1、 無鉛波峰焊機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)系 別：電氣信息工程系專業(yè)/班級(jí)： 自動(dòng)化07102 學(xué) 生： XXX指導(dǎo) 老師： XXXX1 在電子產(chǎn)品生產(chǎn)工藝中，無鉛波峰焊接是主要的焊接方法之一。無鉛波峰焊機(jī)控制系統(tǒng)的性能直接影響到電子產(chǎn)品的焊接質(zhì)量。論文介紹了無鉛波峰焊接的原理、技術(shù)特點(diǎn)，具體說明了無鉛波峰焊的工藝流程，并研究控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)及其軟件開發(fā)，重點(diǎn)介紹無鉛波峰焊機(jī)的最重要的環(huán)節(jié)溫度控制系統(tǒng)，包括第一、第二、第三預(yù)熱和錫爐溫度的檢測(cè)和溫度控制兩方面，并闡述PID控制算法 。2課題研究的背景和意義無鉛波峰焊的基本原理及特點(diǎn)工藝流程總體方案設(shè)計(jì)無鉛波峰焊機(jī)溫度控制設(shè)計(jì)3課題研究的背景和意義

2、隨著科技的發(fā)展，越來越多的新型元器件被應(yīng)用于電子產(chǎn)品中，對(duì)精密微型化的安裝結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的手工焊接已不能滿足電子產(chǎn)品的質(zhì)量要求，而且生產(chǎn)效率低。有的單靠人的技能已是無法勝任，波峰焊技術(shù)隨之應(yīng)運(yùn)而生，適合于大批量焊接，質(zhì)量好、速度快，操作方便。 另外傳統(tǒng)的電子元件焊料由63%的Sn和37%的Pb構(gòu)成，而鉛是一種有毒的重金屬，全球電子工業(yè)每年形成的大量含鉛鹽的工業(yè)渣，是鉛污染的重要來源之一。從2000年開始，全球知名的電子產(chǎn)品制造商開始了無鉛化進(jìn)程，主要采用Sn-Cu或Sn-Cu-Ni合金作為焊料我國(guó)政府也于2003年3月由信息產(chǎn)業(yè)部制電子信息產(chǎn)品生產(chǎn)污染防治管理法，自2006年7月1日起禁止電子產(chǎn)品

3、含鉛。 由于生產(chǎn)的需要和環(huán)保的要求，對(duì)于電子產(chǎn)品企業(yè)來說，無鉛波峰焊接技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)是擺在企業(yè)面前必須解決的現(xiàn)實(shí)問題。無鉛波峰焊機(jī)作為新的工藝設(shè)備，自動(dòng)化程度高，因而對(duì)控制系統(tǒng)提出了更高的要求。4無鉛波峰焊的基本原理及特點(diǎn) 無鉛波峰焊是將熔融的液態(tài)焊料借助于泵的作用在焊料液面形成特定形狀的焊料波插裝了元器件的PCB板于傳送鏈以某一特定的角度以及一定的浸入深度通過焊料波峰從而形成焊點(diǎn)的過程。無鉛波峰焊原理圖5 無鉛波峰焊有單波峰焊和雙波峰焊之分。目前主要采用雙波峰焊技術(shù)。焊料波由波峰發(fā)生器產(chǎn)生，第一個(gè)波峰是由狹窄的噴嘴噴出的湍流波，流速快，使焊料對(duì)尺寸小、貼裝密度高的焊點(diǎn)有較好的滲透性。當(dāng)PCB

4、板進(jìn)入第一個(gè)波峰面時(shí)熔融焊料被打到PCB板底面所有焊盤、元器件引腳上，熔融的焊料在經(jīng)過助焊劑凈化的金屬表面上進(jìn)行浸潤(rùn)和擴(kuò)散。 此時(shí)的焊料是連成一片的。 第二個(gè)焊料波是平滑波，焊料流動(dòng)速度慢，出口處的流速幾乎為零，能有效除去引腳上過量的焊錫，使焊接表面濕潤(rùn)良好。在未離開第二個(gè)波峰面之前整個(gè)PCB板浸在焊料中即被焊料所橋聯(lián)但在離開波峰尾端的瞬間少量的焊料由于潤(rùn)濕力（親和力）的作用粘附在焊盤上并由于表面張力的原因會(huì)出現(xiàn)以引腳為中心收縮至最小狀態(tài)此時(shí)焊料與焊盤之間的潤(rùn)濕力大于兩焊盤之間的焊料的內(nèi)聚力，因此會(huì)形成飽滿圓整的焊點(diǎn)離開波峰尾部時(shí)，多余焊料由于重力的原因回落到錫鍋中 ，防止橋聯(lián)的發(fā)生，并將拉尖

