基于SOLIDWORKS的PIN腳自動焊機設計*

侯柏林，朱國榮

（1.惠州城市職業學院，廣東惠州 516025；2.廣東澳德精密機械有限公司，廣東惠州 516001）

0 引言

隨著我國汽車電子、3C 產品、辦公電子和家用小電器制造技術不斷進步，對電子元器件制造質量、精度、壽命有了更高更精準的要求，而產品價格、產品質量、使用壽命、焊接質量是產品銷量的關鍵因素。針對PIN腳焊接自動化程度不高、勞動強度大、工作條件差、生產效率低等不足，本文根據客戶的要求設計開發了一款基于SOLIDWORKS的PIN腳自動焊機。

PIN 腳自動焊機架的外形設計是采用不同于現在國內外常用到的懸掛式、立柱式等結構形式設計，而是采用的國內目前使用得較多的龍門式結構設計[1]。張郭勇[2]在一個基于SOLIDWORKS 平臺開發針對各種工業產品結構上使用的一些典型工業零部件來實現其個性化需求的設計實現技術展開和大量的研究，提出來構建一種面向工業零部件設計的個性化需求的個性化設計實現新技術方案體系框架和各種新技術實現方法；在氬弧焊接機構結構上借鑒了丁衛松[3]針對手工鎢極氬弧焊工藝中采用手動機械操作的送絲勞動強度仍然偏大，技術要求又比較過高，材料資源浪費等這些突出問題，利用世界先進焊接機械原理技術以及通過對適合我國目前傳統技術的現代手工氬弧焊的操作中，需要采用對手動機械送絲方法等問題進行的一定深度的再改進以及技術創新，利用新型技術研制出一種基于手工氬弧焊熔絲接焊工藝的新型自動焊接和送絲連接機構，實用靈活、維護方便，大幅度降低焊接勞動強度，提高焊接質量以及大幅降低焊接操作者安全系數，減少焊材資源消耗等優勢。在焊接工藝方面，參考了薛松柏[4]從國內外現代通用微電子技術的焊接及工藝、焊接應用技術、焊接新材料、焊接應用材料工藝等方面系統詳盡地闡述及探討當代國內外的微電子材料與焊接應用材料技術領域及其研究發展演變歷程特征及典型應用。

在性能檢測機構設計環節，參考了陳功[5]基于LED技術應用在電子產品自動光學快速檢測系統AOI 檢測系統上的研究及應用，提出了應用電子產品自動快速光學快速檢測AOI 系統提升降低了電子產品檢測的整體質量問題和成本、滿足PCB 板檢測的可靠性要求。借鑒了高堂盼[6]基于機器視覺的鋰電池極耳焊接缺陷檢測技術研究與分析文中提出針對鋰電池極耳在焊接工藝中所產生的極耳翻折、焊點不足以及焊破等缺陷問題，提出機器視覺對極耳的焊接缺陷進行識別與檢測。馮廣智等[7]激光焊接應用于紫外LED 氣密性封裝文中針對紫外LED 激光氣密性封裝焊接工藝技術進行攻關，結合多年自主研發激光封焊設備、LED 封裝材料和激光焊接工藝開發的經驗，對紫外LED激光氣密性封裝關鍵技術進行了研究。

因此本PIN 腳自動焊機的設計基于SOLIDWORKS 對PIN 腳自動焊機的整體結構及主要零部件進行設計、參數優化、動作節拍進行仿真實驗、生產模擬等環節，最終通過樣機的組裝調試、樣件生產等環節達到預期效果，獲得客戶的一致好評，本文設計的PIN 腳自動焊機整體結構如圖1所示。

圖1 PIN腳自動焊機整體結構

1 PIN腳自動焊機設計原理

PIN 腳自動焊機整體結構主要有卸料上料機構、氬弧焊接機構、性能檢測機構、不良剔除機構等機構構成，以及電機、變速機構、伏焊機構、轉盤、電機、分格器、機架、伺服機構、PLC及相應的自動化控制系統組成[8]等主要零件組成；焊機的主要動作是通過卸料上料工位、氬弧焊接工位、性能檢測工位、不良剔除工位等4 個工位實現產品的PIN腳的自動焊接。

