CN117381095A - 基于视觉的柔性自动化搪锡设备 - Google Patents

Abstract

本发明的基于视觉的柔性自动化搪锡设备包括工作平台，工作平台划分成两个工作区域，三轴桁架、中转台、一套锡槽模块和引脚识别相机布置于一工作区域，四轴机械手和另一套锡槽模块布置于另一工作区域，上料台和下线检测相机布置于两个工作区域的交界处；浸锡抓手安装于三轴桁架上，引脚识别相机布置于中转台周边；两套锡槽模块周边均布置有液位传感器和温度传感器；四轴机械手上安装有定位相机，四轴机械手设有吸嘴，三轴桁架上设有搪锡工装接口，搪锡工装接口用于搭载搪锡工装，切换气缸实现搪锡工装的快速拆换。

Description

基于视觉的柔性自动化搪锡设备

技术领域

本发明涉及电子装联制造领域，具体涉及一种基于视觉的柔性自动化搪锡设备。

背景技术

提高电子元器件的焊接可靠性在航天电子产品生产过程中是最为关键的问题。其中，元器件引脚的搪锡作为焊接的前道工序，可以提高焊点的可焊性，避免虚焊等焊接缺陷的发生。对于镀金的引线，为避免“金脆”现象的发生，根据航天行业标准QJ 3267《电子元器件搪锡工艺技术要求》，还需要通过搪锡的方法达到去金的目的。

现阶段，搪锡方式主要包括烙铁搪锡和锡锅搪锡。实际生产中主要还是采用手工的方式进行烙铁和锡锅搪锡，其对于引脚数量较少的电子元器件以及引脚间距较大的器件有较好的效果。表贴细间距元器件的引脚从器件的四边引出，其长度短、间距小，材质一般为可伐(Kovar)合金，在手工搪锡操作过程中存在引脚前端短路和引脚变形的风险。手工搪锡的方法均过于依赖操作人员的工作经验且单件搪锡效率低下，更重要的是，手工搪锡对操作人员的健康也有危害。

采用自动化设备进行搪锡有望实现各类封装类型器件的搪锡要求，尤其是多引脚细间距QFP(Quad Flat Package)器件的去金搪锡，使搪锡不再受操作人员水平的限制，有效提高搪锡质量和搪锡效率，为电子元器件焊接可靠性提供坚实保障。目前，市面上针对自动化搪锡的需求也出现了很多自动化搪锡设备，其主要策略为通过机械手吸取器件顶部，然后在锡浴锅中进行搪锡。中国专利CN 206010091U披露了一种自动搪锡机构，其采用吸取的方式拾取器件并通过气缸带动桁架机械手进行上下运动实现器件引脚的搪锡，该搪锡机构只配备抓取定位的相机模块，浸锡高度无法自动识别，智能化程度比较低。北京航天控制仪器研究所的郭鹏飞等人设计了一种基于机械臂与图像识别的元器件自动搪锡机，其采用EPSON四轴机械臂吸取器件，然后通过水平移动和水平旋转在锡槽侧边溢流面完成QFP器件四个侧边引脚的搪锡(DOI：10.14176/j.issn.1001-3474.2021.01.008)。单一的机械手设计导致此类搪锡设备的灵活性低，搪锡角度无法控制，对于不同封装种类器件的兼容性较差。该搪锡机配置了底部引脚识别相机。根据航天行业标准QJ 3267《电子元器件搪锡工艺技术要求》，扁平封装集成电路引线应先成型后搪锡，且搪锡位置应在引脚第一个折弯处，对于成型过的异形引脚，此方案由于缺少侧边相机识别模块，搪锡位置无法保证。上述搪锡机在搪锡完成后，由于缺少检测相机，在下线时还需要人工逐个检测引脚搪锡情况，大大降低了搪锡效率。对于批量器件，现有的自动搪锡机只能进行单个器件的去金搪锡，效率十分低下。

综上所述，当前去金搪锡操作还是普遍采用人工的方式，其效率低、成品率低且对操作人员的健康有危害。市面上现有的搪锡设备模式单一，智能化程度、柔性化程度和搪锡效率低。因此针对当今行业现状及需求，有必要研发设计一款可实现各种类封装电子元器件单个和批量去金搪锡的柔性自动化搪锡设备，以满足航天电子产品的搪锡需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于视觉的柔性自动化搪锡设备，实现两大封装类型器件单个或批量去金搪锡。

