论文总字数：23958字

摘 要

在焊锡作业中，对于某些特定的作业场合和作业环境，波峰焊、回流焊等方法并不能完成任务。此时，必须使用烙铁进行特定方向、特定角度的焊锡作业。但是，烙铁的手工锡焊，效率太低，产品精度和质量无法得到保证。为了实现烙铁焊的自动化作业，本论文旨在设计一款利用烙铁进行特定方向、特定角度作业的焊锡机器人。机械设计部分，首先使用SolidWorks软件进行三维建模，并对关键受力部件进行校核计算，然后利用AutoCAD进行二维图纸的绘制。电气控制部分，利用ProfiCAD绘制电路图；利用 WPLsoft设计PLC梯形图并与利用PLC对实物部分进行调试。最后，进行关键部分的实物加工、装配与实验，并进行数据整理及分析。

本论文主要解决的四个关键问题：第一，对于X、Y、Z三个方向运动的结构设计、驱动与控制；第二，焊丝的输送机构、导向机构以及末端焊接机构的协同工作；第三，对于机器人烙铁夹持机构的角度调节设计；第四，对于实物部分的实验和数据整理分析。

关键词：焊锡机器人，烙铁焊接，误差控制，送丝设计，角度调节

A DESIGN OF THE AUTOMATIC SOLDERING ROBOT

02012223ZhangHouchu

Supervised byYuJianping

Abstract

The soldering robot is an industrial automation equipment which is engaged in soldering.Because the soldering robot has many advantages,The design and application of soldering robots has great significance for improving the efficiency and quality and accuracy of the soldering.This thesis theme aims to design an soldering robot which can be used in Complex environment.

In the soldering industry, for some specific operating environment,some usual methods(eg.the wave soldering, The reflow soldering)can’t complete the job. In this case, we must use the electric soldering iron to do the job that demands the specific direction and angle. In this thesis, we want to design a soldering robot that has five degrees of freedom to solve the problem.In the mechanical Design section, we use the SOLIDWORKS software for 3D modeling, and make the key components force calculation, and then we use AUTOCAD to draw 2D drawings. In the electrical control,Weuse the ProfiCADto draw the circuit diagrams; and we usethe WPLsoft to make the PLC ladder design with the use of the physical part of the PLC for debugging. Finally, physical processing, assembly and test key parts, and data processing and analysis.

The three key issuesof design are as follows: First,the three directions X, Y, Z travel movement and precision control; Second,the match between the wire tension and the driving unit; Third, in the robot end,the adjustment mechanism about the angle of the clipping unit to the electric soldering iron.

Key words: soldering robot ,electric soldering iron,movement and precision control,

