玻璃烧结连接器电镀挂绑工艺的研究和应用

2018-06-06张波利何溪闫冰申瑞

科技创新与应用 2018年15期

张波利　何溪　闫冰　申瑞

摘要：文章通过对玻璃烧结连接器电镀工艺的分析，研发出一種用于电镀中铜丝挂绑工序的自动化设备，可以实现该工序的自动化。改进后的电镀工艺可提高生产效率和产品的一致性，增强连接器的可靠性，满足该产品在不同环境下的使用要求。

关键词：玻璃烧结；工业自动化；电镀

中图分类号：V442 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）15-0096-02

Abstract： Based on the analysis of the plating process of glass sintering connectors， a kind of automatic equipment for copper wire hanging and binding in electroplating has been developed， which can realize the automation of this process. The improved electroplating process can improve the production efficiency and product consistency， enhance the reliability of the connector， and meet the requirements of the product in different environments.

Keywords： glass sintering； industrial automation； electroplating

1 概述

玻璃烧结连接器结构简单，机械强度良好，密封性能优异，具有耐高温、耐高压、耐强辐射等性能，在航空、航天、海洋、石油等领域的复杂恶劣工况中得到了广泛的应用。生产中，为得到优良电气性能的玻璃烧结连接器，通常采用电镀方式，对其接触部分进行镀金处理，提高导电能力和可靠性。

在玻璃烧结连接器电镀时，为了使每一根接触件导电，采用细铜丝作为电镀电源导线，人工绕在每一根插针或插孔的焊线端。由于连接器体积小，接触件密度大，此工序一直存在生产效率低下、良品率低和工作量大的特点。本文提出了一种先进的自动化绕线解决方案，对连接器电镀中的挂绑工艺进行优化。

2 电镀挂榜工艺现状和当前问题

2.1 工艺现状

某特种连接器产品主要运用于航天、航空、海洋等压力变化较大的工作环境，气密条件要求高。该连接器在生产中常采用先玻璃烧结固定接触体，密封绝缘体，然后再进行电镀的制造工艺。电镀时，常采用细铜丝作为电镀电源，将铜丝挂绑接触件的方式使接触体导通。电镀前铜丝挂绑接触体这一工序，目前靠工人手工挂绑完成。

2.2 当前问题

（1）需求与生产力不匹配。电镀挂绑工艺几乎适用于所有先烧后镀的连接器产品。但与其工艺使用广泛性相比，生产中采用手工作业的模式，效率低下。

（2）难度高。该系列连接器具有种类繁多，接触体密度大、总体数量多的特点，且产品小型化发展。某系列连接器接触体数多达五十多，但其大小仅在两平方厘米左右，空隙只有0.69mm，手工挂绑操作困难。

（3）良品率低。手动作业中，各金属针上缠绕细铜丝张力不具有一致性，接触体与金属丝之间的镀层厚度无法控制，绕线高度也不能保证相同。手工作业中，人眼疲劳，漏针现象出现概率较高。

2.3 改良思路分析

结合连接器产品接触件端面式分布的实情：连接器接触体端面分布平整，间隙均匀，接触件通常为插针，针与针之间有可操作空间。利用连接器的接触件分布，把接触件体视作点，将针体外径考虑为绕线中需要走过模拟成绕线过程中行走的避障范围，利用金属丝张力控制器，使将挂绑过程的线缠绕，拟合成机械执行末端的路径动作。在绕线方案设计中采用机械中路径规划的思想，考虑各绕线方案的可行性，使设计出的自动化挂绑连接器设备满足生产需要。

连接器具有大小不同，空隙有异的特点，执行器末端需设计为可更换部分。绕针动作为三维空间动作，采用三轴联动的机械结构设计方案来保障运动可靠准确。

3 绑挂路径算法设计

3.1 路径研究方案隔离

通过观察生产线上工人实际挂绑操作，可大致分为以下两种方式：

3.1.1 “S”型缠绕

如图1示例为7X6矩阵孔位分布连接器，图中黑色部分为连接器的金属针。考虑到绕线金属丝的体积，外圈虚线为金属丝缠绕一圈后达到的实际形状，电镀电源细铜丝如黑线所示，以“S”型缠绕的方式将各金属针连接导通。

