烙鐵焊接機器人焊接機構的設計

唐立杰，張忠波

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽合肥 230088）

0 引言

錫焊技術作為一種既古老又在不斷創新的焊接技術，無論在基礎研究、實際應用、產品開發等方面都有非常廣泛的應用。為了減少工人的勞動強度，提高錫焊工作效率，消除因手工焊接帶來的焊接質量不確定性，第三十八研究所引入了烙鐵錫焊機器人，用于各類電子元器件的焊接[1]。

整個烙鐵錫焊機器人由焊接機構、機器人本體和控制單元組成，其中焊接機構是電烙鐵焊接的執行機構，安裝在機器人操作臂的末端，被操作臂帶到需要焊接的位置進行錫焊操作[2]，烙鐵焊接機器人結構如圖1 所示。

圖1 烙鐵焊接機器人結構

1 設計背景

2016 年烙鐵焊接機器人投入運行，使用部門根據最近幾年的使用情況發現，烙鐵焊接機器人由于焊接機構本身硬件設計缺陷導致設備在使用過程中出現很多問題，已經無法滿足我所多品種、小批量產品特點的生產需求。

具體問題以及原因分析如下：

問題1：調節烙鐵頭角度后送絲嘴角度也改變，增加調試示教的時間。

原因分析：烙鐵頭組件和送絲嘴組件均固聯在氣缸背部的同一塊金屬連接板上，改造前的烙鐵頭和送絲嘴結構如圖2所示。

圖2 改造前的烙鐵頭和送絲嘴結構

問題2：烙鐵頭角度可調范圍過小，無法適應特殊工況。

原因分析：由于弧形滑槽較短，如圖2 所示，烙鐵頭與豎直方向角度調節范圍為0～30°。

問題3：烙鐵頭組件剛度太大，時常與PCB（Printed Circuit Board，印刷電路板）發生碰撞，損壞元器件。

原因分析：烙鐵頭是依靠氣缸驅動來實現軸向移動，如圖2所示，由于氣缸柔性不足，烙鐵頭在示教或作業時移動位置稍有偏差就可能與PCB 發生碰撞，導致損壞。

問題4：視覺系統偶發無法識別故障。

原因分析：小組人員和現場工作人員討論分析了各種原因，并逐一排查，發現最終要因是條形光源光照效果差，導致圖像無法識別。

問題5：送絲裝置時常卡絲、斷絲、彎絲。

原因分析：送絲裝置安裝在機器人本體上，導致送絲距離過長，送絲阻力增大。

2 設計方案

為了解決烙鐵焊接機器人在使用過程中出現的問題，經過多次討論研究，決定對烙鐵焊接機器人的焊接機構進行重新設計。首先為了防止因送絲距離過長導致的送絲裝置卡絲、斷絲、彎絲現象的發生，決定將送絲裝置從原來的機器人本體移到焊接機構上[3]。因此，確定了焊接機構的總體方案系統如圖3 所示，焊接機構是由焊接單元、送絲裝置、攝像模組和主結構件4 個模塊組成。

圖3 焊接機構總體方案系統

2.1 主結構件設計

焊接單元、送絲裝置、攝像模組這3 個模塊安裝在主結構件上，主結構件安裝在機器人本體上。主結構件的設計模型如圖4所示，上方圓形法蘭與機器人本體末端連接，下方的方形塊四面分別用來連接焊接單元工裝、送絲裝置工裝、攝像模組工裝。

圖4 主結構件設計模型

整個焊接機構的材料如果均選用6061 鋁合金，那么整體的重量小于機器人末端的額定載荷4 kg。為了驗證6061 鋁合金的強度符合要求，運用有限元分析軟件ANSYS 對主結構件進行受力仿真，將圓形法蘭上端面進行固定約束，在主結構件下方方形塊上添加40 N垂直向下的力，劃分網格并求解后，得出分析結果如圖5 所示，最大應力值為17.225 MPa，遠小于6061 鋁合金的屈服強度180 MPa，因此，6061 鋁合金的強度符合要求。

圖5 主結構件應力仿真

2.2 焊接單元設計

如圖3 焊接機構總體方案系統所示，焊接單元由烙鐵頭組件、送絲嘴組件和焊接單元工裝組成。其中，焊接單元工裝是由方形安裝塊和圓弧形滑槽組成，方形安裝塊安裝在主結構件上，下方腰形孔可以調節圓弧形滑槽的高度，烙鐵頭組件和送絲嘴組件安裝在圓弧形滑槽上，可以沿弧形滑槽調節角度[4]。

焊接單元設計模型如圖6 所示，為了解決設計背景中的問題1，決定將烙鐵頭組件和送絲嘴組件分開獨立連接，實現兩者各自調節，互不干擾；增加焊接單元工裝中圓弧形滑槽角度，將烙鐵頭組件和送絲嘴組件角度可調節范圍增加到0～60°，解決了問題2[5]；將原來烙鐵頭組件的氣缸結構改為導軌滑塊結構，導軌滑塊之間連接彈簧，導軌側金屬板與圓弧形滑槽連接，滑塊側金屬板安裝烙鐵頭，該結構設計解決了問題3。

圖6 焊接單元設計模型

2.3 送絲裝置設計

重新設計之前，設備的送絲裝置安裝在機器人本體上，為了縮短送絲距離，減小送絲阻力，解決問題5，研究決定將送絲裝置移到焊接機構上[6]。其中焊絲線圈和送絲器繼續沿用，送絲裝置工裝要重新設計，設計完成后的送絲裝置整體模型如圖7 所示。

圖7 送絲裝置設計模型

2.4 攝像模組設計

攝像模組是由相機、光源和攝像模組工裝組成。為了解決問題4，決定將原來的條形光源更換為光照效果更好的環形光源，并對工裝進行重新設計，設計完成后的攝像模組整體模型如圖8 所示，環形光源安裝在環形安裝塊下方，與上方相機同心。

圖8 攝像模組設計模型

2.5 焊接機構整體方案

將設計完成后的各個模塊模型進行裝配并檢查干涉情況，完成后的焊接機構整體模型如圖9 所示。

圖9 焊接機構整體方案模型

3 效果檢查

將設計好的各個模塊分別出圖、加工、裝配、總裝，完成后的烙鐵焊接機器人如圖10 所示。2019 年6 月整體投入使用，運行一年多，未發生過送絲裝置卡絲、斷絲、彎絲和因光源引起的圖像無法識別現象，整體性能穩定。

圖10 改造后實物

另外，通過對完成后烙鐵焊接機器人焊接機構的錫焊合格率進行統計，發現2020 年8 至10 月錫焊合格率可達99%，滿足使用部門質量要求（表1）。

表1 焊接合格率統計

4 結束語

重新設計后的烙鐵焊接機器人的焊接機構，利用導軌滑塊加彈簧的結構增加了烙鐵頭的彈性，杜絕了烙鐵頭磕碰損壞元器件現象的發生；將烙鐵頭組件和送絲嘴組件分開連接，實現兩者各自調節，互不干擾，大幅縮短設備示教和調試的時間；加大圓弧形滑槽角度，增大烙鐵頭和送絲嘴的可調節角度，使設備可以滿足更多、更復雜的工況；將原來的條形光源改為環形光源設計，補光效果更好；改變送絲裝置的布置方式，使送絲距離更短，阻力更小，減小卡絲、斷絲、彎絲的風險。