PCB锡焊机器人技术综述

孙中琪

(上海交通大学 自动化系，上海　200030)



PCB锡焊机器人技术综述

孙中琪

(上海交通大学 自动化系，上海200030)

PCB锡焊机器人目前在电子制造业应用日益广泛。随着对焊接效率和质量要求的不断提高，对其系统设计、工艺、控制等技术提出了新的挑战。从锡焊机器人的构成与功能、锡焊工艺、控制技术和焊点图像检测四方面对锡焊机器人的关键技术进行归纳和总结，分析目前存在的主要技术问题，探讨未来的发展方向。

PCB锡焊机器人；锡焊工艺；电烙铁焊接；高周波焊接；激光焊接；焊点图像检测

0　引　言

PCB (Printed Circuit Board) 锡焊机器人(以下简称锡焊机器人)，是一种以在PCB上锡焊电子元器件为目的的工业机器人。它起源于日本，早期主要应用于对自动化要求较高的汽车电子产品上。目前锡焊机器人已经成功应用于汽车制造、电子、数码、LCD (Liquid Crystal Display) 等行业[1]。锡焊机器人的关键技术是：锡焊工艺、控制技术以及焊点图像检测技术。众所周知，锡焊工艺是锡焊机器人的核心技术[2]，得益于加热技术的发展[3]，锡焊机器人的锡焊工艺已摆脱了传统电烙铁的束缚，许多更高效更经济的锡焊工艺脱颖而出。锡焊机器人的控制技术则得益于PLC (Programmable Logic Controller) 等数控技术的发展[4]，使锡焊机器人在工业应用中更加简易方便。在SMT (Surface Mount Technology) 应用中起着举足轻重作用的图像检测技术[5-8]如今也被应用到了锡焊机器人，使得锡焊机器人的锡焊质量控制得到了质的飞跃。本文希望通过对以上关键技术及其问题的归纳及分析，在锡焊机器人的开发及应用方面达到承前启后、拓展视野的目的。

1　锡焊机器人的构成与锡焊形式

1.1锡焊机器人的构成

锡焊机器人一般由操作臂、焊接单元和人机交互组件组成[9]。采用直角坐标式操作臂构成的锡焊机器人系统构成如图1所示。

图1　锡焊机器人的构成

目前多采用三轴或四轴的操作臂。图1中采用四轴的操作臂，包括X轴、Y轴、Z轴和R轴，分别是平动、平动、平动和旋转关节。由于PCB焊接操作是在平面上进行，因此四个自由度能满足要求。

焊接单元是锡焊机器人的核心，其焊接头安装在操作臂的末端，被操作臂带到需要焊接的位置进行焊接操作。其控制器受控于锡焊机器人的主控制器，负责焊接单元的温度控制及焊锡丝供给。

人机交互组件主要有触摸屏和操作盒组成。触摸屏主要负责机器人示教、焊接程序选择及焊接进度显示等人机交互功能，而操作盒主要进行开始、清洗及急停操作，方便操作员操作。

1.2锡焊形式

锡焊形式可以分为二大类：孔焊接和桥焊。

孔焊接是指将电子元气件的引脚与焊盘焊接起来的锡焊形式。

桥焊是指将两块正交放置的基板间的焊盘焊接起来的焊接形式。

2　自动化锡焊工艺介绍

目前用于锡焊机器人的自动化锡焊工艺主要分为电烙铁焊接、高周波焊接及激光焊接三大类。这三种锡焊工艺各具特点，在不同的应用场合及条件下发挥着各自的特长。

2.1自动化电烙铁焊接

2.1.1自动化电烙铁焊接单元的组成

电烙铁焊接单元通常由电烙铁组件、控制器及清洗组件组成。某电烙铁焊接单元产品的结构和组成如图2[10]所示。

图2　某电烙铁焊接单元的结构与组成

电烙铁组件由电烙铁、送锡管及焊接姿态调整机构组成。其中电烙铁是核心，它内藏加热棒和温度传感器，配合温控可以使电烙铁精确地达到设定的温度。送锡管导向末端指向电烙铁先端用于焊接的区域，配合焊锡供给模块实现焊锡丝的精确供给。焊接姿态调整机构用来调整电烙铁先端与基板的焊接夹角，以期达到预想的焊接效果。

