CN110961751B - 一种激光焊接上锡装置及焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明设计一种激光焊接上锡装置及焊接方法，上锡装置包括背板、激光位置校正装置、摄像头、激光加工头、推送轮对、连接杆、送锡嘴、位移传感器、角度传感器、平衡弹簧、控制器、残渣盒，角度传感器检测连接杆摆动角度，位移传感器检测连接杆上下移动位置，控制器根据探测头的位移量和角度变化值，计算出探测头的运动速度和加速度；激光焊接时，利用探测头的位置进行激光工作高度闭环控制、利用探测头受力进行锡丝进给速度闭环控制、利用探测头角度进行激光跟随锡丝位置的闭环控制，可弥补焊点高度差对焊接效果的影响，降低了产品加工固定要求，扩大了激光焊接的应用范围。可防止发生机械碰撞或烧伤加工基材，工艺稳定，提高了合格品率。

Description

一种激光焊接上锡装置及焊接方法

技术领域

本发明涉及一种激光焊接上锡装置及焊接方法，具体为一种激光锡丝焊接的上锡装置以及采用该种装置的焊接方法，属激光锡丝焊接技术领域。

背景技术

激光锡丝焊接精细加工领域，随着生产工艺要求越来越高，加工设备使用条件也越来越严苛，现有传统设备往往无法满足新兴工艺要求。如激光焊接特定微小焊点时，激光与锡丝或焊点的少许偏差便会使焊点烧伤或基材报废。激光锡焊与传统电烙铁焊接方式的区别在于，激光焊接时没有接触力直接作用在焊点上，若锡丝与焊点未良好接触或接触不稳定，熔化的锡丝不能良好的附着在焊点上，则容易导致焊点浮高或虚焊；若接触力过大，又容易导致锡丝变形，无法正常焊接。这是影响激光锡丝焊接良品率的一个关键因素。

中国实用新型专利“自动校准送锡的激光焊锡装置”(201820105083.4)是采用激光发射器和第一CCD组件等，分别用于溶化锡丝进行焊接以及获取锡丝的图像信息；进而获取锡丝的伸出长度、锡丝与激光光斑的偏离度和锡丝的外观信息；再利用控制激光发射器和送锡组件对锡丝进行修剪，以解决送锡量控制和自动矫正的问题，其不足之处是：所述装置无法准确判断锡丝与焊点的接触力；中国发明专利“一种锡丝精密焊接装置及控制方法”(201710413205.6)是以两套视觉***采集锡丝三维图像为基础，通过比较初始和检测时锡丝的长度、位置和姿态等参数并获取偏差，再借助激光切锡工艺、自动捋锡工艺和自动推收锡丝方法，解决锡丝顶端形成锡球、弯曲、变形、长度误差累计，同样存在无法准确判断锡丝与焊点的接触力问题；中国发明专利“一种激光焊接的自动送锡丝装置”(201811475586.1)仅解决了在送丝机构偏转角度时确保出丝位置与激光焊点始终保持一致、避免送丝时锡丝产生应力形变、防止卡丝现象发生问题。

现有技术或公开的专利中，主要是利用视觉***进行加工位置修正或工艺动态调整，所采用的装置或方法均无法准确判断锡丝与焊点的接触力，更不能根据接触力实时调整装置和锡丝的状态，另一方面，激光焊接插针器件时，焊点插针的倾斜方向为随机量，若以固定的姿态对一批插针(或引脚)送锡丝，则锡丝可能被某些插针撞弯或偏移，导致无法正常焊接。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术所述问题，设计一种激光焊接上锡装置及焊接方法，包括一种用于激光焊接时添置锡丝的上锡装置和一种基于该装置的激光焊接方法。所述上锡装置是利用锡丝尖端(简称锡尖)作为探测头，并通过位移传感器和角度传感器向控制器反馈探测头位置和角度等参数的装置；所述激光焊接方法是利用探测头的位置进行激光工作高度闭环控制、根据探测头受力情况进行锡丝进给速度闭环控制、利用探测头角度进行激光跟随锡丝位置的闭环控制的方法。所述方法利用锡尖的位置反馈功能动态调整激光焦点坐标，可弥补焊点高度差对焊接效果的影响，降低了产品加工固定要求并扩大了激光焊接的应用范围；通过锡尖的力反馈功能确保锡丝与焊点的良好接触，进而保证加工工艺稳定，同时通过力反馈装置计算锡尖与焊点接触的速度和加速度，当速度或加速度过大时紧急停止装置动作，防止发生机械碰撞。锡丝进给状态符合加工工艺，激光加工***可更好的适用于复杂工况，提高了加工一致性和合格品率。