为了达到上述的目的，本发明提供一种基于视觉的柔性自动化搪锡设备，包括工作平台、上料台、中转台、四轴机械手、五轴桁架机械手、引脚识别相机、下线检测相机、锡槽模块、液位传感器和温度传感器；所述五轴桁架机械手包括三轴桁架和浸锡抓手，所述浸锡抓手安装于所述三轴桁架上；所述锡槽模块有两套；所述四轴机械手上安装有定位相机；所述四轴机械手设有吸嘴，用于吸取元器件；所述工作平台划分成两个工作区域，所述三轴桁架、所述中转台、一套所述锡槽模块和所述引脚识别相机布置于一工作区域，所述四轴机械手和另一套所述锡槽模块布置于另一工作区域，所述上料台和所述下线检测相机布置于两个工作区域的交界处；所述引脚识别相机布置于所述中转台周边；两套所述锡槽模块周边均布置有所述液位传感器和所述温度传感器；所述三轴桁架上设有搪锡工装接口，所述搪锡工装接口用于搭载搪锡工装，利用切换气缸实现搪锡工装的快速拆换。

上述基于视觉的柔性自动化搪锡设备，其中，所述三轴桁架实现x、y、z三个方向自由度的移动，所述浸锡抓手至少可实现x和y两个方向自由度的旋转，两个旋转自由度的旋转角度至少能达到60°。

上述基于视觉的柔性自动化搪锡设备，其中，所述中转台设有U型凹槽，该U型凹槽的宽度大于所述浸锡抓手的宽度。

上述基于视觉的柔性自动化搪锡设备，其中，所述锡槽模块包括助焊剂储存槽、去金锡液储存槽、搪锡锡液储存槽、氮气系统和锡渣刮板，所述助焊剂储存槽、所述去金锡液储存槽、所述搪锡锡液储存槽分别用于储存助焊剂、去金锡液和搪锡锡液，所述锡渣刮板位于存储槽的上方。

上述基于视觉的柔性自动化搪锡设备，其中，所述基于视觉的柔性自动化搪锡设备还包括热风枪，热风枪的出口位于工作平台上。

上述基于视觉的柔性自动化搪锡设备，其中，对于单个侧边引脚型器件，先利用四轴机械手的吸嘴吸取元器件进行上料，将元器件放置到中转台上，再利用三轴桁架上的浸锡抓手从中转台上夹取元器件实现转换机械手，之后，由三轴桁架上的浸锡抓手夹持元器件进行蘸助焊剂、去金和搪锡；对于单个底部引脚型器件，直接利用四轴机械手的吸嘴吸取元器件进行上料、蘸助焊剂、去金和搪锡。

上述基于视觉的柔性自动化搪锡设备，其中，在四轴机械手的吸嘴从上料台中吸取元器件前，定位相机对元器件进行拍照，识别出元器件的中心点，确保吸嘴吸取元器件的中心位置；搪锡完成后，利用下线检测相机对搪锡效果进行检测。

上述基于视觉的柔性自动化搪锡设备，其中，对于单个侧边引脚型器件，三轴桁架上的浸锡抓手夹持元器件实现转换机械手后，采用引脚识别相机从侧面对元器件的侧边引脚进行拍照，识别出元器件引脚第一个折弯处，即需要搪锡到的位置。

上述基于视觉的柔性自动化搪锡设备，其中，对于批量元器件的自动化搪锡，根据元器件类型将元器件逐个放入对应的搪锡工装，再将装载有元器件的搪锡工装固定在三轴桁架上的搪锡工装接口上，由三轴桁架带动搪锡工装进行蘸助焊剂、去金和搪锡。

上述基于视觉的柔性自动化搪锡设备，其中，去金和搪锡前，对去金锡液和搪锡锡液的高度进行探测，以调整浸锡深度；测高之前，利用锡渣刮板刮除去金锡液和搪锡锡液表面氧化层；搪锡过程时，锡槽模块的氮气系统的出风口保持开启。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：

