焊接机器人及其对准定位机构的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种焊接机器人的对准定位机构，其包括：沿第一方向的第一部件，其设有第一弹簧结构；沿第二方向的第二部件，其设有第二弹簧结构，第二与第一方向形成夹角；其中，第一弹簧结构包括第一固定支架、第一弹簧、第一传感器模块以及检测标靶，第二弹簧结构包括第二固定支架、第二弹簧、第二传感器模块以及检测标靶，在第一或第二部件滑动时，第一或第二弹簧的自由端与在第一或第二部件上预设的止挡部接触，从而传感器模块检测检测标靶的运动。本发明还涉及一种焊接机器人，其包括：移动臂；前述的对准定位机构，其安装在移动臂的自由端上；以及与对准定位机构相连的烙铁头和送丝器。
【专利说明】焊接机器人及其对准定位机构
【技术领域】
[0001]本发明涉及焊接机器人，并且更具体地涉及用于焊接机器人的烙铁头的对准定位机构。
【背景技术】
[0002]通孔焊接工艺(pin-through hole soldering process)在电子工业制造中广泛使用。通常，采用焊接机器人来完成通孔焊接工艺所需的各步骤。焊接机器人大体上具有能够三维移动的移动臂以及对所述移动臂的运动进行控制的控制单元。在移动臂上安装有烙铁头以及用于焊丝的送丝机构。在工作时，印刷电路板固定在焊接机器人的工作台上，并且待焊的电子元器件的引脚插入到印刷电路板中的通孔中。在控制单元的控制下，焊接机器人的移动臂移动并且送丝机构送丝，以使得烙铁头与焊丝位于待焊部位附近。通电后的烙铁头使得焊丝融化，从而将电子元器件焊接在印刷电路板上。
[0003]在这种焊接工艺中所面临的一个主要问题是，每次必须将烙铁头精确地定位在焊接部位。也就说，烙铁头要同时接触电子元器件的引脚与印刷电路板的焊接区。如果烙铁头仅仅错误地与电子元器件的引脚和印刷电路板的焊接区二者中的一个接触的话，那么电子元器件的引脚和印刷电路板的焊接区的加热温度有可能不同。这样导致的后果很可能使得焊料迅速冷却、焊丝无法按需熔融并且在引脚与焊接区之间无法形成所需的焊接连接。
[0004]日本专利公开文献(JP4333363)公开了一种焊接机器人，在该焊接机器人的移动臂上安装有烙铁头，该烙铁头经由一套平行弹簧系统与该焊接机器人的移动臂相连，从而该烙铁头能够与该移动臂的路径相平行地移动。虽然该专利公开文献对安装烙铁头的移动臂进行了改进，但是在操作时仍无法可靠确保烙铁头能够与电子元器件的引脚和印刷电路板的焊接区同时接触。
[0005]如果无法确保焊接机器人在操作时烙铁头与电子元器件的引脚和印刷电路板的焊接区同时接触，则电子元器件的引脚和印刷电路板的焊接区的温度存在差异，从而焊料有可能过快冷却，导致无法确保电子元器件的引脚和印刷电路板的焊接区之间的所期望的焊接品质。另外，如果烙铁头与电子元器件的引脚和印刷电路板的焊接区之间的接触力过大的话，则可能造成电子元器件的引脚和印刷电路板的焊接区的损坏，而影响焊接品质。
【发明内容】
[0006]本发明的一个目的是提供一种用于焊接机器人的烙铁头的对准定位机构，其能够使得烙铁头总是准确地与电子元器件的引脚和印刷电路板的焊接区同时接触，从而提高焊接质量，并且能够防止接触力过大的情况出现。