此绑绕方法的好处在于金属丝线耗费少，线与金属针接触面积小，因此对电镀镀层影响较小。但缺点也十分明显。在排列有序的针与针之间通常以沿内切线的“S”型绕线，使绕线完成后的金属针上的细铜丝能维持一定的张力，不易脱落。然而在绕线部分抵达金属针末端时，例如该图上排最右端金属针与下排最右端金属针缠绕时，以“S”型缠绕，有漏针的风险存在。绕绑工序所针对的玻璃烧结连接器种类多、排针复杂。在设计挂绑路径算法时，应当考虑算法的普适性，不可出现较多的特殊情况计算，以免增加算法的难度和程序编译出现问题的风险。

3.1.2 “O”型缠绕

缠绕方式如图2。初始进线端为任意点，在每根金属针上绕有一圈以上两圈以下的铜丝，出线端为两圆的切线。由于细铜丝围绕金属针圆周角缠绕，无论哪点进线都能保证细铜丝连接上金属针，使各金属针都能得以导通。

3.2 算法设计

本设计中采用“O”型挂绑方法来设计自动挂绑设备。路径算法以实现金属针“O”型缠绕为目的。设计时，为了简单算法，本设计中将上个金属针的出线点视为圆外一点，将金属针及铜丝厚度视为圆，过点做圆的切线，将圆上切点做细铜丝的进线端。在这种路径算法下，吐丝针头多走一段冗余路程，但路径点的算法得到了简化，每根金属针只用计算一次切点。

比较两个切点与上個金属针入线点之间的距离，选取长度较短的点为（Xa，Ya）。绕线圈上的路径可根据圆的数学函数，采用插补的方法离散成路径点，由此路径上所有的点都为已知状态。

4 机械结构设计

如图3所示，该设备为了实现三维空间微小运动，是选用精度高的单轴驱动器组合而成三轴联动的机械设备。引线针头安装在Z轴驱动器上，连接器夹具安装在X轴。X轴丝杠的导轨为6mm，Y轴丝杠的导轨为6mm，Z轴的丝杠导轨为2mm，运动精度为电机每转脉冲丝杠运动0.01mm。

采用正交型单轴驱动器组合，为了保障精度，设备装配过程中要进行打表操作。误差会随着单轴驱动器的行程增加而变大，就产品的长宽和高度而设计，需要单轴驱动器做的行程较短，要求X轴和Y轴误差为0.003mm，Z轴为0.01mm。

在设备设计过程中，为了节约成本和便于后期管理维护，设备中应该在控制成本的前提下尽量选用标准件。其丝线类张力控制器的产品十分成熟，因此选用标准产品进行张力控制。丝线的张力调试标准为：引线针头的丝线绷紧但可拽动，丝线在设备工作过程中不会发生崩断和卡丝。张力计需要工程人员根据现场情况做出调整。

5 设备生产值能与人工作业对比

此设备涉及一系列产品的金属针数不同。产能对比中，选取针数贴近平均值的某一类25针产品进行取样。设备与人分别取样3000件连接器进行挂绑，收集数据。

人工每针用时1.5秒降低到0.8秒，良品率也从87.25%提升到97.36%，由此结果可知，设备挂绑的工作效率高于人工作业，其良品率得到了显著提升。且通过现场调查可知，设备在绕线高度控制上有十分出色的表现，绕线高度基本一致，保证连接器在电镀工艺中，电镀完成后的产品彼此间电阻特性基本相同。

参考文献：

[1]李海峰，魏迪飞，王彦，等.烧结密封连接器的结构设计及工艺实现[J].机电元件，2016，36（04）：22-28.

[2]胡兵，黄强.挂镀生产线技术改造[J].机械，2006（S1）：203-205.

[3]张勇强，蒋维刚.接插件微孔深孔电镀工艺技术[J].电镀与涂饰，2015，34（04）：189-195.