高精密多轴联动三维微焊接机器人的制作方法

本发明涉及机器人技术领域，尤其是一种焊接机器人，具体涉及一种高精密多轴联动三维微焊接机器人。

背景技术：

低成本竞争的加剧，环境法规的日趋严格，以及从业人员生产技能的降低，致使制造商承受着越来越大的压力。此外，制造商还面临提高生产力、产品质量及安全水平的挑战。在这种形式下，采取可持续的制造解决方案是一条成本效益显著的途径，可实现经济效益、环境效益乃至工厂总体绩效的全面改善。由于工业自动化的全面发展和科学技术的不断提高，对工作效率的提高迫在眉睫。单纯的手工劳作已满足不了工业自动化的要求，因此，必须利用先进设备生产自动化机械以取代人的劳动，满足工业自动化的需求。其中工业机器人是其发展过程中的重要产物之一，它不仅提高了劳动生产的效率，还能代替人类完成高强度、危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，可以说是一举两得。

传统的焊锡作业均由手工操作完成，工作效率低。现在市面上已有一些能够替代手工焊锡的焊锡机器人，但这类焊锡机器人还存在以下不足之处：

1、焊接质量有待提高；

2、点胶、焊接的速度和精度都不够；

3、不能适应不同规格的元器件PIN脚的焊接以及不同角度的复杂焊接环境，适应性不强；

4、不能够完全实现自动化操作，需要人工作业，生产效率有待提高；

5、焊接合格率不高。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种可以全面取代显微镜下的人工焊接工艺，适合于各种不同角度的高精密电子元件引脚与焊盘的焊接，包括高精密OIS手机镜头的焊接，具有焊接质量高、焊接速度快、焊接精度高、焊接效率高等特点的高精密多轴联动三维微焊接机器人。

为了解决背景技术所存在的问题，本发明是采用以下技术方案：一种高精密多轴联动三维微焊接机器人，整机采用标准台式机器人结构，支架上设置有高精密机器视觉定位系统、高性能石墨材料超导焊接系统、高精密超微点胶系统，工作台面上安装有三维立体旋转台，高精密直驱传动系统、中央控制系统相互连接并设置在机器人内部，连接至操作面板。

作为本发明的进一步改进；所述的三维立体旋转平台包含工作台面、W轴伺服电机、三维旋转台、Y轴伺服电机、U轴伺服电机，工作台面固定在三维旋转台的上端，且三维旋转台的U轴方向安装有U轴伺服电机；三维旋转台的Y轴方向安装有Y轴伺服电机；三维旋转台的W轴方向安装有W轴伺服电机；所述的U轴伺服电机、Y轴伺服电机、W轴伺服电机分别通过伺服控制器与焊锡机器人的中央控制系统连接；所述的U轴伺服电机的初始旋转角度为45°。

作为本发明的进一步改进；所述的高精密机器视觉定位系统包含监视系统、图像处理系统、高精度工业相机、高精密工业镜头、LED光源，高精密工业镜头连接在高精度工业相机的下端，且高精密工业镜头的端部设置有LED光源；高精度工业相机与图像处理系统连接，图像处理系统与监视系统连接。所述的高精密工业镜头和高精度工业相机通过锁定旋钮连接在一起。

作为本发明的进一步改进；所述的高性能石墨材料超导焊接系统包含温控系统、石墨材料超导焊接头、精密焊齿，石墨材料超导焊接头连接高精密直驱传动系统，且石墨材料超导焊接头连接温控系统，所述的石墨材料超导焊接头采用性能优异的超导石墨材料制成，根据待焊接元器件PIN脚的结构，加工成与之相对应的精密焊齿。

作为本发明的进一步改进；所述的高精密超微点胶系统包含气动机构、点锡膏针头，点锡膏针头与气动机构连接，气动机构与高精密直驱传动系统连接，所述的点锡膏针头为高强度不锈钢合金材料制作成单PIN脚或多PIN脚集成型点胶头。点锡膏针头的作用是将焊锡膏精准地输送到待焊接工件（元器件PIN脚与PCB板或软基板焊盘）上，单针针头可以对元器件PIN脚进行逐个点锡膏，工作精度更高；多针针头可以对元器件所有PIN脚进行一次性点锡膏，工作效率更高。所述的气动机构的主要部件为气缸。