本发明的技术方案是：一种激光焊接上锡装置，包括：背板以及安装在背板上的激光位置校正装置、视觉***，还包括：激光加工头、送锡机构、探测机构、控制器、残渣盒；所述残渣盒用于收纳斩断的锡丝残渣；所述激光加工头固连在激光位置校正装置下方，激光加工头用于热熔上锡或斩断锡丝；所述激光位置校正装置用于带动激光加工头进行空间位置调整；所述送锡机构包括：推送轮对、连接杆和铰接在连接杆下端的送锡嘴；用于焊接的锡丝的前端穿过送锡嘴至与焊盘接触，锡丝的后部穿过推送轮对，所述推送轮对用于推送或收回锡丝；设定：沿送锡嘴下部向前伸出的一小段锡丝为探测头；所述视觉***包括摄像头，所述摄像头固定在背板上，摄像头用于拍摄探测头，进而检测出探测头的直线度和长度。

所述探测机构包括：位移传感器、角度传感器、平衡弹簧；所述连接杆沿垂直向设置，所述送锡嘴与连接杆的轴向之间呈设定角度，所述角度传感器固定在背板上且位于连接杆的上端，所述平衡弹簧穿过连接杆且位于连接杆的下部，平衡弹簧的上端与连接杆固连，所述位移传感器固定在背板上,平衡弹簧的下端与位移传感器固连；位移传感器上设置有容置连接杆上下滑动的滑套，连接杆可带动送锡嘴上下移动和旋转摆动；所述角度传感器用于检测连接杆的摆动角度，位移传感器用于检测连接杆的上下移动位置，所述控制器根据位移传感器和角度传感器实时检测到的探测头的位移量和角度变化值，计算出探测头的运动速度和加速度。焊接前通过视觉***检测锡丝顶端状态，当锡丝顶端严重变形时，通过激光脉冲将锡丝斩断，斩断后的锡丝残渣自动掉落到残渣盒中，保证锡丝作为探测头的可靠性，激光位置校正装置、视觉***、位移传感器、角度传感器等与控制器相连，控制器负责整个装置的有序运行。

进一步地，所述送锡嘴与连接杆轴向之间的连接角度为90～150度，且可人工调节。

进一步地，设定探测头的长度小于或等于锡丝直径的5倍。

一种激光焊接方法，是利用探测头的位置进行激光工作高度闭环控制、利用探测头受力进行锡丝进给速度闭环控制、利用探测头角度进行激光跟随锡丝位置的闭环控制方法。

当探测头与焊盘接触后，探测头受力使平衡弹簧发生轴向和径向形变，平衡弹簧提供回复力。此时平衡弹簧吸收接触力，锡丝未发生变形。当探测头受力消失后，回复力可使探测头的偏转角度回复至初始状态；平衡弹簧同时用于提高锡丝作为探测头的可靠性和敏感度；

设定:锡丝最小弯曲力为M，探测机构重量G，平衡弹簧的接触力f满足：

f＝G-M*β

式中β代表：平衡系数，0<β<1。

设定平衡弹簧的参数：平衡弹簧的形变系数为λ，最小变形λ_min，对应的最小工作载荷为F_min；最大工作载荷F_max,对应的最大变形为λ_max。在(λ_min，λ_max)范围内，平衡弹簧实际载荷F与形变λ成正比，即：

F＝K*λ

设定：探测头与焊盘之间的接触力为f，位移传感器实时反馈值Z，则：

式中，z₀为接触力f为零时，位移传感器的反馈值，此处接触力f通过弹簧的形变量计算，弹簧的形变量通过位移传感器得到。

进一步地，所述一种激光焊接方法，包括以下四个阶段：

1—加工准备、2—锡丝定位、3—出光焊接、4—加工完成，具体如下：

1、加工准备阶段

设定通过位移传感器获取探测头的Z向偏移z，角度传感器获取探测头的X向偏移x和Y向偏移y，通过Z向偏移和位移传感器单位响应时间t获取探测头的速度V和加速度A；视觉***获取锡丝在加工面上的直线度s和长度l。

