大研智造激光锡球全自动焊锡机助力精密加速度计组件制造

一、引言

随着工业水平的不断进步，航空机载产品呈现出复杂化、轻量化、精密化的发展趋势，这使得装配精度要求持续提高，装调难度也日益增加。在这种背景下，自动精密装配技术已然成为航空航天等领域产品的关键技术之一。微小型零件的自动精密装配发展迅速，从早期在显微镜下的手工装配逐步发展到半自动、自动化装配阶段，而模块化装配系统也日益成为发展的主流方向。

二、微小型零件装配的挑战与需求

微小型零件的多样化发展，使得不同的器件需要专门设计和制造特定的结构来实现装调。在精密装配过程中，零件的制造公差和装调位置的偏差需要逐件进行补偿，有些情况甚至需要人工干预才能确保装配的顺利完成。随着零件不断地微型化和精密化，必须避免在装调过程中对零件造成损伤，以免影响产品的性能。

以悬丝摆式加速度计为例，它广泛应用于航空、航天等领域，具有量程大、体积小、抗冲击、精度高等特性，是惯性导航中的核心组成部分。然而，目前该加速度计的装配生产主要依赖手工操作，凭借工人的经验和焊接技能来完成装配。这种方式对工人的操作熟练度要求极高，很难保证装配精度和产品的一致性，也难以实现大规模生产。

三、自动焊接技术的现状与局限

自动焊接技术在机械加工中具有十分重要的意义。目前的研究表明，焊接机器人在自动焊接技术中仍占据主要地位。但是，焊接机器人由于操作难度相对较大、成本较高以及结构比较复杂等因素，导致不能大规模地应用于生产环节当中。此外，焊接机器人所需的运动空间大，在运动中需要合理的轨迹规划，而在狭小的操作空间内显得灵活性不足，存在无法进行施焊的情况。

四、大研智造激光锡球自动焊锡技术的优势

本文介绍了大研智造的激光锡球自动焊锡技术，该技术集成了力、温度传感器和机器视觉于一体的自动精密焊接系统，具有以下显著优势：

采用龙门直角坐标式机械结构，配合焊枪旋转轴，结合高、低倍率显微视觉相结合的视觉检测方式，实现基部与目标部的高精度对准，焊接精度达到 0.1mm。

能够控制机械臂和精密平台运动，完成微球高精度的姿态调整、微球和微管的自动对准及装配。

设计专用焊接单元集成力和温度传感器，在有限空间内实现对悬丝张紧情况下微小器件的自动温控焊接，提高了微结构精密装配的自动化程度和质量。

五、精密加速度计组件自动装配系统硬件

（一）模块化设计

根据装配任务及难点，采用模块化设计思想研制了该自动焊接系统。系统分为工作台模块、视觉测量模块、焊接模块及焊锡片放置模块。各模块之间互不干涉，又相互配合，极大地提高了装配效率以及设备的复用性。

（二）视觉测量模块

重要作用：在整个装配过程中，机器视觉系统起着至关重要的作用，包括待装配零件的识别与定位、装配结果测量以及装配过程可视化，关系到整个装配流程的精度及质量。

组成部分：机器视觉系统主要由工业相机、远心镜头、同轴–环形光源组成。

测量方案：采用可移动的视觉测量方案，配合 3 自由度精密位移滑台，其重复定位精度为 ±0.5μm。不仅扩大了测量范围，解决了相机视场不足的问题，而且能够控制图像位置，确保待测量零件位于相机视野中心。相机采集图像并传入上位机进行图像处理；远心镜头可以消除由于被测物体距离镜头位置不同造成的图像畸变。环形光源安装于相机镜头前，使相机能清楚地观察零件的边缘特征；同轴光源安装在镜头一侧，以改善零件平面反射成像，二者配合提高图像质量。

（三）焊接模块

功能与组成：焊接模块集成于视觉测量模块，以机械臂为载体，由焊接组件及力传感器组成，其主要功能是将悬丝焊接到加速度计底座设定位置，完成组件装配的最后一步。焊接组件由焊接头、加热棒、温度传感器、隔热材料等构成。其中，焊接头采用黄铜材料制成，表面镀铬处理，防止焊接头沾锡影响焊接效果。焊接头末端设计有一定深度的槽形，在焊接过程中使锡球嵌入其中。

