一、引言

隨著工業(yè)水平的不斷進(jìn)步，航空機(jī)載產(chǎn)品呈現(xiàn)出復(fù)雜化、輕量化、精密化的發(fā)展趨勢，這使得裝配精度要求持續(xù)提高，裝調(diào)難度也日益增加。在這種背景下，自動(dòng)精密裝配技術(shù)已然成為航空航天等領(lǐng)域產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)之一。微小型零件的自動(dòng)精密裝配發(fā)展迅速，從早期在顯微鏡下的手工裝配逐步發(fā)展到半自動(dòng)、自動(dòng)化裝配階段，而模塊化裝配系統(tǒng)也日益成為發(fā)展的主流方向。

二、微小型零件裝配的挑戰(zhàn)與需求

微小型零件的多樣化發(fā)展，使得不同的器件需要專門設(shè)計(jì)和制造特定的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)裝調(diào)。在精密裝配過程中，零件的制造公差和裝調(diào)位置的偏差需要逐件進(jìn)行補(bǔ)償，有些情況甚至需要人工干預(yù)才能確保裝配的順利完成。隨著零件不斷地微型化和精密化，必須避免在裝調(diào)過程中對零件造成損傷，以免影響產(chǎn)品的性能。

以懸絲擺式加速度計(jì)為例，它廣泛應(yīng)用于航空、航天等領(lǐng)域，具有量程大、體積小、抗沖擊、精度高等特性，是慣性導(dǎo)航中的核心組成部分。然而，目前該加速度計(jì)的裝配生產(chǎn)主要依賴手工操作，憑借工人的經(jīng)驗(yàn)和焊接技能來完成裝配。這種方式對工人的操作熟練度要求極高，很難保證裝配精度和產(chǎn)品的一致性，也難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。

三、自動(dòng)焊接技術(shù)的現(xiàn)狀與局限

自動(dòng)焊接技術(shù)在機(jī)械加工中具有十分重要的意義。目前的研究表明，焊接機(jī)器人在自動(dòng)焊接技術(shù)中仍占據(jù)主要地位。但是，焊接機(jī)器人由于操作難度相對較大、成本較高以及結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜等因素，導(dǎo)致不能大規(guī)模地應(yīng)用于生產(chǎn)環(huán)節(jié)當(dāng)中。此外，焊接機(jī)器人所需的運(yùn)動(dòng)空間大，在運(yùn)動(dòng)中需要合理的軌跡規(guī)劃，而在狹小的操作空間內(nèi)顯得靈活性不足，存在無法進(jìn)行施焊的情況。

四、大研智造激光錫球自動(dòng)焊錫技術(shù)的優(yōu)勢

本文介紹了大研智造的激光錫球自動(dòng)焊錫技術(shù)，該技術(shù)集成了力、溫度傳感器和機(jī)器視覺于一體的自動(dòng)精密焊接系統(tǒng)，具有以下顯著優(yōu)勢：

采用龍門直角坐標(biāo)式機(jī)械結(jié)構(gòu)，配合焊槍旋轉(zhuǎn)軸，結(jié)合高、低倍率顯微視覺相結(jié)合的視覺檢測方式，實(shí)現(xiàn)基部與目標(biāo)部的高精度對準(zhǔn)，焊接精度達(dá)到 0.1mm。

能夠控制機(jī)械臂和精密平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，完成微球高精度的姿態(tài)調(diào)整、微球和微管的自動(dòng)對準(zhǔn)及裝配。

設(shè)計(jì)專用焊接單元集成力和溫度傳感器，在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對懸絲張緊情況下微小器件的自動(dòng)溫控焊接，提高了微結(jié)構(gòu)精密裝配的自動(dòng)化程度和質(zhì)量。

五、精密加速度計(jì)組件自動(dòng)裝配系統(tǒng)硬件

（一）模塊化設(shè)計(jì)

根據(jù)裝配任務(wù)及難點(diǎn)，采用模塊化設(shè)計(jì)思想研制了該自動(dòng)焊接系統(tǒng)。系統(tǒng)分為工作臺(tái)模塊、視覺測量模塊、焊接模塊及焊錫片放置模塊。各模塊之間互不干涉，又相互配合，極大地提高了裝配效率以及設(shè)備的復(fù)用性。

（二）視覺測量模塊

重要作用：在整個(gè)裝配過程中，機(jī)器視覺系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用，包括待裝配零件的識別與定位、裝配結(jié)果測量以及裝配過程可視化，關(guān)系到整個(gè)裝配流程的精度及質(zhì)量。

