三坐標(biāo)自動焊接機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：為了提高電路板焊接質(zhì)量和焊接效率，改善焊接工人勞動條件，實(shí)現(xiàn)小批量電路板的自動化焊接，研制開發(fā)了一種智能三坐標(biāo)臺式自動焊接機(jī)。該系統(tǒng)具有智能化程度高、精度高、焊接速度快等特點(diǎn)，能夠完成電路板上元器件的自動焊接；主要由滾珠絲杠三坐標(biāo)運(yùn)動機(jī)構(gòu)、自動送錫機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)和上位機(jī)軟件組成；通過電機(jī)與絲杠的相互配合，上下位機(jī)的相互通信，使得焊接過程操作簡便，焊接質(zhì)量優(yōu)良，滿足了實(shí)際使用要求。

關(guān)鍵詞：三坐標(biāo)；自動；焊接機(jī)床；數(shù)控系統(tǒng)

一直以來，各個電子制造廠焊接電路板時運(yùn)用的大多都是傳統(tǒng)的手工藝焊接的辦法，也就是人工手持電烙鐵來進(jìn)行焊接的辦法，這樣對焊接工人技能需求就很高，且存在許多缺點(diǎn)。首先是速度慢，由于人太過于自由靈活，稍微受點(diǎn)影響就會導(dǎo)致焊接位置偏移，帶來焊接誤差，還非常容易出操作事端，發(fā)生較多的工傷事故。因而這種焊接辦法也在逐漸地被企業(yè)淘汰，與此對應(yīng)的自動化焊接技術(shù)優(yōu)勢凸顯，逐漸時興起來。

1 系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)過程

本系統(tǒng)是將三坐標(biāo)移動精確定位思想靈活應(yīng)用到電路板焊點(diǎn)定位上，被固定在軸上的焊槍可在空間中X、Y、Z三個方向自由移動，從而實(shí)現(xiàn)焊點(diǎn)的精確定位并依照命令執(zhí)行焊接動作。X、Y、Z的具體坐標(biāo)移動的位置也就是電路板的焊點(diǎn)位置，從Altium Designer軟件導(dǎo)出至Excel表格中，再由上位機(jī)采集通過串口傳送給下位機(jī)，單片機(jī)接收到定位坐標(biāo)后給定細(xì)分器脈沖來控制電機(jī)驅(qū)動器，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動一定的角度，步進(jìn)電機(jī)帶動絲杠上的滑塊實(shí)現(xiàn)三坐標(biāo)的運(yùn)動，通過焊槍的二維運(yùn)動和焊臺的一維運(yùn)動相互組合，定位至要焊接的焊點(diǎn)。

如圖1所示，焊槍由x、z方向的兩個步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動絲杠，待x、z平面內(nèi)定位完畢，y方向的步進(jìn)電機(jī)開始運(yùn)動，將載有電路板的焊臺運(yùn)送到焊接位置，再由步進(jìn)電機(jī)組成的送絲機(jī)構(gòu)向高頻加熱器的線圈內(nèi)送焊絲，焊絲通過加熱融化再加上烙鐵頭與焊錫的接觸來進(jìn)一步加熱，即可對所需加工零件進(jìn)行焊接，焊接時，溫度由非接觸式溫度傳感器檢測，保證工作過程中的溫度要求，當(dāng)溫度過高或過低時便可進(jìn)行手動調(diào)節(jié)，使整個系統(tǒng)的操作更加人性化。焊接完成后，x、y、z軸方向的步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，并回到起始位置待命。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)利用上位機(jī)導(dǎo)入電路板焊點(diǎn)位置的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，上位機(jī)和下位機(jī)通過串口通信，主要完成焊點(diǎn)坐標(biāo)的信號傳輸，下位機(jī)接到上位機(jī)的焊點(diǎn)坐標(biāo)后發(fā)出程序指令，電機(jī)驅(qū)動器接到指令后開始控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，進(jìn)而控制絲杠滑動平臺移動、通過坐標(biāo)與步進(jìn)電機(jī)的步距角還有絲杠的螺距之間的關(guān)系，設(shè)定相應(yīng)的算法，使得三坐標(biāo)準(zhǔn)確定位。

控制系統(tǒng)主要由步進(jìn)驅(qū)動器、主控芯片、液晶顯示屏等組成。主控芯片選用的單片機(jī)是Free scale公司的16位單片機(jī)MC9S12XS1

28。為了使步進(jìn)電機(jī)移動的精度更高，從而使絲杠的傳動更加平穩(wěn)，我們選擇了最大可16細(xì)分的ZD-6560-V4高性能步進(jìn)驅(qū)動器。

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

機(jī)械部分主要是以實(shí)現(xiàn)x、y、z三個方向上的運(yùn)動為主，此外還有對送絲系統(tǒng)的設(shè)計。焊槍固定在z軸方向的絲杠滑塊上，同時z軸絲杠又被固定在x軸絲杠滑塊上，并能自由移動，這樣就實(shí)現(xiàn)了焊槍的二維移動。帶有工件的焊臺則固定在y軸絲杠滑塊上，可實(shí)現(xiàn)焊臺的前后移動。此機(jī)械結(jié)構(gòu)各部分的相互結(jié)合實(shí)現(xiàn)了三個坐標(biāo)上的運(yùn)動，焊槍可在工件上的任何一個位置進(jìn)行焊接。

4 下位機(jī)程序設(shè)計

單片機(jī)在接到上位機(jī)傳來的坐標(biāo)信號后，發(fā)出終端，這時各個步進(jìn)電機(jī)開始按指令執(zhí)行，x，y，z三軸開始運(yùn)動，定位至焊接點(diǎn)，等準(zhǔn)備就緒之后送絲機(jī)構(gòu)開始往下輸送焊錫絲，同時給焊錫和烙鐵頭加熱，二者溫度都達(dá)到要求之后便開始焊接電路板，某焊孔焊接完畢后，x，y，z三軸復(fù)位，等待下一次中斷信號，繼續(xù)焊接電路板上的其他焊孔。單片機(jī)程序設(shè)計整體流程圖如圖3所示。

5 上位機(jī)設(shè)計

上位機(jī)采用C#可視化語言編寫，上位機(jī)軟件可與單片機(jī)進(jìn)行串口通信，在上位機(jī)中輸入控件輸入焊點(diǎn)坐標(biāo)位置，通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給下位機(jī)，下位機(jī)接到信號后再處理并控制烙鐵頭的運(yùn)動，具體界面如圖4所示。

6 結(jié)束語

該三坐標(biāo)自動焊接機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)借鑒三坐標(biāo)測量機(jī)的設(shè)計原理，為焊接機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)精確定位焊點(diǎn)提供了較強(qiáng)的理論性依據(jù)。焊接精度高，系統(tǒng)采用絲杠傳動系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)焊槍在空間X、Y、Z方向的移動，在最大程度上保證了絲杠的直線性和分辨率微小化，從而保證了加工的精確性，提高了焊接的精度。該系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，外形美觀，制造成本低，軟件結(jié)構(gòu)開放，編程操作和維修簡單，應(yīng)用前景較好。

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