CN104619448B - 焊接机 - Google Patents

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Abstract

一种焊接机(100)包括框架(110)和由该框架固持的夹具(106)，该夹具支撑基底(104)和电缆。引导系统(160)由该框架支撑，该引导系统具有观察夹具的照相机(102)，该照相机相对于该夹具是可移动的。定位系统由框架支撑。定位系统(120)具有照相机定位器和焊接机构定位器(130)。焊接机构(122)被联接至焊接机构定位器并且通过焊接机构定位器而相对于夹具移动。焊接机构将导线(103)焊接至基底。控制器(170)与定位系统和引导系统通信以操作定位系统，来基于由照相机获取的图像而控制照相机和焊接机构相对于夹具的位置。

Description

焊接机
技术领域
本文的主题总体涉及焊接机和焊接方法。
背景技术
许多电部件是通过将各种部件焊接到一起而制造的。例如，导线可被焊接至电路板上的导电迹线。焊接是通过焊接机构进行的，焊接机构通过熔化焊料并且使焊料流动进入导线和导电迹线之间的连结处而将导线和导电迹线连结。焊接可手动进行或通过自动处理进行。手动应用是耗时的并且增加了电部件的费用。焊接质量是手动焊接所具有的问题。自动处理同样具有劣势。例如，自动处理使用预编程序控制，而其不考虑部件的实际位置。此外，因为自动处理在施加过程中不具有反馈，所以预编程序施加对焊接夹具尺寸的公差有严格的要求。焊接精度由于焊接夹具尺寸的公差而受限，这导致零件返工以通过质量检查。
存在对于一种不需要操作员干预的、具有成本效益的焊接自动处理的需求。
发明内容
在一个实施例中，焊接机被设置为包括框架和由该框架支撑的夹具(fixture)。夹具被构造成支撑基底和电缆，电缆具有被构造成焊接至基底的导电迹线的个体导线。引导系统由框架支撑。引导系统具有观察夹具的照相机，其相对于夹具是可移动的。定位系统由框架支撑。定位系统具有照相机定位器和焊接机构定位器。照相机被联接至夹具，并且通过照相机定位器而相对于夹具是可移动的。焊接机构被联接至焊接机构定位器并且通过该焊接机构定位器而相对于夹具移动。焊接机构被构造成将导线焊接至基底的导电迹线。控制器与定位系统和引导系统通信。控制器操作定位系统以基于由照相机获得的图像来控制相对于夹具的照相机的位置和焊接机构的位置。
在另一实施例中，一种将导线焊接至基底的导电迹线的方法包括将基底固持在夹具上、相对于基底固持导线、使用照相机捕获导线和基底的图像、使用控制器基于来自图像的导线和基底的位置而建立运动方案(profile)、并且基于运动方案移动焊接机构以将导线焊接至基底上的导电迹线。
附图说明
现将通过示例的方式参照附图来描述本发明，所述附图中：
图1图示了根据示例性实施例形成的焊接机。
图2是焊接机的焊接机构和焊接机构定位器的放大视图。
图3是焊接机的焊丝传送机构的放大视图。
图4是照相机、照相机定位器的部分、固持器和固持器定位器的放大视图，上述部件都是焊接机的。
图5图示了焊接机的夹具。
图6是焊接机的部分的放大视图，示出了将导线焊接至对应基底的焊接机构。
图7图示了将导线焊接至基底的方法。
具体实施方式
图1图示了根据示例性实施例形成的焊接机100。焊接机100被用于将导线103焊接至基底104的对应导电迹线上。基底104可以是电路板或其上具有导电迹线的其他类型的电部件。焊接机100通过使用计算机控制的自动处理将导线103自动地焊接至基底104。
焊接机100使用光学图像传感器(本文所述的传感器指的是照相机102)提供视觉(vision)引导以收集关于导线103、基底104、基底104的任何部件(例如，导电迹线)、基底104上的任何分配流体(dispensed fluid)、焊接机构的位置等的图像和数据。焊接机100基于所述图像动态地改变参数和对焊接机100的部件的控制。例如，所述参数和控制可以是基于几何特性数据的，所述几何特性数据基于由照相机102捕获的图像而获得。呈现至焊接机100的任何导线103或基底104可具有不同特性，诸如导线相对于导电迹线的不同位置、导电迹线的不同布局、相对于焊接机构的不同定位、或可被识别和容纳用于使用视觉引导的其他特性。焊接机100识别导线103和基底104的特定特性，并且将焊接机构相对于导线103和基底104正确地定位用于进行焊接操作。
