精密电阻焊点焊机的制作方法

专利名称：精密电阻焊点焊机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种电子元器件生产设备中的精密电阻焊点焊机，其主 要应用于各种带小线圈电子元器件制作中对漆包线引出接点的焊接，也可应 用于对各种微细工件的精密焊接。
背景技术：
直接焊接漆包线技术是一种新的技术，本专利申请人接连申请了包括可
直接焊漆包线的点电焊机(专利号01114785.7)、点电焊焊头(专利号 01114808.X)、预应力点电焊电极(专利号93245377.5)、电阻焊焊头及其制备 方法(专利申请号2005121259.2)、带压力显示的点电焊机机头(专利号 01114856.X)、点电焊机焊头夹(专利号01114831.4)、带光源的焊头夹(专利号 ZL01242320.3)、直接焊接漆包线点电焊焊头的工作状态监测装置(申请号 200410015223.1)等多项专利，使直接焊接漆包线技术日趋成熟。
但是各种现有技术中的焊机焊头寿命都不长，有的只有几百个焊点。由 于焊头寿命短，极大地影响直接焊接漆包线技术的推广应用。

实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种精密电阻焊点焊机，其可保证焊机为 直接焊接漆包线提供精确的脉冲输出，以提高直接焊接漆包线的焊头的使用寿命。
为了解决上述技术问题，本实用新型公开一种精密电阻焊点焊机，包括主电源、焊头和机头，主电源包括阻焊变压器和电源控制装置，主电源通过 电源控制装置为焊接提供阶梯波状脉沖输出，机头在焊接时把阻焊变压器的 输出端和焊头连接。
所述的电源控制装置包括用于提供脉沖输出的控制电路、用于提供信号 给所述控制电路以调节脉冲输出的至少一个功能键、和与控制电路电性连接 供输出信息的显示装置。
所述电源控制装置所提供的阶梯波由ze、第一阶梯(Vi)、第二阶梯(V2) 和焊接时间(T)组成，其中，脉冲输出以一定的角度(e)上升至第一阶梯， 维持一段特定时间后继续上升至第二阶梯，并在第二阶梯维持至输出结束。
所述第二阶梯的电压值为设定值，第一阶梯的电压值为设定值的50%至
100%之间，第一阶梯的维持时间约为设定焊接时间的一半。 电源控制装置中至少有一个功能键用于调节第一阶梯幅度。
所述输出脉沖上升的角度e值可调，调节范围为45^^90°。
电源控制装置中至少有一个功能键用于调节输出脉冲上升角度。 所述电源控制装置上安装有方波和阶梯波的切换开关。 所述的焊机为电容储能式焊机或逆变电源焊机。 所述点焊初4几头为带压力显示的点焊机机头。 所述点焊机的焊头为点焊焊头或电阻焊焊头或一对平行电极或一对上下 电极。
所述电源控制装置控制电路所提供的阶梯波的脉沖输出可通过数字电路
DAC实现，或采用恒流源对电容充电及电位切换实现。
与现有技术相比，本实用新型精密电阻焊点焊机的主电源通过电源控制 装置为焊接漆包线提供阶梯波的脉冲输出，减少了烧除漆包线的绝缘漆时过 大的电流对焊头的损伤，延长了焊头的使用寿命。

图l为本实用新型精密电阻焊点焊机所输出脉沖幅度和宽度构成阶梯波 的坐标图。
图2为焊机电路原理图和A点的位置图。
图3为通过数字电路DAC实现如图1所示阶梯波的电路图。
图4为采用恒流源对电容充电及电位切换实现如图l所示阶梯波的电路图。
图5为图4中采用C8051F020单片机的电路图的数才莫转换器DACO输出的波 形示意图。
图6为式(2)中参凄te和T的关系曲线示意图。
图7为图4中采用恒流源对电容充电形成斜波的实施例的参数仏W - t的关 系曲线图示意。
具体实施方式
以下结合附图，详细说明本实用新型精密电阻焊点焊机的具体实施方式
。 要直接焊接漆包线， 一般需要使用预应力点电焊电极(专利号为
