綠色設(shè)計(jì)理念在環(huán)縫焊機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

張宣升 張朝國 陳囡囡 李兵

(1.阜陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 安徽 阜陽 236031; 2.阜陽博創(chuàng)數(shù)控機(jī)械科技有限公司 安徽 阜陽 236000)

作為一種環(huán)保化設(shè)計(jì)模式，綠色設(shè)計(jì)的目標(biāo)是促使環(huán)縫焊機(jī)在設(shè)計(jì)、包裝、運(yùn)輸、應(yīng)用、報(bào)廢處理等整個生命周期中，實(shí)現(xiàn)資源利用最大化，確保將環(huán)境污染程度降到最低，幫助企業(yè)獲得社會效益和經(jīng)濟(jì)效益最大化。通過將綠色設(shè)計(jì)理念科學(xué)地應(yīng)用到環(huán)縫焊機(jī)設(shè)計(jì)中，不僅可以有效提高環(huán)縫焊機(jī)綠色化制造水平[1]，實(shí)現(xiàn)對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，還為保證企業(yè)知名度和影響力提供重要的技術(shù)支持。所以，如何將綠色設(shè)計(jì)理念科學(xué)地應(yīng)用到環(huán)縫焊機(jī)設(shè)計(jì)中是設(shè)計(jì)人員必須思考和解決的問題。

1 環(huán)縫焊機(jī)概述

在設(shè)計(jì)環(huán)縫焊機(jī)時，要確保焊槍追隨焊縫的有效性和實(shí)時性，要使用十字交叉方案，對焊縫追蹤機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并將兩個滑臺模組進(jìn)行有效連接，從而形成一定的交叉十字，確保所構(gòu)建的交叉軸沿著X、Y兩個方向，確保焊槍可以安全、可靠地固定于交叉軸的平面位置處。另外，還要將伺服電機(jī)安裝和固定于滑臺模組中，并利用伺服電機(jī)的正反轉(zhuǎn)作用力，促使X軸滑臺模組沿著水平方向進(jìn)行勻速運(yùn)動[2]，Y軸滑臺模組沿著豎直方向進(jìn)行上下運(yùn)動。最后，還要將十字滑臺模組直接安裝和固定于回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中，從而完成對環(huán)縫焊機(jī)主體的構(gòu)建。環(huán)縫焊機(jī)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 環(huán)縫焊機(jī)總體結(jié)構(gòu)示意圖

通過運(yùn)用視覺識別系統(tǒng)，精準(zhǔn)地識別焊槍平面位置，并完成對相關(guān)坐標(biāo)值的記錄，當(dāng)焊接工作開展完畢后，利用伺服控制系統(tǒng)，向伺服電機(jī)安全、可靠地傳輸坐標(biāo)信號，確保整個焊槍能夠正常地移動，以達(dá)到跟隨焊縫的目的[3]。在此基礎(chǔ)上，還要將焊縫識別機(jī)構(gòu)與焊接機(jī)構(gòu)進(jìn)行有效連接，使其連接為統(tǒng)一整體，然后，將其直接安裝和固定于X軸一側(cè)。此外，在視覺識別技術(shù)的應(yīng)用背景下，還要科學(xué)調(diào)整和控制兩個攝像頭位置，確保其同時對準(zhǔn)焊縫，并調(diào)整和控制兩個攝像頭中心線，確保中心線形成一定的合適角度，從而提高視覺識別裝置形成最佳視野范圍，焊槍和保護(hù)氣噴嘴之間形成45°夾角，并保證保護(hù)氣噴嘴在焊槍的前面噴氣。根據(jù)上述要求，決定選擇上方安裝視覺識別機(jī)構(gòu)攝像頭，下方安裝的焊槍和保護(hù)氣噴嘴的方案，安裝板上面有安裝孔和安裝滑道，這樣就能保證焊槍和攝像頭調(diào)節(jié)便利，待調(diào)整好位置之后再用螺栓緊固到X軸滑臺模組的相應(yīng)位置。

2 環(huán)縫焊機(jī)的綠色化設(shè)計(jì)

2.1 樹立綠色設(shè)計(jì)觀念

在進(jìn)行環(huán)縫焊機(jī)設(shè)計(jì)時，要確保該產(chǎn)品從原來機(jī)械化設(shè)計(jì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿诵曰煨驮O(shè)計(jì)，確保所設(shè)計(jì)的環(huán)縫焊機(jī)造型具有簡潔美觀特點(diǎn)，降低材料消耗量，不斷地提高產(chǎn)品的適用性和耐久性。為保證環(huán)縫焊機(jī)綠色設(shè)計(jì)質(zhì)量，設(shè)計(jì)人員除了要提高自身的綠色設(shè)計(jì)意識外，還要綜合適用新學(xué)科、新技術(shù)，引導(dǎo)公眾和消費(fèi)者共同參與到綠色設(shè)計(jì)理念推廣中。

