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1、无铅波峰焊机的自动控制系统设计,系 别：电气信息工程系 专业/班级： 自动化07102 学 生： XXX 指导 老师： XXXX,在电子产品生产工艺中，无铅波峰焊接是主要的焊接方法之一。无铅波峰焊机控制系统的性能直接影响到电子产品的焊接质量。论文介绍了无铅波峰焊接的原理、技术特点，具体说明了无铅波峰焊的工艺流程，并研究控制系统的总体方案设计及其软件开发，重点介绍无铅波峰焊机的最重要的环节温度控制系统，包括第一、第二、第三预热和锡炉温度的检测和温度控制两方面，并阐述PID控制算法 。,课题研究的背景和意义 无铅波峰焊的基本原理及特点 工艺流程 总体方案设计 无铅波峰焊机温度控制设计,课题研究的背
2、景和意义,随着科技的发展，越来越多的新型元器件被应用于电子产品中，对精密微型化的安装结构，传统的手工焊接已不能满足电子产品的质量要求，而且生产效率低。有的单靠人的技能已是无法胜任，波峰焊技术随之应运而生，适合于大批量焊接，质量好、速度快，操作方便。另外传统的电子元件焊料由63%的Sn和37%的Pb构成，而铅是一种有毒的重金属，全球电子工业每年形成的大量含铅盐的工业渣，是铅污染的重要来源之一。从2000年开始，全球知名的电子产品制造商开始了无铅化进程，主要采用Sn-Cu或Sn-Cu-Ni合金作为焊料我国政府也于2003年3月由信息产业部制电子信息产品生产污染防治管理法，自2006年7月1日起禁止
3、电子产品含铅。由于生产的需要和环保的要求，对于电子产品企业来说，无铅波峰焊接技术的应用已经是摆在企业面前必须解决的现实问题。无铅波峰焊机作为新的工艺设备，自动化程度高，因而对控制系统提出了更高的要求。,无铅波峰焊的基本原理及特点,无铅波峰焊是将熔融的液态焊料借助于泵的作用在焊料液面形成特定形状的焊料波插装了元器件的PCB板于传送链以某一特定的角度以及一定的浸入深度通过焊料波峰从而形成焊点的过程。,无铅波峰焊原理图,无铅波峰焊有单波峰焊和双波峰焊之分。目前主要采用双波峰焊技术。焊料波由波峰发生器产生，第一个波峰是由狭窄的喷嘴喷出的湍流波，流速快，使焊料对尺寸小、贴装密度高的焊点有较好的渗透性。当
4、PCB板进入第一个波峰面时熔融焊料被打到PCB板底面所有焊盘、元器件引脚上，熔融的焊料在经过助焊剂净化的金属表面上进行浸润和扩散。 此时的焊料是连成一片的。第二个焊料波是平滑波，焊料流动速度慢，出口处的流速几乎为零，能有效除去引脚上过量的焊锡，使焊接表面湿润良好。在未离开第二个波峰面之前整个PCB板浸在焊料中即被焊料所桥联但在离开波峰尾端的瞬间少量的焊料由于润湿力（亲和力）的作用粘附在焊盘上并由于表面张力的原因会出现以引脚为中心收缩至最小状态此时焊料与焊盘之间的润湿力大于两焊盘之间的焊料的内聚力，因此会形成饱满圆整的焊点离开波峰尾部时，多余焊料由于重力的原因回落到锡锅中 ，防止桥联的发生，并将
5、拉尖的影响减小到最小。,无铅波峰焊机特点,(1)省工省料，提高生产效率，降低成本。 (2)提高焊点质量和可靠性。波峰焊被焊面朝下是敞露的，气体排放很畅通因此正常情况下就不会发生冒泡和内部洞穴现象。另外，焊料的上升过程是基体金属表面对液态焊料的润湿力和液态焊料自身张力所形成的压力，在克服重力作用下而爬上穿孔的上端口的。所以凡是通过波峰焊接形成的焊点，通常不会出现虚焊现象。 (3)改善了操作环境。使用活性松香含铅焊料手工焊接操作时产生的烟，其中大部分是助焊剂受热分解产生的气体或挥发物。烟中含有：蒎酸、甲醛、苯酚、一氧化碳等有害成分。而采用无铅波峰焊机，由于采用了良好的排气系统，让操作者远离了烟雾。
6、 (4)产品质量标准化。由于采用了机械化和自动化生产，就可以排除手工操作的不一致性，确保了产品安装质量的整齐化和工艺的规范化、标准化。 (5)使用无铅焊料更加环保，减少对人体的伤害。,工艺流程,无铅波峰焊主要四个步骤：添加助焊剂、预加热、波峰焊接和冷却，每一个步骤对整个工艺处理是否成功来说都很重要。,工艺流程图 (1)添加助焊剂将完成点(或印刷)胶、胶固化、插装通孔元器件的PCB板放入无铅波峰焊机，整个PCB板的下表面均匀地涂敷一层薄薄的助焊剂。利用PCB板进入预热区受热，使助焊剂中松香和活性剂开始分解和活性化，去除PCB板焊盘、元器件引脚表面的氧化膜以及其他污染物，同时起到保护金属表面防止发
