毕业设计：自动焊锡机设计VIP

毕业论文原创性声明本人郑重声明：所呈交毕业论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名： 年 月 日自动焊锡机设计摘要：随着工业的快速发展，焊锡机在整个工业体系承担着至关重要的作用。其中焊接机器人具有操作简单、焊接效率高、可靠性高、质量良好节省成本等特点。本设计结合实际情况从机械结构和系统控制对耳机端子焊锡机进行设计优化。根据焊锡机功能的需要在进行结构设计时必须对各个机构进行校核,需要的动力元件执行元件考虑加工工艺的可行性，而当进行PLC系统设计时需先明确设计步骤再确立工艺流程最后进行整合完整的焊锡机设计完成。对于耳机端子焊锡机的设计可以说是一个巨大的突破，它的出现解决了传统焊锡机效率低，稳定性差，操作难以及安全无法保障等缺点，同时打破国内没有此类焊锡机的现状。耳机端子焊锡机的诞生加速了工业发展的步伐为同类产品的开发研究具有重要意义。关键词：自动焊锡机；耳机端子；可编程控制；焊接优化Automatic soldering machine designAbstract: With the rapid development of industry, soldering machine plays an important role in the whole industrial system. The welding robot has the characteristics of simple operation, welding efficiency and good quality saving cost. This design combines the actual situation from the mechanical structure and system control to the design optimization of the earphone terminal soldering machine.According to the need of the soldering machine function in the structural design must check the various agencies, need power element actuators to consider the feasibility of processing technology, when carries on the PLC system design should integrate the clear design process steps to establish the complete soldering machine design.To the design of the headphones terminals soldering machine can be a great breakthrough, it solves the low efficiency of traditional soldering machine, poor stability, operation and safety cannot guarantee such as faults, at the same time to break the status quo of domestic no such soldering machine. The invention of earphone terminal soldering machine accelerates the development of industry and is of great significance for the development of similar products.Keywords:Automatic soldering machine; earphone terminal; programmable control; welding optimization目录1.