利号2005121259.2)中所揭示的焊头。从这几种焊头的结构来看，构成焊头的 二个电极的尖端分别是应力接触欧姆接触或者是连体的。本实用新型经过大 量的实验、研究和分析，直接焊接漆包线的原理可概括为焊接时导通电流， 由于漆包线上有绝缘层，电流全部流经焊头的二个电极的尖端，使焊头尖端产生电火花，把与焊头接触的绝缘漆烧除剥脱，棵露金属；之后，由于漆包 线内铜芯的导电率和金属基底的导电率都大于电极材料的导电率，在焊接力 和电阻热的共同作用下，焊头与工件的接触电阻小于二个电极尖端的接触电 阻，大量电流转而流入工件，实现在同一脉冲输出完成电阻焊焊接，而此时 流经二个电极尖端的电流成为偏置电流。
直接焊接漆包线的整个过程，视漆包线线径的大小， 一般只需几毫秒到 十几毫秒即可完成。可直接焊漆包线的点电焊机(专利号01114785.7)或现有技 术中的其它精密焊机一般只要求焊机输出的电流电压稳定，即输出脉沖波形 大都是方波或接近方波。但是，根据上述直接焊接漆包线的焊接原理，在漆 包线绝缘漆未除去前，大量电流首先通过接触或连体的二个电极尖端并产生 电火花，随着焊接工作的持续，二个电极尖端反复产生的电火花必然影响其 结构。当二个电极尖端不能再产生电火花时，绝缘漆即无法烧除，焊接也就 不能进行。所以现有焊机的焊头寿命都不长，有的只有几百个焊点，这极大 地影响直接焊接漆包线技术的推广应用。
申请人认为虽然直接焊接漆包线的时间很短，只有几毫秒到十几毫秒， 但整个过程还是可以划分为"烧除绝缘漆"和"焊接"二个时段，这样就可以提 出烧除绝缘漆时段和焊接时段所需要的电流是否相等？原先的脉冲波型以 方波输出是否合理？如何为直接焊接漆包线提供精确的电流？
为此，本实用新型借助了以1万张/秒频率的"高速摄影仪，，对直接焊接漆 包线的全过程进行拍摄，借用"电阻焊测试分析仪"测量直接焊接漆包线过程 的电流和电压实际波形；同时测量整个焊接过程的动态电阻情况，借助上述 高科技手段和科学的分析，总结出上述直接焊接漆包线的焊接原理，同时还 得出下述的结果
1、烧除漆包线绝缘漆并不需要焊接那么大的电流，尽管被焊接漆包线线径有大小的不同，烧除绝缘漆所需的电流约为焊接的65% 85%左右。也就是 说，既要保证二个电极尖端产生电火花用以烧除绝缘漆，又避免输出焊接时 那么大的电流导致二个电极尖端产生的电火花太大，因为烧除漆包线时段过 大的电流对焊头尖端是有害的。高速摄影的照片还显示，在焊接时段，二个 电极尖端反而没有电火花，说明此时电流是转向流入焊件，而流经二个电极 尖端的电流成为偏置电流。
2、烧除绝缘漆所需要的脉冲时间和焊接所需要的脉冲时间大致相等。 根据上述实验分析研究的结果，本实用新型焊机包括主电源、焊头和机 头，其中主电源为焊机的主要部分，主电源包括一个阻焊变压器和电源控制 装置，阻焊变压器上有输出和输出电缆，而电源控制装置则调控阻焊变压器 的输出，所以在焊接领域， 一般说焊机就是说主电源，而焊头和机头则为焊 机的配套设施，其中焊头也称电极，需和阻焊变压器的输出连接方可进行焊 接工作，而机头即是为其提供连接和提供焊接力的部分。在本实用新型中的 焊头，可使用点电焊焊头(专利号01114808.X)或电阻焊焊头(专利号 2005121259.2)，如果不是焊接漆包线，也可使用一对平行电极或上下电极， 而机头即可选用点电焊机机头(专利号01114856.X)。
焊机主电源是本实用新型的主要内容。主电源一般选用功率因素高，响 应速度快，加热集中，焊接时间短的电容储能式焊机，也可以选用逆变电源 焊机，以电容储能式焊机为例，电容储能式焊机一般都是以一个个方波的脉 冲输出，并通过调节脉冲幅度(电压)来控制输出电流的大小，电容储能式 焊机每个输出脉冲的宽度(时间)很短， 一般只有几毫秒到十几毫秒，本实 用新型通过电源控制装置，把这么短的脉沖再划分为二部分，分别为脉冲输 出的前半部分和脉沖输出后半部分，由于二部分的幅度不相等，形状类似阶 梯，所以可称之为阶梯波，脉沖输出的前半部分为第一阶梯，脉沖输出的后半部分为第二阶梯，如说明书附图所示阶梯波原组成包括脉沖上升角度e,
