基于工業機器人的柔性化自動測試系統

王 瑞，陳偉雄，王 楠，王 勇，葉 敏，陳志仁

（上海無線電設備研究所，上海 201109）

0 引言

PCBA及電子元器件，一般都要在生產的后道加入測試環節，對其電氣性能參數進行檢測，以確保所有實際產品的規格參數滿足設計要求。與生產前道已實現高度自動化的貼片焊接、三防涂覆、螺紋緊固、點膠加固等環節不同，產品測試多為手動或半自動的方式，操作人員抓取產品并將其放置在測試治具中，完成產品的定位裝夾，以及測試治具與待測產品測試觸點（或測試接口）的導通，然后觸發自動測試流程。測試完成后，再手動將產品從治具中取出，根據測試結果的合格與否，手動分揀合格品與不良品[1]。該種測試方式雖然實現了產品測試、數據記錄、結果生成的自動化，但產品的上料抓取、治具裝夾、測點導通、下料分揀等流程仍依靠人工，存在人力成本較高、測試效率低下，測試過程一致性與質量可溯性難以保證的問題。

圖1 柔性化自動測試系統硬件架構圖Fig.1 Hardware architecture of flexible automatic test system

圖2 柔性化自動測試系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of flexible automatic test system

圖3 柔性化自動測試系統通信拓撲圖Fig.3 Communication topology of flexible automatic test system

本文介紹了一套基于工業機器人的柔性化自動測試系統，實現產品測試過程中上料抓取、編碼識別、治具裝夾、產品測試、結果生成與數據記錄、下料與不良分揀等全流程的自動化，操作人員只需定期將待測產品放入指定料盤或取走測試完成產品，顯著提升測試效率。

1 系統總體設計

該柔性化自動測試系統，以工業機器人為核心，機器人末端集成自適應電動夾持器、力控傳感器、智能相機等執行部件，搭建機器人搬運子系統，實現產品自動裝夾、編碼識別、視覺定位、力監控與位置反饋控制等功能[2,3]。

在工業機器人周圍，分別布置有周轉料盤、中轉平臺和自動化測試治具。周轉料盤按照功能劃分為供料盤、合格品料盤和不良品料盤，與實現產品重定位、編碼識別的中轉平臺構成上下料子系統。自動化測試治具可實現產品的自動裝夾定位與測試探點導通，及接口接插等功能，根據機器人工作范圍、搬運流轉與產品測試的周期時間匹配關系，合理配置測試治具數量，達到最優的測試效率。搭載測試用儀器儀表、自動化測試軟件的測試機柜與自動化測試治具之間，通過線纜連接，構成產品測試子系統。

該柔性化自動測試系統采用分布式控制，系統的主控軟件與機器人控制器、測試治具電機驅動器、測試機柜的自動化測試軟件之間，通過不同的通信協議實現指令控制、數據交互功能。

2 子系統設計

2.1 機器人搬運子系統設計

圖4所示為機器人搬運子系統，包括工業機器人、力控傳感器、腕部智能相機、自適應電動夾持器、定制夾指等組成。

圖4 機器人搬運子系統示意圖Fig.4 Schematic diagram of robot handling subsystem

工業機器人選用UR六軸協作式機器人，具有安裝快速、部署靈活、編程簡單的優點，操作人員可快速完成機器人的位置示教與編程開發，并確保操作的安全性和便利性。

圖5 測試治具示意圖Fig.5 Schematic diagram of test fixture

圖6 主控軟件架構圖Fig.6 Main control software architecture

機器人末端配置有力控傳感器，實現機器人搬運、取放過程中的力監控與力位反饋控制，避免對測試產品、料盤、測試治具等的損壞。

機器人末端配置有腕部智能相機，實現待測產品的視覺定位與編碼識別，料盤、治具處的位置識別與視覺引導等功能。

機器人末端配置有自適應電動夾持器，以及根據產品外形尺寸特征定制的夾指工裝，兼容不同產品的自動化夾持需求。

UR機器人控制器基于相關硬件接口與軟件開發包，實現與上述的力控傳感器、智能相機、自適應電動夾持器等的即插即用控制，方便功能開發。UR機器人控制器與主控軟件之間，通過基于TCP/IP的socket通信，實現控制交互。所有的動作流程以子程序的形式存儲在機器人控制器，主控軟件將包含子程序編號、目標點位置的指令字符串，通過socket通信方式發送至機器人，機器人解析指令字符串，調用子程序，執行相關動作，并將結果信息以socket通信字符串反饋至主控軟件。