引言12.自动焊锡机应用前景22.1自动焊接技术的发展22.2 本设计主要研究内容和研究方法22.2.1 研究内容22.2.2 研究方法33.耳机制作33.1焊接工艺难点33.2 端子焊接的工序分析53.3 驱动装置53.3.1 电机的区别53.3.2传动方案的设计63.4 控制方案的设计64.控制系统74.1 机械结构整体布局74.3夹持部件的设计94.4涂布器运动系统114.5焊接运动的设计115.控制系统的要求分析126.各模块介绍及设计方案：13结语14参考文献15致谢16 吉林工商学院本科毕业论文 1.引言现如今，人们生活质量不断提高，电子产业迅猛发展，焊锡机的需求也与日俱增。然而，许多工厂由于规模不大和资金等原因依旧使用传统的手工焊接方式，和自动焊锡机器人相比无论在焊接质量，工作效率等方面都无法得到保证。表1手动焊接和机器焊接的区别表项目手动焊接机器焊接产能受客观因素影响不定平稳增加产品质量合格率92%合格率97%损耗浪费严重可回收，浪费少资金投入重复投资低投入多回报人机需求一人一机，技术要求高一人多机，技术要求低劳动强度强度高，人员流失多强度较低，人员流失少根据表中的数据可明显可看出机器焊接各个方面都优于传统手动焊接，大力发展推广机器焊接将造福人类。在电子产业的发展势必离不开机器焊接。随着社会的发展和工业的需要传统焊锡机必将被取代。现代焊锡机将朝着自动化、智能化方向稳步推进其具有诸多优点：(1)元件焊接质量可靠。自动焊锡机的焊锡温度、焊接时间可调、助焊剂使用量都是可控的因而更高效更可靠。(2)优化工作环境。生产过程中工人劳动量减小，更多危险的工序可由辅助机构完成。(3)增加产能。自动焊锡机稳定性高，效率高因而产能高于传统焊锡机。(4)焊接的可控。由于自动焊锡机受系统控制且参数固定，时间也是不变的因而可以控制。(5)减少原始投入。自动焊锡机高效、可控使焊接可以大量生产从而达到节约成本的目的。电子产品生产过程中焊接占很大比重，焊接技术的高低对产品性能影响极大，包括多头自动焊锡机、非接触式焊锡机等。由于线缆的柔度以及线缆端子焊接头的不规则等特性使对应该类产品的焊锡机数量几乎为零。另外针对3.4毫米耳机端子的焊锡机器寥寥无几。因此发展此类焊锡机具有很重要的意义。16 吉林工商学院本科毕业论文 2.自动焊锡机应用前景工业大国提出机器人产业政策，如德国工业4.0、日本机器人新战略、美国先进制造伙伴计划皆纳入机器人产业发展为重要内涵，不仅将促使工业机器人市场持续增长，也带动专业型与个人/家庭型服务机器人市场快速增长，同时也促进了自动焊锡机的发展。现如今,全国各地都在大力发展工业机器人，国家投入的资金也逐渐加大。而电子行业的快速发展使机器人的需求量也日益增多。可以说工业机器人应用在许多方面，在电子产品加工过程会应用到许多不同类型的机器人。然而用的最多莫过于自动焊接机。它对一个产品的质量好坏，时间长短都起着决定性作用。在未来非常有发展前景，市场空间特别大。随着国内劳动力人口增长趋缓，劳动力占总人口的比例也在迅速下滑，未来将面临劳动力短缺的状况，人口红利也将随之消失。目前最有效的方法就是进行制造业的自动化升级改造。就因为自动焊锡机效率高，焊接可靠性高，运行稳定性好等优点必将逐渐取代传统焊锡机。一方面自动焊锡机的使用会加速电子以及相关的行业的发展步伐。另外一方面，自动化焊锡机的设计研发对其相关技术的开发具有指导意义，促进科学技术的发展和进步。2.1自动焊接技术的发展焊接就是将焊锡融化以合适的温度、合适的时间将两个或多个元件进行连接。手动焊接和自动焊接不同因为它需要工人更多的参与焊接劳动量大，工作环境较差很多因素不可控焊接质量无法保障。伴随着工业快速发展，传统的焊接技术已无法满足对产品的需要，自动焊接技术也应运而生。自动焊锡机也正在慢慢取代传统的手工焊接机。自动化焊接设备不仅仅具有操作简单、焊接质量高、成本低等优点，它还可以完成许多人工无法完成的焊接任务，实现高精密焊接。