5、的影響減小到最小。6無鉛波峰焊機(jī)特點(diǎn)(1)省工省料，提高生產(chǎn)效率，降低成本。(2)提高焊點(diǎn)質(zhì)量和可靠性。波峰焊被焊面朝下是敞露的，氣體排放很暢通因此正常情況下就不會(huì)發(fā)生冒泡和內(nèi)部洞穴現(xiàn)象。另外，焊料的上升過程是基體金屬表面對(duì)液態(tài)焊料的潤(rùn)濕力和液態(tài)焊料自身張力所形成的壓力，在克服重力作用下而爬上穿孔的上端口的。所以凡是通過波峰焊接形成的焊點(diǎn)，通常不會(huì)出現(xiàn)虛焊現(xiàn)象。(3)改善了操作環(huán)境。使用活性松香含鉛焊料手工焊接操作時(shí)產(chǎn)生的煙，其中大部分是助焊劑受熱分解產(chǎn)生的氣體或揮發(fā)物。煙中含有：蒎酸、甲醛、苯酚、一氧化碳等有害成分。而采用無鉛波峰焊機(jī)，由于采用了良好的排氣系統(tǒng)，讓操作者遠(yuǎn)離了煙霧。(4)產(chǎn)品

6、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化。由于采用了機(jī)械化和自動(dòng)化生產(chǎn)，就可以排除手工操作的不一致性，確保了產(chǎn)品安裝質(zhì)量的整齊化和工藝的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化。(5)使用無鉛焊料更加環(huán)保，減少對(duì)人體的傷害。7工藝流程 無鉛波峰焊主要四個(gè)步驟：添加助焊劑、預(yù)加熱、波峰焊接和冷卻，每一個(gè)步驟對(duì)整個(gè)工藝處理是否成功來說都很重要。 工藝流程圖 (1)添加助焊劑 將完成點(diǎn)(或印刷)膠、膠固化、插裝通孔元器件的PCB板放入無鉛波峰焊機(jī)，整個(gè)PCB板的下表面均勻地涂敷一層薄薄的助焊劑。利用PCB板進(jìn)入預(yù)熱區(qū)受熱，使助焊劑中松香和活性劑開始分解和活性化，去除PCB板焊盤、元器件引腳表面的氧化膜以及其他污染物，同時(shí)起到保護(hù)金屬表面防止發(fā)生再氧化的作

7、用，而且可以降低焊接時(shí)焊料的表面張力，有利于焊料的浸濕和擴(kuò)散。 8 (2)預(yù)熱處理 預(yù)加熱共三次，預(yù)熱溫度在80150 之間，根據(jù)不同類型的PCB板設(shè)定不同的溫度。采用底部預(yù)加熱升高PCB板組件和助焊劑的溫度，有助于助焊劑活化，去除揮發(fā)物；同時(shí)使PCB板和元器件充分預(yù)熱，避免焊接時(shí)急劇升溫產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力損壞印制電路板和元器件，將熱沖擊降低至最小的程度。 (3)波峰浸焊 如前所述此步是形成焊點(diǎn)的過程，錫爐溫度控制極為重要，溫度太低，焊料表面張力大，焊料流動(dòng)性變差，會(huì)產(chǎn)生橋接、拉尖、虛焊等現(xiàn)象；溫度太高，PCB板易產(chǎn)生變形、翹曲，過高的溫度還會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)合金的改變，使焊點(diǎn)的導(dǎo)電性能變差，機(jī)械性能變

8、脆。因此，錫爐溫度一般設(shè)置在2501 范圍。 (4)冷卻 當(dāng)PCB板離開焊料波峰開始冷卻時(shí)，由于冷卻過程中焊料合金的冷卻速率與PCB板的冷卻速率不同，易產(chǎn)生焊盤剝離。常在焊后采用風(fēng)機(jī)急速冷卻，冷卻過程中焊點(diǎn)的不同位置幾乎是同時(shí)凝固的，產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力作用較小，出現(xiàn)焊盤剝離的幾率大大減小。另外波峰焊后適當(dāng)?shù)睦鋮s有助于增強(qiáng)焊點(diǎn)接合強(qiáng)度的功能，同時(shí)，冷卻后的產(chǎn)品有利于操作人員的作業(yè)。9總體方案設(shè)計(jì) 無鉛波峰焊控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的控制系統(tǒng)，運(yùn)用了多種先進(jìn)控制技術(shù)，其中包含的技術(shù)有溫度檢測(cè)、控制，變頻器調(diào)速、步進(jìn)電機(jī)控制，通訊技術(shù)、邏輯控制、控制算法等，因而對(duì)控制系統(tǒng)提出了更高的要求，目前，常用的無鉛波峰焊

9、控制器有可編程控制器(PLC)、工控機(jī)(IPC)兩種。本設(shè)計(jì)采用PLC作為控制器。 (1)上位機(jī)監(jiān)控:監(jiān)控軟件所運(yùn)行的計(jì)算機(jī)，用來實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的管理。 (2)溫度控制:熱電偶模塊采集溫度，晶閘管溫度驅(qū)動(dòng)電路加PID算法 (3)步進(jìn)電機(jī):鏈幅調(diào)節(jié)、助焊劑流量和波峰噴嘴移動(dòng)三個(gè)步進(jìn)電機(jī)， 定位精度高、慣性小、無積累誤差、啟動(dòng)性能好。 (4)變頻調(diào)速:無級(jí)調(diào)速，調(diào)節(jié)泵產(chǎn)生的焊料波峰高度, (5)網(wǎng)絡(luò)通訊:上位機(jī)和可編程控制器之間以及PLC和變頻器之間用 RS-485連接。通信協(xié)議是自由口通訊MODBUS協(xié)議1011軟件流程圖12無鉛波峰焊機(jī)溫度控制設(shè)計(jì) 硬件設(shè)計(jì) (1)PLC選型 S7-200 CP

