CN106944705B - 一种锡膏精密焊接的视觉识别闭环控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及自动焊接领域，特涉及一种锡膏精密焊接的视觉识别闭环控制方法。本发明的方法采用机器视觉检测焊盘和锡膏的垂直投影面积为基础，通过控制激光模块的激发电流大小和时间，实现整个锡膏配激光焊接过程中对锡膏覆盖面积的精确控制，达到无飞溅、无残留的焊接效果，并分别处理无锡或者少锡、焊点未焊透等问题，保证良好的焊接品质。

Description

一种锡膏精密焊接的视觉识别闭环控制方法

技术领域

本发明涉及自动焊接领域，特涉及一种锡膏精密焊接的视觉识别闭环控制方法。

背景技术

在使用激光作为热源、锡膏作为钎料的软钎焊领域，由于锡膏中含有助焊剂，而且激光可瞬间将锡膏加热到较高温度，焊点表面的锡膏会在激光的照射下流动并散开。如果锡膏流动到距离焊盘较远的位置，受锡的趋热性作用距离限制，锡膏熔化后无法将这些距离较远的部分拉回焊盘，导致锡膏在工件上形成残留或飞溅，影响焊接后的电气性能。

当焊点上的锡膏受热熔化后，会在焊点上形成液态锡球，当焊盘表面进一步受热后，锡球才会在焊盘表面铺开，形成良好焊接。但是受环境等因素的影响，在指定的时间内，锡球不能百分之百铺开，从而形成焊接不良。

专利《空焊AOI锡膏检测方法》中提出检测焊盘是否空焊的方法，无法判断焊盘上的锡是否完全铺开，更无法解决锡没有完全铺开的问题。

专利CN201110295769《改善焊盘外形限制锡膏扩散的结构和方法》从印制电路板的设计结构上控制了锡膏过锡炉时的扩散范围，但是不适用于柔性电路板，也不适用于焊接过程中的锡膏范围控制和飞溅、残留的抑制，且无法对锡量多少进行判断，更无法对焊接后锡在焊盘上的附着面积进行检测和修正，因此其方法的有效性、先进性和适用性有限，该专利与本发明将要公开的方法在原理、结构和适用范围上差异明显。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种锡膏精密焊接的视觉识别闭环控制方法。本发明的方法采用机器视觉检测焊盘和锡膏的垂直投影面积为基础，通过控制激光模块的激发电流大小和时间，实现整个锡膏配激光焊接过程中对锡膏覆盖面积的精确控制，达到无飞溅、无残留的焊接效果，并分别处理无锡或者少锡、焊点未焊透等问题，保证良好的焊接品质。

本发明的技术方案是：一种锡膏精密焊接的视觉识别闭环控制方法,包括预热阶段、熔化阶段和冷却阶段，其特征在于：

所述的预热阶段的加工过程为：在焊接开始时刻t0发射激光，直到t0+Δt1时锡膏扩散至S1的边界处；

所述的熔化阶段的加工过程为：在Δt2时间段内激光电流迅速增加，使小锡珠逐步熔化并集中在一起形成液态锡球；然后设置图像处理参数提取焊盘上的锡的实时垂直投影面积S4，设置焊接完成后锡在焊盘上的最小覆盖面积S5，使用PID算法控制激光电流，激光继续加热焊盘，直到时间点t0+Δt1+Δt2+Δt2’，锡在焊盘上铺开面积大于等于最小覆盖面积S5，熔化第二阶段结束；