本发明的基于视觉的柔性自动化搪锡设备，可实现元器件中心定位、引脚自动识别、蘸助焊剂、去金、搪锡、液面/温度监测、刮锡、下线检测等自动化操作，兼容各封装类型元器件；通过预留的工装接口搭载工装可实现元器件的批量搪锡，大大提高自动化搪锡效率；本发明的基于视觉的柔性自动化搪锡设备实现了对各封装类型器件的单个及批量去金搪锡的需求，突破了传统搪锡设备的搪锡器件类型局限、节拍长、效率低及成品率低等技术难题，该自动化搪锡设备在电子装联领域有非常广阔的应用前景。

附图说明

本发明的基于视觉的柔性自动化搪锡设备由以下的实施例及附图给出。

图1为本发明的基于视觉的柔性自动化搪锡设备硬件组成示意图。

图2为本发明较佳实施例的基于视觉的柔性自动化搪锡设备主体结构示意图。

图3为本发明较佳实施例的基于视觉的柔性自动化搪锡设备俯视图。

图4为本发明较佳实施例中五轴桁架机械手示意图。

图5为本发明提供的单个元器件自动化搪锡工艺流程图。

图6为元器件中心点及引脚特征点识别过程示意图。

具体实施方式

以下将结合图1～图6对本发明的基于视觉的柔性自动化搪锡设备作进一步的详细描述。

本发明的基于视觉的柔性自动化搪锡设备用于两大封装类型器件去金搪锡，两大封装类型器件其中一类为底部引脚型的器件，例如TO、DIP、PGA、分立器件，另一类为侧边引脚型器件，例如SOP、QFP、QFJ、LCCC、LGA。

图1所示为本发明的基于视觉的柔性自动化搪锡设备硬件组成示意图。如图1所示，本发明的基于视觉的柔性自动化搪锡设备包括控制模块1、运动模块2、视觉模块3、锡槽模块4和监测模块5，所述控制模块1的实现方式为PC+PLC；所述运动模块2包括一四轴机械手、一五轴桁架机械手和一中转台，其中，所述四轴机械手上安装有定位相机；所述视觉模块3包括引脚识别相机和下线检测相机；所述锡槽模块4有两套，每套所述锡槽模块4至少包括三个加热储存槽，分别用于储存助焊剂、去金锡液和搪锡锡液，每套所述锡槽模块4还包括氮气系统；所述监测模块5包括液位传感器和温度传感器。

现以具体实施例详细说明本发明的基于视觉的柔性自动化搪锡设备。

图2所示为本发明较佳实施例的基于视觉的柔性自动化搪锡设备主体结构示意图；图3所示为本发明较佳实施例的基于视觉的柔性自动化搪锡设备俯视图；图4所示为本发明较佳实施例中五轴桁架机械手示意图。

如图2至图4所示，本实施例的基于视觉的柔性自动化搪锡设备包括工作平台，设置于所述工作平台上的上料台010、中转台011、四轴机械手020、五轴桁架机械手、引脚识别相机030、下线检测相机031和锡槽模块040；所述五轴桁架机械手包括三轴桁架022和浸锡抓手023，所述浸锡抓手023安装于所述三轴桁架022上；所述锡槽模块040有两套；所述四轴机械手020上安装有定位相机021；所述四轴机械手020设有吸嘴，用于吸取元器件；

所述工作平台划分成两个工作区域，所述三轴桁架022、所述中转台011、一套所述锡槽模块040和所述引脚识别相机030布置于一工作区域，所述四轴机械手020和另一套所述锡槽模块040布置于另一工作区域，所述上料台010和所述下线检测相机031布置于两个工作区域的交界处；所述引脚识别相机030布置于所述中转台011周边；两套所述锡槽模块040周边均布置有液位传感器和温度传感器；两套所述锡槽模块040的上方均设置锡渣刮板，用于对发生氧化的锡液表面进行刮除锡渣；

所述三轴桁架022上设有搪锡工装接口024，所述搪锡工装接口024用于搭载搪锡工装，利用切换气缸实现搪锡工装的快速拆换，满足元器件的批量搪锡需求，此时，搪锡高度依靠搪锡工装来确定。