第一阶梯V卜第二阶梯V2和脉冲输出时间T。脉沖输出开始，脉冲电压以一
定的角度e上升，该ze是可调的，当上升至一定高度并在该高度维持，该 高度和维持时间组成第一阶梯v,, v!的高度为设定值的一定百分比，且该百
分比可调，调节范围一般可选用50%至100%，而维持的时间约为设定脉沖 输出时间的一半。第一阶梯为烧除绝缘漆提供合适的电流；随之电压继续上
升至设定电压的高度，并在该高度维持至脉沖时间结束，该时段称之为第二 阶梯V2，第二阶梯V2为焊接提供合适的电流。由于ze是可变的，当ze确 定，电压上升至第一阶梯的时间也可确定，所以在设置脉冲时间时可不另外 增加电压上升至第 一阶梯的时间。
具体的，所述的电源控制装置包括用于提供脉冲输出的控制电路、用于 提供信号给所述控制电路以调节脉冲输出的至少一个功能键、和与控制电路 电性连接供输出信息的显示装置。
本实用新型精密电阻焊点焊机在脉冲输出的设定中，不但有脉冲输出幅 度和宽度的设定键，也即电源控制装置的功能键之一，还把一个脉沖输出划
分为第一阶梯Vi和第二阶梯V2组成阶梯波。由于被焊接漆包线有线径大小
不同，有绝缘漆材料的不同，还有绝缘漆厚薄的不同等等，所以本实用新型 把第一阶梯幅度设置为灵活可调，在所述功能键中，还设有对第一阶梯v!的
幅度可调的按键，调节的范围为设定脉沖幅度值的50%至100%。同时，对脉
冲上升角度e也设置为灵活可调，在焊机的其它功能键中，还设有对脉沖上
升角度e可调的按键，调节的范围为45。至90°。以满足对焊接不同漆包线和
工件的需要。
下面结合实施例对本实用新型阶梯波的形成做进一步的说明。以调节脉沖输出幅度(电压)来控制电流输出的电容储能式焊机为例，图1 为输出脉冲幅度和宽度构成阶梯波的坐标图，纵坐标V为输出脉冲幅度(电
压，单位V)，横坐标T为输出脉沖宽度(时间，单位ms)。阶梯波的结构由脉 沖上升角度Ze、第一阶梯V。第二P介梯V2和焊接时间T构成。脉沖输出的
起始，脉冲幅度v以一定的角度e上升，其中ze大于或等于45。，小于或等
于90°(45°^^90。)。当脉冲幅度上升至设定值的一定百分比，在该幅度维持， 维持的时间约为脉宽设定值的一半，该时段称之为第一阶梯Vl5随之幅度再 上升至设定值并在该幅度维持至脉沖输出结束。该时段称之为第二阶梯V2。 说明书附图l中，Ze=75°，设定的脉冲幅度为l.Ov，焊接时间为8ms,当要 求第一阶梯为设定幅度的75%(3/4)，那么输出脉沖幅度以75。上升至0.75v， 并在0.75v维持4ms构成了第一阶梯VP然后脉沖幅度再上升至l.Ov维持 4ms,构成了第二阶梯V2。
由于ze是可变的，在确定了ze的值后，脉冲幅度上升至设定值的第一 个阶梯的时间就确定，故在设置脉冲宽度时不需要另外增加该ze上升的时间。
本设置阶梯波是在同一脉冲输出完成，第一个阶梯是用以烧除漆包线上 的绝缘漆，第二个阶梯用以焊接。它和有些文献介绍把焊接划分为几个波形， 如有预热脉沖、焊接脉冲、维持脉冲是完全不同的概念。预热脉沖、焊接脉 冲、维持脉冲这几个脉沖是各自独立的输出，预热脉冲和焊接脉冲之间，或 者是焊接脉沖和维持脉沖之间都有一定的间歇时间，而本设置阶梯波第一个 阶梯与第二个阶梯完全是连续的，二个阶梯之间没有间歇。