2.2 選用符合RoHS要求的電子元件

國內(nèi)焊機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)中，均采用采購元器件組裝模式。為保證國內(nèi)焊機(jī)生產(chǎn)向綠色化、環(huán)?；较虻牟粩喟l(fā)展，相關(guān)部門要重視對無鉛化元器件的使用。國內(nèi)某公司的52個供應(yīng)廠商無鉛化水平統(tǒng)計(jì)如表1所示，從表中數(shù)據(jù)可以看出，在內(nèi)所生產(chǎn)的元器件中，僅僅只有27.1%的元器件滿足無鉛化生產(chǎn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求。為全面實(shí)現(xiàn)無鉛化生產(chǎn)[4]，設(shè)計(jì)人員要結(jié)合實(shí)際情況，優(yōu)先選用無鉛元器件，并與RoHS 認(rèn)證的供應(yīng)商建立良好的合作關(guān)系。

表1 某公司的52個供應(yīng)廠商無鉛化水平統(tǒng)計(jì)（單位：%）

現(xiàn)階段，發(fā)達(dá)國家所有元器件生產(chǎn)企業(yè)均生產(chǎn)和推廣無鉛化元器件，但是，國內(nèi)廠家除了提出無鉛產(chǎn)品外，還提供傳統(tǒng)有鉛產(chǎn)品。

2.3 焊機(jī)的電磁兼容性設(shè)計(jì)

電磁兼容主要是指處于電磁環(huán)境下的設(shè)備能夠穩(wěn)定、正常地運(yùn)行，且不會對周圍器件產(chǎn)生電磁干擾現(xiàn)象。這就要求環(huán)縫焊機(jī)具有較高的抗電磁干擾能力，并要做好對環(huán)縫焊機(jī)自身電磁騷擾水平的抑制，確保其抑制到最低水平。一旦缺乏對環(huán)縫焊機(jī)電磁兼容設(shè)計(jì)，會降低該焊機(jī)本身的穩(wěn)定性和可靠性，從而增加電網(wǎng)污染程度。為避免以上不良現(xiàn)象的出現(xiàn)，相關(guān)部門要重視對電磁兼容測試實(shí)驗(yàn)室的建立[5]，并結(jié)合環(huán)縫焊機(jī)的電磁兼容實(shí)際情況，保證焊機(jī)本身綠色化設(shè)計(jì)質(zhì)量。某企業(yè)所生產(chǎn)的環(huán)縫焊機(jī)內(nèi)部安裝和使用無源電磁兼容濾波器，有效地提高焊機(jī)本身的可靠性和穩(wěn)定性，同時，還改善焊機(jī)工作環(huán)境，使得焊機(jī)對電網(wǎng)的污染程度降到最低。圖2 是無源EMI 濾波器電路圖，通過測試發(fā)現(xiàn)，添加無源EMI 濾波器這一措施具有一定的可靠性和有效性，確保所設(shè)計(jì)的環(huán)縫焊機(jī)完全滿足國家所提出的電磁兼容相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求。

圖2 無源EMI濾波器電路

2.4 采用低污染的軟開關(guān)逆變技術(shù)

為保證環(huán)縫焊機(jī)綠色化設(shè)計(jì)質(zhì)量，設(shè)計(jì)人員要重視對低污染的軟開關(guān)逆變技術(shù)應(yīng)用，通過應(yīng)用該技術(shù)，不僅可以提高資源利用率，避免出現(xiàn)資源浪費(fèi)，還能實(shí)現(xiàn)對環(huán)境的有效保護(hù)，降低對環(huán)境污染程度，同時，還能幫助相關(guān)企業(yè)獲得較高的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。與傳統(tǒng)硬開關(guān)逆變電路相比，諧振軟開關(guān)逆變器電路具有以下優(yōu)點(diǎn)。

2.4.1 降低電磁干擾

通過設(shè)計(jì)和應(yīng)用諧振軟開關(guān)電路，可以實(shí)現(xiàn)對開關(guān)器件的快速切換[6]，從而滿足零電壓、零電流使用需求，同時，還能有效降低諧振軟開關(guān)電路噪聲，避免出現(xiàn)電磁干擾現(xiàn)象，另外，還能避免對電網(wǎng)產(chǎn)生污染。