組成部分：機(jī)器視覺系統(tǒng)主要由工業(yè)相機(jī)、遠(yuǎn)心鏡頭、同軸–環(huán)形光源組成。

測量方案：采用可移動(dòng)的視覺測量方案，配合 3 自由度精密位移滑臺(tái)，其重復(fù)定位精度為 ±0.5μm。不僅擴(kuò)大了測量范圍，解決了相機(jī)視場不足的問題，而且能夠控制圖像位置，確保待測量零件位于相機(jī)視野中心。相機(jī)采集圖像并傳入上位機(jī)進(jìn)行圖像處理；遠(yuǎn)心鏡頭可以消除由于被測物體距離鏡頭位置不同造成的圖像畸變。環(huán)形光源安裝于相機(jī)鏡頭前，使相機(jī)能清楚地觀察零件的邊緣特征；同軸光源安裝在鏡頭一側(cè)，以改善零件平面反射成像，二者配合提高圖像質(zhì)量。

（三）焊接模塊

功能與組成：焊接模塊集成于視覺測量模塊，以機(jī)械臂為載體，由焊接組件及力傳感器組成，其主要功能是將懸絲焊接到加速度計(jì)底座設(shè)定位置，完成組件裝配的最后一步。焊接組件由焊接頭、加熱棒、溫度傳感器、隔熱材料等構(gòu)成。其中，焊接頭采用黃銅材料制成，表面鍍鉻處理，防止焊接頭沾錫影響焊接效果。焊接頭末端設(shè)計(jì)有一定深度的槽形，在焊接過程中使錫球嵌入其中。

工作原理：激光將焊錫熔化后，在高濃度氮?dú)獾膰娚渥饔孟略诤副P匯集冷卻形成焊點(diǎn)，控制焊接位置，保證焊接質(zhì)量。溫度控制調(diào)節(jié)模塊的工作原理基于閉環(huán)反饋控制。激光焊錫機(jī)采用激光作為加熱源，通過紅外檢測方式實(shí)時(shí)檢測激光對加工件的紅外熱輻射，形成激光焊接溫度和檢測溫度的閉環(huán)控制?？刂瓢?PID 調(diào)節(jié)功能可以有效控制激光焊接溫度在設(shè)定范圍內(nèi)的波動(dòng)。首先，鉑電阻溫度傳感器實(shí)時(shí)獲取焊接頭溫度，溫度控制器通過模糊 PID 自整定模式調(diào)節(jié)變壓器通斷，進(jìn)而控制加熱。工人實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)的焊接溫度為 250℃，焊接時(shí)適當(dāng)提高控制溫度可以確保焊接頭達(dá)到足夠的焊接溫度，保證焊錫完全熔化，最終確定焊接控制溫度為 255℃左右。

（四）焊錫片放置模塊

設(shè)計(jì)目的：由于操作空間有限，且焊接面及焊錫片微小，人眼不易觀察，因此設(shè)計(jì)了焊錫片放置模塊。

工作方式：首先末端針頭依靠黏附力拾取焊錫片，由相機(jī)獲取當(dāng)前焊錫片的位置后，手動(dòng)調(diào)整三軸微調(diào)平臺(tái)旋鈕，將焊錫片放置到理論位置。該模塊降低了焊錫片放置難度，并保證焊點(diǎn)位置準(zhǔn)確。

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裝配系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。由于待裝配零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可操作空間有限，因此采用 “Look and Move” 的焊接控制模式。首先由視覺系統(tǒng)獲取零件位姿信息，通過分析計(jì)算，最后控制精密滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)至目標(biāo)位置。通過機(jī)器視覺及反饋信息引導(dǎo)裝配作業(yè)，消除零件位姿微小變動(dòng)造成的偏差，提高裝配精度及質(zhì)量。
在視覺測量模塊引導(dǎo)下，通過焊錫片裝調(diào)模塊放置焊錫片。由于焊錫片與末端針頭處于不同的景深范圍，同時(shí)末端針頭直徑僅 0.45mm，不易觀測，但是能夠在視場范圍內(nèi)獲取焊錫片的清晰圖像，通過調(diào)整三軸微調(diào)平臺(tái)來調(diào)整焊錫片位置，確保焊點(diǎn)位置準(zhǔn)確。

