金屬化薄膜電容器扁形元件自動(dòng)錫焊系統(tǒng)

□ 何澤鈞 □ 孫 檀 □ 徐 剛 □ 徐元杰 □ 唐志平

寧波市江北九方和榮電氣有限公司 浙江寧波 315033

1 設(shè)計(jì)背景

金屬化薄膜電容器在中、高電壓范圍內(nèi)有極大優(yōu)勢(shì),具有儲(chǔ)能密度高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于機(jī)車(chē)、軌道交通、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域[1-2]。金屬化薄膜電容器元件錫焊的焊點(diǎn)形成機(jī)理為熔融錫鉛焊料滴落在待焊接的銅片與元件表面,利用浸潤(rùn)性在兩者之間表面擴(kuò)散,冷卻后形成合金,焊點(diǎn)成形以表面圓潤(rùn)、光滑、無(wú)毛刺尖角為宜[3-4]。金屬化薄膜電容器扁形元件類(lèi)型較多,部分扁形元件體積偏大,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)的成形,焊點(diǎn)大小不一,焊接過(guò)程難以把控,質(zhì)量穩(wěn)定性及一致性較差。

自動(dòng)錫焊概念是針對(duì)電子產(chǎn)品高精度裝配與焊接要求而提出的,通過(guò)對(duì)機(jī)器人的工作路徑進(jìn)行程序編制,引入機(jī)器視覺(jué)技術(shù)修正誤差,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)焊點(diǎn)的精確定位[5-7]。

筆者結(jié)合金屬化薄膜電容器的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一套集扁形元件擺放、定位、錫焊為一體的自動(dòng)錫焊系統(tǒng),避免手工焊接過(guò)程不可控、焊點(diǎn)大小不一、勞動(dòng)強(qiáng)度大等缺點(diǎn)[8-9],以提高金屬化薄膜電容器扁形元件的錫焊質(zhì)量穩(wěn)定性和焊接生產(chǎn)效率。

2 扁形元件擺放工裝

金屬化薄膜電容器內(nèi)部由多個(gè)扁形元件組合拼裝焊接而成,由于客戶需求不同,扁形元件的數(shù)量和規(guī)格較多,需要依據(jù)不同尺寸規(guī)格制作扁形元件擺放工裝來(lái)固定,以保證正常焊接[10]。現(xiàn)有操作中多根據(jù)不同元件尺寸制造專(zhuān)用工裝,使工裝種類(lèi)較多,兼容性差,并且扁形元件質(zhì)量較重,勞動(dòng)強(qiáng)度較大。筆者設(shè)計(jì)了可移動(dòng)的扁形元件擺放通用工裝,兼容多款多組扁形元件的擺放,可滿足多尺寸規(guī)格扁形元件的錫焊定位,如圖1所示。

▲圖1 扁形元件擺放工裝

在扁形元件擺放工裝內(nèi)部橫縱方向各有一個(gè)可水平移動(dòng)的滑桿,依據(jù)扁形元件的種類(lèi)移動(dòng)到所需位置并固定。橫向滑桿上方設(shè)置可伸縮硅膠模塊,既滿足扁形元件橫向位置鎖定,又可緩沖外力,避免因鎖緊力過(guò)大而損傷扁形元件。工裝底面裝有磁力吸附擋塊,可滿足兩組或三組扁形元件同時(shí)擺放定位。工裝外側(cè)裝有鎖緊氣缸,使外部框架面保持水平,并通過(guò)控制齒輪模組轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)外部框架翻轉(zhuǎn)。扁形元件擺放工裝的使用效果如圖2所示。

▲圖2 扁形元件擺放工裝使用效果

3 自動(dòng)錫焊系統(tǒng)流程

扁形元件擺入工裝鎖定后,進(jìn)入預(yù)設(shè)位置準(zhǔn)備自動(dòng)錫焊。在進(jìn)行扁形元件錫焊前,必須要先考慮對(duì)扁形元件表面各待焊點(diǎn)位的確定、銅片的抓取、焊錫的成形等一系列因素。自動(dòng)錫焊系統(tǒng)流程如圖3所示。

