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一种
适用于
PCB
自动化
焊接
装置
建武
中国科技信息 2023 年第 7 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023-94-三星推荐在印制电路板的生产过程中,存在 PCB 板上端子的焊接作业,即通过焊丝与 PCB 板上的引脚端进行对位后,通过电烙铁进行对位焊接作业,从而在引脚端上形成点状或线状焊接部,满足 PCB 板的焊接成型需求。目前 PCB 板上端子的焊接作业主要通过人工手持焊枪进行焊接,手动焊接虽然具有使用灵活、自由的特点,但是人为手持操作难以一直保持最佳的焊接动作,易出现焊丝对位偏差与焊接对位偏差,产品合格率较低,且操作人员如果长时间工作,身体更容易出现疲劳,不仅影响焊接效率,还影响焊接质量。为解决上述问题,本文提供了一种适用于 PCB 板的自动化焊接装置(以下简称焊接装置),能实现自动化焊接的效果,降低了对操作人员的技能要求,提高了焊接质量稳定性和焊接效率。工作原理分析本焊接装置以 STM32 单片机为主控系统,并搭配有各种外设模块配合工作。焊接装置使用时将 PCB 板放置在承载台上,通过伺服电机驱动双向丝杆转动,双向丝杆转动并带动与其螺纹连接的两个滑板相对移动,两个滑板带动夹板相对移动,进而能够实现自动夹持的效果,通过调节 U 型板、活动块和横梁的移动,来调节焊丝与 PCB 板的接触,第二螺纹杆通过第二电机的驱动转动并带动与其螺纹连接的滑座水平移动,进而带动焊丝到达指定焊接位置,然后启动焊枪实现自动化焊接,降低了操作人员的使用难度,提高了焊接稳定性和效率。焊接的过程中启动抽风机,通过抽风机能够驱动吸气头及时抽走 PCB 板焊接过程中产生的烟气粉尘等物质,并输送至净化箱内部净化,避免 PCB 板焊接过程中产生烟气粉尘等物质对工作环境造成影响,防止有害烟气对人体呼吸系统造成危害。设计优点与相关技术相比较,本焊接装置控制系统优良,机械结构简单,使用方便,便于维修。本焊接装置能够实现自动夹持的效果,避免 PCB 板在焊接过程中出现位置偏移,减轻了工人的劳动量,提高了焊接精度和生产效率,保证了品质的可控性,实现了自动化焊接的效果。同时抽风机能够过滤处理焊接过程中产生的烟气粉尘,使焊接作业更加安全环保。行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度一种适用于 PCB 板的自动化焊接装置侯建武 侯 艳侯建武 侯 艳佳木斯大学信息电子技术学院项目名称:黑龙江省教育厅基础研究项目项目编号:2016-KYYWF-0574-95-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023中国科技信息 2023 年第 7 期三星推荐控制系统设计本焊接装置控制系统选用 STM32F103C8T6 单片机作为主控芯片,通过对焊接装置空间位置信号、时间信号、温度以及出锡量的采集,使PCB板元件的焊接过程稳定可靠。通过三台电机对焊枪空间位置参数的精确控制,实现焊枪对焊点的精准定位。本控制系统搭配有电阻触摸屏实现对焊接平台参数的可视化显示和指令操作,温度传感器实现对焊接装置温度的采集与监测,蓝牙模块实现对焊接装置的 APP控制,进而实现自动化焊接和精准焊接的目的。其系统总体结构框图如图 1 所示。硬件模块选型主控芯片的选择与论证方案一:选择 8051 系列单片机传统的 51 单片机具有价格低廉、开发环境易于搭建、使用简单等特点,但是本系统程序容量相对较大,51 单片机存储容量相对较小,外设和端口资源有限,其硬件资源无法很好满足本焊接装置需求。方案二:选择 ST 公司的 STM32F103C8T6 单片机作为控制核心本模块是基于 Cortex-M3 内核的 32 位微控制器,硬件采用 LQFP48 封装,工作电压范围为 2.03.6V,主频可达72MHZ,内部采用64K或128K字节Flash程序存储器,以及高达 20K 字节的 SRAM 数据存储器,内部含有 4 个定时器,其中高级定时器 1 个,9 个通信接口和 37 个输入/输出端数量,是一款高性能与低功耗的单片机。