CN117415408A - 一种微型温差电致冷组件自动焊接装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型温差电致冷组件自动焊接装置，包括自动上下料机构、焊接机构和转运装置；自动上下料机构包括机械手搬运机构和皮带运输机构，机械手搬运机构负责将放有上陶瓷片或下陶瓷片的载具从传送带搬运到焊接基座中；皮带运输机构负责将上道工序中生产出的半成品上陶瓷片和下陶瓷片传送到指定位置以供机械手搬运；焊接机构包括：焊接基座、加热装置、测温装置、冷却装置、视觉检测装置、位置调节机构和废气吸收装置；加热装置和测温装置用于给放有陶瓷片的载具加热升温并进行温度检测。本发明整个焊接、翻转、拍照扣合等动作都有设备自主完成，完全无需人为干预。在保证微型组件焊接精度的同时，也能大大提升效率，降低成本。

Description

一种微型温差电致冷组件自动焊接装置

技术领域

本发明属于半导体制冷器件焊接技术领域，尤其涉及一种微型温差电致冷组件自动焊接装置。

背景技术

半导体制冷器是利用半导体的热-电效应制取冷量的器件，利用特种半导体材料构成的P-N结，形成热电偶对，在通直流电时产生珀尔帖效应，在器件两面一端吸热，一端放热。温差发电器件则在器件两面处存在温差，产生塞贝克效应，电流就会产生。常规的半导体制冷器件包括上陶瓷片、下陶瓷片、以及设置在二者之间的N型和P型晶粒。

半导体制冷器具有寿命长，无污染，无噪音，安装灵活，能精确控温等特点，目前已在多个领域中的大量应用。光通讯模块中光芯片对温度非常敏感，超过0.1℃的温度波动就足以导致激光波长漂移，并影响光输出功率，从而影响光电转换效率和网络通讯信号的稳定，搭载温差电制冷组件是其唯一解决方案，但常规的温差电致冷组件体积大，无法封装到光通讯模块的管壳中。为了实现在狭小空间内光通讯模块的制冷和精确控温，必须使用微型温差电致冷组件。

传统的温差电致冷组件需要使用模具进行定位焊接，但随着温差电致冷组件本身的小型化，其内部的电路和粒子也在同步缩小，使用该方式进行焊接非常容易造成致冷组件内部短路。因此使用模具定位已经不适合微型温差电致冷组件的焊接，因此必须要引入相机对陶瓷片进行拍照，通过相应的视觉识别算法，才能够实现上陶瓷片和下陶瓷片的精确对位和扣合。

在微型温差电致冷组件生产过程中，先将带有晶粒上陶瓷片放置在固定的位置上，使用相机视觉对位后，通过压片将晶粒牢牢压在上陶瓷片上，保持固定的压力并开始焊接上陶瓷片和晶粒。上陶瓷片焊接完成后,将其翻转并放置在下陶瓷片上方，使用相机视觉对位后通过高精度运动机构调整二者的相对位置，之后将二者放置到一起并保持足够压力进行焊接，最终得到微型致冷组件。

传统的温差电致冷组件的生产过程中工序繁琐，自动化程度低，人员需求量大。同时由于焊接的过程中需要反复加热和冷却，单个产品焊接耗时较长，生产效率低。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种微型温差电致冷组件自动焊接装置，利用可上下拍照的相机，对上、下陶瓷片的位置和角度进行精确定位，再通过高精度伺服带动二者进行位移和扣合，整个焊接、翻转、拍照扣合等动作都有设备自主完成，完全无需人为干预。在保证微型组件焊接精度的同时，也能大大提升效率，降低成本。

本发明是这样实现的，一种微型温差电致冷组件自动焊接装置，包括自动上下料机构、焊接机构和转运装置；

所述自动上下料机构包括机械手搬运机构和皮带运输机构，所述机械手搬运机构负责将放有上陶瓷片或下陶瓷片的载具从传送带搬运到焊接基座中；所述皮带运输机构负责将上道工序中生产出的半成品上陶瓷片和下陶瓷片传送到指定位置以供机械手搬运；

