一、引言

隨著工業(yè)水平的不斷進步，航空機載產(chǎn)品呈現(xiàn)出復(fù)雜化、輕量化、精密化的發(fā)展趨勢，這使得裝配精度要求持續(xù)提高，裝調(diào)難度也日益增加。在這種背景下，自動精密裝配技術(shù)已然成為航空航天等領(lǐng)域產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)之一。微小型零件的自動精密裝配發(fā)展迅速，從早期在顯微鏡下的手工裝配逐步發(fā)展到半自動、自動化裝配階段，而模塊化裝配系統(tǒng)也日益成為發(fā)展的主流方向。

二、微小型零件裝配的挑戰(zhàn)與需求

微小型零件的多樣化發(fā)展，使得不同的器件需要專門設(shè)計和制造特定的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)裝調(diào)。在精密裝配過程中，零件的制造公差和裝調(diào)位置的偏差需要逐件進行補償，有些情況甚至需要人工干預(yù)才能確保裝配的順利完成。隨著零件不斷地微型化和精密化，必須避免在裝調(diào)過程中對零件造成損傷，以免影響產(chǎn)品的性能。

以懸絲擺式加速度計為例，它廣泛應(yīng)用于航空、航天等領(lǐng)域，具有量程大、體積小、抗沖擊、精度高等特性，是慣性導(dǎo)航中的核心組成部分。然而，目前該加速度計的裝配生產(chǎn)主要依賴手工操作，憑借工人的經(jīng)驗和焊接技能來完成裝配。這種方式對工人的操作熟練度要求極高，很難保證裝配精度和產(chǎn)品的一致性，也難以實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。

三、自動焊接技術(shù)的現(xiàn)狀與局限

自動焊接技術(shù)在機械加工中具有十分重要的意義。目前的研究表明，焊接機器人在自動焊接技術(shù)中仍占據(jù)主要地位。但是，焊接機器人由于操作難度相對較大、成本較高以及結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜等因素，導(dǎo)致不能大規(guī)模地應(yīng)用于生產(chǎn)環(huán)節(jié)當中。此外，焊接機器人所需的運動空間大，在運動中需要合理的軌跡規(guī)劃，而在狹小的操作空間內(nèi)顯得靈活性不足，存在無法進行施焊的情況。

四、大研智造激光錫球自動焊錫技術(shù)的優(yōu)勢

本文介紹了大研智造的激光錫球自動焊錫技術(shù)，該技術(shù)集成了力、溫度傳感器和機器視覺于一體的自動精密焊接系統(tǒng)，具有以下顯著優(yōu)勢：

采用龍門直角坐標式機械結(jié)構(gòu)，配合焊槍旋轉(zhuǎn)軸，結(jié)合高、低倍率顯微視覺相結(jié)合的視覺檢測方式，實現(xiàn)基部與目標部的高精度對準，焊接精度達到 0.1mm。

能夠控制機械臂和精密平臺運動，完成微球高精度的姿態(tài)調(diào)整、微球和微管的自動對準及裝配。

設(shè)計專用焊接單元集成力和溫度傳感器，在有限空間內(nèi)實現(xiàn)對懸絲張緊情況下微小器件的自動溫控焊接，提高了微結(jié)構(gòu)精密裝配的自動化程度和質(zhì)量。

五、精密加速度計組件自動裝配系統(tǒng)硬件

（一）模塊化設(shè)計

根據(jù)裝配任務(wù)及難點，采用模塊化設(shè)計思想研制了該自動焊接系統(tǒng)。系統(tǒng)分為工作臺模塊、視覺測量模塊、焊接模塊及焊錫片放置模塊。各模塊之間互不干涉，又相互配合，極大地提高了裝配效率以及設(shè)備的復(fù)用性。

（二）視覺測量模塊

重要作用：在整個裝配過程中，機器視覺系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用，包括待裝配零件的識別與定位、裝配結(jié)果測量以及裝配過程可視化，關(guān)系到整個裝配流程的精度及質(zhì)量。

