烙铁焊接机器人焊接机构的设计

唐立杰，张忠波

（中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽合肥 230088）

0 引言

锡焊技术作为一种既古老又在不断创新的焊接技术，无论在基础研究、实际应用、产品开发等方面都有非常广泛的应用。为了减少工人的劳动强度，提高锡焊工作效率，消除因手工焊接带来的焊接质量不确定性，第三十八研究所引入了烙铁锡焊机器人，用于各类电子元器件的焊接[1]。

整个烙铁锡焊机器人由焊接机构、机器人本体和控制单元组成，其中焊接机构是电烙铁焊接的执行机构，安装在机器人操作臂的末端，被操作臂带到需要焊接的位置进行锡焊操作[2]，烙铁焊接机器人结构如图1 所示。

图1 烙铁焊接机器人结构

1 设计背景

2016 年烙铁焊接机器人投入运行，使用部门根据最近几年的使用情况发现，烙铁焊接机器人由于焊接机构本身硬件设计缺陷导致设备在使用过程中出现很多问题，已经无法满足我所多品种、小批量产品特点的生产需求。

具体问题以及原因分析如下：

问题1：调节烙铁头角度后送丝嘴角度也改变，增加调试示教的时间。

原因分析：烙铁头组件和送丝嘴组件均固联在气缸背部的同一块金属连接板上，改造前的烙铁头和送丝嘴结构如图2所示。

图2 改造前的烙铁头和送丝嘴结构

问题2：烙铁头角度可调范围过小，无法适应特殊工况。

原因分析：由于弧形滑槽较短，如图2 所示，烙铁头与竖直方向角度调节范围为0～30°。

问题3：烙铁头组件刚度太大，时常与PCB（Printed Circuit Board，印刷电路板）发生碰撞，损坏元器件。

原因分析：烙铁头是依靠气缸驱动来实现轴向移动，如图2所示，由于气缸柔性不足，烙铁头在示教或作业时移动位置稍有偏差就可能与PCB 发生碰撞，导致损坏。

问题4：视觉系统偶发无法识别故障。

原因分析：小组人员和现场工作人员讨论分析了各种原因，并逐一排查，发现最终要因是条形光源光照效果差，导致图像无法识别。

问题5：送丝装置时常卡丝、断丝、弯丝。

原因分析：送丝装置安装在机器人本体上，导致送丝距离过长，送丝阻力增大。

2 设计方案

为了解决烙铁焊接机器人在使用过程中出现的问题，经过多次讨论研究，决定对烙铁焊接机器人的焊接机构进行重新设计。首先为了防止因送丝距离过长导致的送丝装置卡丝、断丝、弯丝现象的发生，决定将送丝装置从原来的机器人本体移到焊接机构上[3]。因此，确定了焊接机构的总体方案系统如图3 所示，焊接机构是由焊接单元、送丝装置、摄像模组和主结构件4 个模块组成。

图3 焊接机构总体方案系统

2.1 主结构件设计

焊接单元、送丝装置、摄像模组这3 个模块安装在主结构件上，主结构件安装在机器人本体上。主结构件的设计模型如图4所示，上方圆形法兰与机器人本体末端连接，下方的方形块四面分别用来连接焊接单元工装、送丝装置工装、摄像模组工装。

图4 主结构件设计模型

整个焊接机构的材料如果均选用6061 铝合金，那么整体的重量小于机器人末端的额定载荷4 kg。为了验证6061 铝合金的强度符合要求，运用有限元分析软件ANSYS 对主结构件进行受力仿真，将圆形法兰上端面进行固定约束，在主结构件下方方形块上添加40 N垂直向下的力，划分网格并求解后，得出分析结果如图5 所示，最大应力值为17.225 MPa，远小于6061 铝合金的屈服强度180 MPa，因此，6061 铝合金的强度符合要求。

图5 主结构件应力仿真

2.2 焊接单元设计

如图3 焊接机构总体方案系统所示，焊接单元由烙铁头组件、送丝嘴组件和焊接单元工装组成。其中，焊接单元工装是由方形安装块和圆弧形滑槽组成，方形安装块安装在主结构件上，下方腰形孔可以调节圆弧形滑槽的高度，烙铁头组件和送丝嘴组件安装在圆弧形滑槽上，可以沿弧形滑槽调节角度[4]。

焊接单元设计模型如图6 所示，为了解决设计背景中的问题1，决定将烙铁头组件和送丝嘴组件分开独立连接，实现两者各自调节，互不干扰；增加焊接单元工装中圆弧形滑槽角度，将烙铁头组件和送丝嘴组件角度可调节范围增加到0～60°，解决了问题2[5]；将原来烙铁头组件的气缸结构改为导轨滑块结构，导轨滑块之间连接弹簧，导轨侧金属板与圆弧形滑槽连接，滑块侧金属板安装烙铁头，该结构设计解决了问题3。

图6 焊接单元设计模型

2.3 送丝装置设计

重新设计之前，设备的送丝装置安装在机器人本体上，为了缩短送丝距离，减小送丝阻力，解决问题5，研究决定将送丝装置移到焊接机构上[6]。其中焊丝线圈和送丝器继续沿用，送丝装置工装要重新设计，设计完成后的送丝装置整体模型如图7 所示。

图7 送丝装置设计模型

2.4 摄像模组设计

摄像模组是由相机、光源和摄像模组工装组成。为了解决问题4，决定将原来的条形光源更换为光照效果更好的环形光源，并对工装进行重新设计，设计完成后的摄像模组整体模型如图8 所示，环形光源安装在环形安装块下方，与上方相机同心。

图8 摄像模组设计模型

2.5 焊接机构整体方案

将设计完成后的各个模块模型进行装配并检查干涉情况，完成后的焊接机构整体模型如图9 所示。

图9 焊接机构整体方案模型

3 效果检查

将设计好的各个模块分别出图、加工、装配、总装，完成后的烙铁焊接机器人如图10 所示。2019 年6 月整体投入使用，运行一年多，未发生过送丝装置卡丝、断丝、弯丝和因光源引起的图像无法识别现象，整体性能稳定。

图10 改造后实物

另外，通过对完成后烙铁焊接机器人焊接机构的锡焊合格率进行统计，发现2020 年8 至10 月锡焊合格率可达99%，满足使用部门质量要求（表1）。

表1 焊接合格率统计

4 结束语

重新设计后的烙铁焊接机器人的焊接机构，利用导轨滑块加弹簧的结构增加了烙铁头的弹性，杜绝了烙铁头磕碰损坏元器件现象的发生；将烙铁头组件和送丝嘴组件分开连接，实现两者各自调节，互不干扰，大幅缩短设备示教和调试的时间；加大圆弧形滑槽角度，增大烙铁头和送丝嘴的可调节角度，使设备可以满足更多、更复杂的工况；将原来的条形光源改为环形光源设计，补光效果更好；改变送丝装置的布置方式，使送丝距离更短，阻力更小，减小卡丝、断丝、弯丝的风险。