本实用新型阶梯波的脉冲输出电阻焊点焊机，不但可以应用在焊接漆包 线，对于微细工件的精密焊接，如印刷电路板的修补、太阳能电池的连接、 医疗、国防、航天航空上各种仪器仪表的焊接，以阶梯波的第一阶梯作预热，对于减少飞溅，提高焊接质量，都比采用传统的与焊接脉冲有间歇的预热脉 冲效果更好，这与被焊工件太细小，在间歇期热量很容易散失有关。同时， 由于电容储能式焊机放电时间短，瞬时电流峰值高，本实用新型阶梯波的脉 沖上升角度可以有效扼制瞬时大电流对工件的冲击，减少电极与工件的粘连， 提高电极的使用寿命。当然，焊接这些非漆包线的微细工件，就应使用平行 电极或上下电极。
下面再进一步结合专利01114785.7焊机的电路，说明如何在电路上获得 设置的阶梯波。
图2是专利01114785.7焊机的电路原理图，由图2可知，只要在A点施 加一个幅度适当、形状任意的电压波型，经过放大与^J贵电路的共同作用， 就能在脉沖变压器的输出端得到一个幅度成比例而形状相同的电压波形。
因此若要焊机输出如图1的电压波形，就要在A点产生一个幅度成比例 而形状与图一相同的电压波形。要产生如图1所示的电压波形的方法有多种， 在电路结构上可采用模拟电路或数字电路作为电源控制装置的控制电路，或 者模拟电路和数字电路相结合。图3为通过数字电路DAC实现在焊机输出端 得到如图1的阶梯波型的电路图；图4为釆用恒流源对电容充电及电位切换 实现在焊机输出端得到如图1的阶梯波型的电路图。
下面分别说明两电路的工作过程。
图3中采用C8051F020单片机，它是一个集成的混合信号片上系统 (SOC)，其运行速度高达25MPIS，具有多种功能模块。其片内具有两个12 位数模转换器DAC0和DAC1,转换速度可高达lMHz。完全可以满足本焊 机的应用要求，完成整部焊机的控制工作，输出精确而平滑的电压波形。电 路中，DACO用于输出如图5所示的电压波形，波形的形状由程序运算产生， 电压波形信号经过一个电压跟随器(U7324-B)，再经电容C32进行平滑滤波，加到A点上；DAC1则根据输入的设定电压值，经过程序运算输出相应的电 压值Ua到充电电路，调节储能电容C30的电压，以保证C30有足够的能量 输出，形成符合要求的完整的输出波形。
在空闲时，单片机不断读取电压拨盘和时间拨盘的数据。根据时间拨盘 设定的数值，设定定时器来控制输出脉沖的宽度t;根据电压拨盘设定的数值 设定DAC1的输出电压Ua,从而调节储能电容C30的电压，同时还计算出 DACO的一组输出数据，使它输出形状如图1的电压波形。该组数据与用户 所设定电压值相对应，并随着设定值的改变而改变。DACO输出数据组根据 式(l)、式(2)进行运算
<formula>formula see original document page 12</formula>
式(l)中Dn表示DACO要输出的第n个数才莫转换^:据，Uo表示DAC0输 出的满幅电压值，212表示满幅输出时的数据。式(2)中e是电压上升角度，T 是DACO更新周期，e和T都由程序进行设定，可方便地调节。它们的关系 如图6所示。
在空闲时，DACO输出电压为OV,当满足触发条件时，在单片才几62脚 产生负跳变，发生中断，单片机即从OV开始到Ul、 U2、 U3每隔一个周期 T输出一个数值，在DAC0输出引脚(100脚)形成緩升的^多电压，经过电压 跟随器和电容C32滤波加到A点上；当斜波电压值达到Y时，DACO就保 持当前电压值不变，并启动定时器开始计时；当计时达到5^， DACO 1#出 第n+l个转换数《直，使输出电压达到U,并保持当前电压值5时间不变，当 时间到达第二个5时刻，DACO输出立即变为0V，结束一个输出过程。这样 在A点上就形成了一个宽度为t，形状如图5的电压波形；同时也达到目的在输出端也得到了一个幅度与设定值一致，形状如图5的电压波形。
由此可知，只要DACO的更新周期T足够小(如IO微秒)，则在整个输出 过程中，电压波形的上升过程可以认为是平滑的。并且波形的形状包括上升 角度，第一阶梯的幅度比例、宽度比例和脉沖的宽度t完全由程序决定，所 以就很容易实现Ze在《90度内可调和实现第一阶梯波在< 100%设定值u可 调。
