自动铟封设备及其控制系统

铟封是一种重要的软金属封接方法，陀螺的玻璃腔体和金属电极采用铟封，实现谐振腔的真空。目前铟封多采用手
工操作，较难实现铟环、电极和腔体孔的对准，且封接一致性差，因此本项目研制自动铟封设备，实现铟环和电极与腔体孔的自动对准放置，并施加温度和封接力。利用温度控制器、加热棒、Pt 电阻设计了温度闭环控制系统，采用位移－力控制策略，通过控制热压头的位移，结合系统刚度，实现了压封力的稳定控制。

实验表明，设备的温度控制最大偏差小于±0．3 ℃ ，压封力控制偏差小于 9 N。

一、设备总体结构

本设备的用途用来封接下图所示装置。

设备组成：

热压装置
作业机械手
上料装置
控制系统

二、热压模块

热压装置用于实现电极的自动封接，主要由直线推杆、伺服电机、移动横梁、导向轴、直线轴承、光栅尺和压力传感器等组成，其结构如图所示。导向轴既用于构成装置的框架结构，又起导向作用，移动部分用直线轴承与导向轴配合，保证压封过程中带动电极加热装置沿直线运动。

伺服电机为HF-KN43J-S100型伺服电机；
压力传感器为BK-4B型压力传感器，该传感器为轮辐式测力传感器
光栅尺选用KA-300型光栅尺，其量程为320mm，精度为±5μm

腔体移动平台

三、作业机械手

3.1 作业机械手

作业机械手主要由三自由度运动平台和作业机械臂两部分组成。其中三自由度运动平台用于实现X、Y、Z三个方向的准确定位；作业机械臂用于实现电极的自动拾取和放置。

3.2 电极的拾取

作业机械臂用于实现电极的自动拾取与放置，其结构如图10所示，主要由机械手安装角座、侧板、对准检测镜、微动开关、弹簧片以及电极吸附装置等组成。加强筋用来提高安装角座的刚度。对准检测镜用于腔体与电极加热装置加中热体中间孔的对准，根据检测镜所采集的图像，调节腔体移动平台X、Y方向的位移使电极正对加热体的中间孔，保证压封位置的准确性并避免造成电极损坏。弹簧片作为柔顺机构，避免产生冲击，起到保护零件的作用。微动开关则用来防止弹簧片产生塑性变形，同时也防止拾取电极时发生碰撞，损坏位移台。

四、电极上料装置

电极的上料由操作人员将待压封电极放置于带有圆形凹台的上料座上，上料装置结构如图(a)所示。上料装置中的上料座为三合一上料座，如图(b)所示，D27尺寸上料座用于阴极上料， D14和D16尺寸的上料座用于阳极上料。

五、控制系统设计

5.1 温度控制

加热头中采用的加热元件为八光电热器件公司生产的加热棒（又称筒式加热器），如图所示，型号为HLJ2042。这种加热棒具有高效率（基本能无损耗传递热量），寿命长（发热线使用高镍合金），牢固性好（能够承受使用时机械振动及冲击），电气性能良好（具有优良的绝缘性能，特别是高温时能保持稳定的绝缘性能），可操作性强，结构紧凑，节省空间。

加热头中采用的温度传感器为德薄膜铂电阻温度传感器，相较于绕线式陶瓷温度传感器性价比更高，其测量范围为-70～300℃，精度1/3B级。

温度控制主要由温控器完成，计算机通过RS232与温控器通讯，读取温度实测值，写入温度设定值，温控器输出4-20mA标准电流信号到触发器输入端，触发器控制可控硅的通断实现加热器的工作功率，从而实现温度自动控制。

电极自动压封设备控制软件设计有温控器通讯模块，其作用是与温控器通讯，对温控器进行简单设定，读取温度实测值，写入温度设定值。其工作流程如图所示。欧姆龙温控器可以采用多种通讯方式实现与计算机的通讯，本设备采用CompoWay/F通讯方式。

温度控制软件界面如图所示：

5.2 压力控制

计算机通过软件向运动控制卡发送命令，运动控制卡输出脉冲信号到步进电机驱动器，驱动器将脉冲信号放大驱动步进电机转动，直线推杆将旋转运动转换成直线运动带动热压头上下运动，而热压头会通过腔体、底板将压力施加给压力传感器，压力传感器输出电信号，并通过信号的放大、滤波，由数据采集卡采集输入到计算机，计算机控制软件将压力实测值与压力设定值对比输出控制信号，实现对压力的准确控制。