某些产品的焊接还有了对应的专用焊接设备。自动焊接的具体优点主要有：(1)稳定的焊接质量，提高焊接的均匀性；(2)生产效率提升，能够持续作业；(3)可以辅助参与焊接工作环境改善；(4)对工人的技术要求降低；(5)实现批量生产；(6)能完成高精度的焊接2.2 本设计主要研究内容和研究方法2.2.1 研究内容本设计通过自动焊锡机的机械机构设计、系统设计，同时分析耳机端子焊接过程中的相关技术难题对耳机端子的硬件、系统，结构参数进行了探究，具体内容有：(1)确定具有特定功能的自动焊锡机的整体方案；(2)相应的自动焊锡机械机结构改进，电气系统的设计；(3)自动焊锡机控制机构的选用；(4)线缆端子与焊接线焊接参数的确立；2.2.2 研究方法(1)理论研究由于目前对于此类相关焊接技术还没有明确的可以通用的理论因此我们只能大胆尝探究和分析手头掌握的数据。(2)试验研究为了能够更加真实准确的说明情况所以采实验的方法。这也是所有研究中都会用到的方法。实验前中可以事先选取一定数量的产品进行试验，实验过程中对各个环节出现的数据进行统计，记录当中出现的状况。试验完成后确立参数以及改进方案。(3)3D打印由于焊锡机结构较为复杂其中零部件较多测试会很耗时因此如果用快速成型对有需要的部件进行检测试验就会很方便缩短周期。3.耳机制作如今每个人都有耳机，有的甚至有几个，然而它的加工工艺却很少有人知道。虽然耳机不大结构看起来也比较简单，实际上耳机的生产是一个复杂的过程，对技术要求特别高例如其中的焊接部分为了得到高质量的耳机采用机器焊接替代人工焊接和前处理等工序由于耳机端子结构的复杂性给端子组装、端子注塑等带来不便，为了焊接质量的稳定必须进行焊点打磨、刮锡等工序来除掉氧化物。即使端子成品注塑后还需进行一些后续的处理才能加工完成一个完整的耳机。焊锡机器人主要负责焊接过程中技术要求高的工序解决人工焊接，人工处理不稳定、浪费材料等状况为耳机高精密生产批量生产提供帮助。本设计中的焊锡机主要解决的问题包括：(1)完成耳机端子物料运输，装夹等；(2)耳机端子特殊部位的焊接；(3)焊接线柔软性定位难等问题。3.1焊接工艺难点根据生产情况以及资料查找列出了耳机端子焊接工艺过程中遇到的难点序号难点原因1耳机端子自动传输耳机端子焊接时方向是定向的，上料时必须定向运料，而现有设备不具有此功能。2端子自动定位、装夹耳机端子形状复杂、尺寸小，对其定位装夹比较困难。3焊接线上料耳机线缆内部是漆包线，需要去除保护层才能焊接，此外耳机线缆较细较软，不易准确定位。4阶梯面焊点的自动焊接工艺耳机端子的四个焊点位于距离较近的阶梯弧面上。在对耳机端子进行焊接时必须提前对相应位置进行定位找正才能保证焊接顺利进行。目前市场上振动盘对于规则零件的传输技术已经很成熟，但对于类似耳机端子的不规则零件的传输还没有成功的先例。要完成端子上料，必须做到以下两点：第一，保证随机放在振动盘上的端子在传输过程中要确保在轴向上朝向一致；第二，到达焊接工位时，径向上要满足阶梯面朝向一致。目前市场上振动盘类的产品无法满足此要求，振动盘上料只能通过改变振动频率和斜槽结构，保证端子轴向上朝向一致，无法控制端子在传输过程中的自转，所以怎样保证端子阶梯面都朝着同一方向摆放成为另一个技术难题。焊接线的前处理:一般耳机线的直径为2.0毫米，焊接线直径为0.3毫米。如下图所示焊接时焊接线只有和焊点完成定位才能实现焊接保证焊接顺利进行，然而由于焊接线的细软以及外界波动等干扰很难保证精确定位。此时如何让解决焊接线定位不被客观因素影响成为一个重要课题。除了定位以外浸锡机构自动浸锡以及控制合理的切线长度等问题也急需解决。阶梯面焊点的自动焊接工艺:由耳机结构图可以看出，端子总尺寸较小，长度不足25mm，需要焊接的部分只有10mm，各个焊点之间的距离为1.5mm2.0mm，焊点之间的橡胶圈宽度为0.5mm。要提高成品率，在实现精准送料的前提下，要保证在焊接过程中不出现晃动或移位，这对端子夹具的设计以及定位机构的设计提出了严格的要求。