图4采用恒流源对电容充电形成斜波，用电位切换形成阶梯波，结合程 序控制即可产生如图1所示的电压波形。其中斜波的上升斜率由R108和C12 共同决定，而阶梯波的幅度比例由R95和R107决定，宽度比例和脉沖宽度t 由程序控制。图中Q7、 Q8、 Q9、 R108构成典型晶体管镇Z象恒定电流源(筒 称恒流源)，C12为恒流源的负^。 。 t
电答两端电压为<formula>formula see original document page 13</formula>,在此这里
<formula>formula see original document page 13</formula>为恒定电流I,故 <formula>formula see original document page 13</formula>。，假定to时刻W户Ov，
则仏(0 = 11，由此可见，C12两端电压""O与时间t成线性比例关系，当I大 于0时，""O随着时间t的增大而增大，形成一个上升的斜波，其斜率为 k = tg^ = I，故改变i的大小即可改变""0的上升^^率，即改变波形中的上
升角度e。所以用恒定电流i对电容充电时，^w^t关系曲线如图7所示。
其波形产生过程说明如下
在空闲时，单片机随时等待触发信号，CON1=0， Q4截止，CON3=l， Q5截止，CON2=0, Q6导通，把C12电压Uc拉到零，故Ub为O。故U7-C 构成的电压跟随器输出也为0V。充电电路根据设定电压值Ua调整储能电容 C30的电压，以保证C30有足够的能量输出，形成符合要求的完整的输出波形。
在满足触发条件时，单片机12脚发生负跳变，引起中断，立即开始输出焊接波形。在单片机控制下，CON2=l ， Q6截止，CON3=l, Q5截止，CONl=l ， 电压比较器U7-B反相输入端电压为Ub=0,同相端为 A大于0V,比较器 输出高电压，所以Q4导通恒流源电路开始工作，以恒定电源I对C12充电， C12两端电压由零开始线性增长，A点电压等于Ub等于C12两端电压，也 线性增长，形成一斜率为I的上升电压波形。
当Ub上升到3U^时，C0N1=1, CON2=l, C0N3二1保持不变。电压比 较器U7-B两端电压相等，比较器输出变为低电位，故Ud也为低电位，Q4 截止，直流源停止工作，C12两端电压停止上升；与此同时因为Ud由高变 低，在单片机13脚立即产生中断，单片机开始计时，并不断与时间设定值的 ^进行比较。此时电压比较器U7-B的作用是使Ub与Ue(即3U^)保持一致，
在A点就形成幅度为的电压波开
当单片机比较判断计时到达设定的^时，311%在A点已经保持了 %时 长，CONl=l, CON2-l保持不变，立即设定CON3-0， Q5饱和导通，电压 值Ua立即加到Ub， A点电压从3U^跳变为Ua。与此同时单片机继续计时， 并不断与时间设定值的t进行比较。
当单片机比较判断计时到达设定的t时，Ua在A点已经保持了 ^时长， 单片机立即设定CON卜0， CON2=0， CON3=l， Q4、 Q5截止，Q6导通，把 输出电压Ub立即拉到零，A点的电压也立刻变为0。
于是在A点就形成了一个阶梯电压波形，前面的波形幅度为 /4宽度为 ^，后面的波形幅度为Ua宽度为^。 一个完整的脉沖输出过程结束，焊机 转入空闲状态，等待下一个触发的到来。
根据本实施例的电路图，本阶梯波的产生是在图2，电路原理图的A点 施加另外一个电压波形而得到的。因此就可以在A点安装一个切换开关，这 样本实用新型点焊机就可以按使用要求，分别使用原先的方波或本实用新型的阶梯波。