控制器主要由焊锡丝供给模块、温控器及控制面板组成。焊锡丝供给模块通过由步进电机驱动的供给轮将焊锡丝按设定要求(长度、速度)供给至电烙铁先端，从而完成焊接时必要的送锡工作。温控器(一般为PID (Proportion Integral Derivative) 控制)通过电烙铁内藏的温度传感器和加热棒按设定的温度实现对电烙铁的加热和温度控制。用户可以通过控制面板在控制器里设定并存储不同焊接条件(送锡长度、速度、加热时间)从而实现不同焊点的焊接条件差异化管理。

清洗组件由清洗气嘴和废锡收集盒组成。每次焊接开始前，电烙铁会先移动到清洗组件上方，对准清洗气嘴，然后经由压缩空气将电烙铁先端的废锡吹到收集盒内。这是为了保证每次焊接时电烙铁都处于同样清洁的状态从而确保每次焊接的品质都符合要求。

2.1.2自动化电烙铁焊接的工艺流程

电烙铁焊接的工艺流程如图3所示，分为预上锡、预加热、送锡、后加热及冷却五个阶段[11]。焊接开始后，由于不能像传统手工电烙铁焊接那样用电烙铁紧贴引脚加热(否则电烙铁下降时会顶在引脚上)，为保证引脚被充分而高效地加热，在电烙铁下降加热前，首先会在电烙铁上预送一定量的焊锡，这一阶段被称之为预上锡；随即电烙铁下降，先端的焊锡加热引脚，而电烙铁下端亦开始加热焊盘；之后焊锡丝被送达至焊盘，逐步熔化；在指定量的焊锡丝送给完毕后，电烙铁持续加热焊点直至焊锡充分包围焊盘完成焊接；焊接完成后，电烙铁上升，焊盘冷却至常温。

图3　电烙铁焊接的工艺流程

2.2自动化高周波焊接

2.2.1自动化高周波焊接单元的组成

高周波是指频率大于100 kHz的电磁波，它利用高频电磁场使物料内部分子间互相激烈碰撞产生高温达到焊接的目的[3]。高周波焊接单元主要由高周波控制器和线圈组成。

高周波控制器的功能主要有：高周波发生及其功率控制、冷却水循环控制和与上位机通信。高周波发生一般采用高频振荡器，其电子管式高频振荡器采用谐振腔式振荡电路产生高周波，最终由线圈传递至焊点。冷却水循环控制是通过循环泵使得水在线圈与压缩机之间循环，达到冷却线圈、防止线圈过热烧坏的目的。控制器还能与上位机进行通信，使得上位机能够控制高周波的启停及其功率大小，并监控其状态。

图4　高周波线圈示意图

高周波线圈如图4所示，材料为铜，中空设计，内部流通冷却水。它传递的高频电磁场使得焊盘产生高温熔化焊锡，从而达到焊接的目的。线圈加热焊盘的温度主要取决于线圈与焊盘的距离及高周波的功率，距离并不是越近温度越高，而是在一定范围内达到极值。

2.2.2自动化高周波焊接的工艺流程

高周波焊接的工艺流程如图5所示，分为预加热、送锡、后加热及冷却四个阶段。焊接开始后，待焊焊盘被线圈传递的高频电磁场加热到足以熔化焊锡的温度；之后焊锡丝随即被送达至焊盘，逐步熔化；在指定量的焊锡丝送给完毕后，线圈继续加热直至焊锡充分包围焊盘完成焊接；焊接完成后，线圈停止工作，焊盘冷却至常温。

