金屬化薄膜電容器扁形元件自動錫焊系統

□ 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 設計背景

金屬化薄膜電容器在中、高電壓范圍內有極大優勢,具有儲能密度高、可靠性高等優點,被廣泛應用于機車、軌道交通、風力發電等領域[1-2]。金屬化薄膜電容器元件錫焊的焊點形成機理為熔融錫鉛焊料滴落在待焊接的銅片與元件表面,利用浸潤性在兩者之間表面擴散,冷卻后形成合金,焊點成形以表面圓潤、光滑、無毛刺尖角為宜[3-4]。金屬化薄膜電容器扁形元件類型較多,部分扁形元件體積偏大,手工錫焊只能憑借經驗和操作熟練度來控制焊點的成形,焊點大小不一,焊接過程難以把控,質量穩定性及一致性較差。

自動錫焊概念是針對電子產品高精度裝配與焊接要求而提出的,通過對機器人的工作路徑進行程序編制,引入機器視覺技術修正誤差,進而實現焊點的精確定位[5-7]。

筆者結合金屬化薄膜電容器的特點,設計了一套集扁形元件擺放、定位、錫焊為一體的自動錫焊系統,避免手工焊接過程不可控、焊點大小不一、勞動強度大等缺點[8-9],以提高金屬化薄膜電容器扁形元件的錫焊質量穩定性和焊接生產效率。

2 扁形元件擺放工裝

金屬化薄膜電容器內部由多個扁形元件組合拼裝焊接而成,由于客戶需求不同,扁形元件的數量和規格較多,需要依據不同尺寸規格制作扁形元件擺放工裝來固定,以保證正常焊接[10]。現有操作中多根據不同元件尺寸制造專用工裝,使工裝種類較多,兼容性差,并且扁形元件質量較重,勞動強度較大。筆者設計了可移動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部橫縱方向各有一個可水平移動的滑桿,依據扁形元件的種類移動到所需位置并固定。橫向滑桿上方設置可伸縮硅膠模塊,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擺放定位。工裝外側裝有鎖緊氣缸,使外部框架面保持水平,并通過控制齒輪模組轉動,實現外部框架翻轉。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 自動錫焊系統流程

扁形元件擺入工裝鎖定后,進入預設位置準備自動錫焊。在進行扁形元件錫焊前,必須要先考慮對扁形元件表面各待焊點位的確定、銅片的抓取、焊錫的成形等一系列因素。自動錫焊系統流程如圖3所示。

▲圖3 自動錫焊系統流程

4 視覺掃描與抓取機構

視覺掃描與抓取機構如圖4所示。六軸機械手配合自動錫焊機構實現焊接位姿的確定。由視覺相機和激光傳感器組合成的視覺系統引導六軸機械手到達待焊接平面的位置及電烙鐵烙點高度,確定六軸機械手的空間位移。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。伸縮桿與壓塊組成的錫焊輔助機構壓合銅片與扁形元件表面,防止熔錫無規則串流,影響焊點的規則成形,繼而影響后續點位的焊接,對扁形元件表面造成損傷。抓取機構根據要連接的銅片類型,抓取銅片放在扁形元件表面上。

▲圖4 視覺掃描與抓取機構

5 自動錫焊機構

自動錫焊機構如圖5所示。人工上料完成后進入自動錫焊工位,六軸機械手準確抓取銅片放在扁形元件表面上。視覺相機對銅片進行掃描,定位至銅片觸角邊緣中心位置。烙鐵頭烙點與掃描定位點保持一致,可進行焊接作業。掃描定位效果如圖6所示。

▲圖5 自動錫焊機構

▲圖6 掃描定位效果

6 焊接效果

自動錫焊機構按照設置好的錫焊參數對扁形元件正反面進行自動焊接作業,焊接效果如圖7所示。由圖7可以看到,焊點圓心均為銅片觸角邊緣中心,符合視覺定位及電烙鐵烙點要求。焊點表面無空洞、無尖角,焊點大小適中,焊錫能覆蓋住銅片連接位。焊點外觀符合工藝要求。

▲圖7 焊接效果

7 結束語

筆者通過對金屬化薄膜電容器扁形元件錫焊過程進行分析,設計了自動錫焊系統。這一系統包括扁形元件擺放工裝、自動錫焊機構、視覺掃描與抓取機構,實現集扁形元件擺放、定位、焊錫于一體。通過對焊接效果的分析,驗證了自動錫焊系統的可行性,為后續多類型金屬化薄膜電容器內部元件的自動化錫焊提供了技術參考。

所設計的自動錫焊系統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,現有焊點檢測還局限于焊點表面外觀檢測,后續可通過機器視覺與超聲技術的結合運用,實現對焊點外觀的自動化判定,以及焊點內部填充狀態的探測,不進行焊點的破壞性試驗即可觀察到焊點內部填充狀態,進而更全方位地對錫焊質量進行分析。