所述三轴桁架022实现x、y、z三个方向自由度的移动，所述浸锡抓手023至少可实现x和y两个方向自由度的旋转，两个旋转自由度的旋转角度至少能达到60°。

各相机均可根据元器件特征和环境条件配备正面光源或背部光源；光源形状可为环光、面光或条光。

所述中转台011设有U型凹槽，该U型凹槽的宽度应大于所述浸锡抓手023的宽度。

所述锡槽模块040包括助焊剂储存槽、去金锡液储存槽、搪锡锡液储存槽和氮气系统。

本实施例的基于视觉的柔性自动化搪锡设备还包括热风枪，热风枪的出口012位于工作平台上。

本实施例的基于视觉的柔性自动化搪锡设备还包括控制模块，所述控制模块包括上位机(PC)和PLC；所述上位机与所述PLC通过网口通信；各相机、光源控制器、液位传感器、温度传感器与上位机通过串口通信；四轴机械手和三轴桁架机械手均与PLC连接。

图5所示为本发明提供的单个元器件自动化搪锡工艺流程图。

结合图1至图5，分别介绍侧边引脚镀金的QFP器件的自动化搪锡和底部引脚镀金的DIP器件的自动化搪锡。

侧边引脚镀金的QFP器件的自动化搪锡：

1)上料：四轴机械手020通过其吸嘴从上料台010中吸取元器件进行上料操作；固定在四轴机械手020上的定位相机021在吸取前对元器件进行拍照，识别出元器件的中心点，确保吸嘴吸取元器件的中心位置；元器件中心点识别过程如图6a和6b所示，通过定位相机021抓取元器件四边后自动求对角线交点即为元器件的中心点；

2)中转台转换机械手：四轴机械手020将元器件放置在中转台011的U型凹槽内上，三轴桁架022上的浸锡抓手023从中转台011的U型凹槽内夹取元器件实现转换机械手的操作，元器件由吸取变为夹持，进行后续流程；

3)引脚折弯识别：三轴桁架022上的浸锡抓手023夹持元器件后，采用引脚识别相机030从侧面对元器件的侧边引脚进行拍照，识别出元器件引脚第一个折弯处(即需要搪锡到的位置)并反馈给上位机；

折弯识别过程如图6c和6d所示，引脚识别相机030抓取折弯点两侧直线求交点即可得到折弯处的位置；

4)助焊剂和锡液液面测高：利用液面传感器探测锡槽模块040中助焊剂、去金锡液和搪锡锡液液面实时高度，反馈给上位机，根据步骤3)得到的数据(元器件引脚第一个折弯处的位置)和液面高度数据即可得到浸锡深度；测高之前，锡渣刮板会自动刮除去金锡液和搪锡锡液表面氧化层；

在每次去金和搪锡前，对去金锡液和搪锡锡液的高度进行探测，反馈给上位机以调整浸锡深度；

5)预热：若需要，可利用热风枪出口012对元器件进行预热；

6)蘸助焊剂：三轴桁架022上的浸锡抓手023夹持元器件，转动45°后将一边引脚浸入助焊剂存储槽中，使引脚涂覆上助焊剂，退出后通过翻转对对边引脚进行蘸助焊剂操作；

7)去金：三轴桁架022上的浸锡抓手023夹持元器件从助焊剂存储槽中退出后，将一边引脚浸入去金锡液存储槽中进行去金，退出后通过翻转对对边引脚进行去金；

8)搪锡：三轴桁架022上的浸锡抓手023夹持元器件从去金锡液存储槽中退出，再将一边引脚浸入搪锡锡液存储槽中进行搪锡，退出后通过翻转对对边引脚进行搪锡；搪锡过程时，锡槽模块040的氮气系统的出风口041保持开启；

锡槽模块040设置氮气系统，可减少锡的氧化并减小表面能，达到防止细间距引脚连锡的效果；

9)换边：元器件两边引脚搪锡完成后，三轴桁架022上的浸锡抓手023夹持元器件回到中转台011完成转向，对另外两对边的引脚(元器件四边均有引脚)重复上述步骤3)～步骤8)的操作；