組成部分：機器視覺系統(tǒng)主要由工業(yè)相機、遠心鏡頭、同軸–環(huán)形光源組成。

測量方案：采用可移動的視覺測量方案，配合 3 自由度精密位移滑臺，其重復(fù)定位精度為 ±0.5μm。不僅擴大了測量范圍，解決了相機視場不足的問題，而且能夠控制圖像位置，確保待測量零件位于相機視野中心。相機采集圖像并傳入上位機進行圖像處理；遠心鏡頭可以消除由于被測物體距離鏡頭位置不同造成的圖像畸變。環(huán)形光源安裝于相機鏡頭前，使相機能清楚地觀察零件的邊緣特征；同軸光源安裝在鏡頭一側(cè)，以改善零件平面反射成像，二者配合提高圖像質(zhì)量。

（三）焊接模塊

功能與組成：焊接模塊集成于視覺測量模塊，以機械臂為載體，由焊接組件及力傳感器組成，其主要功能是將懸絲焊接到加速度計底座設(shè)定位置，完成組件裝配的最后一步。焊接組件由焊接頭、加熱棒、溫度傳感器、隔熱材料等構(gòu)成。其中，焊接頭采用黃銅材料制成，表面鍍鉻處理，防止焊接頭沾錫影響焊接效果。焊接頭末端設(shè)計有一定深度的槽形，在焊接過程中使錫球嵌入其中。

工作原理：激光將焊錫熔化后，在高濃度氮氣的噴射作用下在焊盤匯集冷卻形成焊點，控制焊接位置，保證焊接質(zhì)量。溫度控制調(diào)節(jié)模塊的工作原理基于閉環(huán)反饋控制。激光焊錫機采用激光作為加熱源，通過紅外檢測方式實時檢測激光對加工件的紅外熱輻射，形成激光焊接溫度和檢測溫度的閉環(huán)控制。控制板 PID 調(diào)節(jié)功能可以有效控制激光焊接溫度在設(shè)定范圍內(nèi)的波動。首先，鉑電阻溫度傳感器實時獲取焊接頭溫度，溫度控制器通過模糊 PID 自整定模式調(diào)節(jié)變壓器通斷，進而控制加熱。工人實際操作經(jīng)驗的焊接溫度為 250℃，焊接時適當提高控制溫度可以確保焊接頭達到足夠的焊接溫度，保證焊錫完全熔化，最終確定焊接控制溫度為 255℃左右。

（四）焊錫片放置模塊

設(shè)計目的：由于操作空間有限，且焊接面及焊錫片微小，人眼不易觀察，因此設(shè)計了焊錫片放置模塊。

工作方式：首先末端針頭依靠黏附力拾取焊錫片，由相機獲取當前焊錫片的位置后，手動調(diào)整三軸微調(diào)平臺旋鈕，將焊錫片放置到理論位置。該模塊降低了焊錫片放置難度，并保證焊點位置準確。

六、焊接流程及控制策略

合理高效的焊接流程及控制策略在微裝配系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。由于待裝配零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可操作空間有限，因此采用 “Look and Move” 的焊接控制模式。首先由視覺系統(tǒng)獲取零件位姿信息，通過分析計算，最后控制精密滑臺運動至目標位置。通過機器視覺及反饋信息引導(dǎo)裝配作業(yè)，消除零件位姿微小變動造成的偏差，提高裝配精度及質(zhì)量。
在視覺測量模塊引導(dǎo)下，通過焊錫片裝調(diào)模塊放置焊錫片。由于焊錫片與末端針頭處于不同的景深范圍，同時末端針頭直徑僅 0.45mm，不易觀測，但是能夠在視場范圍內(nèi)獲取焊錫片的清晰圖像，通過調(diào)整三軸微調(diào)平臺來調(diào)整焊錫片位置，確保焊點位置準確。