作为本发明的进一步改进；所述的高精密机器视觉定位系统用于对工件（元器件PIN脚与PCB板或软基板的焊盘）的精准定位与追踪，整个系统可以通过独立的高精密直驱传动系统，进行水平X轴左右方向的运动和垂直Z轴上下方向的运动，通过高清摄像头对工件进行光学照相，经过系统软件的运算与对位，对工件（元器件PIN脚与PCB板或软基板焊盘）进行精准定位，并自动进行持续的追踪与调准，确保在连续加工的过程中，工件（元器件PIN脚与PCB板或软基板焊盘）与高性能石墨材料超导焊接系统、高精密超微点胶系统始终处于最佳的接触平面，确保点锡膏与焊接的精度始终保持在最佳状态。

作为本发明的进一步改进；所述的高性能石墨材料超导焊接系统用于元器件PIN脚与PCB板或软基板焊盘的焊接，整个系统可以通过独立的高精密直驱传动系统，进行水平X轴左右方向的运动和垂直Z轴上下方向的运动，在高精密机器视觉定位系统的配合下，对元器件PIN脚和PCB板或软基板焊盘进行精密焊接。

作为本发明的进一步改进；所述的高精密超微点胶系统用于点锡膏，将焊锡膏点在元器件PIN脚和PCB板或软基板的焊盘上，整个系统可以通过独立的高精密直驱传动系统，进行水平X轴左右方向的运动和垂直Z轴上下方向的运动，在高精密机器视觉定位系统的配合下，对元器件PIN脚和PCB板或软基板焊盘进行精密点锡膏。

作为本发明的进一步改进；所述的三维立体旋转台用于安装加工工件，整个平台可以通过独立的高精密直驱传动系统，进行水平Y轴前后方向的运动。为了能适应不同角度的元器件PIN脚与PCB板或软基板焊盘之间的精密焊接（例如OIS手机镜头的PIN脚与PCB板或软基板焊盘的夹角为90度，不同品种的大规模集成芯片的PIN脚与PCB板或软基板焊盘的夹角为0度、90度或180度，还有一些元器件PIN脚与PCB板或软基板焊盘之间存在着其他不同的角度），整个平台还可以通过独立的高精密直驱传动系统，进行水平W轴方向的360度旋转运动和垂直U轴方向的360度旋转运动，使得元器件PIN脚与PCB板或软基板焊盘（焊接点）与高性能石墨材料超导焊接系统、高精密超微点胶系统始终处于最佳的接触平面，极大地提高了点胶、焊接的速度与精度。

作为本发明的进一步改进；所述的高精密直驱传动系统采用伺服直驱传动结构，由伺服控制器和伺服电机组成，对高精密超微点胶系统、高性能石墨材料超导焊接系统、高精密机器视觉定位系统、三维旋转平台进行完全独立的精密伺服直接驱动，减少中间传动环节，提高各个系统及整机的运动精度。通过中央控制系统控制伺服控制器，伺服控制器控制伺服电机，伺服电机带动X、Y、Z、U、W五轴的运行，使高性能石墨材料超导焊接系统、高精密超微点胶系统、高精密机器视觉定位系统、三维立体旋转台等设备协调运行，协作完成工件焊接的整个过程。高精密直驱传动系统能精确地跟随或复现某个过程的反馈控制，使被控制物件的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化，使驱动装置输出速度和位置控制非常灵活方便。

作为本发明的进一步改进；所述的所述的中央控制系统采用PLC控制，独立设计人性化的作业界面，对整机及各个分系统进行统一的协调和管理，通过对X轴、Y轴、Z轴、U轴、W轴的联动控制和其他系统整合控制，实现全自动智能化控制目的。

