本發(fā)明涉及自動焊接領(lǐng)域，特涉及一種錫膏精密焊接的視覺識別閉環(huán)控制方法。

背景技術(shù)：

在使用激光作為熱源、錫膏作為釬料的軟釬焊領(lǐng)域，由于錫膏中含有助焊劑，而且激光可瞬間將錫膏加熱到較高溫度，焊點表面的錫膏會在激光的照射下流動并散開。如果錫膏流動到距離焊盤較遠(yuǎn)的位置，受錫的趨熱性作用距離限制，錫膏熔化后無法將這些距離較遠(yuǎn)的部分拉回焊盤，導(dǎo)致錫膏在工件上形成殘留或飛濺，影響焊接后的電氣性能。

當(dāng)焊點上的錫膏受熱熔化后，會在焊點上形成液態(tài)錫球，當(dāng)焊盤表面進一步受熱后，錫球才會在焊盤表面鋪開，形成良好焊接。但是受環(huán)境等因素的影響，在指定的時間內(nèi)，錫球不能百分之百鋪開，從而形成焊接不良。

專利《空焊aoi錫膏檢測方法》中提出檢測焊盤是否空焊的方法，無法判斷焊盤上的錫是否完全鋪開，更無法解決錫沒有完全鋪開的問題。

專利cn201110295769《改善焊盤外形限制錫膏擴散的結(jié)構(gòu)和方法》從印制電路板的設(shè)計結(jié)構(gòu)上控制了錫膏過錫爐時的擴散范圍，但是不適用于柔性電路板，也不適用于焊接過程中的錫膏范圍控制和飛濺、殘留的抑制，且無法對錫量多少進行判斷，更無法對焊接后錫在焊盤上的附著面積進行檢測和修正，因此其方法的有效性、先進性和適用性有限，該專利與本發(fā)明將要公開的方法在原理、結(jié)構(gòu)和適用范圍上差異明顯。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種錫膏精密焊接的視覺識別閉環(huán)控制方法。本發(fā)明的方法采用機器視覺檢測焊盤和錫膏的垂直投影面積為基礎(chǔ)，通過控制激光模塊的激發(fā)電流大小和時間，實現(xiàn)整個錫膏配激光焊接過程中對錫膏覆蓋面積的精確控制，達(dá)到無飛濺、無殘留的焊接效果，并分別處理無錫或者少錫、焊點未焊透等問題，保證良好的焊接品質(zhì)。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種錫膏精密焊接的視覺識別閉環(huán)控制方法,包括預(yù)熱階段、熔化階段和冷卻階段，其特征在于：

所述的預(yù)熱階段的加工過程為：在焊接開始時刻t0發(fā)射激光，直到t0+δt1時錫膏擴散至s1的邊界處；

所述的熔化階段的加工過程為：在δt2時間段內(nèi)激光電流迅速增加，使小錫珠逐步熔化并集中在一起形成液態(tài)錫球；然后設(shè)置圖像處理參數(shù)提取焊盤上的錫的實時垂直投影面積s4，設(shè)置焊接完成后錫在焊盤上的最小覆蓋面積s5，使用pid算法控制激光電流，激光繼續(xù)加熱焊盤，直到時間點t0+δt1+δt2+δt2’，錫在焊盤上鋪開面積大于等于最小覆蓋面積s5，熔化第二階段結(jié)束；

所述的冷卻階段的加工過程為：將激光電流保持在熔化階段電流的85％±5％范圍內(nèi)，使錫緩慢凝固；

其中第一限定區(qū)域s1取值范圍為105％至140％焊盤的垂直投影面積s0；最小覆蓋面積s5取值范圍為70％至100％焊盤的垂直投影面積s0。

根據(jù)如上所述的錫膏精密焊接的視覺識別閉環(huán)控制方法，其特征在于：所述的預(yù)熱階段的加工過程還包括以下步驟：設(shè)定焊接預(yù)熱階段時間為δt1，檢測焊盤上錫膏的初始面積s3，如果面積為零，控制點錫裝置12對該焊點加錫，重新開始焊接；如果錫膏的實時垂直投影面積s4在t0+δt1*50％時刻并沒有擴散至s3的120％，則控制點錫裝置12對該焊點加錫，在重新開始焊接；如果連續(xù)2次計算中，實時垂直投影面積s4無變化，則將預(yù)熱電流增加1安培，如此重復(fù)，使預(yù)熱階段的激光電流盡可能大，且錫膏不超出s2區(qū)域范圍，在t0+δt1時刻，預(yù)熱階段結(jié)束；其中第二限定區(qū)域s2取值范圍為130％至160％焊盤的垂直投影面積s0；初始投影面積s3取值范圍為60％至90％焊盤的垂直投影面積s0。

