基于工業機器人的PCBA自動化測試系統

晏 亮，王偉峰，陳一凡，韓 非，涂 建

（1.牧星智能工業科技（上海）有限公司，上海 200090；2.上海無線電設備研究所，上海 201109）

0 引言

印制電路板裝配板（PCBA）是已經焊接、組裝好電子元件的印制電路板，其傳統測試方法是采用人工取放板，每個測試工位或測試設備都需要配備相應的測試人員。傳統測試方法自動化程度和測試效率較低，而且要求測試人員有較高專業技能。

隨著國家“智能制造”戰略的推行，工業機器人的安裝量迅猛增長，在電子電氣領域的普及程度迅速提高。機器人越來越多地被應用于自動化生產及測試，相較于人工操作的模式具有明顯優勢，可降低人工成本，提高生產品質，便于生產周期管理、數據追溯[1-3]。另外，近年來機器視覺技術發展迅猛，很多研究致力于解決機器人與機器視覺技術集成的問題，兩者結合在一起可極大增加系統的柔性和智能化程度[4,5]。本文設計的PCBA 自動化測試系統，使用FANUC 六軸機器人及視覺定位技術，實現了PCBA 測試的全過程自動化。

圖1 總體布局Fig.1 Total body layout

圖2 末端執行裝置Fig.2 End actuator

1 總體設計

PCBA 自動化測試系統，以六軸工業機器人為中心，布置上下料模組和測試設備，總體布局如圖1 所示。上下料模組設計多個料盒，分別用來存放待測品、良品及不良品；測試設備的位置根據機器人工作區間合理設計，確保測試治具在機器人手爪的工作范圍內，并通過合理配置測試設備的數量，使測試時間與機器人單次轉移時間相匹配，以達到最優的系統效率；機器人末端設計了電動夾爪用于PCBA 抓取，以及相機、激光傳感器及壓力傳感器等復合檢測裝置，用于產品定位、工裝標定、產品安全保障等。

機器人從待測品料盒中將PCBA 取出，插入測試設備的治具中；測試設備開始自動測試，并將結果反饋給主控系統；機器人將測試完成的PCBA 從治具中取出，根據測試結果，將其放入良品料盒或不良品料盒。

2 核心分系統

PCBA 自動化測試系統主要包含執行系統、測試系統、視覺定位系統和過程追溯系統4 個核心分系統。

2.1 執行系統

執行系統由工業機器人、末端執行裝置及伸縮氣缸3部分組成。

工業機器人采用FANUC M10iA，六軸多關節機器人，可達半徑1420mm，重復定位精度±0.08mm，可滿足PCBA 在測試設備上與測試治具的高精度對插要求。

末端執行裝置包含抓取機構和壓力傳感器，如圖2 所示。抓取機構采用雙夾爪形式，搭配電動夾爪夾持PCBA兩側的工藝邊。雙夾爪的設計使得機器人可實現一取一放的組合動作（將測試結束的PCBA 從治具中取出，再將待測試的PCBA 插入治具中），大幅提高轉移效率；電動夾爪采用位置控制和壓力控制的組合控制模式（先以位置模式快速運動至即將接觸工藝邊的位置，再以壓力模式夾緊工藝邊），通過設置合理的壓力值，可有效避免損傷PCBA，且在夾持失敗的情形下輸出報警信息。相較于常用的氣動夾爪，電動夾爪功能強大，具有靈活、安全等優點。機器人末端法蘭與電動夾爪之間安裝壓力傳感器，其作用是在往測試治具上插裝PCBA 時，實時檢測下壓壓力，當壓力值超出設定閾值時，主控系統中止機器人動作，以保護PCBA 不受損傷。

伸縮氣缸實現料盒的吐出、縮回。當需要人工補料（待測品）或卸料（良品、不良品）時，將料盒吐出至防護網外側，人員操作時完全脫離機器人工作區間，確保人員的絕對安全；人工補料或卸料完成后，料盒縮回，機器人開始自動抓取、放置PCBA，繼續生產測試。

2.2 測試系統

測試設備包含測試主機、儀表、輸入輸出等模塊，可實現PCBA 的自動測試。測試設備的數量可根據測試時間、機器人速率等合理設置（最多可達6 臺），以最少的資源達到最優的測試效率。測試設備與主控系統通過以太網連接，作為總系統的一部分。當主控系統故障，或機器人掛機等其它意外情況發生時，測試設備可作為獨立單元，脫離主控系統，由人工代替機器人取放PCBA，實現停機不停產，保障生產進度不受影響。