[0007]根据本发明的一个方面，提供了一种焊接机器人的对准定位机构，其包括:第一部件，所述第一部件设置有第一弹簧结构，所述第一部件在所述焊接机器人的移动臂上安装并且能够相对于所述移动臂沿第一方向移动；第二部件，所述第二部件设置有第二弹簧结构，所述第二部件在所述移动臂或所述第一部件上安装并且能够相对于所述移动臂或所述第一部件沿第二方向移动，其中所述第二方向与所述第一方向成夹角设置；其中，所述第一弹簧结构包括第一固定支架、一端在所述第一固定支架上固定的且沿第一方向施力作用的第一弹簧、在所述第一固定支架上固定的第一传感器模块以及相对于所述第一弹簧的自由端安置的检测标靶，所述第二弹簧结构包括第二固定支架、一端在所述第二固定支架上固定的且沿第二方向施力作用的第二弹簧、在所述第二固定支架上固定的第二传感器模块以及相对于所述第二弹簧的自由端安置的检测标靶，在所述第一部件或第二部件滑动时，所述第一或第二弹簧的自由端能够与在所述第一部件或第二部件上预设的止挡部接触并保持与所述止挡部相对静止，从而所述第一或第二传感器模块能够检测到所述检测标靶的运动。
[0008]可选地，所述第一和/或第二传感器模块包括至少一个传感器，以检测所述检测标靶的运动。
[0009]可选地，所述第一和/或第二传感器模块包括至少两个相互间隔的传感器，以检测所述检测标靶的运动。
[0010]优选地，所述传感器是光电传感器，并且所述检测标靶由反光材料制成。
[0011]优选地，所述对准定位机构的第一部件和/或第二部件包括滑动导轨，所述第一和/或第二固定支架在所述滑动导轨的固定轨上设置，所述检测标靶在所述第一和/或第二弹簧的自由端上设置或者在所述滑动导轨的滑动轨的预设位置上设置。
[0012]优选地，所述第一和/或第二弹簧是螺旋弹簧。
[0013]优选地，所述第一方向基本上垂直于所述第二方向。
[0014]优选地，所述对准定位机构与焊接机器人的烙铁头固定相连。
[0015]优选地，所述对准定位机构还包括第三部件，所述第三部件设置有第三弹簧结构，所述第三部件能够相对于不同于第一方向或第二方向的第三方向滑动，所述第三弹簧结构与第一弹簧结构或第二弹簧结构构造相同。
[0016]根据本发明的另一方面，提供了一种焊接机器人，其包括:移动臂；控制单元，以控制所述移动臂的移动；如上所述的对准定位机构，所述对准定位机构安装在所述移动臂的自由端上；以及与所述对准定位机构相连的烙铁头以及提供焊丝的送丝器。
[0017]采用本说明书及权利要求中给出的技术方案，由于定位对准机构包括具有至少两个沿不同方向的弹簧结构的弹簧系统，所以烙铁头能够与电子元器件的引脚和印刷电路板的焊接区同时接触，提高焊接品质，并且能够防止接触力过大的情况出现。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1示意性示出了根据本发明的一个实施例的焊接机器人的局部透视图；
[0019]图2示意性放大示出了根据图1的焊接机器人的移动臂上的如虚线圆圈所标的对准定位机构中所安装的弹簧系统；
[0020]图3示出了根据本发明的一个实施例的烙铁头的对准定位机构的正视图；并且
[0021]图4a至图4c示出了根据本发明的焊接机器人的烙铁头在对准定位机构作用下的操作过程。
【具体实施方式】[0022]下面参照附图描述本发明的一些优选实施方式。在各附图中，相同的部件由相同的附图标记表示。
[0023]图1示意性示出了根据本发明的一个实施例的焊接机器人I。该焊接机器人I大体上包括能够沿三维方向X、y或Z任意移动的移动臂2、固定的工作台4以及(未示出的)控制单元，其中所述控制单元例如是可编程逻辑控制器(PLC)并且能够控制移动臂的运动。在移动臂2的一个自由端上安装有对准定位机构3。
[0024]对准定位机构3经由一支架与用于焊丝的送丝器5和烙铁7固定相连。如图1所示，支架设有连接片6，在连接片6的两端上分别成角度地固定有所述送丝器5和所述烙铁
7。连接片6为圆弧形结构，并设有与其轮廓相符的圆弧槽。通过沿圆弧槽移动连接片6，可以改变送丝器5和烙铁7相对于工作台4的角度，以便实现不同角度的焊接。