在图示的实施例中，焊接机100处理多个基底104。基底104被固持在夹具106上并且导线103被固持在夹具106的托盘108上。托盘108可以是从夹具106可移除的。例如，电缆和导线103在单独的制造处理中可被定位在托盘108上，诸如在不同工作站(station)处使用不同机器，所述不同机器诸如将导线自动地定位在用于焊接至基底104的正确位置而不需要进一步的人类干预的导线分拣(sorting)机器。继而，托盘108被联接至夹具106以将导线103相对于基底104定位。可选地，基底104在单独的制造处理中可被预处理，诸如在不同工作站处使用不同机器，所述不同机器诸如流体分配机器，在其中工程流体(例如，焊料)被分配在导电迹线上使得基底104为焊接做好准备。任何数量的导线103和基底104可由夹具106固持并且成批地(as a batch)呈现至焊接机100。可替代地，基底104和对应的导线103可单个地呈现至焊接机100，而不是作为夹具106的部分成批地呈现。
焊接机100包括框架110，其支撑焊接机100的各种部件。框架110可以是固定的。框架110可以是更大机器的部分，诸如定位在其他工作站之前或之后的工作站处。在示例性实施例中，框架110包括轨道112。夹具106可沿着轨道112被传送。可选地，一旦夹具106被定位在焊接机100的工作区域114中，夹具106可被固持就位并且被约束而不能沿着轨道112移动。
焊接机100包括由框架110支撑的定位系统120。定位系统120被用于在焊接机100的操作过程中将照相机102相对于夹具106定位。定位系统120被用于在焊接机100的操作过程中将焊接机构122相对于夹具106定位。在示例性实施例中，定位系统120是具有旋转轴线的笛卡尔(Cartesian)运动机器人。在其他实施例中可使用其他类型的系统，诸如选择性顺应组件机器人臂(selective compliance assembly robot arm，SCARA)或其他机器人运动系统。
焊接机构122被用于在基底104和对应的导线103之间回流(reflow)焊料。焊接机构122根据由焊接机100基于导线103和基底104的特定布置而确定的处理参数以及特定运动方案(profile)在三个维度中是可移动的。可选地，焊接机构122的末端124邻近于导线103和基底104移动以在其间回流焊料。可选地，焊接机构122可在焊接处理中在导线103和基底104之间分配焊料。在示例性实施例中，传感器可设置在焊接机构122上或其中用于测量力，诸如当焊接机构122被压入焊料、基底、和/或导线内时。力测量可被用于验证焊接机构的定位。定位系统120可使用力测量来控制焊接机构122的定位。例如，加热可基于力测量来控制(例如，更大的力可对应于更好的热传导以及传递至焊料、基底和/或导线的更多热量)。力传感器可以是应变计或其他类型的力传感器。力传感器可以是内部或外部安装的。力传感器可被设置为靠近末端124或远离末端124。
可选地，焊接机构122可被定位在框架110上独立于照相机102，诸如使用不同的定位器。根据由焊接机100基于导线103和基底104的特定布置确定的特定运动方案，照相机102可独立于焊接机构122是可移动的。可选地，照相机102可以是在两个维度中可移动的，诸如沿着水平面。可替代地，照相机102可以是在三个维度中可移动的。可选地，可提供多个照相机用于从不同角度观察焊接区域。例如，一个照相机可从竖直上方观察所述区域，而另一照相机可从侧面观察所述区域。
图1中图示了坐标系统，其示出了相互垂直的X、Y和Z轴线。在示例性实施例中，定位系统120包括焊接机构定位器130，其控制焊接机构122的X位置、Y位置和Z位置。在图示的实施例中，焊接机构定位器130包括控制焊接机构122的X和Y位置的旋转臂132以及控制焊接机构122的Z位置的Z定位器134。在其他实施例中可使用其他类型的定位器。可选地，焊接机构定位器130可包括至少一个角度定位器以允许焊接机100的部件在三维空间中的角运动。
在示例性实施例中，定位系统120包括照相机定位器136，其控制照相机102的X位置和Y位置。在示例性实施例中，照相机定位系统136包括旋转臂132，其控制照相机102的X和Y位置。在替代实施例中可使用其他类型的定位器。例如，Z定位器或角度定位器可被用于改变照相机102的Z位置或角位置。
在示例性实施例中，焊接机100包括固持器140，其被用于在焊接过程中固持导线103。固持器140相对于焊接机构122和/或照相机102可以是独立地可移动的。定位系统120包括固持器定位器142，其控制焊接机构122的X位置、Y位置和/或Z位置。在图示的实施例中，固持器定位器142被联接至照相机定位器136。固持器140使用照相机定位器136而可与照相机102一起移动。固持器定位器142是Z-定位器，其允许固持器140相对于照相机102的独立竖直运动。在替代实施例中其他构造是可能的。固持器140包括指状件144，其可竖直地定位在照相机102下方，处于接合并且固持处在照相机102的视图中的对应导线103的位置处。固持器140在焊接处理过程中固持导线103。