标准状态下，设定基准参数包括接触力f_b，探测头的X向偏移x_b、Y向偏移y_b、Z向偏移z_b、最大速度V_max、最大加速度A_max，视觉***获取锡丝在加工面上的基准直线度s_b和长度l_b，设定容许偏差分别为Δf、ΔX、ΔY、ΔZ、Δs和Δl。

在加工准备阶段，视觉***获取锡丝在加工面上的直线度s和长度l，并与基准直线度s_b和长度l_b比较。若直线度偏差s-s_b的值超出±Δs范围，则通过脉冲激光将形变的锡丝剪除，并通过送锡机构补送锡丝后，视觉***再次获取探测头在加工面上的直线度s和长度l，直至探测头满足基准要求，保证探测头的有效性和精度。若探测头长度偏差l-l_b的值超出±Δl范围时，通过送锡机构调整锡丝长度l至标准范围内。

2、锡丝定位阶段

在锡丝定位阶段，控制器实时更新位移传感器和角度传感器数据，并通过单位时间内的位移变化量计算探测头的运动速度和加速度。若探测头前端的锡尖移动速度V超出V_max或加速度A超出A_max，则判断锡尖发生碰撞，紧急停止装置运行。执行定位过程中，若接触力差f-f_b超出±Δf，则通过f-f_b动态调整上锡装置位置，并通过位置传感器记录装置Z向偏移m，使接触力保持在±Δf内，并通过激光位置校正装置同步调整激光Z轴坐标，保持激光焦点与加工点的相对位置稳定，定位完成。

3、出光焊接阶段

随着锡丝被激光逐步熔化，探测头与焊点之间的接触力f减小，此过程中，需根据反馈的接触力f动态调整锡丝的进给速度，该过程采用经典PID闭环控制方法，控制模型如下：

式中，t为加工时间，f(t)为时间t对应的接触力，u(t)为时间t对应的锡丝进给速度，，Kp为比例项系数，Ki为积分项系数，Kd为微分项系数。

在探测头定位和激光焊接过程中，当加工轨迹不是直线或其他因素使锡尖受力偏转时，需同步调整激光位置，防止激光与焊点偏差造成焊接不良。具体的，设定锡尖绕探测机构中心的旋转半径r，旋转规则符合极坐标系方程。偏转角度θ后锡尖最新的平面坐标为：

根据锡尖偏转角度θ动态调整激光位置的模型符合位置随动控制过程，该过程采用经典PID闭环控制方法。

4、加工完成阶段

激光关闭前，送锡机构的推送轮对迅速回退锡丝，避免锡丝成球或与加工点粘连；至此整个加工过程完成，再进入下一焊点，循环往复。

进一步地，当进行贴片焊接时，锡尖与焊点接触，焊接过程中接触力f始终保持为f₀，所述f₀值根据锡丝特性和焊接工艺选取；在定位阶段，当锡丝与焊盘接触力在f_b±Δf范围内时，立即停止定位；在焊接过程中，锡丝推送速度通过PID算法调节，当锡尖未熔融时，即减小送锡速度；当锡丝熔化过快时，则加快送锡速度。

进一步地，当进行插针焊接时，若出现插针引脚变形，在探测头定位阶段，锡尖接触引脚顶端后因受力而偏转，角度传感器记录探测头的偏转角度，且连接杆继续向下移动，移动过程中，锡尖始终与插针引脚接触，直至接触力f在f_b±Δf范围内；锡尖与插针引脚接触过程中，锡尖的运行轨迹与插针引脚形状接近。

本发明的优点和有益效果是：

(1)本发明利用探测头的位置反馈功能动态调整激光焦点坐标，可弥补焊点高度差对焊接效果的影响，降低了产品加工固定要求并扩大了激光焊接的应用范围。

(2)锡尖与加工点良好接触是激光焊接的基本要求，通过锡尖的力反馈功能确保锡尖与焊点的良好接触，进而保证加工工艺稳定，同时通过力反馈装置计算锡尖与焊点接触的速度和加速度。当速度或加速度过大时紧急停止装置动作，防止发生机械碰撞。