[0025]作为示例，对准定位机构3包括能够彼此沿z和X方向自由滑动的第一部件3.1以及第二部件3.2。在对准定位机构3不使用时，第一部件3.1以及第二部件3.2可以通过相应的锁定装置彼此锁定而无法移动。仅仅在需要对准定位机构3使得烙铁7的烙铁头8准确定位时，锁定装置被解锁从而第一部件3.1和第二部件3.2能够分别沿沿z和X方向自由相对滑动。第一部件3.1和第二部件3.2之间可以采用本领域已知的任何结构实现相对滑动。例如，第一部件3.1与焊接机器人I的移动臂2的端部之间可以安装有滑动导轨(未示出)，同时第一部件3.1与第二部件3.2之间可以安装有滑动导轨(未示出)。
[0026]仅仅作为一个实例，可以想到的是第一部件3.1与焊接机器人I的移动臂2的端部之间的滑动导轨沿X方向安装，从而第一部件3.1能够相对于焊接机器人I的移动臂2沿X方向自由滑动；而第一部件3.1与第二部件3.2之间的滑动导轨沿z方向安装，从而第二部件3.2能够相对于第一部件3.1或移动臂2沿z方向自由滑动。很显然，上述颠倒的情况对于本发明也是适用的。
[0027]根据本发明的一个方面，对准定位机构3中安装有弹簧系统9。以下参阅图2和3详细说明弹簧系统9的结构。
[0028]如图2所示，对准定位机构3的弹簧系统9包括两个弹簧结构9.1和9.2。这两个弹簧结构9.1和9.2分别在第一部件3.1与第二部件3.2内或上安置，从而弹簧结构9.1和9.2的方向分别同第一部件3.1与第二部件3.2的滑动方向一致。
[0029]例如，如图3所示，弹簧结构9.1在第一部件3.1内安装，从而弹簧结构9.1的纵向与X方向一致；弹簧结构9.2在第二部件3.2内安装，从而弹簧结构9.2的纵向与Z方向—致。
[0030]弹簧结构9.1包括固定支架10、弹簧11、传感器模块12以及检测标靶13。例如，固定支架10为刚性细长板结构,在固定支架10的一端垂直伸出有固定部10.1,用于与固定支架10平行地固定弹簧11的一端。如图2和3所示，固定支架10例如可以安装在组成第一部件3.1与移动臂2之间的滑动导轨的固定轨上。传感器模块12与弹簧11的固定端相隔一定距离地安装在固定支架10上。在弹簧11的另一自由端上安装有检测标靶13。该弹簧11的长度设置成该检测标靶13沿X方向稍微越过传感器模块12。例如，在第一部件3.1经由滑动导轨相对于移动臂2滑动时，检测标靶13可以与滑动导轨中的另一个滑动件上的止挡部15(在图2和3中分别用虚线框表示)接触，从而弹簧11受压。随着弹簧11进一步受压，检测标靶13相对于传感器模块12向弹簧11的固定端移动，从而传感器模块12能够检测到检测标靶13的这种运动。也就是说，第一部件3.1的运动时受阻能够这样地被检测到。
[0031]应当清楚的是，在沿y方向观察时，弹簧结构9.1与9.2是相互错开的，这样第一部件3.1与第二部件3.2各自的滑动互不影响。此外，还应当清楚，止挡部15的形状可以并非如图2和3所示的矩形，任何能够与检测标靶13合适接触的形状均可以在本发明中采用。传感器模块12与焊接机器人的控制单元相连，从而在检测到检测标靶13运动时可以将信号传递给控制单元。如图2和3所示，传感器模块12例如包括两个间隔开的传感器12.1和12.2。在本发明的示意性实施例中，传感器12.1和12.2是光电传感器，检测标靶13涂覆有反光涂料。但是，本发明并不限于如此。例如，传感器模块还可以以霍尔传感器的方式设置。或者，甚至可以取消传感器12.1和12.2，而仅仅由开关代替。在这种情况下，检测标靶13设置为一推杆，当推杆相对于固定支架10移动而经过开关时使得开关闭合，从而产生能够由控制单元接收的信号。