所述焊接机构包括：焊接基座、加热装置、测温装置、冷却装置、视觉检测装置、位置调节机构和废气吸收装置；所述加热装置和测温装置用于给放有陶瓷片的载具加热升温并进行温度检测；所述冷却装置用于给高温的载具快速降温；所述视觉检测装置用于上陶瓷片和下陶瓷片的焊接位置的确定；所述位置调节机构用于上陶瓷片和下陶瓷片位置的调整；所述废气吸收装置用于焊接过程中废气的收集和净化。

进一步的，所述焊接机构包括所述的焊接基座上表面开有凹槽，主要用于放置载具；

所述焊接基座的材料为陶瓷或者不锈钢，通过螺栓及销钉与设备本体相连；所述焊接基座的结构强度高，同时具有较高的加工精度及平面度。

进一步的，所述的加热装置，是利用高频感应原理，能在非接触的情况下，使载具快速升温；

所述加热装置主要包括加热线圈、伸缩气缸、变压器、控制器四部分组成，所述测温装置拥有两种测温方式，既可以远程使用红外测温的方式进行测量，又可以使用热电偶的方式直接接触载具进行测温。

进一步的，所述冷却装置用于给高温的载具和陶瓷片快速降温，帮助陶瓷片表面的锡膏快速冷却凝固，从而完成整个焊接过程；所述冷却装置主要包括冷却块、冷水机及循环系统、顶升装置；所述冷却块材质选用热导率较高的铜及其合金，为提升冷却效率，在铜冷却块内部通有循环的冷却水；所述顶升装置能够使冷却块从底部紧密贴合载具，提升导热效率。

进一步的，所述的视觉检测装置，用于上陶瓷片和下陶瓷片的位置和角度的确定；所述视觉检测装置主要包括驱动电机、相机、光源；

所述相机包括相机本体及配套使用的镜头，所述相机镜头内部拥有能够上下折射的反射镜，能够向上和向下拍照并计算出上、下陶瓷片的位置坐标和角度偏差；所述相机既能够同时对上、下陶瓷片进行拍照，也能够独立对其中一个方向进行拍照。

进一步的，所述位置调节机构主要包括X轴调整机构、Y轴调整机构、Z轴调整机构以及角度R轴调整机构；所述位置调节机构中的各个电机均采用伺服电机或步进电机，丝杠为高精度的滚珠丝杠，所述导轨均为两条平行排布的直线导轨。

本发明具有的优点和技术效果：由于采用上述技术方案，利用可上下拍照的相机，对上、下陶瓷片的位置和角度进行精确定位，再通过高精度伺服带动二者进行位移和扣合，整个焊接、翻转、拍照扣合等动作都有设备自主完成，完全无需人为干预。在保证微型组件焊接精度的同时，也能大大提升效率，降低成本。

附图说明

图1是本发明的中所述自动上下料机构、焊接机构和转运装置装配后的结构示意图；

图2是本发明的中所述焊接基座、加热装置、测温装置、冷却装置、视觉检测装置、位置调节机构、废气吸收装置装配后的结构示意图；

图3是本发明的中所述皮带运输机构以及转运装置装配后的结构示意图；

图4是本发明的焊接装置装配后的结构示意图。

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，以下结合实施例，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例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1至图4所示，本申请提供一种微型温差电致冷组件自动焊接装置，包括：自动上下料机构、焊接机构1和转运装置3。

所述自动上下料机构包括：机械手搬运机构、皮带运输机构。

所述机械手搬运机构包括上陶瓷片搬运机械手26和下陶瓷片搬运机械手27；所述皮带运输机构主要包括两根进料皮带21和三根进料皮带22。

所述进料皮带21主要包括限位块211、皮带左右挡板212、位置传感器214、挡块及控制气缸217、皮带驱动电机218、同步带轮219、传送带220组成。检测相机及镜头215、环形光源216固定在设备底座上，共同构成了进料检测系统。