(3)通过角度反馈功能实时调整激光照射位置，使本装置可成功应用在插针焊接场合，并消除插针引脚弯曲对锡丝的影响，保证激光始终照射在锡丝上，防止激光烧伤加工基材。

(4)上锡装置可确保加工过程中的激光和锡尖相对位置稳定、锡丝进给状态符合加工工艺，使激光加工***更好的适用于复杂工况，有效提高了加工一致性和生产良品率。

附图说明

图1是本发明实施例“一种激光焊接上锡装置”之上锡装置结构示意图；

图2是图1中探测机构示意图；

图3是表示探测头弯曲力示意图；

图4是本发明“一种激光焊接方法”流程图；

图5是在具体的实施例一之激光焊接过程中，探测头相对于焊盘的力反馈示意图；

图6是在具体的实施例二之激光焊接过程中，插针焊接定位轨迹示意图。

附图中的标记说明：

图1中：1—背板，2—角度传感器，3—连接杆，4—平衡弹簧，5—推送轮对，6—位移传感器，7—送锡嘴，8—焊盘，9—控制器，10—激光位置校装置，11—激光加工头，12—视觉***，13—残渣盒，14—探测头，15—插针，16—锡尖，D1—固定点1，D2—固定点2。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步说明，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内，本技术方案中未详细述及的，均为公知技术。

参见图1至图3，本发明一种激光焊接上锡装置，包括：背板1以及安装在背板上的激光位置校正装置10、视觉***12，还包括：激光加工头11、送锡机构、探测机构、控制器9、残渣盒13；所述残渣盒13用于收纳斩断的锡丝残渣；所述激光加工头11固连在激光位置校正装置10下方，激光加工头11用于热熔上锡或斩断锡丝；所述激光位置校正装置10用于带动激光加工头11进行空间位置调整；所述送锡机构包括：推送轮对5、连接杆3和铰接固定在连接杆下端的送锡嘴7；本发明实施例中，所述连接杆3与送锡嘴7的轴向之间连接角度为120度，实用应用时，可根据需要人工调节。用于焊接的锡丝的前端穿过送锡嘴7至与焊盘8接触，锡丝的后部穿过推送轮对5，所述推送轮对5用于推送或收回锡丝；设定：沿送锡嘴前端向下伸出的一小段锡丝为探测头14；所述视觉***12包括摄像头，所述摄像头固定在背板1上，摄像头用于拍摄探测头14，进而检测出探测头14的直线度和长度。

所述探测机构包括：位移传感器6、角度传感器2、平衡弹簧4；所述连接杆3沿垂直向设置，所述角度传感器2固定在背板1上且位于连接杆3的上端，所述平衡弹簧4穿过连接杆3且位于连接杆3的下部，平衡弹簧4的上端与连接杆3之间通过固定点D1固连，所述位移传感器6固定在背板1上，平衡弹簧4的下端通过固定点D2与位移传感器6固连；位移传感器6上设置有容置连接杆3上下滑动的滑套，由图1可知，固定点D2实际上是连接杆3和与连接杆3铰接且固连的送锡嘴7的结构支撑点，连接杆3可带动送锡嘴7上下移动和旋转摆动，进而带动探测头14上下移动和绕连接杆3摆动；所述角度传感器2用于检测连接杆3的旋转角度，位移传感器6用于检测连接杆3的上下移动位置，所述控制器9根据位移传感器6和角度传感器2实时检测到的探测头14的位移量和角度变化值，计算出探测头14的运动速度和加速度。焊接前通过视觉***12检测锡丝顶端，亦即探测头14前端的状态，当锡丝顶端严重变形时，激光加工头11发出激光脉冲将该锡丝顶端斩断，斩断后的锡丝残渣自动掉落到残渣盒中，从而保证了锡丝作为探测头的可靠性，激光位置校正装置10、视觉***12、位移传感器6、角度传感器2等与控制器9相连接，控制器9控制激光焊接上锡装置的有序运行。

本发明实施例中，设定伸出于送锡嘴前端的用作探测头14的锡丝长度等于锡丝直径的3倍。

参考附图4至附图6，采用本发明一种激光焊接上锡装置进行焊接时的方法是：利用探测头14的位置进行激光工作高度闭环控制、利用探测头14受力情况进行锡丝进给速度闭环控制、利用探测头14角度进行激光跟随锡丝位置的闭环控制方法。