此外，耳机端子的四个焊点不在同一平面且距离较近，自动焊接时需要同时满足焊接质量和效率要求。因此，如何在不破坏橡胶圈的前提下，高效的完成四个焊点的焊接是本设计的另一大难点。3.2 端子焊接的工序分析本设计的耳机端子自动焊锡机包括机械结构部分和电气控制两部分。耳机端子的工艺流程包括定位装夹识别以及各种等保证焊接顺利进行。与焊接工序相对应，耳机端子自动焊锡机的机械结构主要包括：送线机构、切线机构、浸锡机构、振动送料机构、端子识别机构、旋转送料机构、焊接机构。同时，为实时监测耳机端子自动焊锡机的运行情况，还需要设计相关传感器和自动检测部件以提高设备的运行速度、稳定性、智能化、加工精度及生产效率。3.3 驱动装置自动焊锡机采用plc控制步进电机或伺服电机来控制机械手等运动机构运动实现抓取、刮锡、送锡、焊接等功能。3.3.1 电机的区别(1)控制方式的不同简单来说步进电机与伺服电机各有各的特点一个通过数量实现角度转动控制，另一个则是通过时间来控制角度转动。(2)低频工作特性不同步进电机低速运转时容易发生低频振动，从而影响整机运转的平稳性；而伺服电机的运转非常平稳。(3)抗过载能力的区别步进电机不具备抗过载能力，为了克服惯性力矩，在选择时通常会选用较大扭矩的电机；而伺服电机具有较强的抗过载能力，其最大扭矩能达到额定扭矩的23倍。 (4)速度响应性能的区别步进电机响应速度较慢，通常需要 300ms 左右；而伺服电机的响应速度快, 启动至额定转速只需要几毫秒。（5）价格和控制精度的区别同等条件下，伺服电机的价格是步进电机的几倍甚至几十倍；伺服电机的控制精度高但整机运行精度很大程度上还取决于机械结构部分。综合对比两种电机的特点和适用场合，及考虑耳机端子自动焊锡机各运动部件负载小、降低开发成本等因素，步进电机为最佳选择，送丝电机由于精度要求低而采用直流电机。此外，在耳机端子自动焊锡机的设计中，大量运用气缸、气嘴、吸盘等气动元件，控制运动部件做往复直线运动、旋转运动等。3.3.2传动方案的设计传动装置是用来完成运动转换和能量转移的部分，通常有以下几种用途：改变运动形式，分配和传递能量，转变运行速度。在耳机端子自动焊锡机中，自动焊接模块、焊接线输送模块、端子识别模块、旋转送料模块所涉及到的传动部件包括丝杆传动、连轴传递、齿轮传动等。3.4 控制方案的设计自动焊锡机领域，国外的设备基本都采用单片机控制，以此保证设备运作时控制的高精度和智能化，目前国内设备受成本因素、编程水平等的制约，基本都采用 PLC技术控制PLC控制技术采用一种可编程的控制器用于内部程序存储执行顺序控制、定时、逻辑运算、计数等面向客户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程,是工业控制的核心部分。随着控制技术、微电子技术和信息技术的迅猛发展，PLC 控制技术也实现了飞速发展。Plc作为工业支柱之一，是因为它具高可靠性、抗干扰能力强、功能强大、灵活，易学易用、体积小，重量轻，价格便宜等优点。PLC的基本结构包括中央处理单元、储存器、电源、程序输入装置、输入|输出回路4.控制系统为了优化焊接过程在系统设计环节加入了特别的设计，即用户与设备“交流”，利用人机交互界面的数据显示功能，用户可获得执行过程中的数据信息，此外用户还可以通过界面选择指令、输入数据或参数设置来调整控制过程。下图为耳机端子自动化焊锡设备的控制系统图。4.1 机械结构整体布局针对耳机端子焊接中的关键问题，以成熟的PLC控制方案为技术基础，对端子上料、线缆分线排布、端子与线缆焊接等工艺环节创新设计，开发出成本低、可靠性高的机器人自动化设备。由于使用设备完成柔性焊接线地自动分线难度较大，这一环节仍由人工辅助完成。一方面，工人将四根颜色的焊接线装入专用的卡具中，随着送线模块的运动，焊接线依次完成切线、浸锡工序，最后移动到焊接工位；另一方面，耳机端子经过振动盘地筛选保持轴向一致，然后进入专用通道内，经过一系列动作转换，实现端子径向上朝向一致。最后，焊接线与端子依靠工装卡具同时被送至焊接位置，通过控制电烙铁与送丝机构的动作完成端子与焊接线的焊接。