CN104128709A - 基于视觉辅助定位的自动激光点焊***和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于视觉辅助定位的自动激光点焊***及方法，其中图像获取装置位于光源正上方，光源正下方为图像采集工位，激光振镜***正下方为焊接工位；图像获取装置采集电子元器件的引脚图像数据并传至图像处理单元；图像处理单元计算得到电子元器件引脚的位置数据并传至控制单元；控制单元将电子元器件引脚的位置数据传至激光振镜***并使待焊电子元器件移至焊接工位；激光振镜***将接收到的引脚位置数据转化为激光振镜***相应坐标，激光发生器产生的激光脉冲经激光振镜***依次作用在电子元器件不同引脚上并使电子元器件引脚与散热铜排熔融连接。本发明采用多工位形式，提高了定位精度，并依托振镜***的XY反射镜片，不但简化了***的结构，降低了***成本，而且提高了焊接效率。
Description
技术领域
本发明涉及电子元器件的激光焊接技术，尤其涉及一种基于视觉辅助定位的自动激光点焊***和方法。
背景技术
在汽车电子零部件中需要使用大量的电子元器件，这些电子元器件具有引脚多、间距小的特点，其与PCB的连接一般采用回流焊、选择焊或波峰焊等表面组装技术(SurfaceMount Technology，即SMT)。然而，对于一些需要通大电流的应用场合，如果将电子元器件直接与印刷电路板(PCB)相连，会造成PCB过热甚至引起失效。对于这种电子元器件，需要先将它们连接到外置铜排上，然后再通过选择焊等方式和PCB相连，这样才能在实现电气功能的同时保证良好的散热。
要实现电子元器件和铜排的电气连接，主要是完成元器件的引脚和铜排焊接部分之间的可靠连接，而实现这个连接工艺就需要解决两个问题：一是采用何种焊接方式快速可靠地连接；二是引脚无法在铜排焊接位置准确定位的情况下如何确保焊接点位置的一致性。并且，对于尺寸较大且有较多引脚需要焊接的电子元器件与铜排焊接的大批量生产，需要高效和高精度的连接工艺***和方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于视觉辅助定位的自动激光点焊***和方法，可以保证电子元器件的多个引脚和铜排焊接部分的快速准确连接，实现稳定可靠的焊接强度，提高生产效率。
为解决上述技术问题，本发明提供的基于视觉辅助定位的自动激光点焊***，用于将电子元器件的引脚焊接到散热铜排上，包括单轴运动机构、光源、图像获取装置、图像处理单元、激光发生器、激光振镜***和控制单元，所述控制单元分别与图像获取装置、图像处理单元、激光振镜***和单轴运动机构连通，其中：
图像获取装置位于光源的正上方，光源的正下方为待焊电子元器件的图像采集工位，激光振镜***的正下方为待焊电子元器件的焊接工位；
待焊电子元器件通过夹具固定在散热铜排上且电子元器件的引脚贴在散热铜排表面，散热铜排位于单轴运动机构上；
光源用于从待焊电子元器件的正上方照射电子元器件表面，利用电子元器件的自身轮廓特征和表面光学属性差异，使电子元器件的引脚位置显示在散热铜排上；
图像获取装置用于采集处于图像采集工位的电子元器件的引脚图像数据，并将引脚的图像数据传送至图像处理单元；
图像处理单元根据电子元器件引脚的图像数据计算得到电子元器件引脚的位置数据(即引脚的焊接点坐标)，并将引脚的位置数据传送至控制单元；
控制单元驱动单轴运动机构动作，使待焊电子元器件从图像采集工位移动到焊接工位，并将电子元器件引脚的位置数据传送至激光振镜***；
激光振镜***将电子元器件不同引脚的位置数据转化为激光振镜***相应坐标，所述激光发生器产生的激光脉冲经激光振镜***依次作用在电子元器件的不同引脚上，激光脉冲产生热量使电子元器件引脚与散热铜排熔融连接形成焊接点。
进一步地，所述***还包括一安装工位，在安装工位上待焊电子元器件通过夹具固定在散热铜排上且电子元器件的引脚贴在散热铜排表面。所述控制单元驱动单轴运动机构动作使待焊电子元器件从安装工位移动到图像采集工位，当待焊电子元器件移动至图像采集工位后控制单元驱动图像获取装置采集图像数据；待图像数据采集完成，所述控制单元驱动单轴运动机构动作使待焊电子元器件从图像采集工位移动到焊接工位，当待焊电子元器件移动至焊接工位后控制单元驱动激光振镜***进行焊接；当待焊元器件焊接完成，所述控制单元驱动单轴运动机构动作使完成焊接的电子元器件从焊接工位移动到安装工位。