所述的冷却阶段的加工过程为：将激光电流保持在熔化阶段电流的80％±10％范围内，使锡缓慢凝固；

其中第一限定区域S1取值范围为105％至140％焊盘的垂直投影面积S0；最小覆盖面积S5取值范围为70％至100％焊盘的垂直投影面积S0。

根据如上所述的锡膏精密焊接的视觉识别闭环控制方法，其特征在于：所述的预热阶段的加工过程还包括以下步骤：设定焊接预热阶段时间为Δt1，检测焊盘上锡膏的初始面积S3，如果面积为零，控制点锡装置12对该焊点加锡，重新开始焊接；如果焊盘上的锡的实时垂直投影面积S4在t0+Δt1*50％时刻并没有扩散至S3的120％，则控制点锡装置12对该焊点加锡，在重新开始焊接；如果连续2次计算中，焊盘上的锡的实时垂直投影面积S4无变化，则将预热电流增加1安培，如此重复，使预热阶段的激光电流尽可能大，且锡膏不超出S2区域范围，在t0+Δt1时刻，预热阶段结束；其中第二限定区域S2取值范围为130％至160％焊盘的垂直投影面积S0；初始投影面积S3取值范围为60％至90％焊盘的垂直投影面积S0。

根据如上所述的锡膏精密焊接的视觉识别闭环控制方法，其特征在于：锡膏的垂直投影面积和焊盘的垂直投影面积采用机器视觉采集。

根据如上所述的锡膏精密焊接的视觉识别闭环控制方法，其特征在于：所述步骤一中采用PID算法控制激光电流，使激光照射后锡膏在第一限定区域S1内迅速散开且无溢出；所述步骤二中采用PID算法控制激光电流，直到时间点t0+Δt1+Δt2+Δt2’时，锡在焊盘上铺开面积大于等于最小覆盖面积S5；步骤一和步骤二采用的PID算法为：

式中，K_p、K_i和K_d分别为PID算法的比例、积分和微分环节；e(t)为输入、u(t)为输出。

根据如上所述的锡膏精密焊接的视觉识别闭环控制方法，其特征在于：还包括在预热阶段前点锡装置12在工件焊点16上均匀涂敷一层锡膏的步骤。

根据如上所述的锡膏精密焊接的视觉识别闭环控制方法，其特征在于：所述的第一限定区域S1为120％焊盘的垂直投影面积S0；第二限定区域S2为150％焊盘的垂直投影面积S0；初始投影面积S3为75％焊盘的垂直投影面积S0；最小覆盖面积S5为90％焊盘的垂直投影面积S0。

本发明的有益效果是：1、使用控制算法控制锡膏受热流动的范围，保证锡膏不会流动到焊盘的有效焊接区域外，解决了锡膏残留和飞溅问题。2、可判断焊点上的锡量，当无锡或者锡量偏少时，控制点锡装置自动对焊点加锡。3、使用控制算法控制固态锡在焊盘上的展开面积，解决了锡在焊盘上没有摊开的问题，避免虚焊，提高焊接品质和良品率。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明焊点区域的不同位置示意图；

图3为本发明工作过程示意图。

附图标记说明：11为垂直升降载板、12为点锡装置、13为水平运动载板、14为图像采集装置、15为激光聚焦装置、16为工件焊点、17为控制器、21为第二限定区域S2，22为第一限定区域S1，23为焊点的垂直投影面积S0，24为锡膏的初始投影面积S3。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明的方法与大多数焊接类似，在激光的作用下，锡膏焊接的过程可大致分为三个阶段：预热阶段、熔化阶段和冷却阶段。