焊接模塊集成懸臂梁式力傳感器，能夠?qū)崟r檢測焊接接觸力。在傳統(tǒng)的烙鐵焊接過程中，焊錫片的熔化導(dǎo)致焊接接觸力不斷變化。而激光焊接具有非接觸焊接特性，焊接不受摩擦、靜電等外力影響。激光錫球全自動焊錫機可根據(jù)焊錫片厚度設(shè)定焊接噴嘴與焊盤之間的微小距離，保證焊錫片受熱均勻、完全熔化，焊接完成后快速抬起離開焊接位置，完成焊接操作。具體焊接流程如圖所示。

七、裝配試驗

使用該自動裝配系統(tǒng)對隨機選取零件進行裝配及焊接試驗，將擺組件和加速度計底座分別安裝到上料平臺，操作裝配軟件系統(tǒng)完成裝配任務(wù)。

（一）焊接結(jié)果

焊接完成后，在顯微鏡下觀測焊接結(jié)果。焊錫熔化后凝固效果良好，不存在焊錫流向懸絲的現(xiàn)象，微小焊點位置準確、質(zhì)量可靠，無虛焊。

（二）間隙及位置調(diào)整

采用標準標定尺（制造精度 1μm），在滿視場的情況下對相機的實際像素進行測量標定，標定結(jié)果為 X、Y 方向像素尺寸均為 1.745μm/pixel。擺組件相對于磁鋼間隙的測量距離為 1mm 左右；懸絲中心相對于底座底面位置調(diào)整依靠精密滑臺運動擴大圖像采集范圍。系統(tǒng)采用三維精密位移滑臺，其重復(fù)定位精度可達 ±0.5μm，從誤差累積原理上來說，精度能夠滿足小于 10μm 的要求。

待裝配零件質(zhì)量存在差異，一致性較差，因此會對裝配結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。裝配完成后，通過視覺系統(tǒng)對裝配結(jié)果進行測量，其測量原理與上文裝配調(diào)整的方法類似，測量擺組件相對于磁鋼間隙，以及懸絲中心相對于底座底面間距。總體來看，擺組件相對于磁鋼間隙偏差小于 10μm，懸絲中心相對于底座底面位置精度優(yōu)于 20μm，能夠滿足裝配精度要求。

本文的自動焊接系統(tǒng)能夠完成加速度計組件的自動精密焊接，滿足裝配精度要求，改善了裝配質(zhì)量，能夠?qū)崿F(xiàn)加速度計底座組件裝配作業(yè)自動化。

八、結(jié)論

針對加速度計組件手工裝配困難的問題，研制了專用自動化裝配及焊接系統(tǒng)，實現(xiàn)零件焊接等任務(wù)，以自動化設(shè)備替代人工裝配，能夠確保裝配過程中精確定位以及微力控制。通過裝配試驗驗證了系統(tǒng)的可行性，試驗結(jié)果表明，焊點位置準確，無虛焊，擺組件相對于磁鋼間隙偏差小于 10μm，懸絲中心相對于底座底面位置精度優(yōu)于 20μm，裝配質(zhì)量滿足精度要求。該精密自動裝配及焊接系統(tǒng)提高了產(chǎn)品精度一致性，為精密微小器件的自動化裝配提供了借鑒。未來，隨著技術(shù)的不斷進步，激光錫球全自動焊錫機在精密加速度計組件以及其他微小型精密器件的裝配中將發(fā)揮更加重要的作用，推動航空航天等領(lǐng)域的制造技術(shù)向更高水平發(fā)展。

本文由大研智造撰寫，我們專注于提供智能制造精密焊接領(lǐng)域的最新技術(shù)資訊和深度分析。作為集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售、服務(wù)為一體的激光焊錫機技術(shù)廠家，我們擁有超過20年的行業(yè)經(jīng)驗。想要了解更多關(guān)于激光焊錫機在智能制造精密焊接領(lǐng)域中的應(yīng)用，或是有特定的技術(shù)需求，請在大研智造官網(wǎng)聯(lián)系我們。歡迎來我司參觀、試機、免費打樣。

審核編輯 黃宇