微波組件連接器自動化裝配技術研究

趙涌，曹向榮，吳偉偉，羅燕

(上海航天電子通訊設備研究所，上海，201109)

0 引言

微波組件廣泛應用于航空、航天、地面電子偵察、測控等領域的有源相控陣雷達中，有源相控陣雷達中每個或數個輻射單元后均接有一個固態微波組件，一部有源相控陣雷達，少者需幾十數百，多則要成千上萬個微波組件。對發射的信號進行大功率放大，所接收到的信號進行低噪聲放大，為實現波束控制對收/發信號進行幅度和相位的控制，微波組件性能的好壞直接影響整個雷達的性能，可見微波組件是固態有源相控陣雷達的核心部件[1]。在微波組件中，連接器和盒體裝配焊接是組件生產的重要環節。在結構方面，連接器起到機械支撐、定位和物理保護的作用，同時要求連接和盒體之間氣密性，從而保護微波組件內大量裸芯片與外部環境隔絕，免受外界惡劣環境的影響；在信號傳輸方面，連接器起到信號傳輸通道作用，連接器在結構、裝配等方面影響組件的插入損耗和駐波。因此，連接器在微波組件中發揮了至關重要的作用[2]。

國外微波組件研究起步較早，精密機器人的裝配精度較高，組件的生產已經實現自動化。國內雖然開展微波組件的研制起步較晚，但近幾年相關單位結合自己產品的特點正大力發展微波組件自動化裝配。目前微波組件批量生產中，連接器和盒體的裝配焊接主要采用手工裝配操作，部分裝配動作在顯微鏡下進行，裝配效率較低，裝配質量一致性無法控制。隨著微波組件通道數增加和需求量大幅提升，連接器手工裝配效率已遠不能滿足大批量生產要求，因此，微波組件連接器裝配由純手工模式向自動化裝配升級是提升微波組件生產效率和質量一致性的有效途徑。

1 連接器自動化裝配工藝設計

本文通過研究適合機器人操作的連接器裝配工藝流程實現連接器與盒體的自動化裝配。通過精密機器人、視覺識別、物料供應、控制等技術。針對連接器與盒體的自動化裝配與特點，利用自動化技術，在連接器裝配工藝流程、專用裝配夾具等方面進行設計，結合上述設計制備自動化裝配設備，實現連接器和盒體自動化裝配。

1.1 連接器自動化裝配工藝流程研究

連接器包括混合連接器和高頻連接器，分別裝配在盒體的兩個端面。目前連接器與盒體手工裝焊流程需進行多次焊接，很難實現自動化，須進行自動化裝焊流程改進。連接器和盒體依次裝配后局部加熱，多次加熱焊接不易于實現自動化。為此，將連接器依次裝配在盒體的兩個端面上，通過一體化焊接夾具固定，再盒體整體回流焊接。連接器與盒體焊接通常采用焊片或者焊膏。在連接器自動化裝配工藝流程中，高頻連接器和盒體之間的間隙小，無法實現自動化焊膏點涂。連接器和盒體間采用焊料環，先將焊料環裝配在盒體內，然后將高頻連接器裝配在盒體上。連接器和盒體自動化裝焊流程是先將基板和盒體裝配固定，和連接器與盒體一起回流焊接。然后依次裝配高頻連接器和混合連接器，其中高頻連接器采用焊料環和盒體焊接，混合連接器采用焊膏和盒體焊接；連接器和盒體之間通過夾具固定。最后，連機器、基板和盒體進行回流焊接。基板、焊片和盒體裝配動作相對簡單，可采用工裝配，裝配后通過夾具固定再送入自動裝配線體。連接器和盒體裝焊全程需要夾具輔助，夾具起傳輸、固定和定位的作用。連接器裝配在盒體的兩個端面，在裝配過程中需要將盒體端面翻轉至水平面，易于相機定位和裝配。連接器裝配在盒體上，通過夾具固定，然后盒體和夾具一起回流加熱，回流冷卻后將夾具拆卸并取出盒體。

1.2 連接器自動化裝配夾具設計

連接器和盒體裝配過程離不開夾具的輔助。裝配夾具選擇鋁合金材料，連接器快速拆裝通用夾具包括高頻連接器加壓模塊、盒體裝配基座、基板加壓模塊、混合連接器加壓模塊四部分構成，完成了盒體連接器的一體化裝配。盒體快速定位機構能夠適應一定尺寸范圍內的不同組件精密定位；卡扣式快速拆裝機構能夠方便地精確定位和鎖緊；壓力調節機構通過鎖緊螺母調節壓力，作為獨立模塊可以快速安裝到指定的壓緊位置。通過快速拆裝柔性定位技術能夠滿足微波組件盒體和連接器柔性定位，具備較強的通用性。