▲圖3 自動(dòng)錫焊系統(tǒng)流程

4 視覺(jué)掃描與抓取機(jī)構(gòu)

視覺(jué)掃描與抓取機(jī)構(gòu)如圖4所示。六軸機(jī)械手配合自動(dòng)錫焊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)焊接位姿的確定。由視覺(jué)相機(jī)和激光傳感器組合成的視覺(jué)系統(tǒng)引導(dǎo)六軸機(jī)械手到達(dá)待焊接平面的位置及電烙鐵烙點(diǎn)高度,確定六軸機(jī)械手的空間位移。送錫管處于電烙鐵焊頭上方,定量提供焊錫,配合電烙鐵在扁形元件表面形成焊點(diǎn)。伸縮桿與壓塊組成的錫焊輔助機(jī)構(gòu)壓合銅片與扁形元件表面,防止熔錫無(wú)規(guī)則串流,影響焊點(diǎn)的規(guī)則成形,繼而影響后續(xù)點(diǎn)位的焊接,對(duì)扁形元件表面造成損傷。抓取機(jī)構(gòu)根據(jù)要連接的銅片類(lèi)型,抓取銅片放在扁形元件表面上。

▲圖4 視覺(jué)掃描與抓取機(jī)構(gòu)

5 自動(dòng)錫焊機(jī)構(gòu)

自動(dòng)錫焊機(jī)構(gòu)如圖5所示。人工上料完成后進(jìn)入自動(dòng)錫焊工位,六軸機(jī)械手準(zhǔn)確抓取銅片放在扁形元件表面上。視覺(jué)相機(jī)對(duì)銅片進(jìn)行掃描,定位至銅片觸角邊緣中心位置。烙鐵頭烙點(diǎn)與掃描定位點(diǎn)保持一致,可進(jìn)行焊接作業(yè)。掃描定位效果如圖6所示。

▲圖5 自動(dòng)錫焊機(jī)構(gòu)

▲圖6 掃描定位效果

6 焊接效果

自動(dòng)錫焊機(jī)構(gòu)按照設(shè)置好的錫焊參數(shù)對(duì)扁形元件正反面進(jìn)行自動(dòng)焊接作業(yè),焊接效果如圖7所示。由圖7可以看到,焊點(diǎn)圓心均為銅片觸角邊緣中心,符合視覺(jué)定位及電烙鐵烙點(diǎn)要求。焊點(diǎn)表面無(wú)空洞、無(wú)尖角,焊點(diǎn)大小適中,焊錫能覆蓋住銅片連接位。焊點(diǎn)外觀符合工藝要求。

▲圖7 焊接效果

7 結(jié)束語(yǔ)

筆者通過(guò)對(duì)金屬化薄膜電容器扁形元件錫焊過(guò)程進(jìn)行分析,設(shè)計(jì)了自動(dòng)錫焊系統(tǒng)。這一系統(tǒng)包括扁形元件擺放工裝、自動(dòng)錫焊機(jī)構(gòu)、視覺(jué)掃描與抓取機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)集扁形元件擺放、定位、焊錫于一體。通過(guò)對(duì)焊接效果的分析,驗(yàn)證了自動(dòng)錫焊系統(tǒng)的可行性,為后續(xù)多類(lèi)型金屬化薄膜電容器內(nèi)部元件的自動(dòng)化錫焊提供了技術(shù)參考。

所設(shè)計(jì)的自動(dòng)錫焊系統(tǒng)既適用于金屬化薄膜電容器的扁形元件,也適用于圓形元件。另一方面,現(xiàn)有焊點(diǎn)檢測(cè)還局限于焊點(diǎn)表面外觀檢測(cè),后續(xù)可通過(guò)機(jī)器視覺(jué)與超聲技術(shù)的結(jié)合運(yùn)用,實(shí)現(xiàn)對(duì)焊點(diǎn)外觀的自動(dòng)化判定,以及焊點(diǎn)內(nèi)部填充狀態(tài)的探測(cè),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),進(jìn)而更全方位地對(duì)錫焊質(zhì)量進(jìn)行分析。