The design of driving unit,the adjustment mechanism about the angle

目录

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2焊锡技术现状分析 1

1.3焊锡机器人技术介绍与分析 2

1.3.1焊锡机器人系统架构 2

1.3.2 常见焊锡机器人介绍 2

1.4 本文的设计目的和主要设计内容 3

第二章 焊锡机器人机械结构的设计 4

2.1机架的结构设计与校核 4

2.1.1机架的结构设计 4

2.2 X方向的结构与运动设计 6

2.2.1 X方向支撑结构设计 6

2.2.2 X方向驱动和传动部分设计 7

2.2.3 X方向导向部分设计 8

2.2.4 X方向上步进电机、丝杠选型 8

2.3 Y方向的结构与运动设计 9

2.3.1 Y方向支撑结构设计 9

2.3.2 Y方向驱动和传动部分设计 9

2.3.3 Y方向导向部分设计 10

2.3.4 Y方向上步进电机、丝杠选型 10

2.3.5 Y方向与X方向连接件设计 10

2.4 Z方向的结构与运动设计 11

2.4.1 Z方向支撑结构设计 11

2.4.2 Z方向驱动和传动部分设计 12

2.4.3 Z方向导向部分设计 12

2.4.4 Z方向上步进电机、丝杠选型 12

2.5送丝机构总成机构与运动设计 12

2.5.1送丝机构驱动装置的设计与改进 12

2.5.2送丝机构主动轮与从动轮的设计与改进 13

2.5.3 送丝机构最后的结构确定 14

2.6 末端调节与烙铁夹持机构设计 16

2.6.1 调节机构结构设计 16

2.6.2 夹持机构结构设计 18

2.6.3末端焊锡丝输送嘴结构设计 18

2.7末端待焊件夹紧装置设计 19

2.8 总体机械机构展示 20

2.9主要受力部分的ANSYS分析 20

本章小结 24

第三章 焊锡机器人驱动与传动部分的选型与校核 25

3.1 步进电机及驱动器的选取 25

3.2 丝杠的选取 25

3.3 系统精度验算 26

本章小结 28

第四章 焊锡机器人电气控制部分的设计 29

4.1 控制过程设计 29

4.2 电气控制部分设计 29

4.3电路设计 29

4.4 电路图绘制 30

4.5 PLC机型选择、硬件连接及I/O地址分配 31

4.6 PLC电路图、控制程序梯形图 32

本章小结 33

第五章焊锡机器人送丝及末端机构实物装配、调试及实验 34

5.1 实物部分装配结构 34

5.2 实物结构的实验与分析 35

本章小结 37

第六章 总结与展望 39

第一章 绪论

1.1 引言

锡焊是将低熔点的锡基合金通过高温进行熔化后，在液态条件下补充待焊部分间隙的焊接方式。锡焊作为一种十分重要的生产手段，被广泛应用于电子工业、家电制造业、汽车制造业和维修业中。^【1】随着使它使用的领域逐步广泛，焊接精度逐步增高，焊锡作业的自动化以及智能化要求也逐步严格。改善我国锡焊技术较为落后、以手工焊接为主的行业现状，实现锡焊的自动化、柔性化和智能化已经成为了必然趋势，采用机器人焊锡也成为了一种行之有效的方法。^【2】

1.2焊锡技术现状分析

为了设计一款满足特定焊锡要求的机器人，我们首先要分析一下常见的锡焊技术。

（1）波峰焊（wave soldering）：波峰焊是一种用于元器件PCB板间焊锡的大规模生产方式。其工作原理是将焊料熔融至液态并存放在焊料槽中，然后利用泵的作用，在焊料槽液面上形成特定形状的焊料波。插装了焊料槽的PCB板被置于传送链上，以特定的角度和深度穿过焊料波峰，实现焊点焊接的过程。^【3】

（2）回流焊（reflow soldering）：回流焊是一种使用最为广泛的焊接表面贴装元件的方法。其原理是预先向焊接表面分配膏状软钎焊料。利用焊料的黏性将焊料临时的固定在线路板上。然后利用外部热源加热，使焊料融化而再次浸润，完成电路板焊接。^【4】

（3）激光焊（laser soldering）：激光焊是一种无接触焊接方法。原理是利用激光束照射待焊部位所产生的热量来实现焊接。在生产工艺上，与回流焊具有相似之处，即两者都需要预先分配焊料。^【5】

（4）烙铁焊（iron soldering)：烙铁焊是使用最多的手工焊接手段，主要操作工具为电烙铁。原理为利用电烙铁热量来融化钎料，通过人工调节焊接时间、焊接温度、运动轨迹和运动速度来控制焊点形状。^【6】

由上述介绍可知，波峰焊、回流焊以及激光焊，可用于大规模、高效率的焊锡作业，其在工业上的使用与研究已经趋于成熟。可是，这三种焊接无法代替人工的选择性焊接。目前，针对手工焊接工位的替代，当前市面上可选的自动设备包括选择性波峰焊和焊锡机器人。选择性波峰焊为波峰焊的一种特殊机型，主要针对通孔元件，选择性的设置焊接点，来满足生产需求。选择性波峰焊的特点决定了其设备要求的精密度非常高，所以市面上真正稳定可用的产品只有少数几家可供选择，且价格昂贵。焊锡机器人的工作方式与选择性波峰焊相反，针对通孔插件产品，用夹具固定好产品后，引脚向上，从上方进行焊接。

1.3焊锡机器人技术介绍与分析

1.3.1焊锡机器人系统架构

（1）机械结构部分

焊锡机器人的基本配置有：机台外壳、工作平台、手持式示教盒、加热控制器、出锡控制系统、焊笔组件、焊咀清洁系统、定位夹具等组成。其包括的机械架构有：支架结构，三维运动结构，送丝结构、锡丝导向结构、末端焊接与调节结构。

（2）电气控制部分

焊锡机器人控制系统架构如图1.1所示( 以四轴机器人为例)。它由主控单元、焊接单元、人机交互、操作臂本体及其驱动器组成，所要达到的功能是焊接位置、参数的示教、存储与再现，以及系统监视与报警。^【7】