其中，所述光源从电子元器件的正上方照射时，电子元器件的引脚表面和散热铜排显示为白色，电子元器件的引脚轮廓显示为黑色。
所述单轴运动机构由一单轴伺服电机驱动。
为解决上述技术问题，本发明还提供一种基于视觉辅助定位的自动激光点焊方法，包括以下步骤：
步骤a，将待焊电子元器件通过夹具固定在散热铜排上，且电子元器件的引脚贴在散热铜排表面，控制单元驱动单轴运动机构动作使电子元器件移动到光源正下方的图像采集工位上；
步骤b，用光源照射电子元器件表面，利用电子元器件的自身轮廓特征和表面光学属性差异，使电子元器件的引脚位置显示在散热铜排上；
步骤c，控制单元驱动光源正上方的图像采集装置对光源正下方的电子元器件的引脚进行图像数据采集，并将引脚的图像数据传送至图像处理单元；
步骤d，利用图像处理单元根据电子元器件引脚的图像数据计算得到电子元器件引脚的位置数据，并将引脚的位置数据传送至控制单元；
步骤e，控制单元驱动单轴运动机构动作，使待焊电子元器件从图像采集工位移动到焊接工位，并将电子元器件引脚的位置数据传送至激光振镜***；
步骤f，激光振镜***将电子元器件不同引脚的位置数据转化为激光振镜***内部XY反射镜片的相应坐标，激光发生器产生的激光脉冲经XY反射镜片依次作用在电子元器件的不同引脚上，激光脉冲产生热量使电子元器件引脚与散热铜排熔融连接形成焊接点。
其中，在步骤a中，待焊电子元器件在一安装工位通过夹具固定在散热铜排上，且电子元器件的引脚贴在散热铜排表面，固定好后控制单元驱动单轴运动机构动作，使电子元器件从安装工位移动至图像采集工位上；当电子元器件移动至图像采集工位后，控制单元驱动图像获取装置采集图像数据；待图像数据采集完成后，控制单元驱动单轴运动机构动作，使待焊电子元器件从图像采集工位移动至焊接工位，当电子元器件移动至焊接工位后控制单元驱动激光振镜***进行焊接；待电子元器件焊接完成后，控制单元驱动单轴运动机构动作，使完成焊接的电子元器件从焊接工位移动回安装工位。
本发明的有益之处在于：
1)本发明采用多工位结构形式，将电子元器件的图像采集以及电子元器件与散热铜排的焊接分别设在不同位置，这样可以提高采集电子元器件引脚图像数据的准确性，进而提高焊接中的定位精度，同时适用于不同尺寸的电子元器件；
2)本发明采用激光振镜***，依托其内部的XY反射镜片对激光发生器产生的激光脉冲进行不同方向的反射，使激光脉冲依次聚焦到处于焊接工位上的电子元器件的不同引脚上，不但可以轻松快速准确地实现电子元器件各引脚的焊接，而且简化了***的结构，降低了***成本。
附图说明
图1为本发明的基于视觉辅助定位的自动激光点焊***的结构示意图；
图2为本发明的电子元器件引脚与散热铜排的成像示意图；
图3为本发明的基于视觉辅助定位的自动激光点焊方法流程图。
其中附图标记说明如下：
1为图像获取装置；2为光源；3为图像处理单元；4为控制单元；5为激光振镜***；6为激光发生器；7为单轴运动机构；8为电子元器件；81为电子元器件的引脚；9为散热铜排。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供的基于视觉辅助定位的自动激光点焊***，用于将电子元器件的引脚焊接到散热铜排上，如图1所示，包括单轴运动机构7、光源2、图像获取装置1、图像处理单元3、激光发生器6、激光振镜***5(其内部有X反射镜片和Y反射镜片两块反射镜片，这两块反射镜片由高精度伺服电机驱动，伺服电机在激光振镜***内部控制器的驱动下分别调整两块反射镜片的角度)和控制单元4(如PLC控制器、微处理器等)，所述控制单元4分别与图像获取装置1、图像处理单元3、激光振镜***5和单轴运动机构7连通，激光振镜***5通过光纤与激光发生器6相连，其中：
图像获取装置1位于光源2的正上方，光源2的正下方为待焊电子元器件8的图像采集工位，激光振镜***5的正下方为待焊电子元器件8的焊接工位；
待焊电子元器件通过夹具固定在散热铜排(图1中未示出)上且电子元器件的引脚贴在散热铜排表面，散热铜排位于单轴运动机构7上；