焊接模塊集成懸臂梁式力傳感器，能夠?qū)崟r(shí)檢測焊接接觸力。在傳統(tǒng)的烙鐵焊接過程中，焊錫片的熔化導(dǎo)致焊接接觸力不斷變化。而激光焊接具有非接觸焊接特性，焊接不受摩擦、靜電等外力影響。激光錫球全自動(dòng)焊錫機(jī)可根據(jù)焊錫片厚度設(shè)定焊接噴嘴與焊盤之間的微小距離，保證焊錫片受熱均勻、完全熔化，焊接完成后快速抬起離開焊接位置，完成焊接操作。具體焊接流程如圖所示。

七、裝配試驗(yàn)

使用該自動(dòng)裝配系統(tǒng)對隨機(jī)選取零件進(jìn)行裝配及焊接試驗(yàn)，將擺組件和加速度計(jì)底座分別安裝到上料平臺(tái)，操作裝配軟件系統(tǒng)完成裝配任務(wù)。

（一）焊接結(jié)果

焊接完成后，在顯微鏡下觀測焊接結(jié)果。焊錫熔化后凝固效果良好，不存在焊錫流向懸絲的現(xiàn)象，微小焊點(diǎn)位置準(zhǔn)確、質(zhì)量可靠，無虛焊。

（二）間隙及位置調(diào)整

采用標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定尺（制造精度 1μm），在滿視場的情況下對相機(jī)的實(shí)際像素進(jìn)行測量標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果為 X、Y 方向像素尺寸均為 1.745μm/pixel。擺組件相對于磁鋼間隙的測量距離為 1mm 左右；懸絲中心相對于底座底面位置調(diào)整依靠精密滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)擴(kuò)大圖像采集范圍。系統(tǒng)采用三維精密位移滑臺(tái)，其重復(fù)定位精度可達(dá) ±0.5μm，從誤差累積原理上來說，精度能夠滿足小于 10μm 的要求。

待裝配零件質(zhì)量存在差異，一致性較差，因此會(huì)對裝配結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。裝配完成后，通過視覺系統(tǒng)對裝配結(jié)果進(jìn)行測量，其測量原理與上文裝配調(diào)整的方法類似，測量擺組件相對于磁鋼間隙，以及懸絲中心相對于底座底面間距?？傮w來看，擺組件相對于磁鋼間隙偏差小于 10μm，懸絲中心相對于底座底面位置精度優(yōu)于 20μm，能夠滿足裝配精度要求。

本文的自動(dòng)焊接系統(tǒng)能夠完成加速度計(jì)組件的自動(dòng)精密焊接，滿足裝配精度要求，改善了裝配質(zhì)量，能夠?qū)崿F(xiàn)加速度計(jì)底座組件裝配作業(yè)自動(dòng)化。

八、結(jié)論

針對加速度計(jì)組件手工裝配困難的問題，研制了專用自動(dòng)化裝配及焊接系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)零件焊接等任務(wù)，以自動(dòng)化設(shè)備替代人工裝配，能夠確保裝配過程中精確定位以及微力控制。通過裝配試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性，試驗(yàn)結(jié)果表明，焊點(diǎn)位置準(zhǔn)確，無虛焊，擺組件相對于磁鋼間隙偏差小于 10μm，懸絲中心相對于底座底面位置精度優(yōu)于 20μm，裝配質(zhì)量滿足精度要求。該精密自動(dòng)裝配及焊接系統(tǒng)提高了產(chǎn)品精度一致性，為精密微小器件的自動(dòng)化裝配提供了借鑒。未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，激光錫球全自動(dòng)焊錫機(jī)在精密加速度計(jì)組件以及其他微小型精密器件的裝配中將發(fā)揮更加重要的作用，推動(dòng)航空航天等領(lǐng)域的制造技術(shù)向更高水平發(fā)展。

本文由大研智造撰寫，我們專注于提供智能制造精密焊接領(lǐng)域的最新技術(shù)資訊和深度分析。作為集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售、服務(wù)為一體的激光焊錫機(jī)技術(shù)廠家，我們擁有超過20年的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)。想要了解更多關(guān)于激光焊錫機(jī)在智能制造精密焊接領(lǐng)域中的應(yīng)用，或是有特定的技術(shù)需求，請?jiān)诖笱兄窃旃倬W(wǎng)聯(lián)系我們。歡迎來我司參觀、試機(jī)、免費(fèi)打樣。

審核編輯 黃宇