2.2 上下料子系統設計

供料區、合格品料區、不良品料區布置在機器人周圍，各個料區均布置兩個料盤，可同時進行兩種產品的混線測試，也可將料盤規劃為同一規格，滿足單一產品測試需求。在供料區的一側，設計有中轉平臺，用于完成料盤取料后的產品重定位、編碼識別等操作。

2.3 產品測試子系統設計

在機器人周圍分別布置兩種產品的各兩個測試治具，分別對應不同的測試項目。每個測試治具共包含4個測試工位，測試探針通過測試線纜與測試機柜的儀器儀表連接，產品裝夾完成后，測試探針接觸產品測試點，輸入測試激勵信號并接收反饋信號，完成產品測試。

測試治具的產品裝夾、探針推進等均由步進電機驅動，工控機通過串口服務器連接各電機驅動器，主控軟件通過Modbus RTU實現對電機的驅動控制。

2.4 主控軟件子系統

主控軟件采用3層架構，包括表現層、業務邏輯層和任務驅動層。表現層包括窗體界面，各個窗體界面繼承了基類的界面接口，通過底層任務響應的窗體回調方法，實現界面更新操作。業務邏輯層包括一個動作線程和任務指令出入隊列的方法，通過調用任務響應方法實現業務邏輯。任務驅動層則實現各任務指令的具體動作響應。

從功能模塊上劃分，軟件可分為主程序模塊、機器人模塊、測試治具模塊，各個模塊均繼承了基類，具有與基類相同的層級架構。主程序的業務邏輯層可調用機器人與測試治具模塊的業務邏輯層，實現不同模塊間的互聯互通。

圖8 物料流轉調度圖Fig.8 Material flow scheduling diagram

圖7所示為主控軟件的主界面，包括：

圖7 主控軟件界面Fig.7 Main control software interface

1）測試模式選擇：根據生產排程，選擇產品混合測試、單一產品測試等。

2）測試流程控制區：包括設備初始化、測試開始、暫停、繼續、停止等按鈕。

3）料盤狀態顯示區：以表格形式對應料盤上的陣列槽位，以不同顏色填充的形式區分槽位的產品有無及異常狀態。

4）治具狀態顯示區：以表格形式對應測試工位，以顏色填充和文字說明顯示產品有無和測試狀態，如無產品、待測試、測試中、合格品、不良品、工位未啟用等。

3 關鍵技術介紹

3.1 任務自主規劃與機器人路徑優化

如上所述，該柔性化自動測試系統可兼容兩種不同產品的各兩個測試項的單獨/混合測試的不同生產排程。為滿足測試任務與搬運中轉流程的規劃調度，首先，對機器人、測試治具的動作流程進行劃分，細分為多個子程序。如針對某一測試產品，機器人子程序均可細分為：料盤處取料/放料、測試治具取料/放料、中轉平臺重定位/拍照識別、機器人回等待位等。同理，測試治具細分為治具裝夾/松開等。

主控軟件的主程序業務邏輯層，實時判斷測試進展情況與料盤、治具處的物料有無狀態，并基于指定的物料流轉方向調用相應子程序，實現生產排程的自主規劃調度。

主控軟件基于業務邏輯層的調度策略，通過socket通信方式，向機器人控制器下發子程序編號和目標點的坐標信息，機器人執行響應的動作。為實現機器人路徑優化，基于機器人基坐標系的象限區域，設置多個中間過渡點，機器人子程序執行時，首先判斷當前點與目標點的象限區域，經由過渡點運行至目標象限區域內，再執行相應的動作[4]。