2.4.2 節(jié)約電能

對軟開關(guān)逆變焊機(jī)而言，當(dāng)其處于高效率狀態(tài)運(yùn)行時，其運(yùn)行效率相對較高，可以實(shí)現(xiàn)對電能的有效節(jié)約，提高能源利用率，避免對環(huán)境造成不同程度的污染。

2.4.3 可靠性高

軟開關(guān)逆變器電路內(nèi)部含有大量的開關(guān)元件，這些開關(guān)元件對開關(guān)應(yīng)力承受度能力相對較低，還可以有效提高逆變器的穩(wěn)定性和可靠性。這樣不僅可以有效延長開關(guān)器件的使用壽命，還能提高資源利用率。

2.4.4 降低元件使用量

在硬開關(guān)電路中，可以直接省略對吸收電路的使用，使得元件使用數(shù)量降到最低。2.4.5 避免金屬材料浪費(fèi)。

由于開關(guān)表現(xiàn)出較小的損耗量[7]，再加上散熱器尺寸相對較小，所以可以降低焊機(jī)體積和質(zhì)量，確保鋼、鋁型材等材料的使用量降到最低，從而提高資源利用率。

2.5 無鉛PCB板的設(shè)計(jì)

嚴(yán)格按照綠色環(huán)保相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，選用合適的無鉛PCB板，可以延長焊機(jī)的使用壽命，同時，還能實(shí)現(xiàn)對環(huán)境的有效保護(hù)，避免對環(huán)境產(chǎn)生不同程度的污染。

2.5.1 基板選材

在無鉛工藝的實(shí)施下，設(shè)計(jì)人員要做好對基板的規(guī)范化選材。首先，在設(shè)計(jì)PCB板時，要結(jié)合PCB板特點(diǎn)，選用FR4 基板，如果PCB 板含有較多的層數(shù)[8]，要確保所選用的板材具有較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，各種板材的比較如表2所示。

表2 各種板材的比較

對于PCB 板而言，當(dāng)其孔厚徑比遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過10 mm時，在進(jìn)行基板選材時，禁止選用FR-4板材，這是由于孔的厚徑過大，導(dǎo)致孔電鍍表現(xiàn)出較低的藥水貫穿能力，這無疑降低孔壁銅厚均勻性，造成孔中銅厚變得越來越薄。與有鉛工藝相比，無鉛焊接工藝在具體實(shí)施中，其溫度相對較高，這就增加孔銅拉斷失效風(fēng)險(xiǎn)。為解決以上問題，要適當(dāng)?shù)亟档秃副P孔厚徑比，使其控制在8 mm以下。

2.5.2 元件布局

在進(jìn)行元件布局時，要在保證各個元件本體相互獨(dú)立、互不影響的基礎(chǔ)上，適當(dāng)?shù)卦黾酉噜徳副P間距，確保其間距超過1 mm。另外，還要將元件直接貼裝在波峰焊表面處，元件焊盤最小間距如表3所示。

表3 元件焊盤最小間距

3 環(huán)縫焊機(jī)無鉛化設(shè)計(jì)

為確保綠色設(shè)計(jì)理念更好地應(yīng)用于環(huán)縫焊機(jī)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員要嚴(yán)格按照如圖3 所示的環(huán)縫焊機(jī)無鉛化設(shè)計(jì)流程，促使環(huán)縫焊機(jī)向綠色化、無鉛化、環(huán)保化方向不斷發(fā)展。

圖3 環(huán)縫焊機(jī)無鉛化設(shè)計(jì)流程

3.1 無鉛焊接

在進(jìn)行無鉛焊接時，要利用波峰焊的方法，選用WDS-350-E 無鉛波峰焊機(jī)。由于國內(nèi)環(huán)縫焊機(jī)生產(chǎn)規(guī)模相對較小，大量廠家主要選用以下兩種焊接方法，一種是手工焊接法，另一種是浸焊接法。即使運(yùn)用回流焊模式，也無法完全淘汰手工補(bǔ)焊方式的運(yùn)用，所以，在進(jìn)行無鉛焊接時，要將重點(diǎn)精力放在手工焊、浸焊上。無鉛手工焊主要包含以下幾個環(huán)節(jié)：首先，選用合格的烙鐵頭，然后對烙鐵頭進(jìn)行全面清潔，并對其進(jìn)行上錫處理；其次，科學(xué)調(diào)整和控制烙鐵頭與焊點(diǎn)之間的溫度，確保該溫度始終保持在45 ℃以下，焊接時間控制在5 s以內(nèi)；再次，對焊錫絲進(jìn)行熔化處理，并做好對焊盤與筒孔之間的覆蓋處理；最后，將烙鐵頭放置到遠(yuǎn)離焊點(diǎn)的位置，并對焊錫進(jìn)行熔化、凝固處理。