主控系統與測試設備采用TCP 通信方式，機器人系統作為TCP SERVER，測試系統作為TCP CLIENT。

主控系統與測試設備的信息交互過程如下：

1）測試系統運行后，若狀態正常，不斷發送ready；若狀態異常，不斷發送err。

2）測試系統收到主控系統響應的二維碼后，不再發送ready，開始檢測插入位置是否正確、是否插到位。

若插入位置錯誤，發送pos err；若插入不到位，發送pos invalid；若插入正確且已插到位，不發送信息，開始測試。

圖3 視覺定位結果Fig.3 Visual positioning results

3）若測試合格，發送pass；若測試不合格，發送fail。

4）收到主控系統響應后，本次流程結束，開始發送ready 進入下一流程。

2.3 自動定位與標定系統

本系統主要分為視覺硬件裝置和軟件系統，硬件裝置由相機、光源及鏡頭等組成，軟件系統包括圖像處理模塊、坐標變換模塊、自動標定模塊等組成。視覺硬件裝置被安裝在機器人末端，跟隨機器人移動，可引導機器人對其執行取放動作，以及對測試治具位置的自動標定。

2.3.1 產品自動定位

PCBA 厚度比在料盒料槽的寬度小，其在料盒中的位置是不確定的；另外，上料時料盒的位置也會有微小變化。因此，無法通過固定點位抓取的方式進行取料，需要視覺機器人末端的視覺系統實現PCBA 精確定位，并引導機器人進行抓取。

機器人帶動末端相機在料盒上方進行拍照，獲取料盒中PCBA 的圖像，通過模板匹配算法，得到圖像像素坐標，然后由視覺軟件系統進行坐標變換，得到PCBA 在機器人坐標系中的坐標，進而引導機器人準確抓取PCBA。

PCBA 豎直放在料盒槽內，機器人末端相機從上往下拍照，只能獲取到長邊圖像以及連接件圖像。PCBA 在料槽中傾斜狀態下，長邊圖像亮度很低，不是理想的識別對象；連接件底座為白色，尺寸也較大，在不同傾斜角度下圖像亮度均較高。因此，將其選為識別對象。利用機器視覺的模板匹配算法，識別出圖像中連接件的數量及位置，如圖3 所示。

2.3.2 測試治具自動標定

測試設備作為系統的一部分，根據生產任務調度，需要隨時抽離到人工測試工位；測試治具根據測試產品的不同，需要進行更換。因此，測試治具的位置經常會發生變化，為了能夠快速消除該變化帶來的影響，要求自動化測試系統具備對測試治具進行自動、快速定位的能力。

圖4 測試治具自動標定流程Fig.4 Testing the automatic calibration process

機器人末端的視覺系統與激光傳感器組成自動標定系統，實現對測試治具的位置和姿態快速標定的功能。視覺系統實現對治具水平面的位置和角度（ 3 個自由度）的標定，激光傳感器實現對治具高度和傾斜角度（ 3 個自由度）的標定，標定流程如圖4 所示。

2.4 過程追溯系統

為了將PCBA 產品信息、測試過程信息、測試結果等建立關聯數據并作保存，設計一套固定視覺裝置（如圖5所示），識別PCBA 二維碼信息。機器人從待測品料盒中抓取PCBA 后，將其置于固定相機上方，固定相機自動識別PCBA 正面的二維碼；系統將產品自身相關信息，后續測試的對應治具、測試設備，以及測試結果等信息全部與二維碼進行關聯。

固定視覺裝置除了識別二維碼以外，還采集PCBA 正反面圖像，并做初步質量檢測，判斷元器件是否有異常。圖像信息與二維碼關聯，并存儲在本地；車間MES 系統通過以太網從本地讀取圖像、測試等所有過程信息。

3 試生產驗證

提供100 片PCBA，對自動化測試系統進行實測驗證。測試設備測試一片PCBA 的時間是115s，機器人完成單次轉移流程（從料盒抓取PCBA，插入治具；再從治具取出PCBA，放入良品料盒或不良品料盒）的時間為30s 左右，配置4 臺測試設備，系統效率最優（機器人不停地轉移，正好匹配測試設備的測試速度）。

圖5 固定視覺裝置Fig.5 Fixed vision device

統計生產數據，所有產品完成測試的總時間為3130s，良品98 片，不良品2 片。整個測試過程全部由系統自動完成，無須人工輔助；故障停機0 次，產品損壞0 片，單片生產效率為31.3s。

4 結論

本文利用工業機器人及機器視覺技術，設計了由執行系統、測試系統、自動定位與標定系統、過程追溯系統，4個核心分系統組成的PCBA 自動化測試系統。經過100 片PCBA 的試生產實測，該系統實現PCBA 轉移和測試的全過程自動化，運行過程中無故障、無損件。PCBA 自動化測試系統使用機器代人，自動化程度高，可以降低用人成本，減少生產過程的人為操作失誤因素，提高生產品質保障，具有很高的實際應用意義。