[0032]在本发明的实施例中，传感器模块12沿固定支架10的纵向设有两个传感器12.1和12.2。传感器12.1用于检测弹簧11是否接触到导轨上预设的止挡部。传感器12.2与传感器12.1间隔一段距离，该段距离为弹簧11受情况允许能够被压缩的最大长度。也就是说，传感器12.2用于检测弹簧11能够被允许最大压缩的量。
[0033]当然，也可以想到的是，传感器模块12可以仅仅设置一个传感器，从而仅仅检测弹簧11是否接触到导轨上预设的止挡部。或者，传感器模块12可以在固定支架10上沿纵向并排设置不止两个传感器，从而按照需要检测弹簧11的受压情况。
[0034]虽然上述提到检测标靶13安装在弹簧11的一端上，但是作为替代，检测标靶13可以安装在滑动导轨的滑动轨上，从而在第一部件3.1沿X方向移动使得弹簧11的自由端接触例如在滑动导轨的滑动轨上预设的止挡部而受压时，检测标靶13也可如上所述地相对于传感器模块12移动，以便其检测弹簧11的接触和/或受压情况。
[0035]尽管如图2和3所示弹簧11为螺旋弹簧，但是可以想到的是弹簧11作为替代可以设置为任何其它具有弹性且可以承受压力的器件，例如折叠弹簧或甚至仅仅是能够压缩的弹性体。
[0036]作为替代，传感器模块12可以例如靠近弹簧11的固定端设置并且检测标靶13在弹簧11的固定端上或附近设置，以便在弹簧11沿X方向移动而受压时，传感器模块12也可以检测到检测标靶13的运动。
[0037]以上仅仅参照弹簧结构9.1进行了说明，但是应当清楚弹簧结构9.2在构造方面与弹簧结构9.1相同。二者之间的差异仅仅在于弹簧结构9.2例如沿z方向在第二部件3.2上或内安装，从而检测第二部件3.2的运动。
[0038]以下参照附图4a至4c示意性说明根据本发明的焊接机器人的烙铁头在其对准定位机构的作用下的操作过程。
[0039]首先，如图4a所示，印刷电路板(PCB)固定在焊接机器人的工作台4上。电子元器件(未示出)的引脚14已经穿过印刷电路板的通孔安置就位。焊接机器人的移动臂2通过控制单元(未示出)根据预定的程序移动，从而烙铁头8例如沿y方向与引脚14对正地移动到引脚14与印刷电路板的相应焊接区附近。
[0040]在本发明的示意性实施例中，烙铁头8例如为圆锥形。如图4a所示，在这种情况下，焊接机器人的移动臂2通过控制单元(未示出)根据预定的程序移动，以使得烙铁头8的末端的靠近引脚14的边缘距引脚14的X方向距离为间距s并且烙铁头8的末端的靠近印刷电路板的边缘距印刷电路板的z方向距离也为间距S。这例如可以通过事先在工作台和印刷电路板上制出定位点、然后在程序的控制下使得移动臂2移动而实现。在本发明的示意性实施例中，间距s例如可以是0.5毫米至0.8毫米或者0.8毫米至1.0毫米。可选地，可以想到的是在烙铁头8为球形的情况下，间距s指的是球形烙铁头的邻近切点距引脚或焊接区的距离。
[0041]然后，焊接机器人I的控制单元发出指令使得移动臂2上安装的本发明的对准定位机构3处于工作状态。接着，如图4b所示，移动臂2例如开始先沿X方向接近引脚14。随着移动臂2的移动，烙铁头8沿X方向逐渐接近引脚14。在烙铁头8与引脚14接触之后，在接触力的作用下对准定位机构3的第一部件3.1相对于移动臂2沿X方向滑动，从而对准标靶13移动经过弹簧结构9.1上的传感器模块12、例如移动经过传感器模块12的传感器12.1。在传感器模块12或者更确切地传感器12.1检测到对准标靶13的移动之后，向控制单元发出信号，从而控制单元停止移动臂2沿X方向的移动。
