電動執(zhí)行器控制電路板柔性裝夾測試設(shè)備設(shè)計(jì)與分析

劉立三

（重慶川儀自動化股份有限公司執(zhí)行器分公司，重慶 401121）

電動執(zhí)行器作為工業(yè)自動化過程中的重要執(zhí)行單元，主要由電機(jī)、控制電路板及減速機(jī)構(gòu)三個部分組成，被廣泛的應(yīng)用于液化石油、煤氣化工、水利水電、冶金等領(lǐng)域，以及遠(yuǎn)程、智能、快速的驅(qū)動閥門、風(fēng)門等設(shè)備，在現(xiàn)代自動化生產(chǎn)過程中起著十分重要的作用[1-4]。

在新兩化融合智能制造背景下，以提高產(chǎn)品質(zhì)量為主要目標(biāo)的智能化生產(chǎn)線的建設(shè)正在開展，對與之密切相關(guān)的工藝布局及優(yōu)化等方面就提出了更高的要求[5-7]。特別是對于電動執(zhí)行器這種用于工業(yè)基礎(chǔ)生產(chǎn)，保障國計(jì)民生的常規(guī)性產(chǎn)品，其生產(chǎn)企業(yè)優(yōu)化生產(chǎn)線已經(jīng)迫在眉睫。作為三大主要部件之一的控制電路板，其在新的生產(chǎn)要求下，對其診斷測試工藝過程的優(yōu)化提出了更高的要求。

目前，電動執(zhí)行器控制電路板的診斷測試還主要以人工離散生產(chǎn)的方式進(jìn)行，存在勞動強(qiáng)度大、工藝鏈長、過程數(shù)據(jù)無法記錄、極易造成漏檢誤檢等缺點(diǎn)。這對于集約型生產(chǎn)工藝方面來講，嚴(yán)重地制約了生產(chǎn)效率，因此，這種控制電路板的診斷測試工藝模式與智能化生產(chǎn)線建設(shè)的目標(biāo)相悖。根據(jù)M8000 系列電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)主控電路板診斷測試要求及特點(diǎn)，本文全面分析了主控電路板的測試工藝及工藝鏈，基于最優(yōu)化的方法對測試工藝鏈進(jìn)行優(yōu)化組合，針對優(yōu)化測試工藝組合方案提出柔性裝夾及工藝。

1 控制電路板及技術(shù)參數(shù)

1.1 控制電路板

電動執(zhí)行器M8000 主控電路板圖如圖1 所示，為直徑156mm 的圓形結(jié)構(gòu)，PCB 板厚度為3mm，空間高度為45mm，通過四個螺柱定位的方式安裝在電動執(zhí)行器的減速機(jī)客體內(nèi)壁架上。

圖1 主控電路板圖

1.2 測試技術(shù)參數(shù)及要求

主控電路板測試按照檢驗(yàn)要求，主控板的每個功能模塊都必須進(jìn)行測試，既要測試模塊的功能，又要測試模塊的中間關(guān)鍵點(diǎn)，需要對特定的點(diǎn)位進(jìn)行相應(yīng)的測試，部分測試技術(shù)參數(shù)及要求如表1 所示。

表1 測點(diǎn)及技術(shù)要求

1.3 測試工藝

傳統(tǒng)主要以人工操作治具進(jìn)行診斷測試，其工藝流程如圖2 所示。首先，將模擬控制信號源與未裝主控電路板的電動執(zhí)行器連接，提供控制電流、電壓信號。其次，將待測主控電路板與電動執(zhí)行器對應(yīng)的接插線帶連接，確定無誤后開啟執(zhí)行器電源。最后，以人工調(diào)節(jié)主控電路板上的功能按鈕來進(jìn)行功能測試，通過觀測主控板顯示器的顯示、電機(jī)與減速機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動情況來判斷控制功能。如果電機(jī)帶動減速是按照功能按鍵的測試來運(yùn)行的，且主控顯示器所顯示的內(nèi)容一直為功能按鈕控制指令，則判定主控電路板為合格，否則判定為不合格，隨后進(jìn)入斷點(diǎn)測試工藝，判定為合格的主控電路板交到后續(xù)打膠工藝位。可以看到，測試工位存在如下問題：（1）測試工位1 電路板診斷測試主要依靠人工調(diào)節(jié)功能按鈕測試，勞動強(qiáng)度大；（2）無過程檢測數(shù)據(jù)；（3）工位設(shè)置多。