所述上陶瓷片放在专用的载具200上，从五根皮带最左侧的皮带21流入到设备中。所述传感器213能对载具200的位置进行检测，所述挡块及控制气缸217能上下伸缩并固定载具位置，所述相机215能够识别不同型号的微型温差电致冷组件并对其进行入料检测，所述光源216能够发出4种不同颜色的光。

所述转运装置主要包括横移导轨及电机301、上下伸缩气缸311、旋转气缸312、支架313、第一吸嘴314、第二吸嘴315组成。

所述横移导轨301能够带动支架313左右移动，所述上下伸缩气缸311能够带动支架313上下移动，所述上下旋转气缸312能够带动支架313进行360°旋转，完成第一吸嘴314和第二吸嘴315工作模式的切换。

所述的第一吸嘴314负责将焊机完成的上陶瓷片从载具200中取出，所述的第二吸嘴315负责将载具从进料皮带21搬运至出料皮带22。

当相机215识别完成后，载具200继续移动到传送到末端，限位块221会限制载具200的位置，由顶升机构222将其从传送带上顶起。横移导轨301带动支架313到达进料皮带21顶端后，气缸312旋转180°并使第一吸嘴314朝下，随后气缸311收缩，第一吸嘴314接触到上陶瓷片并将其从载具200中取出，之后气缸311伸出，气缸312再次旋转180°，气缸311收缩，第二吸嘴315将载具200从进料皮带21搬运至出料皮带22。

所述焊接机构包括：焊接基座129、加热装置、测温装置、冷却装置、视觉检测装置、位置调节机构、废气吸收装置。

所述的焊接基座129上表面开有凹槽，主要用于放置载具200，之后压紧机构127将载具压紧固定在焊接基座129中。所述焊接基座129的材料为陶瓷或者不锈钢，通过螺栓及销钉与设备本体相连。所述焊接基座129的结构强度高，同时具有较高的加工精度及平面度。

加热装置利用高频感应原理，在非接触的情况下，能够使载具快速升温，热量会通过载具传递到其内部的陶瓷片，使覆盖在陶瓷片表面的焊锡膏融化流动。加热装置主要包括加热线圈122、伸缩气缸126、变压器123、控制器四部分组成。所述加热线圈122的环形区域用于加热载具，直线区域用于导电、支撑和连接。所述加热线圈122的内部通有循环水，可以冷却加热线圈，使其不发生热变形。所述变压器123为同轴变压器，用于电压变换、电流变换，并起到电气隔离的作用。

所述测温机构主要负责实时监测陶瓷片的温度，并控制加热时间。测温机构主要由测温器124、控制器、安装支架、运动气缸组成。所述测温器124为测温机构的核心，拥有两种测温方式，既可以远程使用红外测温的方式进行测量，又可以使用热电偶的方式直接接触载具200进行测温。所述运动气缸能够控制测温器124进行位移，实现远、近两种测温方式的切换。

所述冷却装置用于给高温的载具和陶瓷片快速降温，帮助陶瓷片表面的锡膏快速冷却凝固，从而完成整个焊接过程。所述冷却装置主要包括冷却块、冷水机及循环系统、顶升装置。所述冷却块材质选用热导率较高的铜及其合金，为提升冷却效率，在铜冷却块内部通有循环的冷却水。所述顶升装置能够使冷却块从底部紧密贴合载具200，进一步提升导热效率。

所述视觉检测装置用于上陶瓷片和下陶瓷片的位置和角度的确定。

所述视觉检测装置主要包括驱动电机117、相机118、光源119。

所述相机118包括相机本体及配套使用的镜头，所述相机镜头内部拥有能够上下折射的反射镜，能够向上和向下拍照并计算出上、下陶瓷片的位置坐标和角度偏差。所述相机118既能够同时对上、下陶瓷片进行拍照，也能够独立对其中一个方向进行拍照。所述光源119能够在拍照时候进行补光，提升拍照质量。