当探测头与焊盘接触后，探测头14受力使平衡弹簧4发生轴向和径向形变，平衡弹簧4提供回复力。此时平衡弹簧4吸收接触力，作为近探测头14的锡丝未发生变形。当探测头14受力消失后，平衡弹簧4的回复力可使探测头14的偏转角度回复至初始状态；平衡弹簧4同时用于提高锡丝作为探测头的可靠性和敏感度；

设定:探测头14的最小弯曲力为M，探测机构重量G，平衡弹簧的接触力f满足：

f＝G-M*β

式中β代表：平衡系数，0<β<1。

设定平衡弹簧4的参数：平衡弹簧4的形变系数为λ，最小变形λ_min，对应的最小工作载荷为F_min；最大工作载荷F_max,对应的最大变形为λ_max。在(λ_min，λ_max)范围内，平衡弹簧4实际载荷F与形变λ成正比，即：

F＝K*λ

设定探测头14与焊盘8之间的接触力为f，位移传感器6实时反馈值为Z，则：

式中，z₀为接触力f为零时，位移传感器6的反馈值。

根据前述一种激光焊接上锡装置的激光焊接方法，包括以下四个阶段：

1—加工准备、2—锡丝定位、3—出光焊接、4—加工完成，具体如下：

1、加工准备阶段

设定:通过位移传感器获取探测头的Z向偏移z，角度传感器获取探测头的X向偏移x和Y向偏移y，通过Z向偏移和位移传感器单位响应时间t获取探测头的速度V和加速度A；视觉***获取探测头在焊盘之上的直线度s和长度l；

标准状态下，设定基准参数，包括：探测头与焊盘之间的接触力f_b、探测头的X向偏移x_b、Y向偏移y_b、Z向偏移z_b、最大速度V_max、最大加速度A_max，视觉***获取探测头在焊盘之上的基准直线度s_b和长度l_b，设定容许偏差分别为Δf、ΔX、ΔY、ΔZ、Δs和Δl。

在加工准备阶段，视觉***首先获取探测头在焊盘之上的直线度s和长度l，并与基准直线度s_b和长度l_b比较，焊接前通过视觉***检测锡丝顶端状态，若直线度偏差s-s_b的值超出±Δs范围，探测头顶端严重变形时，通过激光脉冲将锡丝斩断，斩断后的锡丝残渣自动掉落到残渣盒中，保证锡丝作为探测头的可靠性，送锡机构补送锡丝后，视觉***再次获取锡丝在加工面上的直线度s和长度l，直至锡丝满足基准要求，保证探测头的有效性和精度。若探测头长度偏差l-l_b的值超出±Δl范围时，通过送锡机构调整锡丝长度l至标准范围内。

2、锡丝定位阶段

控制器实时更新位移传感器和角度传感器数据，并通过单位时间内的位移变化量计算探测头的运动速度和加速度。若探测头前端的锡尖移动速度V超出V_max或加速度A超出A_max，则判断锡尖发生碰撞，紧急停止装置运行；执行定位过程中，若接触力差f-f_b超出±Δf，则通过f-f_b动态调整上锡装置位置，并通过位置传感器记录装置Z向偏移m，使接触力保持在±Δf内，并通过激光位置校正装置同步调整激光Z轴坐标，保持激光焦点与加工点的相对位置稳定，定位完成。

3、出光焊接阶段

随着锡丝被激光逐步熔化，探测头与焊点之间的接触力f减小，此过程中，需根据反馈的接触力f动态调整锡丝的进给速度，该过程采用经典PID闭环控制方法，控制模型如下：

式中，t为加工时间，f(t)为时间t对应的接触力，u(t)为时间t对应的锡丝进给速度，Kp为比例项系数，Ki为积分项系数，Kd为微分项系数。

在探测头14定位和激光焊接过程中，当加工轨迹不是直线或其他因素使锡尖受力偏转时，需同步调整激光位置，防止激光与焊点偏差造成焊接不良。具体的，设定锡尖绕探测机构中心、亦即连接杆轴心的旋转半径r，旋转规则符合极坐标系方程。偏转角度θ后锡尖最新的平面坐标为：