1.3 連接器自動化裝配設備研制

本文通過研究適合機器人操作的連接器裝配工藝流程實現連接器與盒體的自動化裝配。針對連接器與盒體的自動化裝配與特點，通過精密機器人、視覺識別、物料供應、控制等技術，利用自動化技術，設計制備自動化裝配設備，實現連接器和盒體自動化裝配。基于連接器自動化裝配工藝設計自動化裝配單元，本文研制的連接器和盒體自動化裝配設備，依次進行盒體裝配、混合連接器和盒體裝配和高頻連接器和盒體裝配，實現了微波組件的剪接器自動化裝配。

2 微波組件連接器自動化裝配過程驗證

2.1 裝配精度驗證

微波組件高頻連接器的外形尺寸小，而且安裝精度要求較高，盒體定位面和連接器定位面的間隙范圍為0.1mm-0.16mm，因此連接器和盒體之間裝配精度必須優于0.05mm才能滿足安裝要求。在連接器裝配單元中利用六軸機器人進行連接器的拾取和放置，六軸機器人的精度可以達到0.02mm，然后通過工業相機對連接器和焊料環進行拍照定位，相機定位精度優于0.02mm，從而保證高頻連接器優于0.05mm的裝配精度。高頻連接器中心針的投影和裝配孔之間的同心度測試數據結果如圖3所示，分別檢測了三種產品的裝配精度，測試結果分布在0.05mm~0.07mm之間，優于連接器裝配同心度0.1mm的要求，裝配誤差分布均勻，沒有出現超差的現象，裝配質量明顯優于操作人員手工裝配。

圖1 高頻連接器中心針裝配精度檢測數據結果

2.2 裝配節拍驗證

連接器自動裝配分為3個工位，3個工位裝配時間分別為t1、t2、t3，t1、t2和t3中的大者即為裝配單元的裝配節拍。工位1 需要完成的動作依次包括盒體上料、盒體搬運、盒體裝入載具、壓力機構壓緊盒體。工位2需要完成的動作包括：翻轉機構夾取盒體翻轉90°、混合連接器托盤上料、相機位置糾正、裝配混合連接器、涂混合連接器焊膏、混合連接器固定、翻轉機構翻轉90°恢復到原位、將裝好混合連接器盒體放入到夾具中。工位3需要完成的動作包括：翻轉機構夾取盒體翻轉90°、焊料環和高頻連接器托盤上料、機器人分別搬運焊料環和高頻連接器、相機位置糾正、機器人裝配高頻連接器和焊料環、高頻連接器固定、翻轉機構翻轉90°恢復到原位。在裝配調試過程中，采用了三種產品來試驗，1號產品的裝配節拍由12″縮短到了5′10″，裝配效率提升了57%，2號和3號產品裝配節拍由15″縮短到了6′50″，裝配效率提升了54.4%。通過產品驗證結果可以看出，微波組件連接器實現自動化裝配能夠有效的提高生產效率，適應大批量產品的生產需求。

2.3 裝焊質量驗證

通過量化控制壓緊力的大小，保證高頻連接器的焊接質量。高頻連接器焊接通過設計不同壓力的加壓機構，驗證連接器焊接壓力對焊接效果的影響，通過試驗發現，壓力為5g、10g、15g時，焊接后高頻連接器中心針未受污染，焊接效果較好，當壓力為20g時，焊接后高頻連接器中心針沾滿焊料，和盒體之間發生短路現象，焊接效果較差，分析原因是因為，當壓力為20g時，焊料熔化的一瞬間，連接器向前運動的速度過大，將焊料加速擠出到盒體中心孔，導致焊料爬到連接器中心針上污染中心針。因此，通過試驗我們得出，高頻連接器焊接工藝過程中，焊接壓力控制在10～15g，能夠有效控制高頻連接器的焊接質量。

3 結論

連接器自動化裝配焊接可以滿足大批量微波組件高生產效率和質量一致性的要求。針對微波組件連接器的特點，在手工裝配焊接工藝流程的基礎上進行優化，將連接器、焊料環和盒體一體化裝配固定后進行回流焊接，研制了連接器自動化裝配設備，進行了三種微波組件連接器自動化裝配質量驗證，分析了高頻連接器中心針的投影和裝配孔之間的同心度，三種產品的裝配精度均在0.05mm～0.07mm之間，優于連接器裝配同心度0.1mm的要求，裝配質量明顯優于操作人員手工裝配；三種產品的連接器裝配效率分別提升了57%、54.4%和54.4%；通過量化控制壓緊力的大小，保證高頻連接器了的焊接質量，焊接壓力控制在10~15g時，高頻連接器的焊接效果最佳。微波組件連接器自動化裝配設備能夠實現連接器裝配由人工生產方式向自動化制造模式的轉變，有效提高微波組件的裝配質量和生產效率。

[1]胡明春,周志鵬,嚴偉.相控陣雷達收發組件技術[M].北京：國防工業出版社,2010：1-10.

[2] Charles A Harper.電子封裝與互連手冊[M].賈松良,譯.第4版北京：電子工業出版社，2009：175-207.