目前工业用焊锡机器人的主控单元多由PLC 担当。当今PLC 控制技术已经非常成熟，除了能胜任一般控制器的输入输出、逻辑判断、运动控制、通信等功能外，其在工业级条件下出色的稳定性显得尤为突出，丰富而成熟的现场总线控制技术也使得它在工业级应用中游刃有余。^【7】

焊接单元控制器与主控单元之间的通信一般采用串口通信，主要交互的内容为焊接参数及状态监视，使得主控单元能够控制并监视焊接单元执行焊接作业。控制器对于焊接头的控制主要是PID 温度控制和焊锡丝送给长度与速度的控制，从而保证焊接在规定的参数下完成。^【7】

人机交互主要由触摸屏和操作盒来完成。触摸屏实际就是一个组态系统，它能编制操作画面，并组态主控单元内的存储单元从而实现人机交互。操作盒主要是将常用的功能以按钮的形式呈现在操作员面前，从而提高操作效率，一般与主控单元采用I /O ( Input /Output) 点方式连接。^【7】

操作臂各关节的驱动器一般为步进电机，其中部分步进电机采用旋转编码器实现位置反馈，也有少数采用伺服电机，运动控制由主控单元(如PLC) 的运动控制卡实现。^【7】

图1.1焊锡机器人控制系统结构

1.3.2 常见焊锡机器人介绍

本小节介绍的主要内容为一款自动焊锡机器人——优尼UNIX-414R型焊锡机器人（见图1.2）。此机器人具有四个自由度（X、Y、Z以及绕Z轴转动）。可以通过示教或者直接输入坐标进行焊锡作业。^【8】他成熟的结构设计和优良的电气设计，较小的体积，丰富的可换零配件及友好的人机界面都是值得我们学习和研究的。

图1.2 优尼UNIX-414R型焊锡机器人

但是， 优尼UNIX-414R型焊锡机器人所缺乏的两个旋转自由度，使它在角度调节上造成了不足。并且，它的封闭式结构，让工作者无法对零部件（如焊锡丝）进行快速更换和检修，也无法根据作业要求的改变对其进行改造。

在对优尼UNIX-414R型焊锡机器人的优缺点的分析中，需要设计的焊锡机器人的系统与特点也可以得到初步确定。

1.4 本文的设计目的和主要设计内容

综上所述，本文目的是设计一款能够补充波峰焊、回流焊以及激光焊的不足，以烙铁焊为技术基础，能够在复杂空间内进行特定方向、特定角度焊锡作业的焊锡机器人。主要涉及内容为：第一，整体机械结构的设计；第二，电气控制的设计；第三，对于X、Y、Z三个方向的运动控制；第四，送丝机构的设计以及焊丝的牵引拉力和驱动机构的匹配对；第五，烙铁夹持机构的旋转和角度调节。

在第二章中，主要介绍机械结构的设计以及利用ANSYS进行的校核验算；

在第三章中，主要描述电气部分的设计以及电路图的绘制；

在第四章中，主要介绍焊锡机器人作业空间以及运动精度的控制与校核；

在第五章中，主要介绍焊锡机器人重要部分送丝机构总成的设计、实物装配、调试以及实验结果。

在第六章中，总结论文及设计，并对未来的设计与研究提出一些建议与展望。

第二章 焊锡机器人机械结构的设计

2.1机架的结构设计与校核

2.1.1机架的结构设计

对于常见的机器人支架结构，主要有龙门式与立柱式。

龙门式支架，承重量大，结构稳定，承重量大，结构稳定，避免了单边风险等一系列优点,但体积较大，工艺范围小，且不易移动。

常见龙门结构如图2.1。

图2.1 常见的龙门结构机器人

立柱式支架，一般采用单臂承重，承重量小，但结构体积小，工艺调整空间大，易于拆卸移动。常见的立柱式机器人机架如图2.2。

图2.2 立柱式机器人机架

因为需要设计的焊锡机器人，重量小，并且需要结构体积小，但对精度要求很高，如果选用利用立柱式结构的话，并不能保证焊锡精度，很可能会产生漏焊等现象。或者不能够精确地完成高质量锡焊。因此，最终决定采用龙门式支架，如图2-3。

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