光源2用于从待焊电子元器件8的正上方照射电子元器件表面，利用电子元器件的自身轮廓特征和表面光学属性差异，使电子元器件的引脚位置显示在散热铜排上，当光源2从电子元器件8的正上方照射时，电子元器件的引脚81表面和散热铜排9显示为白色，电子元器件的引脚轮廓显示为黑色，如图2所示；在本实施例中，光源呈开口向下的碗状(或者光源安装在开口向下的碗状反射体开口处)，光源(或反射体)具有一开孔，图像获取装置位于该开孔的正上方，处于图像采集工位的电子元器件位于开孔的正下方；
图像获取装置1用于采集处于图像采集工位的电子元器件的引脚图像数据，并将引脚的图像数据传送至图像处理单元3；
图像处理单元3根据电子元器件引脚的图像数据计算得到电子元器件引脚的位置数据，并将引脚的位置数据传送至控制单元4；
控制单元4驱动单轴运动机构7动作，使待焊电子元器件8从图像采集工位移动到焊接工位，并将电子元器件引脚的位置数据传送至激光振镜***5；
激光振镜***5将电子元器件不同引脚的位置数据转化为激光振镜***相应坐标，所述激光发生器6产生的激光脉冲经激光振镜***5依次作用在电子元器件8的不同引脚上，激光脉冲产生热量使电子元器件引脚与散热铜排熔融连接形成焊接点。
除此之外，***还可以包括一安装工位，在该安装工位上将待焊电子元器件通过夹具固定在散热铜排上。控制单元4驱动单轴运动机构7动作使待焊电子元器件从安装工位移动到图像采集工位，当待焊电子元器件移动至图像采集工位后控制单元4驱动图像获取装置1采集图像数据。待图像数据采集完成，所述控制单元4驱动单轴运动机构7动作使待焊电子元器件从图像采集工位移动到焊接工位，当待焊电子元器件移动至焊接工位后控制单元4驱动激光振镜***5进行焊接。当待焊元器件焊接完成，所述控制单元4驱动单轴运动机构7动作使完成焊接的电子元器件从焊接工位移动到安装工位。
所述单轴运动机构由一单轴伺服电机驱动，在图像采集工位和焊接工位间移动电子元器件8。
前述***的加工过程，如图3所示，包括以下步骤：
步骤a，将待焊电子元器件通过夹具固定在散热铜排上，且电子元器件的引脚贴在散热铜排表面，控制单元4驱动单轴运动机构7动作使电子元器件8移动到光源2正下方的图像采集工位上；
步骤b，用光源2照射电子元器件8表面，利用电子元器件的自身轮廓特征和表面光学属性差异，使电子元器件的引脚位置显示在散热铜排上；
步骤c，控制单元4驱动光源2正上方的图像采集装置1对光源正下方的电子元器件8的引脚进行图像数据采集，并将引脚的图像数据传送至图像处理单元3；
步骤d，利用图像处理单元3根据电子元器件引脚的图像数据计算得到电子元器件引脚的位置数据，并将引脚的位置数据传送至控制单元4；
步骤e，控制单元4驱动单轴运动机构7动作，使待焊电子元器件从图像采集工位移动到焊接工位，并将电子元器件引脚的位置数据传送至激光振镜***5；
步骤f，激光振镜***5将电子元器件不同引脚的位置数据转化为激光振镜***内部XY反射镜片的位置坐标，并启动激光发生器6产生激光脉冲，该激光脉冲经XY反射镜片依次作用在电子元器件8的不同引脚上，激光脉冲产生热量使电子元器件引脚与散热铜排熔融连接形成焊接点。
本发明采用多工位结构形式，将电子元器件的图像采集以及电子元器件与散热铜排的焊接分别设在不同位置，这样可以提高采集电子元器件引脚图像数据的准确性，进而提高焊接中的定位精度，同时适用于不同尺寸的电子元器件。同时，依托激光振镜***内部的XY反射镜片对激光发生器产生的激光脉冲进行不同方向的反射，使激光脉冲依次聚焦到处于焊接工位上的电子元器件的不同引脚上，不但可以轻松快速准确地实现电子元器件各引脚的焊接，而且简化了***的结构，降低了***成本。
以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，该实施例仅仅是本发明的较佳实施例，其并非对本发明进行限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下通过任何修改、等同替换、改进等方式所获得的所有其它实施例，均应视为在本发明所保护的技术范畴内。
Claims (7)