采用上述技术方案后，本发明具有以下有益效果：

1、采用高性能石墨材料超导焊接系统，焊接质量更可靠；

2、采用高精密超微点胶系统，点胶速度更快、精度更高；

3、采用三维立体旋转台，可以轻松适应各种不同规格的元器件PIN脚焊接及其不同角度的复杂焊接环境，焊接适用性更强；

4、采用高精密机器视觉定位系统，焊接精度更高；

5、采用高精密直驱传动系统，焊接速度更快；

6、采用全智能中央控制系统，无需人工作业，生产效率更高；

7、可长时间连续24小时不间断作业，完全取代人工；

8、一次性焊接合格率达到95%以上，远高于同类设备及人工作业水平。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的实施例的总体结构示意图；

图2为图1的局部放大结构示意图；

图3为本发明所提供的实施例中三维立体旋转平台的结构示意图；

图4为本发明所提供的实施例中高精度机器视觉定位系统的结构示意图；

图5为本发明所提供的实施例中高精度机器视觉定位系统工件平面定位拍照示意图；

图6为本发明所提供的实施例中高精度机器视觉定位系统工件斜面定位拍照示意图；

图7为本发明所提供的实施例中高精密直驱传动系统的结构示意图；

图8为本发明所提供的实施例的中央控制系统控制流程图；

图9为本发明所提供的实施例中高性能石墨材料超导焊接系统的结构示意图；

图10a为本发明所提供的实施例中高精密超微点胶系统的点锡膏针头为单针的结构示意图；

图10b为本发明所提供的实施例中高精密超微点胶系统的点锡膏针头为多针的结构示意图；

附图标记：

1—主机；

2—三维立体旋转平台；21—工作台面；22—W轴伺服电机；23—三维旋转台；24—Y轴伺服电机；25—U轴伺服电机；

3—中央控制系统；

4—高精密直驱传动系统；

5—高精度机器视觉定位系统；51—监视系统；52—图像处理系统；53—高精度工业相机；54—高精密工业镜头；55—LED光源；

6—高性能石墨材料超导焊接系统；61—温控系统；62—石墨材料超导焊接头；63—精密焊齿；

7—高精密超微点胶系统；71—气动机构；72—点锡膏针头。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1-图2，本具体实施方式采用以下技术方案：一种高精密多轴联动三维微焊接机器人，它包含主机1、三维立体旋转平台2、中央控制系统3、高精密直驱传动系统4、高精度机器视觉定位系统5、高性能石墨材料超导焊接系统6、高精密超微点胶系统7，主机1的支架上设置有高精密机器视觉定位系统5、高性能石墨材料超导焊接系统6、高精密超微点胶系统7，主机1的工作台面上安装有三维立体旋转台2，高精密直驱传动系统4、中央控制系统3相互连接并设置在主机1内部，连接至主机1的操作面板。

请参阅图3，所述的三维立体旋转平台2包含工作台面21、W轴伺服电机22、三维旋转台23、Y轴伺服电机24、U轴伺服电机25，工作台面21固定在三维旋转台23的上端，且三维旋转台23的U轴方向安装有U轴伺服电机25；三维旋转台23的Y轴方向安装有Y轴伺服电机24；三维旋转台23的W轴方向安装有W轴伺服电机22；所述的U轴伺服电机25、Y轴伺服电机24、W轴伺服电机22分别通过伺服控制器与焊锡机器人的中央控制系统3连接；所述的U轴伺服电机25的初始旋转角度为45°。

所述的三维立体旋转台2用于安装加工工件，整个平台可以通过独立的高精密直驱传动系统4，进行水平Y轴前后方向的运动。为了能适应不同角度的元器件PIN脚与PCB板或软基板焊盘之间的精密焊接（例如OIS手机镜头的PIN脚与PCB板或软基板焊盘的夹角为90度，不同品种的大规模集成芯片的PIN脚与PCB板或软基板焊盘的夹角为0度、90度或180度，还有一些元器件PIN脚与PCB板或软基板焊盘之间存在着其他不同的角度），整个平台还可以通过独立的伺服直驱传动机构，进行水平W轴方向的360度旋转运动和垂直U轴方向的360度旋转运动，使得元器件PIN脚与PCB板或软基板焊盘（焊接点）与高精密超微点胶系统7、高性能石墨材料超导焊接系统6始终处于最佳的接触平面，极大地提高了点胶、焊接的速度与精度。

