半自动化PCB焊接平台机械结构设计

党训军李洋洋

关键词：自动化；焊接平台；机电软三位一体；单片机

1总体设计方案及焊点识别

1.1总体设计方案

半自动化PCB焊接平台框架部分采用2020铝材搭建，该产品由四部步进电机驱动，其中三部步进电机控制烙铁咀在X轴、Y轴、Z轴在三轴方向上的移动，另一部控制焊锡丝的进锡与退锡。步进电机由一块32单片机控制，在单片机上连接A4988驱动模块和蓝牙模块，实现无线遥控。在控制部分，由按键和手机蓝牙串口双重方式控制，实现半自动化。

1.2PCB板Mark点识别

基于当前PCB板制作技术的高精确及高标准化，本文主要采用模板匹配的方法获得PCB板Mark点的坐标。模板指任意鲜明形状的部分主体，匹配则是比较两者之间的相似度[1]。当相似度达到一定阀值时，就认为两者是匹配的。基于灰度值的模板匹配，是属于基于像素值的模板匹配的一种，即模板在给定搜索区域中做相似度匹配时，灰度值作为匹配过程中的最主要依据此类算法设计较为简单，不需要提取匹配对象的特征，只需设计通用的数学模型对模板与待匹配图像进行相似度判定即可。但往往基于灰度的匹配方式对光照敏感，抗旋转能力差，运行速度慢。

2半自动化PCB焊接平台的结构设计

图1半自动化PCB焊接平台总体设计

2.1进锡模块的设计

采用步进电机将锡运送到电烙铁后通过编程控制进锡量，在进锡前先找到每一块PC板需要进行焊接的点，然后手机APP通过蓝牙对主控板进行操控，各个系统以无线的形式快速的接收来自主控制板的信号，准确的找到焊点，进而在成批量的焊接中能够节省大量的时间。步进电机锡的输出口与电烙铁的焊咀之间用管相连，通过大量的实验来检测每一点需要的锡量从而确定出锡量[2]。步进电机上带有两个圆柱形滚珠，电机转动带动锡从而将锡传递到电烙铁的焊咀部位。

2.2半自动化PCB焊接平台的桌面设计

焊接平台由框架X组件、Y平台组件和Z组件构成，X组件主要负责电烙铁的横向移动，Y组件主要负责纵向移动，以保证电烙铁能够准确的找到焊点使焊锡准确。而Z组件不仅负责烙铁咀能够准确到达焊点还负责保护烙铁头，在Z组件的框旁边装有一个感应器，当它下降到一定高度时就会触发感应器，控制系统就会发出指令使Z组件停止下降进而保护焊咀[3]。Z组件的传动由丝杠来执行，电机的转动带动丝杠旋转进而使电烙铁上下移动，X和Y通过同步带转动，最终实现X、Y、Z组件的平稳运动。

2.3控制系系统的结构设计

控制系统包括STM32开发板、TFT彩屏、A4988、蓝牙模块。STM32不仅集高性能、实时性、数字信号处理、低功耗、低电压于一身，而且保持了高集成度和开发简易的特点，所以采用STM32执行由手机发出的指令并将信息处理之后传递给各工作单元，利用TFT彩屏可将设备的运行状态进行显示，可将设备中需要进行焊接的点的坐标与数量显示在显示器上边，可极大地提高焊接设备运行的准确性。蓝牙控制模块则可以利用各类移动设备对该自动化焊锡模块进行设定与实时监制，以实现焊锡方便快捷高效[3]。