根据锡尖偏转角度θ动态调整激光位置的模型符合位置随动控制过程，该过程采用经典PID闭环控制方法。

4、加工完成阶段

激光关闭前，送锡机构迅速回退锡丝，避免锡丝成球或与加工点粘连；此整个加工过程完成，再进入下一焊点，循环往复。

实际操作过程中，由于贴片焊接与插针焊接方法有不同之处，以下分二个具体实施例详细说明：

实施例一：贴片焊接

参考图4和图5，贴片焊接时需保证锡丝与焊点接触良好，即焊接过程中接触力f始终保持在f₀，f₀可根据锡丝特性和焊接工艺选取。在定位阶段，当锡丝与焊盘接触力在f_b±Δf范围内时，立即停止定位。在焊接过程中，锡丝推送速度通过PID算法调节，当锡尖未熔融时，若持续送锡，则锡丝与焊盘的接触力f增大，此时应减小送锡速度；当锡丝熔化过快时，锡丝与焊盘的接触力f减小，此时应加快送锡速度。

实施例二：插针焊接

参考图4和图6，当插针引脚15变形时，在探测头14定位阶段，锡尖16接触引脚15顶端后会受力向右偏转，角度传感器2记录锡丝14偏转的角度，但此时平衡弹簧4的垂直接触力为0，因此装置继续向下移动。在移动过程中，受平衡弹簧4回复力作用，锡尖16始终与插针引脚15接触，直至接触力f在f_b±Δf范围内。锡尖16与插针引脚15接触过程中，锡尖16的运行轨迹与插针引脚15形状接近，如图6所示，锡尖16可有效避开插针引脚15的干扰，准确定位至待焊焊盘8处。

本发明利用探测头的位置反馈功能动态调整激光焦点坐标，可弥补焊点高度差对焊接效果的影响，降低了产品加工固定要求并扩大了激光焊接的应用范围。

锡尖与加工点良好接触时激光焊接是最基本的要求，通过锡尖的力反馈功能确保锡尖与焊点的良好接触，进而保证加工工艺稳定，同时通过力反馈装置计算锡尖与焊点接触的速度和加速度。当速度或加速度过大时紧急停止装置动作，防止发生机械碰撞。

通过角度反馈功能实时调整激光照射位置，使本装置可成功应用在插针焊接场合，并消除插针引脚弯曲对锡丝的影响，保证激光始终照射在锡丝上，防止激光烧伤加工基材。

上锡装置可确保加工过程中的激光和锡尖相对位置稳定、锡丝进给状态符合加工工艺，使激光加工***更好的适用于复杂工况，有效提高了加工一致性和生产良品率。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“固连”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

Claims (6)

1.一种激光焊接上锡装置，包括：背板以及安装在背板上的激光位置校正装置、视觉***，还包括：激光加工头、送锡机构、探测机构、控制器、残渣盒；所述残渣盒用于收纳斩断的锡丝残渣；所述激光加工头固连在激光位置校正装置下方，激光加工头用于热熔上锡或斩断锡丝；所述激光位置校正装置用于带动激光加工头进行空间位置调整；所述送锡机构包括：推送轮对、连接杆和铰接在连接杆下端的送锡嘴；用于焊接的锡丝的前端穿过送锡嘴至与焊盘接触，锡丝的后部穿过推送轮对，所述推送轮对用于推送或收回锡丝；设定：沿送锡嘴下部向前伸出的一小段锡丝为探测头；所述视觉***包括摄像头，所述摄像头固定在背板上，摄像头用于拍摄探测头，进而检测出探测头的直线度和长度；其特征在于：

所述探测机构包括：位移传感器、角度传感器、平衡弹簧；所述连接杆沿垂直向设置，所述送锡嘴与连接杆的轴向之间呈设定角度，所述角度传感器固定在背板上且位于连接杆的上端，所述平衡弹簧穿过连接杆且位于连接杆的下部，平衡弹簧的上端与连接杆固连，所述位移传感器固定在背板上,平衡弹簧的下端与位移传感器固连；位移传感器上设置有容置连接杆上下滑动的滑套，连接杆可带动送锡嘴上下移动和旋转摆动；所述角度传感器用于检测连接杆的摆动角度，位移传感器用于检测连接杆的上下移动位置，所述控制器分别与激光位置校正装置、视觉***、位移传感器、角度传感器连接。