请参阅图4，所述的高精密机器视觉定位系统5包含监视系统51、图像处理系统52、高精度工业相机53、高精密工业镜头54、LED光源55，高精密工业镜头54连接在高精度工业相机53的下端，且高精密工业镜头54的端部设置有LED光源55；高精度工业相机53与图像处理系统52连接，图像处理系统52与监视系统51连接。所述的高精密工业镜头54和高精度工业相机53通过锁定旋钮连接在一起。

所述的高精密机器视觉定位系统5用于对工件（元器件PIN脚与PCB板或软基板的焊盘）的精准定位与追踪，整个系统可以通过独立的伺服直驱传动机构以及气动机构，进行水平X轴左右方向的运动和垂直Z轴上下方向的运动，通过高清摄像头对工件进行光学照相，经过系统软件的运算与对位，对工件（元器件PIN脚与PCB板或软基板焊盘）进行精准定位，并自动进行持续的追踪与调准，确保在连续加工的过程中，工件（元器件PIN脚与PCB板或软基板焊盘）与高精密超微点胶系统7、高性能石墨材料超导焊接系统6始终处于最佳的接触平面，确保点锡膏与焊接的精度始终保持在最佳状态。

请参阅图9，所述的高性能石墨材料超导焊接系统6包含温控系统61、石墨材料超导焊接头62、精密焊齿63，石墨材料超导焊接头62连接高精密直驱传动系统4，且石墨材料超导焊接头62连接温控系统61，所述的石墨材料超导焊接头62采用性能优异的超导石墨材料制成，根据待焊接元器件PIN脚的结构，加工成与之相对应的精密焊齿63。

所述的高性能石墨材料超导焊接系统6用于元器件PIN脚与PCB板或软基板焊盘的焊接，整个系统可以通过独立的高精密直驱传动系统，进行水平X轴左右方向的运动和垂直Z轴上下方向的运动，在高精密机器视觉定位系统5的配合下，对元器件PIN脚和PCB板或软基板焊盘进行精密焊接。

请参阅图10a和图10b，所述的高精密超微点胶系统7包含气动机构71、点锡膏针头72，点锡膏针头72与气动机构71连接，气动机构71与高精密直驱传动系统4连接，所述的点锡膏针头72为高强度不锈钢合金材料制作成单PIN脚（如图10a所示）或多PIN脚（如图10b所示）集成型点胶头。点锡膏针头72的作用是将焊锡膏精准地输送到待焊接工件（元器件PIN脚与PCB板或软基板焊盘）上，单针针头可以对元器件PIN脚进行逐个点锡膏，工作精度更高；多针针头可以对元器件所有PIN脚进行一次性点锡膏，工作效率更高。所述的气动机构71的主要部件为气缸。

所述的高精密超微点胶系统7用于点锡膏，将焊锡膏点在元器件PIN脚和PCB板或软基板的焊盘上，整个系统可以通过独立的伺服直驱传动机构以及气动传动机构，进行水平X轴左右方向的运动和垂直Z轴上下方向的运动，在高精密机器视觉定位系统5的配合下，对元器件PIN脚和PCB板或软基板焊盘进行精密点锡膏。

请参阅图7，所述的高精密直驱传动系统4采用伺服直驱传动结构，由伺服控制器和伺服电机组成，对高精密超微点胶系统7、高性能石墨材料超导焊接系统6、高精密机器视觉定位系统5、三维旋转平台2进行完全独立的精密伺服直接驱动，减少中间传动环节，提高各个系统及整机的运动精度。通过中央控制系统控制伺服控制器，伺服控制器控制伺服电机，伺服电机带动X、Y、Z、U、W五轴的运行，使高性能石墨材料超导焊接系统6、高精密超微点胶系统7、高精密机器视觉定位系统5、三维立体旋转台2等设备协调运行，协作完成工件焊接的整个过程。

高精密直驱传动系统4能精确地跟随或复现某个过程的反馈控制，使被控制物件的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化，使驱动装置输出速度和位置控制非常灵活方便。

所述的中央控制系统3采用PLC控制，独立设计人性化的作业界面，对整机及各个分系统进行统一的协调和管理，通过对X轴、Y轴、Z轴、U轴、W轴的联动控制和其他系统整合控制，实现全自动智能化控制目的。