在预热阶段，如果激光产生的预热温度过高，则锡膏中的微小锡珠在助焊剂的承载下迅速散开，导致焊接结果的锡膏残留较多，影响焊接品质。本专利采用机器视觉采集锡膏的垂直投影面积，根据该面积的扩散范围修正实时的激光电流大小，确保锡膏不会流出焊盘外围的指定区域。预热阶段准备工作包括：设置图像处理参数，提取焊盘的垂直投影面积S0；在焊盘周围框选第一限定区域S1，使第一限定区域S1包容焊盘面积S0且略大于焊盘面积S0；在焊盘周围框选第二限定区域S2，且第二限定区域S2必须在锡的趋热性作用范围内，即在焊点焊接完成后，所有第二限定区域S2中的小锡珠都因趋热性回归到焊盘上，第二限定区域S2包容第一限定区域S1且略大于第一限定区域S1；以锡膏的垂直投影面积S3为输入、激光电流I为输出，设定合适的PID参数，使激光照射后锡膏在第一限定区域S1内迅速散开且无溢出。设定焊接的预热阶段时间为Δt1，预热阶段的加工过程为：检测焊盘上锡膏的初始面积S3，如果面积为零，说明焊盘上没有锡膏，可控制点锡系统对该焊点加锡；在焊接开始时刻t0发射激光，锡膏迅速散开，在PID算法的作用下，锡膏扩散至S1的边界处，如果焊盘上的锡的实时垂直投影面积S4在t0+Δt1*50％时刻并没有扩散至S3的120％，说明焊盘上锡量偏少，可控制点锡系统对该焊点加锡；逐步增加预热电流，使预热阶段的激光电流尽可能大，且锡膏不超出S2区域范围；在t0+Δt1时刻，预热阶段结束。预设第一限定区域S1和第二限定区域S2的目的是为了防止PID响应的超调量过大，使锡膏迅速散开到第二限定区域S2外。在整个预热阶段，锡膏仅在第二限定区域S2内扩散且无溢出。PID算法的经典公式如下。

式中，K_p、K_i和K_d分别为PID算法的比例、积分和微分环节。e(t)为输入、u(t)为输出。

进入熔化阶段后，激光电流迅速增加，小锡珠逐步熔化并集中在一起形成液态锡球。此时，受锡的趋热特性影响，第二限定区域S2内的小锡珠也逐渐集中到焊盘上。随着焊盘的进一步受热，液态锡球在焊盘上铺开。到t0+Δt1+Δt2时刻，熔化第一阶段结束。但是，受锡膏特性、环境等因素影响，在指定的Δt2时间段内，液态锡球无法百分之百铺开到焊盘上。本专利中的Δt2’时间段可有效解决无法铺开的问题。具体方法是：设置图像处理参数提取焊盘上的锡的实时垂直投影面积S4，设置焊接完成后锡在焊盘上的最小覆盖面积S5(通常取S5为焊点垂直投影面积S0的90％，最大覆盖面积为焊点的垂直投影面积S0)，以S0-S5为输入，使用PID算法控制激光电流，激光继续加热焊盘，直到时间点t0+Δt1+Δt2+Δt2’，锡在焊盘上铺开面积大于等于最小覆盖面积S5，熔化第二阶段结束。

在冷却阶段，将激光电流保持在熔化阶段电流的80％±10％范围内，使锡缓慢凝固，即可实现焊点的高品质加工。

如图1所示，垂直升降载板11上安装有点锡装置12、图像采集装置14和激光聚焦装置15，一同垂直升降。垂直升降载板11下方设有水平运动载板13，待焊接的工件焊点16放置在水平运动载板13上，一同水平移动。控制器17通过点锡装置12实现焊盘加锡、通过图像采集装置14获取图像、通过激光聚焦装置15加热焊点。控制器17还进行图像处理、加工过程控制、控制算法运算等工作。

调试运行时，首先移动垂直升降载板11和水平运动载板13，使图像采集装置14拍摄焊点图像，提取焊点的垂直投影面积S0并存入控制器17。然后通过控制器17设置第一限定区域S1和第二限定区域S2，如图2所示，21为第二限定区域S2，22为第一限定区域S1，23为焊点的垂直投影面积S0，24为锡膏的初始投影面积S3。本实施例中，

本发明中，第一限定区域S1一般取值范围为105％至140％的垂直投影面积S0；第二限定区域S2一般取值范围为130％至160％的垂直投影面积S0；初始投影面积S3一般取值范围为60％至90％的垂直投影面积S0；最小覆盖面积S5一般取值范围为70％至100％的垂直投影面积S0。