10)下线检测：搪锡完成后，利用下线检测相机031对搪锡效果进行检测，检查是否有相邻引脚短路、引脚尖端拉尖的现象。

对于侧边引脚型器件，利用四轴机械手020上料后需要更换为五轴桁架机械手夹持，以实现元器件的倾斜翻转等操作；侧边引脚型器件从吸取型的四轴机械手020转换到夹持型的五轴桁架机械手，元器件无法直接变位，需要一个中转台达到转换夹持方式的目的。

底部引脚镀金的DIP器件的自动化搪锡：

1)上料：四轴机械手020通过其吸嘴从上料台010中吸取元器件进行上料操作，固定在四轴机械手020上的定位相机021在吸取前对元器件进行拍照，识别出元器件的中心点，确保吸嘴吸取元器件的中心位置；元器件中心点识别过程如图6a和6b所示，通过定位相机021抓取元器件四边后自动求对角线交点即为元器件的中心点；底部引脚型器件不需要转换机械手；

2)助焊剂和锡液液面测高：利用液面传感器探测锡槽模块040中助焊剂、去金锡液和搪锡锡液液面实时高度，反馈给上位机，根据元器件初始位置的基准面和液面高度即可得到浸锡深度；测高之前，锡渣刮板会自动刮除去金锡液和搪锡锡液表面氧化层；

在去金和搪锡前，对去金锡液和搪锡锡液的高度进行探测，反馈给上位机以调整浸锡深度；

3)蘸助焊剂：四轴机械手020吸取元器件浸入助焊剂存储槽中，使引脚涂覆上助焊剂；

4)去金：四轴机械手020吸取元器件从助焊剂存储槽中退出后浸入去金锡液存储槽中进行去金；

5)搪锡：四轴机械手020吸取元器件从去金锡液存储槽中退出后再浸入搪锡锡液存储槽中进行搪锡；搪锡过程时，锡槽模块040的氮气系统的出风口041保持开启；

6)下线检测：搪锡完成后，利用下线检测相机031对搪锡效果进行检测，检查是否有相邻引脚短路的现象。

对于底部引脚型器件，不需要转换机械手，直接通过四轴机械手020吸取实现后续去金搪锡工艺过程。

无论是侧边引脚型器件，还是底部引脚型器件，上料均利用四轴机械手020，四轴机械手020上配置的吸嘴，其直径应小于元器件上表面最小尺寸。

本实施例的基于视觉的柔性自动化搪锡设备还可实现批量去金搪锡，具体如下：

1)元器件装载：对于大批量元器件的自动化搪锡，可根据元器件类型将元器件逐个放入对应的搪锡工装；

2)抓手切换：将装载有元器件的搪锡工装固定在三轴桁架022上的搪锡工装接口024上，如图5所示；

3)助焊剂和锡液液面测高：利用液面传感器探测锡槽模块040中助焊剂、去金锡液和搪锡锡液液面实时高度，反馈给上位机，根据搪锡工装的下基准面和液面高度即可得到浸锡深度；测高之前，锡渣刮板会自动刮除去金锡液和搪锡锡液表面氧化层；

在去金和搪锡前，对去金锡液和搪锡锡液的高度进行探测，反馈给上位机以调整浸锡深度；

4)蘸助焊剂：三轴桁架022带动搪锡工装浸入助焊剂存储槽中蘸取助焊剂；

5)去金：三轴桁架022带动搪锡工装从助焊剂存储槽中退出后浸入去金锡液存储槽中进行去金；

6)搪锡：三轴桁架022带动搪锡工装从去金锡液存储槽中退出后再浸入搪锡锡液存储槽中进行搪锡；搪锡过程时，锡槽模块040的氮气系统的出风口041保持开启。

综上，本实施例的基于视觉的柔性自动化搪锡设备实现了下列目标：

1)智能识别定位：能自动找准不同元器件的中心点及引脚折弯特征点，全程无需人工输入元器件参数；

2)柔性化程度高：可实现多种搪锡轨迹可选、速度控制、温度控制等，对常见各封装类型的器件搪锡均兼容；

3)批量搪锡：可快速实现抓手转换，满足器件单个及批量搪锡需求。

Claims (10)