根據(jù)如上所述的錫膏精密焊接的視覺識別閉環(huán)控制方法，其特征在于：錫膏的垂直投影面積和焊盤的垂直投影面積采用機器視覺采集。

根據(jù)如上所述的錫膏精密焊接的視覺識別閉環(huán)控制方法，其特征在于：所述步驟一中采用pid算法控制激光電流，使激光照射后錫膏在第一限定區(qū)域s1內(nèi)迅速散開且無溢出；所述步驟二中采用pid算法控制激光電流，直到時間點t0+δt1+δt2+δt2’時，錫在焊盤上鋪開面積大于等于最小覆蓋面積s5；步驟一和步驟二采用的pid算法為：

式中，kp、ki和kd分別為pid算法的比例、積分和微分環(huán)節(jié)；e(t)為輸入、u(t)為輸出。

根據(jù)如上所述的錫膏精密焊接的視覺識別閉環(huán)控制方法，其特征在于：還包括在預(yù)熱階段前點錫裝置12在工件焊點16上均勻涂敷一層錫膏的步驟。

根據(jù)如上所述的錫膏精密焊接的視覺識別閉環(huán)控制方法，其特征在于：所述的第一限定區(qū)域s1為120％焊盤的垂直投影面積s0；第二限定區(qū)域s2為150％焊盤的垂直投影面積s0；初始投影面積s3為75％焊盤的垂直投影面積s0；最小覆蓋面積s5為90％焊盤的垂直投影面積s0。

本發(fā)明的有益效果是：1、使用控制算法控制錫膏受熱流動的范圍，保證錫膏不會流動到焊盤的有效焊接區(qū)域外，解決了錫膏殘留和飛濺問題。2、可判斷焊點上的錫量，當(dāng)無錫或者錫量偏少時，控制點錫裝置自動對焊點加錫。3、使用控制算法控制固態(tài)錫在焊盤上的展開面積，解決了錫在焊盤上沒有攤開的問題，避免虛焊，提高焊接品質(zhì)和良品率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明焊點區(qū)域的不同位置示意圖；

圖3為本發(fā)明工作過程示意圖。

附圖標(biāo)記說明：11為垂直升降載板、12為點錫裝置、13為水平運動載板、14為圖像采集裝置、15為激光聚焦裝置、16為工件焊點、17為控制器、21為第二限定區(qū)域s2，22為第一限定區(qū)域s1，23為焊點的垂直投影面積s0，24為錫膏的初始投影面積s3。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步說明。

本發(fā)明的方法與大多數(shù)焊接類似，在激光的作用下，錫膏焊接的過程可大致分為三個階段：預(yù)熱階段、熔化階段和冷卻階段。

在預(yù)熱階段，如果激光產(chǎn)生的預(yù)熱溫度過高，則錫膏中的微小錫珠在助焊劑的承載下迅速散開，導(dǎo)致焊接結(jié)果的錫膏殘留較多，影響焊接品質(zhì)。本專利采用機器視覺采集錫膏的垂直投影面積，根據(jù)該面積的擴散范圍修正實時的激光電流大小，確保錫膏不會流出焊盤外圍的指定區(qū)域。預(yù)熱階段準(zhǔn)備工作包括：設(shè)置圖像處理參數(shù)，提取焊盤的垂直投影面積s0；在焊盤周圍框選第一限定區(qū)域s1，使第一限定區(qū)域s1包容焊盤面積s0且略大于焊盤面積s0；在焊盤周圍框選第二限定區(qū)域s2，且第二限定區(qū)域s2必須在錫的趨熱性作用范圍內(nèi)，即在焊點焊接完成后，所有第二限定區(qū)域s2中的小錫珠都因趨熱性回歸到焊盤上，第二限定區(qū)域s2包容第一限定區(qū)域s1且略大于第一限定區(qū)域s1；以錫膏的垂直投影面積s3為輸入、激光電流i為輸出，設(shè)定合適的pid參數(shù)，使激光照射后錫膏在第一限定區(qū)域s1內(nèi)迅速散開且無溢出。設(shè)定焊接的預(yù)熱階段時間為δt1，預(yù)熱階段的加工過程為：檢測焊盤上錫膏的初始面積s3，如果面積為零，說明焊盤上沒有錫膏，可控制點錫系統(tǒng)對該焊點加錫；在焊接開始時刻t0發(fā)射激光，錫膏迅速散開，在pid算法的作用下，錫膏擴散至s1的邊界處，如果錫膏的實時垂直投影面積s4在t0+δt1*50％時刻并沒有擴散至s3的120％，說明焊盤上錫量偏少，可控制點錫系統(tǒng)對該焊點加錫；逐步增加預(yù)熱電流，使預(yù)熱階段的激光電流盡可能大，且錫膏不超出s2區(qū)域范圍；在t0+δt1時刻，預(yù)熱階段結(jié)束。預(yù)設(shè)第一限定區(qū)域s1和第二限定區(qū)域s2的目的是為了防止pid響應(yīng)的超調(diào)量過大，使錫膏迅速散開到第二限定區(qū)域s2外。在整個預(yù)熱階段，錫膏僅在第二限定區(qū)域s2內(nèi)擴散且無溢出。pid算法的經(jīng)典公式如下。