下图为本设计的耳机端子自动焊锡机的整体结构图，展示了耳机端子自动焊锡机的整体机械结构布局。设备结构主要部分包括旋转识别模块、自动送线模块、自动切线模块、旋转送料模块、焊接模块、压线机构以及机箱、触摸屏架等附件。本文设计的耳机端子自动焊锡机机械结构布局整体排列整齐、合理、紧凑。焊接线在个部件间均选取最优传输路线，端子识别以及输送路线均为最佳，并且端子和焊接线双向运输，即提高了工作效率，又降低了时间成本。在关键部位安装高精度传感器，保证加工精度和可靠性。4.2 各功能模块工作原理分析耳机端子自动焊锡机各功能模块依靠驱动装置提供动力以实现加工功能，高效而简单的机械结构设计不仅能够降低成本，还能保证设备在产品加工过程中更具高效性、均一性和稳定性，各功能模块工作原理分析如下：（1）振动送料机构振动送料机构的主要功能是通过振动盘将料斗内端子沿螺旋轨道上升。在上升的过程中经过轨道的筛选或姿态变化，端子能够按照加工要求呈统一姿态自动进入到出料端子滑道槽中，实现端子在轴向上朝向一致。（2）端子识别机构端子识别机构的主要功能是完成耳机端子的径向定位。通过夹持气缸将端子固定，利用步进电机带动端子进行自转，并经过传感器的作用，检测出端子焊点，实现端子在径向上朝向一致。（3）焊接机构焊接机构的主要功能是实现对端子和焊接线的焊接。通过两条模组及一个转盘搭建三轴焊接平台完成对电烙铁的运动控制。由于各焊点之间有宽度为0.5mm橡胶圈，采用普通烙铁头直接焊接会破坏橡胶圈结构，因此对烙铁头部分做了专门的设计，并通过实验验证了所设计烙铁头的可行性和稳定性。（4）送线机构送线机构的主要功能是实现焊接线的固定和输送。对于整个送线模块，运用多点位安装夹具的工作模式，即用可以更换的移动工作平台，人工一次性可在移动工作平台上安装多个耳机线夹具(目前只采用2个工位进行试验)，然后将移动工作平台固定，工作平台由电机驱动。卡线装置均匀排列在可移动工作平台上，保证每个操作均可靠并行进行，节约工作时间和成本。（5）焊接线的前处理机构焊接线的前处理主要包括卡线、捋线、切线、浸锡等步骤，通过气缸驱动推杆、切刀及连杆来实现。4.3夹持部件的设计端子进入筛选滑道后，筛选气缸动作，端子沿筛选滑道落入夹持部件中，通过夹持气缸完成对端子的夹紧；此时端子滑道与夹持部件之间相对位置关系尤为重要，夹持部件孔位中心线与端子中心线所成夹角越小，端子导正性越好，在端子识别送料过程中就越稳定、快速；反之，会出现卡阻使端子供料不流畅，降低效率。因此，为保证稳定顺利地输送端子，有必要对端子下落时与夹持部件孔位位置及角度关系进行分析。其简化模型如图所示。a）为端子下落时的理想状态，即端子与孔轴线完全重合；图b)为端子与孔有一个接触点的模型；图c)为端子与孔有两个接触点的模型。如图b)所示，当端子下落时其中心线孔轴线存在一个夹角且有一个接触点，其几何关系为：当趋近于无穷小时，则其中：l端子有效长度（mm）端子与孔轴线的偏距（mm）；D孔径（mm）；d端子端部轴径（mm）。如图c)所示，当端子与孔出现两点接触时，其几何关系如下：D=当趋近于无穷小时满足：对两点接触时的端子进行受力分析，接触点的受力分别为Fp2、Fp3，当两个力相交时可能会出现端子卡死的现象，为避免这种情况，端子与孔几何关系应满足：其中为P2、P3处对应的摩擦角；为两点的摩擦因数。由公式、公式可得：因此，为保证端子不出现卡阻现象顺利被夹持住，加工安装时夹持轴与筛选滑道中心线偏角应满足以上式子。4.4涂布器运动系统为了使焊接顺利完成提高焊接质量因而在焊接时需要使用助焊剂，喷涂助焊剂是焊接的一个重要环节。助焊剂能够辅助焊接，但必须保证助焊剂平稳输送、焊件上助焊剂均匀分布、无浪费与不足量等。然而完成这些功能的前提是设计一个合理的运动系统，具体如下所示。电机是传动系统的动力源，整个系统为齿轮传动。传动过程为：电机转动带动其转子运动，转子带动与其相连的齿轮开始进行传动。与电机相连的大齿轮带动下面的小齿轮小齿轮又带动另一个小齿轮进行同步转动，小齿轮转动的同时带动内部的中心轴转动来控制助焊剂涂布器工作。