圖2 主控電路板測試工藝流程

2 測試設(shè)備總體設(shè)計(jì)方案

由控制電路板結(jié)構(gòu)參數(shù)及測試工藝可知，在測試工位1 處可以通過自動化方式來替代人工按鈕測試，這樣可以最大限度的降低勞動強(qiáng)度，提高診斷測試效率和減小認(rèn)為的誤判與誤操作，同時對于診斷測試還能做到過程數(shù)據(jù)的存儲與分析等。同理，測試工位2 可與工位1 合并用設(shè)備實(shí)現(xiàn)，這樣可以減少工位數(shù)量，降低生產(chǎn)成本。由上述分析可知，診斷測試設(shè)備在結(jié)構(gòu)功能上需主要解決以下問題：（1）主控電路板的測點(diǎn)模板設(shè)計(jì)；（2）測點(diǎn)模板的運(yùn)動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；（3）主控電路板的安裝治具及輸送機(jī)構(gòu)；（4）智能檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3 柔性裝夾工藝設(shè)計(jì)

3.1 底座夾具

依據(jù)主控電路板的結(jié)構(gòu)尺寸，通過在一個方形基板上刻蝕一個套模，利用主控電路板的邊緣無元器件的特點(diǎn)與套模緊密配合。利用其自身結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)周向定位，同時由于主控電路板自重實(shí)現(xiàn)重力方向的定位。套模板設(shè)計(jì)為300mm×300mm×20mm 的正方形模板，可以依據(jù)不同的控制板型號進(jìn)行制備，周圍設(shè)置四個快速裝夾更換控，便于進(jìn)行不同型號控制板診斷測試時使用。

3.2 檢測工位

依據(jù)套模板結(jié)構(gòu)尺寸，再考慮到診斷測試效率問題，以提高效率、優(yōu)化診斷測試工藝、便于溯源的原則，設(shè)計(jì)了一個雙工位A、B 的檢測工位模式。雙工位工作模式通過天莫探針與地模配合的結(jié)構(gòu)形式，雙工位工作模式主體結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 雙工位診斷結(jié)構(gòu)

3.3 頂板測試夾具

如圖1 所示，待測電路板均是由電子元器件焊接在PCB 板上的，具有待測點(diǎn)高低不等、大小不等、厚度不均等特點(diǎn)，需要天模板測試治具必須具有一定的柔性。因此，在設(shè)計(jì)天模板時，需要解決測點(diǎn)的正對應(yīng)與探針的柔性問題。我們采用套刻蝕工藝保證天模板與待測主控電路板PCB 板對應(yīng)，再將對應(yīng)的測點(diǎn)彈簧針焊接，以達(dá)到天模板的柔性。同時，采用精密移動導(dǎo)軌及四立柱滑動副保障天模板與待測電路板的垂向公差。天模板及柔性探針組合主體結(jié)構(gòu)圖如圖4 示。

圖4 天模板及柔性探針

3.4 智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

按照主控電路板的診斷測試優(yōu)化工藝鏈要求，設(shè)計(jì)了診斷測試設(shè)備的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由上位機(jī)、顯示器、PLC、傳感器及電機(jī)等[8]組成。

（1）依靠控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)待測電路板的制動測試，減小勞動強(qiáng)度和提高生產(chǎn)效率。同時，實(shí)現(xiàn)檢測過程數(shù)據(jù)可視化與存儲。

（2）采用PLC 和觸摸屏技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化及可擴(kuò)展性強(qiáng)。

（3）設(shè)計(jì)開發(fā)數(shù)據(jù)庫有助于對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的管理，可進(jìn)一步向數(shù)據(jù)推動生產(chǎn)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)決策的智能化制造過程。

（4）通過智能控制系統(tǒng)，為進(jìn)一步將其融入智能化生產(chǎn)線建設(shè)提供了基礎(chǔ)，可以令工藝布局、工藝設(shè)崗及工藝溯源得到極大的提升。

4 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)手工測試主控電路板工序復(fù)雜且易發(fā)生人為誤判導(dǎo)致的誤檢與漏檢問題，通過優(yōu)化工藝參數(shù)與工藝鏈，設(shè)計(jì)了一套電動執(zhí)行器電路板柔性檢測設(shè)備。此診斷測試柔性夾具換裝單元實(shí)現(xiàn)了診斷測試的自動化、可視化與數(shù)據(jù)化，告別了傳統(tǒng)手動拆卸更換操作，避免人為誤操作引起的誤判，并且降低了勞動強(qiáng)度，提高了自動化程度和工作效率。通過多目標(biāo)優(yōu)化了主控電路板的診斷測試工藝鏈，縮短了工藝鏈周期，在現(xiàn)有技術(shù)上升級了設(shè)備，將流程固化到控制程序，同時為同類型執(zhí)行器電路板測試及融入智能化生產(chǎn)線提供了一個新的方案。