式中，kp、ki和kd分別為pid算法的比例、積分和微分環(huán)節(jié)。e(t)為輸入、u(t)為輸出。

進入熔化階段后，激光電流迅速增加，小錫珠逐步熔化并集中在一起形成液態(tài)錫球。此時，受錫的趨熱特性影響，第二限定區(qū)域s2內(nèi)的小錫珠也逐漸集中到焊盤上。隨著焊盤的進一步受熱，液態(tài)錫球在焊盤上鋪開。到t0+δt1+δt2時刻，熔化第一階段結(jié)束。但是，受錫膏特性、環(huán)境等因素影響，在指定的δt2時間段內(nèi)，液態(tài)錫球無法百分之百鋪開到焊盤上。本專利中的δt2’時間段可有效解決無法鋪開的問題。具體方法是：設(shè)置圖像處理參數(shù)提取焊盤上的錫的實時垂直投影面積s4，設(shè)置焊接完成后錫在焊盤上的最小覆蓋面積s5(通常取s5為焊點垂直投影面積s0的90％，最大覆蓋面積為焊點的垂直投影面積s0)，以s0-s5為輸入，使用pid算法控制激光電流，激光繼續(xù)加熱焊盤，直到時間點t0+δt1+δt2+δt2’，錫在焊盤上鋪開面積大于等于最小覆蓋面積s5，熔化第二階段結(jié)束。

在冷卻階段，將激光電流保持在熔化階段電流的85％±5％范圍內(nèi)，使錫緩慢凝固，即可實現(xiàn)焊點的高品質(zhì)加工。

如圖1所示，垂直升降載板11上安裝有點錫裝置12、圖像采集裝置14和激光聚焦裝置15，一同垂直升降。垂直升降載板11下方設(shè)有水平運動載板13，待焊接的工件焊點16放置在水平運動載板13上，一同水平移動?？刂破?7通過點錫裝置12實現(xiàn)焊盤加錫、通過圖像采集裝置14獲取圖像、通過激光聚焦裝置15加熱焊點?？刂破?7還進行圖像處理、加工過程控制、控制算法運算等工作。

調(diào)試運行時，首先移動垂直升降載板11和水平運動載板13，使圖像采集裝置14拍攝焊點圖像，提取焊點的垂直投影面積s0并存入控制器17。然后通過控制器17設(shè)置第一限定區(qū)域s1和第二限定區(qū)域s2，如圖2所示，21為第二限定區(qū)域s2，22為第一限定區(qū)域s1，23為焊點的垂直投影面積s0，24為錫膏的初始投影面積s3。本實施例中，

本發(fā)明中，第一限定區(qū)域s1一般取值范圍為105％至140％的垂直投影面積s0；第二限定區(qū)域s2一般取值范圍為130％至160％的垂直投影面積s0；初始投影面積s3一般取值范圍為60％至90％的垂直投影面積s0；最小覆蓋面積s5一般取值范圍為70％至100％的垂直投影面積s0。

由于不同種類錫膏的熱效應(yīng)不盡相同，導(dǎo)致其pid控制算法的參數(shù)也不盡相同。本實施例采用無鉛無鹵的錫銀銅錫膏。錫膏的主要成分和質(zhì)量配比如下表所示。

錫膏中合金的熔點為217攝氏度。采用激光加熱時，有機酸等溶劑揮發(fā)，松香可被熱分解為自由的脂肪荃、酸、萜烯、一氧化碳和二氧化碳。環(huán)境溫度在170攝氏度以下時，涂敷在焊點表面的錫膏不會產(chǎn)生明顯的形態(tài)變化。因此，在預(yù)熱階段，為控制錫膏不會散出到s2區(qū)域外，可控制焊點溫度高于170攝氏度且低于217攝氏度。在激光的作用下，當(dāng)溫度低于熔點時，不考慮錫膏中合金的變化，助焊膏逐步分解、揮發(fā)，其流動性也逐漸下降。忽略激光能量密度差異的影響，錫膏中的助焊膏吸收的能量包括激光照射的能量和合金稀釋熱量后傳遞給錫膏的能力，其公式如下。