整机选用优质精钢及高强度铝合金材料，品质优良，防腐防锈，坚固耐用。

请参阅图8，本具体实施方式的工作流程为：

步骤一、将待焊接的工件安装在三维立体旋转平台2的工件安装板上，连接好自动上料及自动下料装置，做好焊接前的准备工作。

步骤二、对机器进行初始参数设置，例如工件尺寸、坐标、间距、数量、位置参数、温度参数、气压参数、角度参数、焊接速度等。

步骤三、设置完毕，按下自动启动按钮，机器开始自动运行，三维立体旋转台开始动作，U、W轴旋转，将待焊接工件输送并微调到参数设置的指定位置。

步骤四、高精度机器视觉定位系统5开始工作，在三维立体旋转台2控制系统的配合下，对待焊接工件（元器件PIN脚与PCB板或软基板焊盘）进行定位拍照：

工件平面定位拍照：高精密机器视觉定位系统5的X轴、三维旋转平台2的Y轴先运行到平面定位拍照的预设位置，然后高精密机器视觉定位系统5的Z轴再运行到平面定位拍照的预设位置，开始对工件（元器件PIN脚与PCB板或软基板焊盘）进行平面定位拍照。根据高精密机器视觉定位系统5测算出来的偏差值，三维立体旋转平台2的W轴转动，对旋转台上工件水平位置进行精准微调，完成平面定位拍照，如图5所示。

工件斜面定位拍照：首先三维立体旋转平台2的U轴旋转运行，使三维立体旋转平台2翻转到预设的角度（预设角度为45°），然后高精密机器视觉定位系统5的X轴、三维立体旋转平台2的Y轴运行到斜面定位拍照的预设位置，最后高精密机器视觉定位系统5的Z轴再运行到斜面定位拍照的预设位置，开始对工件进行斜面定位拍照，根据高精密机器视觉定位系统5测算出来的偏差值，高精密机器视觉定位系统5的X轴、三维立体旋转平台2的Y轴运行，对三维立体旋转平台2上工件垂直角度位置及水平位置进行精准微调，完成斜面定位拍照，如图6所示。

步骤五、定位拍照完毕，高精密超微点胶系统7开始工作，高精密超微点胶系统7的X轴、三维立体旋转平台2的Y轴运行到点锡膏的预设位置，打开气缸或电缸将点锡针头输送到待焊接工件（元器件PIN脚与PCB板或软基板焊盘）指定位置，然后高精密超微点胶系统7的Z轴平滑运行至点锡预设位置，开始点锡膏。点锡膏结束后，关闭气缸或电缸，高精密超微点胶系统7的Z轴运行至指定等待位置。

步骤六、点锡膏完毕，高性能石墨材料超导焊接系统6开始工作，高性能石墨材料超导焊接系统6的X轴、三维立体旋转平台2的Y轴运行到焊接的指定位置，高性能石墨材料超导焊接系统6的Z轴平滑运行至预设焊接位置，开始焊接。焊接结束，高性能石墨材料超导焊接系统6的Z轴运行至指定等待位置。

步骤七、一个元器件（元器件PIN脚与PCB板或软基板焊盘）焊接完毕，继续焊接下一个元器件（元器件PIN脚与PCB板或软基板焊盘），运行过程重复步骤四到步骤六的动作，直至一个工件上的全部元器件焊接结束。所有系统的Z轴、X轴运行至原点，三维立体旋转平台2的Y轴也运行至原点，启动自动下料和上料系统，机器自动下料，并重新自动上料，继续完成下一个工件的焊接。

本具体实施方式集成了高性能石墨材料超导焊接系统技术、高精密超微点胶系统技术、三维立体旋转台技术、高精密机器视觉定位系统技术、高精密直驱传动系统技术等多种前沿科技，可以全面取代显微镜下的人工焊接工艺，适合于各种不同角度的高精密电子元件引脚与焊盘的焊接，包括高精密OIS手机镜头的焊接，是一种真正意义上的三维立体高精密微焊接设备，具有焊接质量高、焊接速度快、焊接精度高、焊接效率高的特点，与其他焊接设备相比，具有非常明显的技术创新优势及成本优势。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下， 能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。