位置调节机构主要包括X轴调整机构、Y轴调整机构、Z轴调整机构以及角度R轴调整机构。

所述X轴调整机构负责上、下陶瓷片X方向的移动对位，主要包括电机、滚珠丝杠、导轨、支撑块等。所述Y轴调整机构负责上、下陶瓷片Y方向的移动对位，主要包括电机116、滚珠丝杠、导轨、移动平台等。所述Z轴调整机构负责上、下陶瓷片Z方向的移动对位，主要包括电机111、滚珠丝杠112、导轨、支撑块、压头等。压头内部具有压力传感器、压力保持机构、真空吸附机构等。上陶瓷片被吸附在压头上。角度R轴调整机构主要是利用电机对让压头旋转来实现上下陶瓷片的对位。位置调节机构中的各个电机均采用伺服电机或步进电机，丝杠为高精度的滚珠丝杠，所述导轨均为两条平行排布的直线导轨。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种微型温差电致冷组件自动焊接装置，其特征在于，包括自动上下料机构、焊接机构和转运装置；

所述自动上下料机构包括机械手搬运机构和皮带运输机构，所述机械手搬运机构负责将放有上陶瓷片或下陶瓷片的载具从传送带搬运到焊接基座中；所述皮带运输机构负责将上道工序中生产出的半成品上陶瓷片和下陶瓷片传送到指定位置以供机械手搬运；

所述焊接机构包括：焊接基座、加热装置、测温装置、冷却装置、视觉检测装置、位置调节机构和废气吸收装置；所述加热装置和测温装置用于给放有陶瓷片的载具加热升温并进行温度检测；所述冷却装置用于给高温的载具快速降温；所述视觉检测装置用于上陶瓷片和下陶瓷片的焊接位置的确定；所述位置调节机构用于上陶瓷片和下陶瓷片位置的调整；所述废气吸收装置用于焊接过程中废气的收集和净化。

2.根据权利要求1所述的微型温差电致冷组件自动焊接装置，其特征在于，所述焊接机构包括所述的焊接基座上表面开有凹槽，主要用于放置载具；

所述焊接基座的材料为陶瓷或者不锈钢，通过螺栓及销钉与设备本体相连；所述焊接基座的结构强度高，同时具有较高的加工精度及平面度。

3.根据权利要求1所述的微型温差电致冷组件自动焊接装置，其特征在于，所述的加热装置，是利用高频感应原理，能在非接触的情况下，使载具快速升温；

所述加热装置主要包括加热线圈、伸缩气缸、变压器、控制器四部分组成，所述测温装置拥有两种测温方式，既可以远程使用红外测温的方式进行测量，又可以使用热电偶的方式直接接触载具进行测温。

4.根据权利要求1所述的微型温差电致冷组件自动焊接装置，其特征在于，所述冷却装置用于给高温的载具和陶瓷片快速降温，帮助陶瓷片表面的锡膏快速冷却凝固，从而完成整个焊接过程；所述冷却装置主要包括冷却块、冷水机及循环系统、顶升装置；所述冷却块材质选用热导率较高的铜及其合金，为提升冷却效率，在铜冷却块内部通有循环的冷却水；所述顶升装置能够使冷却块从底部紧密贴合载具，提升导热效率。

5.根据权利要求1所述的微型温差电致冷组件自动焊接装置，其特征在于，所述的视觉检测装置，用于上陶瓷片和下陶瓷片的位置和角度的确定；所述视觉检测装置主要包括驱动电机、相机、光源；

所述相机包括相机本体及配套使用的镜头，所述相机镜头内部拥有能够上下折射的反射镜，能够向上和向下拍照并计算出上、下陶瓷片的位置坐标和角度偏差；所述相机既能够同时对上、下陶瓷片进行拍照，也能够独立对其中一个方向进行拍照。

6.根据权利要求1所述的微型温差电致冷组件自动焊接装置，其特征在于，所述位置调节机构主要包括X轴调整机构、Y轴调整机构、Z轴调整机构以及角度R轴调整机构；所述位置调节机构中的各个电机均采用伺服电机或步进电机，丝杠为高精度的滚珠丝杠，所述导轨均为两条平行排布的直线导轨。