工作原理：激光将焊锡熔化后，在高浓度氮气的喷射作用下在焊盘汇集冷却形成焊点，控制焊接位置，保证焊接质量。温度控制调节模块的工作原理基于闭环反馈控制。激光焊锡机采用激光作为加热源，通过红外检测方式实时检测激光对加工件的红外热辐射，形成激光焊接温度和检测温度的闭环控制。控制板 PID 调节功能可以有效控制激光焊接温度在设定范围内的波动。首先，铂电阻温度传感器实时获取焊接头温度，温度控制器通过模糊 PID 自整定模式调节变压器通断，进而控制加热。工人实际操作经验的焊接温度为 250℃，焊接时适当提高控制温度可以确保焊接头达到足够的焊接温度，保证焊锡完全熔化，最终确定焊接控制温度为 255℃左右。

（四）焊锡片放置模块

设计目的：由于操作空间有限，且焊接面及焊锡片微小，人眼不易观察，因此设计了焊锡片放置模块。

工作方式：首先末端针头依靠黏附力拾取焊锡片，由相机获取当前焊锡片的位置后，手动调整三轴微调平台旋钮，将焊锡片放置到理论位置。该模块降低了焊锡片放置难度，并保证焊点位置准确。

六、焊接流程及控制策略

合理高效的焊接流程及控制策略在微装配系统中起着至关重要的作用。由于待装配零件结构复杂，可操作空间有限，因此采用 “Look and Move” 的焊接控制模式。首先由视觉系统获取零件位姿信息，通过分析计算，最后控制精密滑台运动至目标位置。通过机器视觉及反馈信息引导装配作业，消除零件位姿微小变动造成的偏差，提高装配精度及质量。
在视觉测量模块引导下，通过焊锡片装调模块放置焊锡片。由于焊锡片与末端针头处于不同的景深范围，同时末端针头直径仅 0.45mm，不易观测，但是能够在视场范围内获取焊锡片的清晰图像，通过调整三轴微调平台来调整焊锡片位置，确保焊点位置准确。

焊接模块集成悬臂梁式力传感器，能够实时检测焊接接触力。在传统的烙铁焊接过程中，焊锡片的熔化导致焊接接触力不断变化。而激光焊接具有非接触焊接特性，焊接不受摩擦、静电等外力影响。激光锡球全自动焊锡机可根据焊锡片厚度设定焊接喷嘴与焊盘之间的微小距离，保证焊锡片受热均匀、完全熔化，焊接完成后快速抬起离开焊接位置，完成焊接操作。具体焊接流程如图所示。

七、装配试验

使用该自动装配系统对随机选取零件进行装配及焊接试验，将摆组件和加速度计底座分别安装到上料平台，操作装配软件系统完成装配任务。

（一）焊接结果

焊接完成后，在显微镜下观测焊接结果。焊锡熔化后凝固效果良好，不存在焊锡流向悬丝的现象，微小焊点位置准确、质量可靠，无虚焊。

（二）间隙及位置调整

采用标准标定尺（制造精度 1μm），在满视场的情况下对相机的实际像素进行测量标定，标定结果为 X、Y 方向像素尺寸均为 1.745μm/pixel。摆组件相对于磁钢间隙的测量距离为 1mm 左右；悬丝中心相对于底座底面位置调整依靠精密滑台运动扩大图像采集范围。系统采用三维精密位移滑台，其重复定位精度可达 ±0.5μm，从误差累积原理上来说，精度能够满足小于 10μm 的要求。

待装配零件质量存在差异，一致性较差，因此会对装配结果产生一定的影响。装配完成后，通过视觉系统对装配结果进行测量，其测量原理与上文装配调整的方法类似，测量摆组件相对于磁钢间隙，以及悬丝中心相对于底座底面间距。总体来看，摆组件相对于磁钢间隙偏差小于 10μm，悬丝中心相对于底座底面位置精度优于 20μm，能够满足装配精度要求。

本文的自动焊接系统能够完成加速度计组件的自动精密焊接，满足装配精度要求，改善了装配质量，能够实现加速度计底座组件装配作业自动化。

八、结论

针对加速度计组件手工装配困难的问题，研制了专用自动化装配及焊接系统，实现零件焊接等任务，以自动化设备替代人工装配，能够确保装配过程中精确定位以及微力控制。通过装配试验验证了系统的可行性，试验结果表明，焊点位置准确，无虚焊，摆组件相对于磁钢间隙偏差小于 10μm，悬丝中心相对于底座底面位置精度优于 20μm，装配质量满足精度要求。该精密自动装配及焊接系统提高了产品精度一致性，为精密微小器件的自动化装配提供了借鉴。未来，随着技术的不断进步，激光锡球全自动焊锡机在精密加速度计组件以及其他微小型精密器件的装配中将发挥更加重要的作用，推动航空航天等领域的制造技术向更高水平发展。

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审核编辑 黄宇