10、U 224，其共有24 個(gè)數(shù)字量I/O口，其中14點(diǎn)輸入和10點(diǎn)輸出，它還可以連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大可擴(kuò)展至168點(diǎn)數(shù)字量I/O或35路模擬量I/O。CPU 224有13KB程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，6個(gè)獨(dú)立的30KHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20KHz高速脈沖輸出，具有PID控制功能。CPU 224配有一個(gè)RS-485通信/編程口，具有PPI通信、MPI通信和自由方式通信能力，具有較強(qiáng)的控制能力。 (2)熱電阻擴(kuò)展模塊EM231測(cè)溫 選用EM231 4通道熱電偶模塊。其內(nèi)置了濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換電路 ，不再需要另外使用溫度變送器并且有多路轉(zhuǎn)換器，因此可以直接將4路熱電偶信號(hào)引入PLC這樣可以直接把

11、熱電偶信號(hào)引入PLC進(jìn)行測(cè)量。 13EM231 4通道熱電偶模塊 4個(gè)熱電偶都為T型熱電偶，型號(hào)一致，測(cè)溫范圍-200400 , 組態(tài)DIP開關(guān)設(shè)置為01000000，14(3)加熱裝置選擇及調(diào)溫方法 a)預(yù)熱處理： 三次預(yù)加熱區(qū)采用石英燈加熱，石英燈是一種短波長(zhǎng)紅外線(IR)加熱源，它能夠做到快速地實(shí)現(xiàn)任何所要求的預(yù)熱溫度設(shè)置，并通過強(qiáng)迫熱空氣對(duì)流使預(yù)熱均勻。對(duì)于預(yù)加熱區(qū)，溫度控制要求不高，允許的偏差，通過檢測(cè)實(shí)際溫度與設(shè)定值比較，來控制加熱器通斷即可。 b)錫爐加熱 錫爐采用電阻爐加熱，電阻絲通過晶閘管主電路驅(qū)動(dòng)加熱，錫爐溫度的設(shè)定值通過PLC程序預(yù)先設(shè)置，實(shí)際溫度由熱電偶擴(kuò)展模塊EM23

12、1檢測(cè) ，并將電壓信號(hào)經(jīng)其內(nèi)部電路濾波放大，A/D轉(zhuǎn)換后送入PLC，與所設(shè)定的溫度值比較后產(chǎn)生偏差，經(jīng)PID控制算法算出相應(yīng)的控制量，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電流，通過觸發(fā)器控制晶閘管導(dǎo)通角，從而改變電阻絲兩端的電壓大小。導(dǎo)通角越大，輸送到電阻絲兩端的電壓越高，電阻爐的輸出功率增大，式溫度升高；反之導(dǎo)通角越小，溫度降低；當(dāng)偏差為零時(shí)，晶閘管保持一定的導(dǎo)通角時(shí)溫度維持在給定值，從而達(dá)到溫度控制，保證PCB板的焊接質(zhì)量。15 錫爐溫度控制系統(tǒng)圖16接線圖17軟件設(shè)計(jì) (1)溫度檢測(cè) 18溫度檢測(cè)主程序19溫度檢測(cè)子程序Module_OK20溫度轉(zhuǎn)換程序21(2)溫度控制 (a)預(yù)加熱區(qū) 由于預(yù)加熱區(qū)

13、是為波峰焊接做前期準(zhǔn)備，對(duì)于溫度的控制精度要求不高，可采用接觸器的通斷來實(shí)現(xiàn)。下面以第一預(yù)加熱為例說明，其它兩個(gè)預(yù)加熱原理相同。 22(b)錫爐溫度23 24錫爐溫度控制主程序錫爐溫度控制子程序SBR_025錫爐溫度控制中斷程序INT_026謝謝觀看！敬請(qǐng)各位老師點(diǎn)評(píng)！27焗璭驥?碅鏟敐n鴵w臐O?E緙O貛綖w:?詊浗綶2Y?佚陯訍?c?:)堆莕,hh韑m%犩?g?fS 7齠頋mm?|w鮢p?s:鐭Y喎瑡x?:?DC螵?鷏蟥? 7齠頋mm?|w鮢p?s:鐭Y喎瑡x?:?DC螵?鷏蟥?臞i雕擌5耍嘋?胣?-犍3郢坘G蜮y暠褾?兾ZF0Qn琱呞喿赧痛齗蜀r?軒 s?輍?脌祵?墹裕淥灕Iu葴欖+$?

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