图5　高周波焊接的工艺流程

2.3自动化激光焊接

2.3.1自动化激光焊接单元的组成

激光焊接单元一般由激光发生器(含控制器)和激光镜头组成(如图6所示)。

图6　激光镜头

图7　激光镜头的工作原理

激光发生器主要分光纤耦合式和二氧化碳式两种类别[12]。目前常用的是光纤耦合式激光发生器，其特点是光斑直径小、光能转换效率高、对环境无污染、易于维护且使用寿命长[13]，虽然一次性投入的费用比二氧化碳式的高，但从整个使用周期(能耗、维护)来看，反而比二氧化碳式的更经济。激光发生器的控制器用来控制发生器的投光与否、投光功率大小、状态监视及与上位机的通信，控制器内部可以存储多个离散的功率值设定，通过与上位机通信来实现焊接过程的不同功率输出。

激光镜头的作用是将激光光束聚焦到一个点上，瞬时产生高温熔化焊锡，从而实现焊接[14]。其工作原理如图7所示，光束通过传导光纤传导至镜头，经过凹透镜+凸透镜组完成光束的准直，再经由凸透镜完成光束的汇聚。

2.3.2自动化激光焊接的工艺流程

激光焊接的工艺流程如图8所示，分为预加热、送锡、后加热及冷却四个阶段。焊接开始后，待焊焊盘被激光在极短时间内迅速加热到足以熔化焊锡的温度；之后焊锡丝随即被送达至焊盘，逐步熔化；在指定量的焊锡丝送给完毕后，激光继续照射直至焊锡充分包围焊盘完成焊接；焊接完成后，激光停止照射，焊盘冷却至常温。

图8　激光焊接的工艺流程

2.4三种锡焊工艺的比较

三种锡焊工艺的比较如表1所示。在焊锡速度方面，由于高周波焊接的线圈可以定制，可以实现多个焊盘同时焊接，因此其焊接速度最快。在生产柔性方面，如果想变更产线生产的机种，激光焊接由于只需要变化焊接高度改变光斑大小即可对应不同尺寸的焊盘，因此其生产柔性最高[15]。在设备尺寸方面，由于激光焊接和高周波焊接的控制器体积较电烙铁焊接的大得多，因此整个设备尺寸也较电烙铁焊接的大得多。在成本方面，虽然高周波焊接和激光焊接首次投入的成本较电烙铁焊接大得多，但是由于不像电烙铁焊接需要日常更换电烙铁，因此它们的日常维护成本相对较低。最后针对高周波焊接和激光焊接这两种特殊焊接工艺自身的特点，激光焊接可以利用其光斑微小这一特点从而对应面积微小的焊盘，而高周波焊接由于其焊接的原理则可能存在损伤电气元件的风险。

表1　三种锡焊工艺的比较

3　控制技术

图9　锡焊机器人控制系统结构

锡焊机器人控制系统架构如图9所示(以四轴机器人为例)。它由主控单元、焊接单元、人机交互、操作臂本体及其驱动器组成，所要达到的功能是焊接位置、参数的示教、存储与再现，以及系统监视与报警。

目前工业用锡焊机器人的主控单元多由PLC担当。当今PLC控制技术已经非常成熟，除了能胜任一般控制器的输入输出、逻辑判断、运动控制、通信等功能外，其在工业级条件下出色的稳定性显得尤为突出，丰富而成熟的现场总线控制技术也使得它在工业级应用中游刃有余[4,16]。

焊接单元控制器与主控单元之间的通信一般采用串口通信，主要交互的内容为焊接参数及状态监视，使得主控单元能够控制并监视焊接单元执行焊接作业。控制器对于焊接头的控制主要是PID温度控制和焊锡丝送给长度与速度的控制，从而保证焊接在规定的参数下完成。

人机交互主要由触摸屏和操作盒来完成。触摸屏实际就是一个组态系统，它能编制操作画面，并组态主控单元内的存储单元从而实现人机交互。操作盒主要是将常用的功能以按钮的形式呈现在操作员面前，从而提高操作效率，一般与主控单元采用I/O (Input/Output) 点方式连接。