结合本装置设计需求,综合考虑选择方案二。利用STM32F103C8T6 单片机能大大降低控制系统设计的复杂度,更能高要求的完成系统设计,性价比较高。如图 2 所示为单片机最小系统原理图。显示屏模块的选择与论证方案一:选择 LCM1602A-14 液晶显示模块本模块为一种字符型液晶显示模块,采取 COB 封装,控制器类型为 AIP31068L,供电电压为 5V/3.3V,工作温度为-20 70,接口方式支持 SPI 和 IIC,液晶屏显示内容为 16 字符 2 行,显示屏面有蓝屏、黄屏和绿屏,背光类型为 LED,背光颜色为黄绿色。本模块显示的原理是利用液晶的物理特性,通过电压对其显示区域进行控制来显示图形。方案二:选择 NT35510 电阻触摸屏本模块是一款 4in,拥有 480800 分辨率,带电阻触摸,支持 8080 并口通信,接入 STM32F103Z 等 MCU 的IPS 显示屏,实现画点、线、圆、矩形,显示英文字符和中文字符,显示图片及图片旋转等功能。本模块触控芯片型号为 XPT2046,是一款 4 线制电阻式触摸屏控制器,内含 12位分辨率 125kHz 转换速率逐步逼近型 A/D 转换器。本模块供电电压为 5V/3.3V,屏幕类型为 IPS,模块的 TP_IRQ引脚被 MCU 用来判断屏幕是否被按下,屏幕被按下输出低电平,反则被上拉输出高电平。本模块支持 16 位或 8 位并行数据输入,其中默认使用 16 位的 RGB565 颜色格式,用户可根据使用条件在模块背面选择 0 欧电阻使用 8 位并行数据输入,屏幕使用 NT35510 驱动,MPU8080 并口通信,读写速度快,支持 80 系列 MPU、IIC、MIPI 等多种接口。结合本装置设计需求,综合考虑选择方案二。利用NT35510 电阻触摸屏模块可实现该焊接装置空间、时间、温度、出锡量等数据的彩色画面显示并可触摸输入指令操作,方便操作人员使用与维修,也提高了 PCB 板的焊接效率。温度显示模块的选择与论证方案一:选择 DS18B20 数字温度传感器模块本模块是一款单总线数字温度传感器,板载 DS18B20芯片和电源指示灯,同时留有 3P 圆孔座方便插拔芯片,内置上拉电阻,全部引出芯片引脚。本模块工作电压为35.5V,物体温度测量范围为-55 125,温度测量精度 2,模块内部含有两个字节的温度寄存器、一字节的上下温度报警寄存器和一字节的配置寄存器,均存储于高速暂存器区,其中温度寄存器用来存储温度传感器输出的数据。方案二:选择 MLX90614ESF 红外测温传感器模块本模块具有非接触式、高精度、高分辨率、响应时间快等优点,是一款能根据被测物体的红外辐射能量大小和波长分布来检测物体的表面温度的红外温度传感器。模块支持STM32、Arduino 等主控,其工作电压为 3.35V,通讯方式有 PWM 和 SMBus(系统管理总线),物体温度测量范围为-70 380,温度测量精度为 0.5(050),采用 MLX90614ESF 远红外热传感器阵列,可精确检测特定区域和温度范围内的目标物体,尺寸小巧,可方便集成到各种工业或智能控制应用中,主要用途为高精度非接触性物体温度检测、工业温度控制和带温度控制的家用电器等方面。结合本装置设计需求,综合考虑选择方案二。在 PCB电路板维修 SMT 组件过程中,对于 1206 以下的电阻电容和面积小于 5mm2的组件,焊点温度在 250 270,对于大型组件,烙铁温度在 350 370,方案二的温度传感器模块测温范围符合要求,且温度测量精度更高。蓝牙模块的选择与论证方案一:选择 HC-05 无线蓝牙串口通信模块本模块是基于 Bluetooth Specification V2.0 带 EDR蓝牙协议的数传模块,工作频段为 2.4GHZ,调制方式为GFSK,工作电压为 3.03.6V,通信电平为 3.3V TTL,通信接口为 UART,发射功率最大值为 4dBm,发射参考距离为 10m,空中速率为 2Mbps,接收灵敏度为-85dBm。