[0042]然后，控制单元发出指令使得移动臂2沿z方向接近印刷电路板的焊接区。如图4c所示，随着移动臂2的移动，烙铁头8沿z方向逐渐接近印刷电路板的焊接区。在烙铁头8与焊接区接触之后，在接触力的作用下，对准定位机构3的第二部件3.2相对于第一部件
3.1沿z方向滑动，从而对准标靶13移动经过弹簧结构9.2上的传感器模块12、例如移动经过传感器模块12的传感器12.1。在传感器模块12或者更确切地传感器12.1检测到对准标靶13的移动之后，向控制单元发出信号，从而控制单元停止移动臂2沿z方向的移动。
[0043]这样，确保了烙铁头8与引脚14和印刷电路板的焊接区同时接触，从而它们同时被加热，并且伴随着焊丝的送入，电子元器件可以可靠地焊接在印刷电路板上。可以想到的是，在一个引脚14被焊接之后，在控制单元的控制下，烙铁头8可以快速回弹，从而弹簧9恢复原状，并且对准定位机构3被锁定，以便进行下一个引脚的焊接工作。
[0044]因为电子元器件以及印刷电路板的制造误差，无法确保烙铁头8与电子元器件的引脚和印刷电路板的焊接区之间的接触力总是适宜的。如果接触力过大的话，电子元器件的引脚和印刷电路板的焊接区容易受到损害。如果接触力过小或者甚至没有接触力的话，也容易造成电子元器件的引脚和印刷电路板的焊接区加热不均匀。
[0045]为此，例如两个传感器12.1和12.2在每个传感器模块12中设置。传感器12.2的目的是防止烙铁头8与电子元器件的引脚或印刷电路板的焊接区之间的接触力过大。例如，传感器12.1与传感器12.2之间的间距设置为弹簧11在最大容许的接触力作用下的变形量。
[0046]例如，在对准定位机构3的第一部件3.1沿X方向移动且对准标靶13在经过传感器12.1之后第一部件3.1仍未停止移动的情况下，如果对准标靶13移动经过传感器12.2并被其所检测到，则这意味着烙铁头8与引脚14之间的接触力已经接近或超过最大容许值。因此，控制单元例如发出指令停止焊接机器人的操作，保护电子元器件或印刷电路板免
受切咅。
[0047]以上仅仅示意性说明了本发明的对准定位机构3的工作方式，但是本发明并不限于此。例如，虽然在所示的实施例中已经提到对准定位机构3具有能够沿X方向和沿ζ方向自由滑动的第一部件3.1和第二部件3.2，但是还可以想到的是对准定位机构3还可以设有能够沿y方向自由滑动的第三部件。在该第三部件内或上可以设置与弹簧系统9的弹簧结构9.1和9.2类似的弹簧结构。也就是说，对准定位机构3可以设有能够沿三个方向X、y、z的弹黃系统9。
[0048]在已经说明的实施例中，对准定位机构3的第一部件3.1和第二部件3.2本身是自由滑动的，它们在移动臂2的带动下而相对滑动。但是作为替代，可以想到的是对准定位机构3本身可以设有微型电机。微型电机受焊接机器人I的控制单元的控制，从而第一部件3.1和第二部件3.2能够沿各自的滑动导轨被驱动移动。在这种情况下，烙铁头8仍可以如图4a所示地移动到电子元器件的引脚14和印刷电路板的焊接区附近；然后，对准定位机构3的微型电机的作用下，烙铁头8也可以如上所述那样地移动，从而确保烙铁头8与电子元器件的引脚14和印刷电路板的焊接区同时准确接触并防止接触力过大而受到损害。
[0049]作为替代，本发明的对准定位机构3的第一部件3.1和/或第二部件3.2可以直接设置为一对滑动导轨。在这种情况下，作为第一部件的一对滑动导轨的固定轨在移动臂2的自由端上固定，而滑动轨与作为第二部件的一对滑动导轨的固定轨固接，从而烙铁头8的支架固定在滑动轨上。在这种情况下，弹簧系统9的各部分的在滑动导轨上的安装，与如上所述的实施例类似。
[0050]尽管在所描述的实施例中提到了第一部件和第二部件能够沿相互垂直的方向滑动或移动，但是可以想到的是第一部件和第二部件也可以沿非垂直的方向、例如交叉的方向滑动或移动。在这种情况下，可以清楚本发明的定位对准机构同样可以使得烙铁头准确地与电子元器件的引脚以及印刷电路板的焊接区同时接触。