电源控制装置为直接焊接漆包线提供阶梯波的脉冲输出，是以本实用新 型提出直接焊接漆包线的焊接原理为依据而设定的，阶梯波的脉冲输出减少 了烧除绝缘漆时段过大的电流对二个电极尖端的冲击，而焊接时段的电流大 量转而流入焊件，所以焊接时段的电流电压不会对二个电极尖端产生太大的 影响。本实用新型提出的以阶梯波脉冲输出，大大地延长了直接焊接漆包线
焊头的使用寿命。以应用01004785.7焊机作实验，同样使用ZL01114708.8 专利焊头或专利号为200512159.2的电阻焊焊头，焊4姿相同的漆包线和工件，
焊接的焊点数以十倍数增加，视焊接漆包线线径的不同，可达数万焊点以上， 大大延长了焊头的使用寿命。
当然，本实用新型无法穷举所有实现输出阶梯波的电路，但是，本领域 内普通技术人员所做出的一切用于产生阶梯波的电路改进，均可依据本实用 新型公开的内容简单变换得出，因此，此种改进应视为不脱离本实用新型的 精神。
权利要求1、一种精密电阻焊点焊机，其包括主电源、焊头和机头，其特征在于主电源包括阻焊变压器和电源控制装置，主电源通过电源控制装置为焊接提供阶梯波状脉冲输出，机头在焊接时把阻焊变压器的输出端和焊头连接。
2、 根据权利要求1所述的精密电阻焊点焊机，其特征在于所述的电源 控制装置包括用于提供脉冲输出的控制电路、用于提供信号给所述控制电路 以调节脉冲输出的至少一个功能键、和与控制电路电性连接供输出信息的显 示装置。
3、 根据权利要求2所述的精密电阻焊点焊机，其特征在于所述电源控 制装置所提供的阶梯波由ze、第一阶梯(V。、第二阶梯(V2)和焊接时间(T)组成，其中，脉冲输出以一定的角度(e)上升至第一阶梯，维持一段 特定时间后继续上升至第二阶梯，并在第二阶梯维持至输出结束。
4、 根据权利要求3所述的精密电阻焊点焊机，其特征在于所述第二阶 梯的电压值为设定值，第一阶梯的电压值为设定值的50%至100%之间，第一 阶梯的维持时间约为设定焊接时间的 一半。
5、 根据权利要求4所述的精密电阻焊点焊机，其特征在于电源控制装 置中至少有一个功能键用于调节第 一阶梯幅度。
6、 4艮据权利要求3所述的精密电阻焊点焊机，其特征在于所述输出脉 沖上升的角度e值可调，调节范围为45^^90。。
7、 根据权利要求6所述的精密电阻焊点焊机，其特征在于电源控制装 置中至少有一个功能键用于调节输出脉冲上升角度。
8、 根据权利要求1所述的精密电阻焊点焊机，其特征在于所述电源控 制装置上安装有方波和阶梯波的切换开关。
9、 根据权利要求l所述的精密电阻焊点焊机，其特征在于所述的焊机 为电容储能式焊机或逆变电源焊机。
10、 根据权利要求1所述的精密电阻焊点焊机，其特征在于所述点焊 才;u^几头为带压力显示的点焊枳4几头。
11、 根据权利要求1所述的精密电阻焊点焊机，其特征在于所述点焊 机的焊头为点焊焊头或电阻焊焊头或一对平行电极或一对上下电极。
12、 根据权利要求1所述的精密电阻焊点焊机，其特征在于所述电源 控制装置控制电路所提供的阶梯波的脉沖输出可通过数字电路DAC实现，或 采用恒流源对电容充电及电位切换实现。
专利摘要本实用新型涉及一种精密电阻焊点焊机，主要应用于各种带小线圈电子元器件制作中的漆包线引出接点的焊接和微小工件的焊接。其包括主电源、焊头和机头。主电源包括阻焊变压器和电源控制装置，主电源通过电源控制装置提供阶梯波的脉冲输出为焊接输出合适的电流，机头把通过阻焊变压器的输出和焊头连接并提供焊接力。本实用新型阶梯波输出的电阻焊点焊机，减少了烧除漆包线的绝缘漆时过大的电流对焊头的损伤，延长了焊头的使用寿命。
文档编号B23K11/24GK201220323SQ20082000663
公开日2009年4月15日 申请日期2008年2月14日 优先权日2007年2月14日
发明者杨仕桐 申请人:杨仕桐