3工作原理分析

执行部分是包含有4个步进电机的运动机构。能实现电烙铁及其支架X向平移和Z向起/落功能，Y向平移时保持电烙铁X、Z向不动，通过底板平移的方式，实现电烙铁与底板之间形成相对运动。底板平移方向定义为Y向，由底部步进电机的转动，带动皮带平移，皮带的接头处固定在底板上，从而实现底板随着皮带进行Y向的平移运动，其中Y向平移的起点处有个行程开关，当开关闭合时，表示Y向已达到一个方向的限位，另一个方向无行程开关，但因机械结构限制，底板不会滑出滑道。Y向最长运动距离320mm，可通过计算步进电机转动的步数在运动的同时计算出运动的距离，同时可通过程序设置Y向最大运动距离为300mm，从而使Y向留有20mm的余量。底板上方有个可上下平移的横杆，横杆上的皮带轮、橡胶滚轮、烙铁支架、步进电机，构成X向平移机构，运动原理同Y向，其最大运动范围也是320mm。X向同样只在起点处留有限位用的行程开关。Z向的运动主要靠丝杆和螺母的配合，步进电机带动丝杆转动，使与螺母相连的横杆在纵向滑道上进行上下运动，其中限位开关安装在最低限位处，以保证系统复位时，电烙铁先是处于最低点，这时，烙铁尖能够碰到被焊接的焊盘上的PCB板，然后在程序控制下执行抬起动作。进退锡功能，是由第四个步进电机正反转完成，焊锡卷挂在上方的支架上[4]。焊锡之间采用ABS材料，经3D打印完成。采用两个纵向相切的轴承作为进退焊锡的装置，其中一个轴承与步进电机同心转动，而另一个轴承轴心固定可自由转动，让锡丝穿过这两个轴承的相切面之间，因两个轴上均有竖状纹路，步进电机转动时，在摩擦力作用下，使焊锡丝被卷入两轴承的切面之间。此时步进电机通过正反转就能实现焊锡伸长或缩短功能。在X、Y、Z三向运动机构中大量采用橡胶滚轮结构，不仅使其具有夹紧功能，有效降低噪音，而且用滚动摩擦代替滑动摩擦，还可以有效延长装置的使用次数和寿命。

4相关计算

执行机构选用步距角为1.8度的42步进电机，驱动方式选用A4988模块，该模块可采用多种细分模式，如表1所示。在本设计中，选择的是1/16细分（即将A4988模块的MS0、MS1、MS2设置为111组合），这样步进电机运行一步的角度是1.8/16=0.1125度，步进电机旋转一周需要走360×16/1.8=3200步。Z组件采用螺纹间距为7mm丝杠传动，在上升过程中步进电机旋转一周，行进机构前进S=7mm，这样步进电机每走一步相当于行进的距离为7/3200=0.0021875mm。X、Y组件均采用皮带传动，在传动过程中当电机旋转一周，皮带传动的距离为40mm，则步进电机每走一步移动距离为40/3200=0.0125mm。

结束语：

随着时代的进步，科学技术的迅速发展，对机械工作的高效率的需求也越来越强烈。电子元件是工业制造重要的一部分。电子元件的高效率焊接同样是我们工业制造业所迫切需要的，工业发展急需这样一部设备——在手工焊接以及大型流水线焊接复杂时，能够省时、省力的完成各种工作要求，并且保证焊接元件质量的设备。半自动化焊锡平台主要是为实现上述目标所研发的一种半自动化焊锡系统，半自动化焊锡平台在电控系统下，通过机械、电子、软件三大主要组成部分的高效配合来完成半自动化PCB焊锡平台的运作，不仅能够节省焊接所需的大量的时间，并且显著的提高了工作效率，工作质量。

参考文献：

[1]阴涛.对PCB双面板手工焊接缺陷的探讨[J].科技创新与应用，2018（28）：114-115.

[2]林金堵.PCB高可靠性化要求与发展——PCB制造技术发展趋势和特点（5）[J].印制电路信息，2017，25（09）：5-10.

[3]曾科，周舟.发动机出水管生产焊接设备自动化改造浅谈[J].科技视界，2016（12）：129-130.

[4]李伏，李斌，辜小谨.沉锡PCB焊接失效分析方法介绍[J].印制电路信息，2014（03）：62-66.