1.一种基于视觉辅助定位的自动激光点焊***，用于将电子元器件的引脚焊接到散热铜排上，其特征在于，包括单轴运动机构、光源、图像获取装置、图像处理单元、激光发生器、激光振镜***和控制单元，所述控制单元分别与图像获取装置、图像处理单元、激光振镜***和单轴运动机构连通，其中：
图像获取装置位于光源的正上方，光源的正下方为待焊电子元器件的图像采集工位，激光振镜***的正下方为待焊电子元器件的焊接工位；
待焊电子元器件通过夹具固定在散热铜排上且电子元器件的引脚贴在散热铜排表面，散热铜排位于单轴运动机构上；
光源用于从待焊电子元器件的正上方照射电子元器件表面，利用电子元器件的自身轮廓特征和表面光学属性差异，使电子元器件的引脚位置显示在散热铜排上；
图像获取装置用于采集处于图像采集工位的电子元器件的引脚图像数据，并将引脚的图像数据传送至图像处理单元；
图像处理单元根据电子元器件引脚的图像数据计算得到电子元器件引脚的位置数据，并将引脚的位置数据传送至控制单元；
控制单元驱动单轴运动机构动作，使待焊电子元器件在图像采集工位和焊接工位之间往复移动，并将电子元器件引脚的位置数据传送至激光振镜***；
激光振镜***将电子元器件不同引脚的位置数据转化为激光振镜***相应坐标，所述激光发生器产生的激光脉冲经激光振镜***依次作用在电子元器件的不同引脚上，激光脉冲产生热量使电子元器件引脚与散热铜排熔融连接形成焊接点。
2.根据权利要求1所述的基于视觉辅助定位的自动激光点焊***，其特征在于，所述***还包括一安装工位，在安装工位上待焊电子元器件通过夹具固定在散热铜排上且电子元器件的引脚贴在散热铜排表面。
3.根据权利要求2所述的基于视觉辅助定位的自动激光点焊***，其特征在于，所述控制单元驱动单轴运动机构动作使待焊电子元器件从安装工位移动到图像采集工位，当待焊电子元器件移动至图像采集工位后控制单元驱动图像获取装置采集图像数据。
4.根据权利要求1所述的基于视觉辅助定位的自动激光点焊***，其特征在于，所述光源从电子元器件的正上方照射时，电子元器件的引脚表面和散热铜排显示为白色，电子元器件的引脚轮廓显示为黑色。
5.根据权利要求1或2或3所述的基于视觉辅助定位的自动激光点焊***，其特征在于，所述单轴运动机构由一单轴伺服电机驱动。
6.一种基于视觉辅助定位的自动激光点焊方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a，将待焊电子元器件通过夹具固定在散热铜排上，且电子元器件的引脚贴在散热铜排表面，控制单元驱动单轴运动机构动作使电子元器件移动到光源正下方的图像采集工位上；
步骤b，用光源照射电子元器件表面，利用电子元器件的自身轮廓特征和表面光学属性差异，使电子元器件的引脚位置显示在散热铜排上；
步骤c，控制单元驱动光源正上方的图像采集装置对光源正下方的电子元器件的引脚进行图像数据采集，并将引脚的图像数据传送至图像处理单元；
步骤d，利用图像处理单元根据电子元器件引脚的图像数据计算得到电子元器件引脚的位置数据，并将引脚的位置数据传送至控制单元；
步骤e，控制单元驱动单轴运动机构动作，使待焊电子元器件从图像采集工位移动到焊接工位，并将电子元器件引脚的位置数据传送至激光振镜***；
步骤f，激光振镜***将电子元器件不同引脚的位置数据转化为激光振镜***内部XY反射镜片的相应坐标，激光发生器产生的激光脉冲经XY反射镜片依次作用在电子元器件的不同引脚上，激光脉冲产生热量使电子元器件引脚与散热铜排熔融连接形成焊接点。
7.根据权利要求6所述的基于视觉辅助定位的自动激光点焊方法，其特征在于，
在步骤a中，待焊电子元器件在一安装工位通过夹具固定在散热铜排上，且电子元器件的引脚贴在散热铜排表面，固定好后控制单元驱动单轴运动机构动作，使电子元器件从安装工位移动至图像采集工位上；
当电子元器件移动至图像采集工位后，控制单元驱动图像获取装置采集图像数据；
待图像数据采集完成后，控制单元驱动单轴运动机构动作，使待焊电子元器件从图像采集工位移动至焊接工位，当电子元器件移动至焊接工位后控制单元驱动激光振镜***和激光发生器进行焊接；
待电子元器件焊接完成后，控制单元驱动单轴运动机构动作，使完成焊接的电子元器件从焊接工位移动回安装工位。
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