在示例性实施例中，焊接机100包括焊丝(solder wire)传送机构150。焊丝传送机构150将焊丝传送至焊接机构122。焊丝传送机构150包括集成的传感器以控制焊接材料的传送量。焊丝传送机构150包括防氧化机构以维持焊铁末端的清洁。焊丝传送机构150包括用于提供温度反馈至焊接机100的集成的温度传感器。力传感器可被提供用于测量力，诸如当焊接机构122接触焊料、基底和/或导线时。
焊接机100包括引导系统160，其提供用于焊接处理的视觉引导。照相机102形成引导系统160的部分。照相机102对准在工作区域114处并且获取导线103、基底104和/或焊接机构122的图像。可选地，照相机102可获取连续的图像并且焊接机100可基于这些图像而连续地更新操作。可替代地，照相机102可在预定时间获取图像，诸如在焊接前的每个新的基底位置处、在焊接处理的不同阶段处(例如，在每个导线被焊接后)，在预定的时间间隔处(例如，每秒1个图像)等。引导系统160可包括力传感器或另一类型的传感器，或从力传感器或另一类型的传感器接收输入。
在示例性实施例中，引导系统160包括用于控制焊接机100的光学特性的光学部件162。例如，光学部件162可包括用于照明工作区域114、焊接机构122、导线103和/或基底104的照明源。所述照明源可将不同波长的光发射到工作区域114上以便于焊料连结部、导线103、基底104、导线103和基底104之间的边界、边界处的焊料等特性的识别。不同光波长可被用于将导线103从基底104分辨出。
焊接机100包括控制器170，其控制焊接机100的操作。控制器170与焊丝传送机构150通信并且从焊丝传送机构150的传感器接收输入，该输入可用于控制焊接机100的操作。控制器170与定位系统120和引导系统160通信。例如，由照相机102生成的图像由控制器170处理。控制器170包括运动规划和处理参数计算算法。控制器170可提供对焊接机构122、照相机102和/或固持器140的运动规划。例如，控制器170可包括焊接机构运动规划算法，其制定控制定位系统120的操作的运动方案以控制焊接机构122的运动。控制器170可包括照相机运动规划算法，其制定控制定位系统120的操作的运动方案以控制照相机102的运动。控制器170可包括固持器运动规划算法，其制定控制定位系统120的操作的运动方案以控制固持器140的运动。控制器170可限定处理参数，诸如使用在焊接机构处的能量的量、焊接速率、照相机的变焦或焦点、固持器的动作等。控制器170可具有除了来自照相机102的图像之外的其他输入，诸如来自焊接机构122的末端的温度输入。
运动规划算法基于由照相机102提供的图像。控制器170识别焊接发生的每个位置，包括导线103相对于导电迹线的位置和形状。控制器170确定用于将焊接机构122移动到必要位置的规划。控制器170计算用于定位系统120的一系列运动以有效地将焊接机构122移动到必要位置。控制器170确定用于将照相机102移动到必要位置的规划。照相机102位置在焊接处理过程中可改变。控制器170计算用于定位系统120的一系列运动以将照相机102有效地移动到必要位置。控制器170确定用于将固持器140移动到必要位置的规划。固持器140的位置可依赖于导线103的位置，后者可根据工作站的不同而变化。控制器170计算用于定位系统120的一系列运动以将固持器140有效地移动到必要位置。
在示例性实施例中，照明源将光发射到导线103和基底104上以辅助控制器170识别基底104的特性。识别处理可基于图像中数据点的强度。例如，不同的材料(例如，塑料、金属、焊料)可在图像中具有不同强度水平，其辅助控制器170识别不同材料之间的边界。
控制器170控制在焊接机100的操作过程中的焊接机构122的X、Y、Z和/或角位置。控制器170控制在焊接机100的操作过程中的照相机102的X、Y、Z和/或角位置。控制器170控制在焊接机100的操作过程中的固持器140的X、Y、Z和/或角位置。控制器170使用运动规划算法以建立用于将焊接机构122相对于导线103和基底104定位的运动方案。在操作中，控制器170将照相机102和焊接机构122定位在一系列的工作站处，其中在每个工作站处设置有基底104和对应的导线103。在每个工作站处，照相机102拍摄基底104和至少一个焊料连结部或导线103和基底104之间的边界。控制器170确定一系列步骤以将导线103有效地焊接至基底104。一旦焊料连结部完成，控制器170将固持器140和焊接机构122移动至下一个导线103。一旦所有的导线103被焊接至基底104，控制器170将照相机102、固持器140以及焊接机构122移动至下一工作站。因为在每个工作站处导线103相对于基底104的定位可以是不同的，所以控制器170可在每个工作站处规划不同的运动方案和流体分配方式。