1.基于视觉的柔性自动化搪锡设备，其特征在于，包括工作平台、上料台、中转台、四轴机械手、五轴桁架机械手、引脚识别相机、下线检测相机、锡槽模块、液位传感器和温度传感器；所述五轴桁架机械手包括三轴桁架和浸锡抓手，所述浸锡抓手安装于所述三轴桁架上；所述锡槽模块有两套；所述四轴机械手上安装有定位相机；所述四轴机械手设有吸嘴，用于吸取元器件；

所述工作平台划分成两个工作区域，所述三轴桁架、所述中转台、一套所述锡槽模块和所述引脚识别相机布置于一工作区域，所述四轴机械手和另一套所述锡槽模块布置于另一工作区域，所述上料台和所述下线检测相机布置于两个工作区域的交界处；所述引脚识别相机布置于所述中转台周边；两套所述锡槽模块周边均布置有所述液位传感器和所述温度传感器；

所述三轴桁架上设有搪锡工装接口，所述搪锡工装接口用于搭载搪锡工装，利用切换气缸实现搪锡工装的快速拆换。

2.如权利要求1所述的基于视觉的柔性自动化搪锡设备，其特征在于，所述三轴桁架实现x、y、z三个方向自由度的移动，所述浸锡抓手至少可实现x和y两个方向自由度的旋转，两个旋转自由度的旋转角度至少能达到60°。

3.如权利要求1所述的基于视觉的柔性自动化搪锡设备，其特征在于，所述中转台设有U型凹槽，该U型凹槽的宽度大于所述浸锡抓手的宽度。

4.如权利要求1所述的基于视觉的柔性自动化搪锡设备，其特征在于，所述锡槽模块包括助焊剂储存槽、去金锡液储存槽、搪锡锡液储存槽、氮气系统和锡渣刮板，所述助焊剂储存槽、所述去金锡液储存槽、所述搪锡锡液储存槽分别用于储存助焊剂、去金锡液和搪锡锡液，所述锡渣刮板位于存储槽的上方。

5.如权利要求1所述的基于视觉的柔性自动化搪锡设备，其特征在于，所述基于视觉的柔性自动化搪锡设备还包括热风枪，热风枪的出口位于工作平台上。

6.如权利要求4所述的基于视觉的柔性自动化搪锡设备，其特征在于，对于单个侧边引脚型器件，先利用四轴机械手的吸嘴吸取元器件进行上料，将元器件放置到中转台上，再利用三轴桁架上的浸锡抓手从中转台上夹取元器件实现转换机械手，之后，由三轴桁架上的浸锡抓手夹持元器件进行蘸助焊剂、去金和搪锡；对于单个底部引脚型器件，直接利用四轴机械手的吸嘴吸取元器件进行上料、蘸助焊剂、去金和搪锡。

7.如权利要求6所述的基于视觉的柔性自动化搪锡设备，其特征在于，在四轴机械手的吸嘴从上料台中吸取元器件前，定位相机对元器件进行拍照，识别出元器件的中心点，确保吸嘴吸取元器件的中心位置；搪锡完成后，利用下线检测相机对搪锡效果进行检测。

8.如权利要求6所述的基于视觉的柔性自动化搪锡设备，其特征在于，对于单个侧边引脚型器件，三轴桁架上的浸锡抓手夹持元器件实现转换机械手后，采用引脚识别相机从侧面对元器件的侧边引脚进行拍照，识别出元器件引脚第一个折弯处，即需要搪锡到的位置。

9.如权利要求4所述的基于视觉的柔性自动化搪锡设备，其特征在于，对于批量元器件的自动化搪锡，根据元器件类型将元器件逐个放入对应的搪锡工装，再将装载有元器件的搪锡工装固定在三轴桁架上的搪锡工装接口上，由三轴桁架带动搪锡工装进行蘸助焊剂、去金和搪锡。

10.如权利要求6或9所述的基于视觉的柔性自动化搪锡设备，其特征在于，去金和搪锡前，对去金锡液和搪锡锡液的高度进行探测，以调整浸锡深度；测高之前，利用锡渣刮板刮除去金锡液和搪锡锡液表面氧化层；搪锡过程时，锡槽模块的氮气系统的出风口保持开启。