7、生再氧化的作用，而且可以降低焊接时焊料的表面张力，有利于焊料的浸湿和扩散。,(2)预热处理预加热共三次，预热温度在80150 之间，根据不同类型的PCB板设定不同的温度。采用底部预加热升高PCB板组件和助焊剂的温度，有助于助焊剂活化，去除挥发物；同时使PCB板和元器件充分预热，避免焊接时急剧升温产生过大的热应力损坏印制电路板和元器件，将热冲击降低至最小的程度。(3)波峰浸焊如前所述此步是形成焊点的过程，锡炉温度控制极为重要，温度太低，焊料表面张力大，焊料流动性变差，会产生桥接、拉尖、虚焊等现象；温度太高，PCB板易产生变形、翘曲，过高的温度还会导致焊点合金的改变，使焊点的导电性能变差，机械性能
8、变脆。因此，锡炉温度一般设置在2501 范围。(4)冷却当PCB板离开焊料波峰开始冷却时，由于冷却过程中焊料合金的冷却速率与PCB板的冷却速率不同，易产生焊盘剥离。常在焊后采用风机急速冷却，冷却过程中焊点的不同位置几乎是同时凝固的，产生的内应力作用较小，出现焊盘剥离的几率大大减小。另外波峰焊后适当的冷却有助于增强焊点接合强度的功能，同时，冷却后的产品有利于操作人员的作业。,总体方案设计,无铅波峰焊控制系统是一个复杂的控制系统，运用了多种先进控制技术，其中包含的技术有温度检测、控制，变频器调速、步进电机控制，通讯技术、逻辑控制、控制算法等，因而对控制系统提出了更高的要求，目前，常用的无铅波峰焊控
9、制器有可编程控制器(PLC)、工控机(IPC)两种。本设计采用PLC作为控制器。(1)上位机监控:监控软件所运行的计算机，用来实现整个系统的管理。(2)温度控制:热电偶模块采集温度，晶闸管温度驱动电路加PID算法(3)步进电机:链幅调节、助焊剂流量和波峰喷嘴移动三个步进电机， 定位精度高、惯性小、无积累误差、启动性能好。(4)变频调速:无级调速，调节泵产生的焊料波峰高度,(5)网络通讯:上位机和可编程控制器之间以及PLC和变频器之间用 RS-485连接。通信协议是自由口通讯MODBUS协议,软件流程图,无铅波峰焊机温度控制设计,硬件设计 (1)PLC选型S7-200 CPU 224，其共有24
10、 个数字量I/O口，其中14点输入和10点输出，它还可以连接7个扩展模块，最大可扩展至168点数字量I/O或35路模拟量I/O。CPU 224有13KB程序和数据存储空间，6个独立的30KHz高速计数器，2路独立的20KHz高速脉冲输出，具有PID控制功能。CPU 224配有一个RS-485通信/编程口，具有PPI通信、MPI通信和自由方式通信能力，具有较强的控制能力。(2)热电阻扩展模块EM231测温选用EM231 4通道热电偶模块。其内置了滤波、放大、A/D转换电路 ，不再需要另外使用温度变送器并且有多路转换器，因此可以直接将4路热电偶信号引入PLC这样可以直接把热电偶信号引入PLC进行测
11、量。,EM231 4通道热电偶模块 4个热电偶都为T型热电偶，型号一致，测温范围-200400 , 组态DIP开关设置为01000000，,(3)加热装置选择及调温方法,a)预热处理：三次预加热区采用石英灯加热，石英灯是一种短波长红外线(IR)加热源，它能够做到快速地实现任何所要求的预热温度设置，并通过强迫热空气对流使预热均匀。对于预加热区，温度控制要求不高，允许的偏差，通过检测实际温度与设定值比较，来控制加热器通断即可。b)锡炉加热锡炉采用电阻炉加热，电阻丝通过晶闸管主电路驱动加热，锡炉温度的设定值通过PLC程序预先设置，实际温度由热电偶扩展模块EM231检测 ，并将电压信号经其内部电路滤波
12、放大，A/D转换后送入PLC，与所设定的温度值比较后产生偏差，经PID控制算法算出相应的控制量，再经D/A转换器转换成电流，通过触发器控制晶闸管导通角，从而改变电阻丝两端的电压大小。导通角越大，输送到电阻丝两端的电压越高，电阻炉的输出功率增大，式温度升高；反之导通角越小，温度降低；当偏差为零时，晶闸管保持一定的导通角时温度维持在给定值，从而达到温度控制，保证PCB板的焊接质量。,锡炉温度控制系统图,接线图,软件设计,(1)温度检测,温度检测主程序,温度检测子程序Module_OK,温度转换程序,(2)温度控制,(a)预加热区由于预加热区是为波峰焊接做前期准备，对于温度的控制精度要求不高，可采用接触器的通断来实现。下面以第一预加热为例说明，其它两个预加热原理相同。,(b)锡炉温度,锡炉温度控制主程序,锡炉温度控制子程序SBR_0,锡炉温度控制中断程序INT_0,谢谢观看！ 敬请各位老师点评！,