图2是焊接机构122和焊接机构定位器130的放大视图。图3是焊丝传送机构150的放大视图。
图4是照相机102、照相机定位器136的部分、固持器140和固持器定位器142的放大视图。照相机102提供用于机器的控制的视觉反馈。照相机102直接地定位在光学部件162中的开口164上方并且通过开口164对准。开口164限定用于由照相机102获取的图像的视场。固持器140被定位在光学部件162下方。在示例性实施例中，照相机102直接地定位在固持器140的指状件144上方。指状件144可被构造成捏住(pinch)导线103(在图1中示出)以固持导线103。
图5图示了夹具106，其中为了清晰起见，托盘108的部分(在图1中示出)被移除。基底104由固持器170固持就位。托盘108将导线103固持就位用于焊接至基底104。在示例性实施例中，固持器140被构造成在焊接处理过程中抓住导线103中的一个并且将导线103相对于基底104固持就位。在图示的实施例中，基底104每个包括基底本体表面上的导电迹线180。工程流体，诸如焊料，可被施加至导电迹线180。
图6是焊接机100的部分的放大视图，示出了焊接机构122将导线的一个焊接至对应基底104。焊接机构122、固持器140以及照相机102的运动由控制器170(图1中示出)基于由照相机102获取的图像和/或来自其他照相机或传感器的其他输入来控制。例如，照相机102可竖直地直接定位在焊接机构122上方使得照相机102能够感测并且拍摄焊接机构122的X和Y位置，但是可具有受限的、或没有关于Z(例如，竖直)位置的输入。另一照相机可提供关于Z位置的信息，或可替代地，另一传感器，诸如力传感器可提供关于Z位置的输入，诸如通过感测焊接机构122接合焊料、基底和/或导线。运动可贯穿分配处理而被更新。焊接机构122的运动是独立于固持器140和照相机102的运动的。
图7图示了将导线焊接至基底的方法300。在302处，该方法包括将基底固持在夹具上。例如，基底可由弹簧加载(spring loaded)固持器来固持。基底被固持使得基底的部分被暴露用于处理。例如，基底的导电迹线可被暴露用于将工程流体(例如，环氧树脂、粘接剂、焊料、镀料等)施加至导电迹线。导电迹线被暴露用于将导线焊接至导电迹线。
在304处，该方法包括将基底固持在夹具上。例如，导线可由托盘固持。托盘可由夹具固持。多个导线可被固持为相对邻近于基底用于焊接至基底。
在306处，该方法包括捕获基底和导线的图像，诸如在焊料连结部处。图像可由对准在焊接区域处的照相机捕获。照相机观察导线、基底、焊料、以及焊料连结处的特性。照相机可捕获多于一个图像。可提供多个照相机以观察焊接区域的不同部分或角度。可选地，焊接区域可由照明源照明。基底和导线可由不同波长的光照明。基底的不同部分可由不同波长的光而不同地影响，例如用于分辨边界。
在308处，该方法包括建立用于焊接机的焊接机构运动方案。焊接机构运动方案控制在焊接处理过程中使用的焊接机构的运动。焊接机构运动方案包括由计算机可执行的一组指令以控制焊接机的操作。在示例性实施例中，焊接机包括用于控制焊接机操作的控制器。控制器包括运动规划算法，其确定焊接机构应如何相对于基底和导线移动用于进行焊接操作。控制器可在不同边界之间进行分辨。例如，当基底由不同波长的光照明时，控制器可使用识别软件(recognition software)确定不同材料之间的边界。在示例性实施例中，控制器确定导线相对于导电迹线的布置和形状。来自图像的数据用于生成焊接机构运动方案并且焊接机根据所述运动方案操作。可选地，焊接机构运动方案可在焊接后或焊接过程中被更新和修正。
在310处，该方法包括建立用于焊接机的照相机运动方案。照相机运动方案控制照相机的运动，该照相机用于在焊接处理过程中可视化焊接机构、导线和基底。照相机运动方案包括由计算机可执行的一系列指令，以控制焊接机的操作。在示例性实施例中，焊接机包括用于控制焊接机操作的控制器。控制器包括运动规划算法，其确定照相机应如何相对于基底和导线移动用于可视化焊接操作。控制器可确定下一个工作站的位置以在焊接操作后将照相机移动至该位置。