由于不同种类锡膏的热效应不尽相同，导致其PID控制算法的参数也不尽相同。本实施例采用无铅无卤的锡银铜锡膏。锡膏的主要成分和质量配比如下表所示。

锡膏中合金的熔点为217摄氏度。采用激光加热时，有机酸等溶剂挥发，松香可被热分解为自由的脂肪荃、酸、萜烯、一氧化碳和二氧化碳。环境温度在170摄氏度以下时，涂敷在焊点表面的锡膏不会产生明显的形态变化。因此，在预热阶段，为控制锡膏不会散出到S2区域外，可控制焊点温度高于170摄氏度且低于217摄氏度。在激光的作用下，当温度低于熔点时，不考虑锡膏中合金的变化，助焊膏逐步分解、挥发，其流动性也逐渐下降。忽略激光能量密度差异的影响，锡膏中的助焊膏吸收的能量包括激光照射的能量和合金稀释热量后传递给锡膏的能力，其公式如下。

式中，E为助焊膏吸收的能力。μ为锡膏中助焊膏的成分比，即9.3％-15.1％。β为助焊膏对激光的吸收率。α为锡膏中的合金对助焊膏的热传递系数。f(t)为连续激光的功率曲线。t为激光照射时间。

选取焊盘尺寸为1毫米*1.5毫米，按公式设定第一限定区域、第二限定区域和最小覆盖区域。设定单个焊点的锡膏使用量为0.5微升、预热时间Δt1为0.5秒、预热起始激光电流12安培、熔化时间Δt2为1秒、熔化激光电流26安培、冷却时间Δt3为0.3秒，冷却电流22安培。设定预热阶段电流的PID算法中比例环节为6、积分环节为30、微分环节为1，熔化第二阶段(图3第④阶段)的电流的PID算法中比例环节为10、积分环节为25、微分环节为1。要求熔化阶段结束时，锡膏覆盖焊盘的面积比例大于90％而小于等于100％。

焊接加工时，首先点锡装置12在工件焊点16上均匀涂敷一层锡膏，锡膏形态稳定性较好；然后移动垂直升降载板11和水平运动载板13，将激光照射在工件焊点16上，开始激光焊接。设定焊接的预热阶段时间为Δt1，预热阶段的加工过程为：检测焊盘上锡膏的初始面积S3，如果面积为零，说明焊盘上没有锡膏，可控制点锡装置12对该焊点加锡，再重新开始焊接；在焊接开始时刻t0发射激光，锡膏迅速散开，在PID算法的作用下，锡膏扩散至S1的边界处，如图3过程①，如果焊盘上的锡的实时垂直投影面积S4在t0+Δt1*50％时刻并没有扩散至S3的120％，说明焊盘上锡量偏少，可控制点锡装置12对该焊点加锡，在重新开始焊接；系统计算S3的周期为10毫秒，如果连续2次计算中，焊盘上的锡的实时垂直投影面积S4无变化，则将预热电流增加1安培，如此重复，使预热阶段的激光电流尽可能大，且锡膏不超出S2区域范围，如图3过程②；在t0+Δt1时刻，预热阶段结束。此过程中激光电流与时间的关系图如图3中的预热阶段所示。

进入熔化阶段后，激光电流迅速增加，小锡珠逐步熔化并集中在一起形成液态锡球。此时，受锡的趋热特性影响，第二限定区域S2内的小锡珠也逐渐集中到焊盘上。随着焊盘的进一步受热，液态锡球在焊盘上铺开。到t0+Δt1+Δt2时刻，熔化第一阶段结束，如图3过程③。但是，受锡膏特性、环境等因素影响，在指定的Δt2时间段内，液态锡球无法百分之百铺开到焊盘上。本专利中的Δt2’时间段可有效解决无法铺开的问题。具体方法是：设置图像处理参数提取焊盘上的锡的实时垂直投影面积S4，设置焊接完成后锡在焊盘上的最小覆盖面积S5(通常取S5为焊点垂直投影面积S0的90％，最大覆盖面积为焊点的垂直投影面积S0)，以S0-S5为输入，使用PID算法控制激光电流，激光继续加热焊盘，直到时间点t0+Δt1+Δt2+Δt2’，锡在焊盘上铺开面积大于等于最小覆盖面积S5，熔化第二阶段结束，如图3过程④。此过程中激光电流与时间的关系图如图3中的熔化阶段所示。