設計中，氬弧焊接機構中的感應模式選擇至關重要，在參考了王龍騰[9]基于高頻渦流模式下的高效率電烙鐵應用研究中提出優化的電磁感應模式應用電子元器件時焊接加熱時間明顯縮短，加熱效率顯著提高，本文優先選擇氬弧焊的質量好、效率高、變形小、材料適應性廣等優點。設計中在自動化方面，本文參考了合肥工業大學[10]2010年研制開發了性價比優良的單臂和雙臂數控自動焊接機，替代工廠原有的手工焊接方式，焊縫光滑飽滿，優于手工焊縫，大大提高了企業效益，改善工人的工作環境和勞動強度。吳凱等[11]焊接機械裝備中的一種多自由度、伺服控制焊件變位機械設計中通過分析汽車燃油管自動化裝配生產線焊件變位機械的功能，設計出一種多自由度、伺服控制的焊件變位機，對于設計開發多功能、多種類的焊接變位機有一定的參考意義。

本文設計的PIN 腳自動焊機基于變速機構及伺服機構、PLC 等數字化控制實現精準控制，利用傳感技術實現精準到位信號，從而實現焊接整體速度、效率的提升。李俊穎等[12]基于FPGA 的永磁同步電機伺服控制系統設計文中為了研究與實現高性能的永磁同步電機（PMSM）伺服控制系統，設計了基于FPGA 的伺服控制方案，實驗驗證了系統的可行性，并且具有較好的位置精度和動態性能。為了產品能迅速提高車間現場產品焊接與生產操作質量、降低崗位員工產品焊接質量和生產工作勞動強度、實現車間生產線全程自動化連續作業生產等，根據目前廣大焊機客戶提出的產品要求而特別研制生產而研制出了一款具有新型模塊化設計原理的專門的適用于焊接生產的3C 認證產品等安全環保產品焊機系列的PIN腳自動焊機，該系列焊機產品除了具有產品整機結構外形比較簡潔緊湊、使用與維護簡單效率價格比極較高等特點的產品特點，并且還能夠充分地保證了產品的焊接質量。

2 主要部件結構及動作執行機構

PIN 腳自動焊機整體設計的主要機構由卸料上料機構1、氬弧焊接機構2、性能檢測機構3、不良剔除機構4等機構組成。如圖2所示。動作過程：卸料上料工位、氬弧焊接工位、性能檢測工位、不良剔除工位4 個工位實現PIN 腳的自動焊接。自動焊接原理：通過感應線圈實現焊接，本設備感應線圈焊接是10 件一組，轉盤為4工位分度盤，轉動驅動時間約0.5 s，停留工作時間大于或等于2.5 s。動作完成后通過系統自動計數，HMI 顯示產量、計數效率等。

圖2 四大執行機構結構

2.1 卸料上料機構

卸料上料機構主要由定位板、產品卡槽、支撐板、傳感器等結構組成；PIN 腳自動焊機的卸料上料機構工作原理是人工卸料與上料時，卸料上料機構左右兩側安裝光柵傳感器進行安全檢測，轉盤停止，此工序是進行安裝工件或卸載工件，同時系統設置有計時裝置，防止人為長時間停留在此工位而影響設備運轉導致產能下降。如圖3所示。其工序為第一步是整串取下焊接好成品，第二步是放入串好的半成品，人手離開，觸動繼續運轉指令。

圖3 卸料上料機構及卸料上料工位

本文設計的PIN 腳自動焊接機基于變速機構及伺服機構、PLC 等數字化控制實現精準控制，利用傳感技術實現精準到位信號，從而實現PIN 腳的自動焊接整體速度、效率的提升。

在檢測中充分利用了光柵式傳感器的高精度、大量程測量兼有高分辨力、可實現動態測量、具有較強的抗干擾能力等特點。

2.2 氬弧焊接機構

如圖4所示。PIN腳自動焊機的氬弧焊接機構主要有焊接頭伺服橫移X軸機構1、焊接頭氣動升降機構2、銅極升降機構3 等機構組成；焊接工作過程是焊接工位根據轉盤工位到位信號，檢測半成品串，無物料則不動作，有物料則啟動焊接流程：（1）銅極升降機構下降，使銅極緊貼產品焊接PIN 腳；（2）焊接頭氣動升降機構上升，離PIN 腳另一端0.5 mm 距離（此距離可根據實際產品要求調節）使鎢針到達產品焊接位置；（3）焊接頭伺服橫移X軸機構驅動附在上的鎢針在產品串上按順序移動并啟動焊接PIN 腳，此機構有2 組鎢針頭同時焊接，移動5次即可完成產品串共10個產品焊接。完成焊接任務后該機構立即歸位，隨后發送完成信號給轉盤，該機構復位，等待下一次焊接循環。