3.2 助焊劑選用

在選用助焊劑時，要優(yōu)先選用免洗助焊劑，該助焊劑除了表現(xiàn)出發(fā)泡性能高特點(diǎn)外，還具有較高的助焊能力，且該助焊劑內(nèi)部并不含有鹵素，因此，在進(jìn)行焊接時，所產(chǎn)生的殘余物具有無腐蝕性特點(diǎn)。當(dāng)其預(yù)熱溫度達(dá)到140 ℃左右時，助焊劑性能會處于最佳狀態(tài)，避免線路板出現(xiàn)明顯彎曲現(xiàn)象。該助焊劑適用于多種工藝，如浸焊工藝、手工焊工藝等。

4 環(huán)縫焊機(jī)綠色包裝

綠色包裝具有對生態(tài)環(huán)境、人類身體無公害，循環(huán)利用、再生利用率高等特點(diǎn)，因此，在選用綠色包裝材料時，要優(yōu)先選用瓦楞紙板材料。對于環(huán)縫焊機(jī)而言，所選用的綠色包裝方式主要以混合包裝方式為主，該混合包裝方式將紙、木進(jìn)行有效結(jié)合，完全滿足綠色包裝使用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求。通過選用瓦楞紙板材料，制作環(huán)縫焊機(jī)綠色包裝，可以實(shí)現(xiàn)資源的最大化、循環(huán)化利用。為保證環(huán)縫焊機(jī)包裝綠色化水平，相關(guān)企業(yè)要從以下幾個方面入手：（1）在進(jìn)行包裝箱表面處理時，確保所用的水性油墨印刷方式符合綠色包裝制作相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求；（2）優(yōu)先選用中性包裝箱，這是由于該包裝箱體表面省去印刷環(huán)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)對包裝箱的循環(huán)化利用，為保證環(huán)縫焊機(jī)環(huán)保性，降低包裝成本打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。某公司通過大量使用中性包裝箱，加大對無字包裝箱的推廣和普及。

5 環(huán)縫焊機(jī)的回收和無害化處理

當(dāng)環(huán)縫焊機(jī)報(bào)廢后，所拆卸的零件含有銅、鋼材料可以被循環(huán)利用。我國于20 世紀(jì)初進(jìn)入焊機(jī)電子化時代，大量的電子化焊機(jī)被逐漸淘汰和報(bào)廢，部分焊機(jī)所產(chǎn)生的廢棄物通常對生態(tài)環(huán)境造成不良影響[9-10]，因此，加強(qiáng)對焊機(jī)的無害化處理顯得尤為重要。對于環(huán)縫焊機(jī)而言，其生產(chǎn)廠并不具備垃圾處理能力，需要依靠專業(yè)廠家，對焊機(jī)進(jìn)行科學(xué)回收和無害化處理。

6 結(jié)語

綜上所述，目前環(huán)縫焊機(jī)在設(shè)計(jì)、制造、包裝、報(bào)廢處理等各個環(huán)節(jié)中，均可能會對生態(tài)環(huán)境造成不同程度的污染，需要引起相關(guān)部門的高度重視。隨著國內(nèi)綠色設(shè)計(jì)理念不斷實(shí)施，國際對環(huán)縫焊機(jī)產(chǎn)品的環(huán)保特性提出更高的檢測要求，一旦忽視對環(huán)縫焊機(jī)綠色化設(shè)計(jì)，將會對國內(nèi)焊機(jī)出口貿(mào)易產(chǎn)生不良影響，從而嚴(yán)重制約電焊機(jī)行業(yè)的創(chuàng)新、穩(wěn)定發(fā)展。為此，焊機(jī)相關(guān)制造商要重視對綠色設(shè)計(jì)理念的運(yùn)用，確保環(huán)縫焊機(jī)產(chǎn)品在制造、工藝方面取得良好的環(huán)保性，從而增加綠色焊機(jī)的賣點(diǎn)，為提高企業(yè)的知名度和影響力，實(shí)現(xiàn)人類生態(tài)環(huán)境的保護(hù)創(chuàng)造了良好的條件。