烙鐵焊接機器人焊接機構(gòu)的設(shè)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(shù)作為一種既古老又在不斷創(chuàng)新的焊接技術(shù)，無論在基礎(chǔ)研究、實際應(yīng)用、產(chǎn)品開發(fā)等方面都有非常廣泛的應(yīng)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(zhì)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(gòu)、機器人本體和控制單元組成，其中焊接機構(gòu)是電烙鐵焊接的執(zhí)行機構(gòu)，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(jìn)行錫焊操作[2]，烙鐵焊接機器人結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 烙鐵焊接機器人結(jié)構(gòu)

1 設(shè)計背景

2016 年烙鐵焊接機器人投入運行，使用部門根據(jù)最近幾年的使用情況發(fā)現(xiàn)，烙鐵焊接機器人由于焊接機構(gòu)本身硬件設(shè)計缺陷導(dǎo)致設(shè)備在使用過程中出現(xiàn)很多問題，已經(jīng)無法滿足我所多品種、小批量產(chǎn)品特點的生產(chǎn)需求。

具體問題以及原因分析如下：

問題1：調(diào)節(jié)烙鐵頭角度后送絲嘴角度也改變，增加調(diào)試示教的時間。

原因分析：烙鐵頭組件和送絲嘴組件均固聯(lián)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(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 改造前的烙鐵頭和送絲嘴結(jié)構(gòu)

問題2：烙鐵頭角度可調(diào)范圍過小，無法適應(yīng)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(diào)節(jié)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(fā)生碰撞，損壞元器件。

原因分析：烙鐵頭是依靠氣缸驅(qū)動來實現(xiàn)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(yè)時移動位置稍有偏差就可能與PCB 發(fā)生碰撞，導(dǎo)致?lián)p壞。

問題4：視覺系統(tǒng)偶發(fā)無法識別故障。

原因分析：小組人員和現(xiàn)場工作人員討論分析了各種原因，并逐一排查，發(fā)現(xiàn)最終要因是條形光源光照效果差，導(dǎo)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(dǎo)致送絲距離過長，送絲阻力增大。

2 設(shè)計方案

為了解決烙鐵焊接機器人在使用過程中出現(xiàn)的問題，經(jīng)過多次討論研究，決定對烙鐵焊接機器人的焊接機構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計。首先為了防止因送絲距離過長導(dǎo)致的送絲裝置卡絲、斷絲、彎絲現(xiàn)象的發(fā)生，決定將送絲裝置從原來的機器人本體移到焊接機構(gòu)上[3]。因此，確定了焊接機構(gòu)的總體方案系統(tǒng)如圖3 所示，焊接機構(gòu)是由焊接單元、送絲裝置、攝像模組和主結(jié)構(gòu)件4 個模塊組成。

圖3 焊接機構(gòu)總體方案系統(tǒng)

2.1 主結(jié)構(gòu)件設(shè)計

焊接單元、送絲裝置、攝像模組這3 個模塊安裝在主結(jié)構(gòu)件上，主結(jié)構(gòu)件安裝在機器人本體上。主結(jié)構(gòu)件的設(shè)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(jié)構(gòu)件設(shè)計模型

整個焊接機構(gòu)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(jié)構(gòu)件進(jìn)行受力仿真，將圓形法蘭上端面進(jìn)行固定約束，在主結(jié)構(gòu)件下方方形塊上添加40 N垂直向下的力，劃分網(wǎng)格并求解后，得出分析結(jié)果如圖5 所示，最大應(yīng)力值為17.225 MPa，遠(yuǎn)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(jié)構(gòu)件應(yīng)力仿真

2.2 焊接單元設(shè)計

如圖3 焊接機構(gòu)總體方案系統(tǒng)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(jié)構(gòu)件上，下方腰形孔可以調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)角度[4]。

焊接單元設(shè)計模型如圖6 所示，為了解決設(shè)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(xiàn)兩者各自調(diào)節(jié)，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(diào)節(jié)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(jié)構(gòu)改為導(dǎo)軌滑塊結(jié)構(gòu)，導(dǎo)軌滑塊之間連接彈簧，導(dǎo)軌側(cè)金屬板與圓弧形滑槽連接，滑塊側(cè)金屬板安裝烙鐵頭，該結(jié)構(gòu)設(shè)計解決了問題3。

圖6 焊接單元設(shè)計模型

2.3 送絲裝置設(shè)計

重新設(shè)計之前，設(shè)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(gòu)上[6]。其中焊絲線圈和送絲器繼續(xù)沿用，送絲裝置工裝要重新設(shè)計，設(shè)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(shè)計模型

2.4 攝像模組設(shè)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(huán)形光源，并對工裝進(jìn)行重新設(shè)計，設(shè)計完成后的攝像模組整體模型如圖8 所示，環(huán)形光源安裝在環(huán)形安裝塊下方，與上方相機同心。

圖8 攝像模組設(shè)計模型

2.5 焊接機構(gòu)整體方案

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

圖9 焊接機構(gòu)整體方案模型

3 效果檢查

將設(shè)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(fā)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(xiàn)象，整體性能穩(wěn)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(gòu)的錫焊合格率進(jìn)行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)2020 年8 至10 月錫焊合格率可達(dá)99%，滿足使用部門質(zhì)量要求（表1）。

表1 焊接合格率統(tǒng)計

4 結(jié)束語

重新設(shè)計后的烙鐵焊接機器人的焊接機構(gòu)，利用導(dǎo)軌滑塊加彈簧的結(jié)構(gòu)增加了烙鐵頭的彈性，杜絕了烙鐵頭磕碰損壞元器件現(xiàn)象的發(fā)生；將烙鐵頭組件和送絲嘴組件分開連接，實現(xiàn)兩者各自調(diào)節(jié)，互不干擾，大幅縮短設(shè)備示教和調(diào)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(diào)節(jié)角度，使設(shè)備可以滿足更多、更復(fù)雜的工況；將原來的條形光源改為環(huán)形光源設(shè)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(fēng)險。