[0051]可以想到的是，根据本发明的这种对准定位机构并非仅限于在焊接机器人的烙铁头对准定位中使用。任何需要精确对准定位的装置或设备均可以类似地采用根据本发明的这种对准定位机构。
[0052]尽管这里详细描述了本发明的特定实施方式，但它们仅仅是为了解释的目的而给出的，而不应认为它们对本发明的范围构成限制。在不脱离本发明精神和范围的前提下，各种替换、变更和改造可被构想出来。
【权利要求】
1.一种焊接机器人的对准定位机构，其包括: 第一部件，所述第一部件设置有第一弹簧结构，所述第一部件在所述焊接机器人的移动臂上安装并且能够相对于所述移动臂沿第一方向移动； 第二部件，所述第二部件设置有第二弹簧结构，所述第二部件在所述移动臂或所述第一部件上安装并且能够相对于所述移动臂或所述第一部件沿第二方向移动，其中所述第二方向与所述第一方向成夹角设置；其中 所述第一弹簧结构包括第一固定支架、一端在所述第一固定支架上固定的且沿第一方向施力作用的第一弹簧、在所述第一固定支架上固定的第一传感器模块以及相对于所述第一弹簧的自由端安置的检测标靶，所述第二弹簧结构包括第二固定支架、一端在所述第二固定支架上固定的且沿第二方向施力作用的第二弹簧、在所述第二固定支架上固定的第二传感器模块以及相对于所述第二弹簧的自由端安置的检测标靶，在所述第一部件或第二部件滑动时，所述第一或第二弹簧的自由端能够与在所述第一部件或第二部件上预设的止挡部接触并保持与所述止挡部相对静止，从而所述第一或第二传感器模块能够检测到所述检测标靶的运动。
2.根据权利要求1所述的对准定位机构，其中，所述第一和/或第二传感器模块包括至少一个传感器，以检测所述检测标靶的运动。
3.根据权利要求1所述的对准定位机构，其中，所述第一和/或第二传感器模块包括至少两个相互间隔的传感器，以检测所述检测标靶的运动。
4.根据权利要求2或3所述的对准定位机构，其中，所述传感器是光电传感器，并且所述检测标靶由反光材料制成。
5.根据前述权利要求任一所述的对准定位机构，其中，所述对准定位机构的第一部件和/或第二部件包括滑动导轨，所述第一和/或第二固定支架在所述滑动导轨的固定轨上设置，所述检测标靶在所述第一和/或第二弹簧的自由端上设置或者在所述滑动导轨的滑动轨的预设位置上设置。
6.根据前述权利要求任一所述的对准定位机构，其中，所述第一和/或第二弹簧是螺旋弹黃。
7.根据前述权利要求任一所述的对准定位机构，其中，所述第一方向基本上垂直于所述第二方向。
8.根据前述权利要求任一所述的对准定位机构，其中，所述对准定位机构与焊接机器人的烙铁头固定相连。
9.根据前述权利要求任一所述的对准定位机构，其中，所述对准定位机构还包括第三部件，所述第三部件设置有第三弹簧结构，所述第三部件能够相对于不同于第一方向或第二方向的第三方向滑动，所述第三弹簧结构与第一弹簧结构或第二弹簧结构构造相同。
10.一种焊接机器人，其包括: 移动臂； 控制单元，以控制所述移动臂的移动； 根据前述权利要求任一所述的对准定位机构，所述对准定位机构安装在所述移动臂的自由端上；以及 与所述对准定位机构相连的烙铁头以及提供焊丝的送丝器。
【文档编号】B25J9/00GK103769711SQ201210409239
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2012年10月24日 优先权日:2012年10月24日
【发明者】冯时佳, Y·拉乌, 陆蓓雯 申请人:博世汽车部件(长沙)有限公司