本模块可直接连接电脑的自带蓝牙设备进行通讯,但直接与电脑相连需要借助 HC-05-USB 蓝牙虚拟串口。方案二:选择 TB-03F 无线蓝牙模块本模块是一款基于 TLSR8250F512 芯片设计的符合BT 5.0 低功耗 Tmall Genie Mesh 的蓝牙模块,内部集成32 位单片机,具有 512K 字节 Flash 程序内存和 48K 字节的 SRAM 数据内存。本模块供电电压为 2.73.6V,发射功图 1 控制系统总体结构框图中国科技信息 2023 年第 7 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023-96-三星推荐率最大值为 10dBm,接收灵敏度为-93 dBm2,室外空旷视距为 80150m。本模块支持天猫精灵直接控制且拥有蓝牙 mesh 组网功能,设备之间通过对等星型网络通信,采用蓝牙广播进行通讯,可保证多设备情况下响应及时,可应用于工业无线控制、智能灯控等领域,可满足低功耗、低延时、近距离无线数据通信的要求。结合本装置设计需求,综合考虑选择方案二。TB-03F无线蓝牙模块可支持的设备更多,信号传输距离更远,信号接收灵敏度更高,更适配于手机或电脑等 APP 控制。机械结构设计如图 3 图 6 所示,本焊接装置具有以下更加优良的机械结构方案:(1)焊接台顶部滑动安装有承载台,焊接台的顶部安装有 U 型板,电动推杆安装在 U 型板内部,其推杆的伸缩端安装有活动块,活动块上安装有横梁,横梁的内部转动安装有第二螺纹杆,第二电机安装在横梁远离活动块的一端,其电机的驱动端与第二螺纹杆右端连接,滑座与第二螺纹杆螺纹连接,滑座的前侧安装有焊枪,焊枪上安装有焊丝,使用时将 PCB 板放置在承载台上,通过调节 U 型板伸缩带动活动块和横梁上下移动,进而调节焊丝与 PCB 板接触,再通过第二电机驱动第二螺纹杆转动,第二螺纹杆带动与其螺纹连接的滑座水平移动,滑座带动焊丝到达 PCB 板指定的焊接位置,然后启动焊枪能实现自动化焊接的效果,降低了对操作者的技能要求,提高了焊接效率,确保了焊接质量的可控性。(2)承载台底部中心处安装有滑块,焊接台顶面开设有供滑块滑动的滑槽,第一螺纹杆与滑块螺纹连接,其螺纹杆转动安装在滑槽的内部,第一电机安装在焊接台前侧,其电机的驱动端与第一螺纹杆的前端相连接,第一螺纹杆通过第一电机驱动转动,进而能够带动与其螺纹连接的滑块沿滑槽内部滑动,滑块在移动的同时带动承载台移动,能够调节承载台进行前后移动,进而能够调节 PCB 板的位置,便于对 PCB 板不同的位置进行焊接,焊接台的顶部开设有两个呈对称分布的导向槽,两个导向槽内部均滑动安装有导向块,导向块顶端与承载台底面连接,起到导向的效果,使得承载台能够稳定的在焊接台顶部滑动,环形槽开设在导向块底端,其内部安装有滚珠,滚珠与导向槽内底壁滚动连接,减小导向块滑动时的摩擦力,进而能够减小导向块与导向槽之间的磨损。(3)承载台的内部转动安装有双向丝杆,伺服电机安装在承载台右侧壁,其电机的驱动端与双向丝杆右端连接,承载台顶面对称开设有两个滑口,滑板滑动安装在两个滑口的内部,滑板螺纹连接在双向丝杆上,滑板的顶端安装有夹板,双向丝杆通过伺服电机驱动转动并带动与其螺纹连接的两个滑板相对移动,从而滑板带动夹板相对移动,进而能够实现自动夹持的效果,不需要工人手动对板材进行固定,降图 2 STM32F103C8T6 最小系统原理图-97-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023中国科技信息 2023 年第 7 期三星推荐图 6 B 处的结构放大图图 3 一种 PCB 板的自动化焊接装置结构示意图图 4 一种 PCB 板的自动化焊接装置剖面结构示意图图 5 A 处的结构放大图低了工人的劳动量,提高