在312处，该方法包括建立用于焊接机的固持器运动方案。固持器运动方案控制用于在焊接过程中固持导线的固持器的运动。固持器运动方案包括由计算机可执行的一系列指令以控制焊接机的操作。在示例性实施例中，焊接机包括用于控制焊接机操作的控制器。控制器包括运动规划算法，其确定在焊接操作过程中固持器应如何相对于基底移动以定位并且固持导线。固持器可在焊接操作过程中基于由照相机在焊接操作过程中捕获的图像而移动导线的位置。来自图像的数据用于生成固持器运动方案并且焊接机根据所述运动方案操作。可选地，固持器运动方案可在焊接后或焊接过程中被更新和修正。
在314处，该方法包括基于运动方案移动焊接机构。例如，焊接机可包括焊接机构定位器，其将焊接机构相对于夹具移动。在316处，该方法包括基于运动方案移动照相机。例如，焊接机可包括照相机定位器，其将照相机相对于夹具移动。在318处，该方法包括基于运动方案移动导线固持器。例如，导线固持器可包括固持器定位器，其将固持器相对于夹具移动。
在320处，该方法包括焊接导线和基底。随着焊接机构沿着运动方案移动，控制器控制焊接参数，诸如通过调整由焊接机构施加的能量、调整焊接机构处于特定位置处的时间或焊接机构的移动速率。
在322处，在一些实施例中，该方法可包括捕获导线、基底和焊料连结部的第二图像。第二图像可在焊接后或焊接过程中捕获。在324处，运动方案可被更新，诸如基于所述第二图像。运动方案的更新确保高质量焊接。

Claims (8)

1.一种焊接机(100)，包括：
框架(110)；
夹具(106)，其由所述框架固持，所述夹具被构造成支撑基底(104)和具有个体导线(103)的电缆，所述个体导线被构造成焊接至所述基底的导电迹线(180)；
引导系统(160)，其由所述框架支撑，所述引导系统具有观察所述夹具的照相机(102)，所述照相机相对于所述夹具是能移动的；
定位系统(120)，其由所述框架支撑，所述定位系统具有照相机定位器(136)和焊接机构定位器(130)，所述照相机被联接至所述照相机定位器并且通过所述照相机定位器而相对于所述夹具是能移动的；
焊接机构(122)，其被联接至所述焊接机构定位器并且通过所述焊接机构定位器而相对于所述夹具移动，所述焊接机构被构造成将所述导线焊接至所述基底的导电迹线；以及
控制器(170)，其与所述定位系统和所述引导系统通信，所述控制器操作所述定位系统以基于由所述照相机获取的图像控制所述照相机相对于所述夹具的位置以及所述焊接机构相对于所述夹具的位置；
固持器(140)，被构造成固持所述基底(104)和所述导线(103)中的至少一个，所述定位系统(120)包括用于相对于所述夹具移动所述固持器的固持器定位器(142)，所述固持器相对于所述焊接机构(122)是能移动的。
2.根据权利要求1所述的焊接机(100)，其中所述照相机(102)被构造成拍摄其中所述焊接机构(122)将所述导线(103)焊接至所述导电迹线(180)的焊接区域，所述控制器(170)使用来自由所述照相机获取的图像的视觉引导以控制所述焊接机构的位置。
3.根据权利要求1所述的焊接机(100)，其中所述控制器(170)建立用于所述定位系统(120)的运动方案以移动所述焊接机构(122)。
4.根据权利要求1所述的焊接机(100)，其中所述控制器(170)建立用于所述定位系统(120)的运动方案以移动所述焊接机构(122)，所述运动方案基于在焊接过程中由所述照相机(102)获取的图像而被更新。
5.根据权利要求1所述的焊接机(100)，其中所述控制器(170)建立用于所述定位系统(120)的运动方案以独立于所述焊接机构定位器(130)而移动所述照相机定位器(136)。
6.根据权利要求1所述的焊接机(100)，其中所述照相机(102)在所述焊接机构(122)的操作过程中拍摄在焊接区域中的所述基底(104)和导线(103)，所述控制器(170)使所述定位系统(120)基于在所述焊接机构的操作过程中生成的图像而移动所述焊接机构。
7.根据权利要求6所述的焊接机(100)，其中所述控制器(170)基于所述焊接区域的新图像更新所述定位系统(12 0)的操作。
8.根据权利要求1所述的焊接机(100)，其中所述焊接机构定位器(130)控制所述焊接机构(122)在三维空间中的位置，并且其中所述照相机定位器(136) 控制所述照相机(102)在二维空间中沿着水平面的位置。
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