4.5焊接运动的设计 焊接就是焊锡头、焊件、辅助机构进行定位，相互运动到合适的焊接位置进行连接的过程。下面介绍一个简单的包含控制焊头上下、前后运动，以及辅助机构运动的传动系统。首先根据功能该系统具有3个电机、2个线性导轨、2个导轨滑块、1个滚珠丝杠、一个提升台以及相应的支架和连接机构。具体结构图如下图所示如图所示第一个电机带动皮带，皮带又与一夹紧装置相连，皮带运动就会带动夹紧机构运动。夹紧机构另一方向和基板相连，而基板又固定在与线性导轨配合的导轨滑块上。所以当电机驱动皮带轮时带动滑块运动控制真空发生器前后运动。焊锡头的运动由另两个电机和滚珠丝杠控制。同样电机带动皮带运动最终使焊锡头前后运动，另一台电机带动皮带驱动滚珠丝杠运动，滚珠丝杠将回转运动转化为升降的直线运动控制焊锡头上升下降。5.控制系统的要求分析本设计以耳机端子自动焊锡机的功能需求、加工流程及工艺要求为依据，对控制系统的设计提出如下几点要求：(1)运转设置：耳机端子自动焊锡机的运转可以设置为自动运转和手动单步运转；(2)参数机功能设置：通过人机交互界面可对自动焊锡机关键参数进行调整便于后期调试；(3)计数功能：完成一条耳机的生产，耳机端子自动焊锡机监控界面计数显示加1；(4)故障报错：耳机端子自动焊锡机出现端子未送到位、缺线、参数设定超出范围、工件未回到起始点等情况，检查系统会自动报错；(5)启停设置：操作面板设计启动、停止和急停按钮用于控制系统紧急情况下的通断。自动焊锡设备各个单元的工作过程描述如下：工人将颜色不同的焊接线装入专用的卡具中，通过送线模块使线缆依次进行切线与浸锡工序，然后移动到焊接工位；同时耳机端子经过振动盘的初步筛选，再经过旋转识别模块识别出端子焊接面，然后通过旋转送料模块将端子输送至焊接工位，最后通过焊接模块完成端子与焊接线的焊接。6.各模块介绍及设计方案：(1)端子上料模块端子上料是通过振动料盘自动上料，无需PLC控制，但需通过位置传感器检测当前焊接端子上料成功与否，该位置传感器接到PLC的IO输入(晶体管输入)上即可。(2)送线模块送线模块是为了完成焊接线的连续送料。焊接线在整个焊接过程中需经过多个工序，每个工序在固定位置执行，因此需要对传输部件进行精确的定位控制，本设计采用步进电机、位置传感器进行准确地定位控制。(3)切线模块切线的目的是便于焊接线与耳机端子焊点的定位。该工序有两个自由度的动作，属于往复直线运动，动作简单，因此选用气缸来完成被控动作，并配有位置传感器进行位置检测。(4)焊接模块该模块是利用电烙铁将耳机端子与焊接线焊接在一起。具有位置检测、定位的功能，是焊锡机重要组成部分。(5)自动送丝模块在焊接过程中需要自动输送焊锡丝。选用一个小型的直流电机控制焊锡丝的输送。由于送丝与烙铁上下动作需要配合，本设计通过PLC的晶体管输出控制该直流电机的工作。(6)自动清洗在完成焊接后，需要对烙铁头表面的焊接残留物进行清理。本设计采用气动清洗的方式，即通过气流吹洗烙铁头，需要一个清洗定位及气流通断。在结构上清洗定位设计成往复的圆弧转动及上下移动，通过气缸可实现，气流的通断可通过电磁阀控制实现。(7)触摸屏简介及设计本项目利用触摸屏与PLC通信，实现PLC控制的人机交互功能，触摸屏型号选用海泰克公司的PWS5610触摸屏，通过RS232接口与PLC相连。在触摸屏上可实现步焊接速度及位置的调节、送线速度及位置的调节、各工序状态监视、焊接个数计数等基本功能。通过该触摸屏可方便用户进行工件统计、系统工作效率调节、系统故障诊断。触摸屏的界面编程时通过组态软件实现的，该组态软件与所选PLC具有完好的兼容性。 控制面板及控制箱的设计图为耳机端子自动焊锡机的控制面板设计图，主要包括触摸屏、启动按钮、急停按钮、停止按钮、温度显示器，其中启动按钮及停止按钮控制整个控制系统电源的通断，急停按钮在设备故障时使电机、气缸等运动部件迅速停止动作，温度显示器用来显示锡炉的实时温度。电控安装板设计尺寸为760530mm。电控柜设有6条50mm宽的接线槽，用于垂直和水平布线，同时电控柜内