系統的工作過程為例，做進一步說明：

將焊錫放入焊錫架并將焊錫與送錫機構連接，再將橡膠導管與導管接入口連接使送錫機構與焊接機構上的送錫管連接形成整套裝錫過程;將2M頭放入2M頭固定支座上，將通路檢測機構向右移動與2M頭連接;將同軸線放入夾線機構中，把露出的線芯通過向左移動夾線機構插入2M頭芯，完成整套裝線過程;開啟自動控制系統，送錫電機將焊錫通過橡膠導管送入送錫管中直至焊錫出現在2M頭的正上方，升降電機1帶動升降機構和焊接機構向下移動，帶著焊錫插入2M頭芯中與同軸線線芯連接，升降電機帶動升降機構和焊錫機構向上移動回到初始位置完成整套送錫焊接過程;裝錫過程、裝線過程以及送錫焊接過程都可通過攝像在外部電子屏幕上觀察。

三、系統硬件電路的設計與研發。

系統由液壓裝置、步進電機和絲杠裝置、圖像采集裝置和外部通信裝置等組成，其硬件的設計是本文的主要研究內容;

本文對硬件電路的設計給出了設計方法，具體如下：

1）步進電機控制方法：根據細分數，將整步的步距角或是半步的步距角，劃分成為 n 個步距角度，并保證均勻性，從而使電機能夠通過 n 步轉過整步或半步的步距角[3]。本文使用的步進電機為57BYG250-56 2相步進電機 扭矩0，9MM

如圖3.1所示，步進電機驅動電路的控制脈沖由嵌入式系統的電機控制端口輸出，控制信號經74LS14反相后進入9014，經9014放大后控制光電開關，光電隔離后，由功率管TIP122將脈沖信號進行電壓和電流放大，驅動步進電機的各相繞組。使步進電機隨著不同的脈沖信號分別作正轉、反轉、加速、減速和停止等動作。

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，其工作原理是通過單片機引腳輸出低電平使得三極管導通，芯片MOC3023觸發控制BAT16-600BT1和T2腳導通，從而220V市電接入激光器的電源，激光器發出激光作用至焊接位置完成焊接。

3）圖像采集裝置的實現方法：在處理器速度快或圖像采集速度要求不高的應用中I/O接口方式是普遍的選擇[4]。本文應用的就是I/O接口方式。如圖3.3所示，圖像采集系統驅動電路圖，圖像采集系統主要負責焊接狀態的實時顯示和狀態判斷功能，嵌入系統通過圖像采集驅動電路控制帶自動聚焦功能的攝像頭，利用兩個鎖存器分別鎖存狀態和圖像數據，處理器通過兩個I/O端口分別讀取。在采樣時鐘的上升沿數據鎖存器保存傳感器輸出的圖像數據，當處理器通過I/O口讀取圖像時，數據鎖存器輸出數據。其它情況下，鎖存器輸出處于高阻狀態。處理器通過狀態鎖存器讀取同步信號和圖像就緒（Ready）指示信號。在數據鎖存器保存圖像數據的同時，狀態鎖存器產生Ready信號（從‘0’到‘1’）。處理器讀取圖像數據時，Ready信號自動清除（從‘1’到‘0’）。處理器讀取狀態時鎖存器驅動總線，其他情況下輸出處于高阻狀態。

4）外部通信裝置控制方法：如圖3.4所示，其中各個模塊之間的連接關系，單片機控制電控功能圖由圖可以看出通過單片機，對電機驅動、溫度獲取、溫度控制、矯正位置、補光燈控制、通信單元進行合理化控制。

5）機器視覺仿真技術：機器視覺在工業自動化生產中得到廣泛應用[5]，特別是在工業機器人應用領域[6]。機器視覺技術是本系統的核心技術之一，該技術決定了最終設計效果，其主要是實現對焊接過程的實時監控，并通過機器視覺技術，對焊接過程進行實時控制;

6）嵌入式中控系統技術：嵌入式系統是目前的主流技術，其特點眾多，并且由于系統要完成的功能較為復雜，外圍電路較多，并且要完成復雜的算法功能，一般的單片機無法滿足要求;如圖3.5所示，射頻同軸電纜的可視化智能激光焊接設備的硬件電路主要由液壓驅動、步進電機驅動、圖像采集系統驅動、顯示系統設計和溫度控制系統設計等幾部分組成。電控部分功能包括：電機驅動、溫度獲取、溫度控制、矯正位置、補光燈控制、通信單元。

其中控制的單片機型號為STM32F103T8U6，它是32bit微控制器，能產生獨立PWM波，PWM脈寬可調且頻率可調，方便步進電機驅動調試速度[7]。

7）人機交互界面的設計。目前，軟件人機交互窗口主要是使用一些常用的控件進行調整與優化。人機交互界面是系統與操作者交流的主要接口[8]。我們通過在系統外殼上嵌入一個電子屏幕，可以實現人機交互功能。

四、系統控制總體方案

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控制方法：

流程說明：

開啟攝像頭，并監控圖像;

在通電后，調整放入射頻接頭和電纜;

檢測并調整電纜長度，并判斷線纜是否進入凹槽;

通過送錫機構送入焊錫;

通過升降機構調整激光焊接機構的焊接位置，完成焊接就彈出。

具體的說，整個系統工作在密閉的環境中，放件會有一個彈出式結構，在開始焊接之前，操作人員需要啟動相應的按鈕彈出此結構，把工件正確的放置到此結構上，然后推回到相應的位置。其次，操作人員把手動裁好的線，放在相應的夾具上，調整銅芯裸露的長度，然后固定。開啟焊接按鈕，此時送線裝置會按照一定的步進量，把線沿著固定的軌跡送到工件的凹槽內，如果線沒有進入凹槽，需要重新送線。待進線完成后，激光器會步進相應的長度到達工件凹槽上方但與焊接位置保持一定安全距離，此時自動送錫系統會送取已經設定好的固定的錫量用于焊接。待焊接完成后，激光器會退到剛開始的位置，接下來進行斷路、短路檢測，如果檢測不通過，會發出報警信號，同時啟動自動修復功能，重新焊接，與第一次焊接不同的是，當第二次焊接的時候，不會再次送錫。等待檢測，再次焊接完成之后，進行壓接地線。最后一步是退件，在退件之前，首先會檢測工件的溫度，當達不到退件溫度的時候，會啟動制冷系統，待溫度降到設定的溫度的時候，彈出式結構會自動彈出，此時整個焊接過程完成。

結果與展望

本文通過對射頻同軸電纜的激光焊接技術進行研究，設計了一套射頻同軸電纜接頭的激光焊接系統的整機圖紙，并給出了相應的實現方法，最終提供了一種射頻同軸電纜接頭的激光焊接方案。對電力系統中同軸電纜的焊接工作具有重要意義。與此同時我們將加強技術攻關，力爭在第一代射頻同軸電纜的激光焊接系統的基礎上進行技術創新，推出第二代射頻同軸電纜的手持式激光焊接系統，屆時將更加便利于電力系統中射頻同軸電纜的焊接工作。

參考文獻

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