在冷却阶段，将激光电流保持在熔化阶段电流的80％±10％范围内，使锡缓慢凝固，即可实现焊点的高品质加工，如图3过程⑤。此过程中激光电流与时间的关系图如图3中的冷却阶段所示。

Claims (7)

1.一种锡膏精密焊接的视觉识别闭环控制方法,包括预热阶段、熔化阶段和冷却阶段，其特征在于：

所述的预热阶段的加工过程为：在焊接开始时刻t0发射激光，直到t0+Δt1时锡膏扩散至第一限定区域S1的边界处；

所述的熔化阶段的加工过程为：在Δt2时间段内激光电流迅速增加，使小锡珠逐步熔化并集中在一起形成液态锡球；然后设置图像处理参数提取焊盘上的锡的实时垂直投影面积S4，设置焊接完成后锡在焊盘上的最小覆盖面积S5，使用PID算法控制激光电流，激光继续加热焊盘，直到时间点t0+Δt1+Δt2+Δt2’，锡在焊盘上铺开面积大于等于最小覆盖面积S5，熔化第二阶段结束；

所述的冷却阶段的加工过程为：将激光电流保持在熔化阶段电流的80%±10%范围内，使锡缓慢凝固；

其中第一限定区域S1取值范围为105%至140%焊盘的垂直投影面积S0；最小覆盖面积S5取值范围为70%至100%焊盘的垂直投影面积S0。

2.根据权利要求1所述的锡膏精密焊接的视觉识别闭环控制方法，其特征在于：所述的预热阶段的加工过程还包括以下步骤：设定焊接预热阶段时间为Δt1，检测焊盘上锡膏的初始投影面积S3，如果面积为零，控制点锡装置对锡膏位置加锡，重新开始焊接；如果焊盘上的锡的实时垂直投影面积S4在t0+Δt1*50%时刻并没有扩散至初始投影面积S3的120%，则控制点锡装置对该焊点加锡，再重新开始焊接；如果连续2次计算中，焊盘上的锡的实时垂直投影面积S4无变化，则将预热电流增加1安培，如此重复，使预热阶段的激光电流尽可能大，且锡膏不超出第二限定区域S2区域范围，在t0+Δt1时刻，预热阶段结束；其中第二限定区域S2取值范围为130%至160%焊盘的垂直投影面积S0；初始投影面积S3取值范围为60%至90%焊盘的垂直投影面积S0；第二限定区域S2包容第一限定区域S1且大于第一限定区域S1。

3.根据权利要求1所述的锡膏精密焊接的视觉识别闭环控制方法，其特征在于：锡膏的垂直投影面积和焊盘的垂直投影面积采用机器视觉采集。

4.根据权利要求1所述的锡膏精密焊接的视觉识别闭环控制方法，其特征在于：以焊盘上的锡的实时垂直投影面积S4为输入，采用PID算法控制激光电流，使激光照射后锡膏在第一限定区域S1内迅速散开且无溢出；以焊盘上的锡的实时垂直投影面积S4为输入，采用PID算法控制激光电流，直到时间点t0+Δt1+Δt2+Δt2’时，锡在焊盘上铺开面积大于等于最小覆盖面积S5。

5.根据权利要求1所述的锡膏精密焊接的视觉识别闭环控制方法，其特征在于：还包括在预热阶段前点锡装置在工件焊点上均匀涂敷一层锡膏的步骤。

6.根据权利要求2所述的锡膏精密焊接的视觉识别闭环控制方法，其特征在于：所述的第一限定区域S1为120%焊盘的垂直投影面积S0；第二限定区域S2为150%焊盘的垂直投影面积S0；初始投影面积S3为75%焊盘的垂直投影面积S0；最小覆盖面积S5为90%焊盘的垂直投影面积S0。

7.根据权利要求1所述的锡膏精密焊接的视觉识别闭环控制方法，其特征在于：焊接对象包括限于印制电路板、柔性电路板的焊接。