3.2 主控軟件與測試軟件通信

系統主控軟件與測試機柜的測試軟件間采用UDP通信協議，實現互聯互通。通信指令如下：

1）測試流程觸發

測試治具采用多產品“同進同出”的方式，當測試治具上的4個工位均完成上料（缺料或工位未啟用情況下，可能少于4個），主控軟件向指定的網絡端口發送測試觸發指令，格式如下：

StartTest,Tester1,Code1=B0001,Code2=B0002,Code3=None,Code4=None

其中，粗體部分(Tester1)為工裝編號；斜體部分（B0001/None）為工位產品編碼；None表示該工位無產品上料（缺料或工位未啟用）。

測試軟件接收到觸發指令后，啟動測試流程。測試完成后，將測試結果數據與產品編碼綁定、存儲或上傳，確保質量可溯。

2）測試狀態反饋

測試流程觸發后，測試軟件會定時向主控軟件發送工裝的測試狀態，直至接收到下一次測試觸發指令，測試狀態的通信指令格式如下：

圖10 柔性化自動測試設備實物圖Fig.10 Physical diagram of flexible automatic test equipment

表1 試運行結果統計表Table 1 Statistics of test run results

Tester1=Testing,Status1=Busy,Status2=Busy,Status3=Empty,Status4=Empty。

粗體部分(Testing)為治具狀態，取值可為Testing（測試中）、Complete（測試完成）。斜體部分(Busy/Empty)為工位狀態，取值可為Empty（無產品）、Error（工位故障）、Testing（測試中）、Pass（測試合格）、Fail(測試不良)。

主控軟件接收到治具測試完成的狀態反饋后，執行相應的搬運中轉動作，根據測試結果的Pass/Fail，將其放置到不同的料盤，并屏蔽故障工位。

3.3 故障智能診斷與自動化恢復

該柔性化自動測試系統在運行過程中，會自動對運行過程中的故障異常進行監控，如門開報警、缺料滿料報警、動作執行異常、通信異常、碰撞異常等。異常發生時，系統自動調用異常響應動作流程，如機器人回等待位、動作中斷/急停等，并以提示框的形式顯示報警代碼、名稱、參數、原因，及相應的解決對策。操作人員按照報警對策的提示信息，輔助完成設備的故障恢復。圖9所示為供料盤中，有產品均完成測試時的缺料報警的提示框。

圖9 缺料報警提示框Fig.9 Alarm prompt box for shortage of materials

4 生產驗證

在完成該柔性化自動測試系統的研發設計、安裝調試后，安排批量產品進行生產試運行，對系統的功能性能進行測試。待測產品為某型PCBA板，待測產品數量200個。共兩項測試：①衰減性能測試，時長約8 min/pcs；②電阻測試，時長約2 min/pcs（受測試儀表影響，治具中的各測試工位為串行測試）。

據調研，人工完成200個產品的測試大約需花費35 h。自動化測試總時長為28.5 h，生產效率由5.7 pcs/h提升至7 pcs/h，提升22.8%。生產過程中，除缺料滿料報警外，未發生設備故障停機情況，操作人員只需定期將待測產品放入指定料盤或取走測試完成產品，實現測試流程的無人值守。

5 結語

該柔性化自動測試系統，以六軸協作式機器人為核心，搭配相應的末端執行器、上下料周轉料盤、自動化測試治具與測試機柜，可實現多種產品的多個測試項目的單獨/混測測試等不同生產排程，滿足高效率、高可靠、高柔性的測試需求。生產驗證過程中，系統運行穩定、無故障停機，除更換周轉料盤外，測試過程中基本實現無人化，顯著降低人工成本，減少測試過程中的人為操作因素，提升測試效率與過程一致性，具有較高的實用價值與示范意義。