圖4 氬弧焊接機構

2.3 性能檢測機構

PIN 腳自動焊機的性能檢測機構主要由10 組檢測頭升降機構（圖5）、檢測系統等結構組成，其工作流程：當檢測工位根據轉盤工位到位信號，啟動檢測流程，首先10 組檢測頭同時下降，到位后啟動檢測程序，延時2 s，等待測試儀檢測結果，分10 個變量存儲，并把檢測結果反饋到控制系統，控制系統發出指令，進入不良剔除工位流程，轉盤轉動時轉移到不良剔除工位，完成檢測后，檢測頭上升回位，返回完成信號給轉盤，等待下一次檢測循環。

圖5 10組檢測頭升降機構

2.4 不良剔除機構

PIN 腳自動焊機的不良剔除機構（圖6）主要由剔除升降機構2、剔除橫移機構3、剔除吸盤4、不良品盒等機構組成。

圖6 不良剔除機構

其工作流程是不良剔除工位根據轉盤工位到位信號，接收該組產品檢測結果，不良數等于0不啟動剔除流程，不良數在1～10 之間啟動剔除流程：10 組剔除吸盤頭同時下降，下降到位后，根據檢測不良結果啟動相應吸盤電磁閥，把相應不良品吸住，負壓到位后延時0.1 s，剔除機構升起，升起到位橫移退出，到不良品盒上方，解除真空，破真空0.5 s，把不良品完全調入不良品盒里，完成剔除后，剔除頭橫移回位，返回完成信號給轉盤，等待下一次焊接循環，同時統計不良品數量，良品產出數量，生產效率等。

轉盤機構（圖7）是通過電機及伺服機構、齒輪機構帶動轉盤按照傳感器到位信號及PLC 設置的間隔時間實現精準控制、系統優化控制系統實現效率的提升。

圖7 轉盤機構

3 自動焊機整機技術參數

基于以上主要機構及參數設計，根據客戶需求，調整優化確定設備的技術參數如表1所示。

表1 PIN腳自動焊機技術參數

4 驗證性試驗

通過樣機的初步調試、焊接試驗，結果如圖8示。實驗基于圖中的數據顯示自動焊機樣機的焊接速度是300～500 mm∕s，而手工焊接速度一般低于90 mm∕s，人工焊接速度遠遠低于樣機焊接速度，對比數據顯示自動焊機能夠明顯減輕工人的勞動強度，提高工作效率。

圖8 樣機焊接速度與焊工焊接速度對比

實驗基于圖9的數據可以得出自動焊機樣機焊接10種樣品，每種樣品的合格率為93%～98%，合格率較高，優化后平均合格率提高98%及以上且焊接質量相對穩定；而對比普通人工焊接對相同10種樣品的焊接合格率為60%左右，明顯合格率偏低且焊接質量波動較大、穩定性較差。

圖9 樣機焊接、人工焊接合格率、不合格率對比

5 結束語

該系統性價比高，結構緊湊、工作可靠、安裝和接線簡單，易操作且控制精度高，設計了焊接面底部從而使得焊接強光不會照射至操作人員眼睛等創新點，該系統焊接參數可調節從而保證穩定的焊接質量，減少人為因素造成焊接質量等不合格等缺陷。

應用于實際結果顯示本設備基于觸摸屏進行人機交互，PLC 邏輯脈沖控制，抗干擾能力強，操作簡單，維護調試方便，通過大數據匯總設備的各種狀態信息、報警信息、生產數據等信息。采用自動焊機焊接PIN 腳減輕工人勞動強度，提高工作效率，生產效率由原來1 人焊接一個產品3 s到應用此設備一個產品只需要0.3 s，生產效率提高了1 000%。