式中，e為助焊膏吸收的能力。μ為錫膏中助焊膏的成分比，即9.3％-15.1％。β為助焊膏對激光的吸收率。α為錫膏中的合金對助焊膏的熱傳遞系數(shù)。f(t)為連續(xù)激光的功率曲線。t為激光照射時間。

選取焊盤尺寸為1毫米*1.5毫米，按公式設(shè)定第一限定區(qū)域、第二限定區(qū)域和最小覆蓋區(qū)域。設(shè)定單個焊點的錫膏使用量為0.5微升、預(yù)熱時間δt1為0.5秒、預(yù)熱起始激光電流12安培、熔化時間δt2為1秒、熔化激光電流26安培、冷卻時間δt3為0.3秒，冷卻電流22安培。設(shè)定預(yù)熱階段電流的pid算法中比例環(huán)節(jié)為6、積分環(huán)節(jié)為30、微分環(huán)節(jié)為1，熔化第二階段(圖3第④階段)的電流的pid算法中比例環(huán)節(jié)為10、積分環(huán)節(jié)為25、微分環(huán)節(jié)為1。要求熔化階段結(jié)束時，錫膏覆蓋焊盤的面積比例大于90％而小于等于100％。

焊接加工時，首先點錫裝置12在工件焊點16上均勻涂敷一層錫膏，錫膏形態(tài)穩(wěn)定性較好；然后移動垂直升降載板11和水平運動載板13，將激光照射在工件焊點16上，開始激光焊接。設(shè)定焊接的預(yù)熱階段時間為δt1，預(yù)熱階段的加工過程為：檢測焊盤上錫膏的初始面積s3，如果面積為零，說明焊盤上沒有錫膏，可控制點錫裝置12對該焊點加錫，再重新開始焊接；在焊接開始時刻t0發(fā)射激光，錫膏迅速散開，在pid算法的作用下，錫膏擴散至s1的邊界處，如圖3過程①，如果錫膏的實時垂直投影面積s4在t0+δt1*50％時刻并沒有擴散至s3的120％，說明焊盤上錫量偏少，可控制點錫裝置12對該焊點加錫，在重新開始焊接；系統(tǒng)計算s3的周期為10毫秒，如果連續(xù)2次計算中，實時垂直投影面積s4無變化，則將預(yù)熱電流增加1安培，如此重復(fù)，使預(yù)熱階段的激光電流盡可能大，且錫膏不超出s2區(qū)域范圍，如圖3過程②；在t0+δt1時刻，預(yù)熱階段結(jié)束。此過程中激光電流與時間的關(guān)系圖如圖3中的預(yù)熱階段所示。

進入熔化階段后，激光電流迅速增加，小錫珠逐步熔化并集中在一起形成液態(tài)錫球。此時，受錫的趨熱特性影響，第二限定區(qū)域s2內(nèi)的小錫珠也逐漸集中到焊盤上。隨著焊盤的進一步受熱，液態(tài)錫球在焊盤上鋪開。到t0+δt1+δt2時刻，熔化第一階段結(jié)束，如圖3過程③。但是，受錫膏特性、環(huán)境等因素影響，在指定的δt2時間段內(nèi)，液態(tài)錫球無法百分之百鋪開到焊盤上。本專利中的δt2’時間段可有效解決無法鋪開的問題。具體方法是：設(shè)置圖像處理參數(shù)提取焊盤上的錫的實時垂直投影面積s4，設(shè)置焊接完成后錫在焊盤上的最小覆蓋面積s5(通常取s5為焊點垂直投影面積s0的90％，最大覆蓋面積為焊點的垂直投影面積s0)，以s0-s5為輸入，使用pid算法控制激光電流，激光繼續(xù)加熱焊盤，直到時間點t0+δt1+δt2+δt2’，錫在焊盤上鋪開面積大于等于最小覆蓋面積s5，熔化第二階段結(jié)束，如圖3過程④。此過程中激光電流與時間的關(guān)系圖如圖3中的熔化階段所示。

在冷卻階段，將激光電流保持在熔化階段電流的80％±10％范圍內(nèi)，使錫緩慢凝固，即可實現(xiàn)焊點的高品質(zhì)加工，如圖3過程⑤。此過程中激光電流與時間的關(guān)系圖如圖3中的冷卻階段所示。