操作臂各关节的驱动器一般为步进电机，部分采用旋转编码器实现位置反馈，也有少数采用伺服电机，运动控制由主控单元(如PLC)的运动控制卡实现。

4　焊点图像检测技术

4.1图像检测系统的组成

图10　图像检测系统组成

图像检测系统一般由相机(含镜头)、光源、检测对象和图像处理器组成[17-18]，如图10所示，其图像处理器为电脑。其中，光源负责将检测对象打亮，使得检测系统能够辨识检测对象。相机负责捕获检测对象的图像，交由电脑(含图像处理软件)处理并输出结果。

4.2图像检测的功能

图像检测顾名思义就是由机器自动判断焊点品质优劣的功能[19]。

品质合格的焊点如图11所示，其特征是焊锡呈圆锥形，焊盘全部被焊锡覆盖。

焊点品质不良主要有三种情况：锡少、露铜和锡多。锡少的焊点如图12所示，其特征是焊锡斜坡内凹不饱满。露铜的焊点如图13所示，其特征是焊盘未被全部覆盖，露出面积达10%以上。锡多的焊点如图14所示，其特征是焊锡斜坡外凸。

图11　焊点合格示意图　　　图12　焊点锡少示意图

图13　焊点露铜示意图　　　图14　焊点锡多示意图

4.3图像检测的实现原理

图像检测实现的原理是不同品质的焊点对于入射光的反射不同，导致俯视焊点时焊点各区域的亮度不同，从而实现焊点品质的分辨[20]。

如图15所示，当焊点品质合格时，焊锡将入射光全部反射到旁边去了，从而在相机里看到的焊点亮度很低。

如图16所示，焊锡少的焊点在外围由于斜度接近焊盘，因此会将光线垂直向上反射到相机，因此相机看到的焊点在外围较亮，而内侧则是灰暗的。

如图17所示，露铜的焊点可以直接由相机视野里的黄色面积所辨识并被定量分析。

如图18所示，与焊锡少的情形相反，焊锡多的焊点在内侧靠近引脚的区域较扁平，因此会将光线垂直向上反射至相机，因此相机看到的焊点在内侧较亮，而外围则是灰暗的。

如上述，不同品质的焊点在相机里特征明显，且能通过面积定量分析，从而实现焊点的图像检测。

图15　焊点合格光照情形　　　图16　焊锡少光照情形

图17　露铜的情形　　　　图18　焊锡多光照情形

5　结束语

总的来说，锡焊机器人的关键技术研究及其发展方向可以归纳为以下几点：

(1) 作为锡焊机器人核心技术的锡焊工艺技术目前主流的有电烙铁焊接、高周波焊接和激光焊接，未来更高效更经济的锡焊工艺开发与研究仍将是锡焊机器人发展的重要方向之一；

(2) 以PLC技术为核心的锡焊机器人控制技术，未来的发展方向将是由面向单体的控制转型为面向全生产线的工业总线控制技术；

(3) 焊点图像检测技术使得锡焊机器人由“生产者”升级为涵盖生产及质量控制于一身的电子锡焊制造解决方案，也使得锡焊质量控制由人工控制升级为机器控制，避免了人工控制的不稳定性，并且提升了质量控制的效率，其将成为锡焊机器人发展的又一热点。

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A Technical Review of PCB Soldering Robots

SUN Zhong-qi

(Department of Automation, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200030, China)

Nowadays, PCB soldering robots are increasingly widespred in the electronics manufacturing industry. With ever-increasing demands on soldering efficiency and quality, new challenges appear towards its system design, process, control and other technologies. This article summarizes key technologies of soldering robots in four aspects: robost structure and function, soldering technics, control technology and soldering spot image detection. Furthermore, it analyzes existing major technical problems and discusses future development of soldering robots.

PCB soldering robot;soldering technics;iron soldering; high frequcy soldering; laser soldering;soldering spot image detection

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.01.025

TP249

A

1000-3886(2016)01-0078-04

孙中琪(1986-), 男, 上海人, 硕士生, 主要研究方向为工业自动化。

定稿日期: 2015-08-26