2.如权利要求1所述一种激光焊接上锡装置，其特征在于：所述送锡嘴与连接杆轴向之间的连接角度为90～150度，且可人工调节。

3.如权利要求1所述一种激光焊接上锡装置，其特征在于：设定探测头的长度小于或等于锡丝直径的5倍。

4.一种采用权利要求1所述激光焊接上锡装置进行激光焊接方法，是利用探测头的位置进行激光工作高度闭环控制、利用探测头受力进行锡丝进给速度闭环控制、利用探测头角度进行激光跟随探测头位置的闭环控制方法，其特征在于，包括以下四个阶段：

s1、加工准备阶段

设定:通过位移传感器获取探测头的Z向偏移z，角度传感器获取探测头的X向偏移x和Y向偏移y，通过Z向偏移和位移传感器单位响应时间t获取探测头的速度V和加速度A；视觉***获取探测头在焊盘之上的直线度s和长度l；

标准状态下，设定基准参数，包括：探测头与焊盘之间的接触力f_b、探测头的X向偏移x_b、Y向偏移y_b、Z向偏移z_b、最大速度V_max、最大加速度A_max，视觉***获取探测头在焊盘之上的基准直线度s_b和长度l_b，设定容许偏差分别为Δf、ΔX、ΔY、ΔZ、Δs和Δl；

在加工准备阶段，视觉***首先获取探测头在焊盘之上的直线度s和长度l，并与基准直线度s_b和长度l_b比较，焊接前通过视觉***检测锡丝顶端状态，若直线度偏差s-s_b的值超出±Δs范围，探测头顶端严重变形时，通过激光脉冲将锡丝斩断，斩断后的锡丝残渣自动掉落到残渣盒中，保证锡丝作为探测头的可靠性，送锡机构补送锡丝后，视觉***再次获取锡丝在加工面上的直线度s和长度l，直至锡丝满足基准要求，保证锡尖作为探测头的有效性和精度，若锡丝长度偏差l-l_b的值超出±Δl范围时，通过送锡机构调整锡丝长度l至标准范围内；

s2、锡丝定位阶段

控制器实时更新位移传感器和角度传感器数据，并通过单位时间内的位移变化量计算探测头的运动速度和加速度，若探测头前端的锡尖移动速度V超出V_max或加速度A超出A_max，则判断锡尖发生碰撞，紧急停止装置运行；执行定位过程中，若作用力差f-f_b超出±Δf，则通过f-f_b动态调整上锡装置位置，并通过位置传感器记录装置Z向偏移m，使作用力保持在±Δf内，并通过激光位置校正装置同步调整激光Z轴坐标，保持激光焦点与加工点的相对位置稳定，定位完成；

s3、激光焊接阶段

随着锡丝被激光逐步熔化，探测头与焊点之间的接触力f减小，此过程中，需根据反馈的接触力f动态调整锡丝的进给速度，其过程采用经典PID闭环控制方法，控制模型如下：

上式中，t为加工时间，f(t)为时间t对应的作用力，u(t)为时间t对应的锡丝进给速度，Kp为比例项系数，Ki为积分项系数，Kd为微分项系数，

在探测头定位和激光焊接过程中，当加工轨迹不是直线或其他因素使锡尖受力偏转时，需同步调整激光位置；具体的，设定：锡尖绕所述连接杆轴心的旋转半径为r，旋转规则符合极坐标系方程；偏转角度θ后锡尖最新的平面坐标为：

根据锡尖偏转角度θ动态调整激光位置的模型符合位置随动控制过程，该过程采用经典PID闭环控制方法；

s4、加工完成阶段

激光关闭前，推送轮对迅速回退锡丝；至此整个加工过程完成，再进入下一焊点，循环往复。

5.如权利要求4所述激光焊接方法，其特征在于：当进行贴片焊接时，锡尖与焊点接触，焊接过程中接触力f始终保持为f₀，所述f₀值根据锡丝特性和焊接工艺选取；在定位阶段，当锡丝与焊盘接触力在f_b±Δf范围内时，立即停止定位；在焊接过程中，锡丝推送速度通过PID算法调节，当锡尖未熔融时，即减小送锡速度；当锡丝熔化过快时，则加快送锡速度。

6.如权利要求4所述激光焊接方法，其特征在于：当进行插针焊接时，若出现插针引脚变形，在探测头定位阶段，锡尖接触引脚顶端后因受力而偏转，角度传感器记录探测头的偏转角度，且连接杆继续向下移动，移动过程中，锡尖始终与插针引脚接触，直至接触力f在f_b±Δf范围内；锡尖与插针引脚接触过程中，锡尖的运行轨迹与插针引脚形状接近。

Images