基于工业机器人的PCBA自动化测试系统

晏 亮，王伟峰，陈一凡，韩 非，涂 建

（1.牧星智能工业科技（上海）有限公司，上海 200090；2.上海无线电设备研究所，上海 201109）

0 引言

印制电路板装配板（PCBA）是已经焊接、组装好电子元件的印制电路板，其传统测试方法是采用人工取放板，每个测试工位或测试设备都需要配备相应的测试人员。传统测试方法自动化程度和测试效率较低，而且要求测试人员有较高专业技能。

随着国家“智能制造”战略的推行，工业机器人的安装量迅猛增长，在电子电气领域的普及程度迅速提高。机器人越来越多地被应用于自动化生产及测试，相较于人工操作的模式具有明显优势，可降低人工成本，提高生产品质，便于生产周期管理、数据追溯[1-3]。另外，近年来机器视觉技术发展迅猛，很多研究致力于解决机器人与机器视觉技术集成的问题，两者结合在一起可极大增加系统的柔性和智能化程度[4,5]。本文设计的PCBA 自动化测试系统，使用FANUC 六轴机器人及视觉定位技术，实现了PCBA 测试的全过程自动化。

图1 总体布局Fig.1 Total body layout

图2 末端执行装置Fig.2 End actuator

1 总体设计

PCBA 自动化测试系统，以六轴工业机器人为中心，布置上下料模组和测试设备，总体布局如图1 所示。上下料模组设计多个料盒，分别用来存放待测品、良品及不良品；测试设备的位置根据机器人工作区间合理设计，确保测试治具在机器人手爪的工作范围内，并通过合理配置测试设备的数量，使测试时间与机器人单次转移时间相匹配，以达到最优的系统效率；机器人末端设计了电动夹爪用于PCBA 抓取，以及相机、激光传感器及压力传感器等复合检测装置，用于产品定位、工装标定、产品安全保障等。

机器人从待测品料盒中将PCBA 取出，插入测试设备的治具中；测试设备开始自动测试，并将结果反馈给主控系统；机器人将测试完成的PCBA 从治具中取出，根据测试结果，将其放入良品料盒或不良品料盒。

2 核心分系统

PCBA 自动化测试系统主要包含执行系统、测试系统、视觉定位系统和过程追溯系统4 个核心分系统。

2.1 执行系统

执行系统由工业机器人、末端执行装置及伸缩气缸3部分组成。

工业机器人采用FANUC M10iA，六轴多关节机器人，可达半径1420mm，重复定位精度±0.08mm，可满足PCBA 在测试设备上与测试治具的高精度对插要求。

末端执行装置包含抓取机构和压力传感器，如图2 所示。抓取机构采用双夹爪形式，搭配电动夹爪夹持PCBA两侧的工艺边。双夹爪的设计使得机器人可实现一取一放的组合动作（将测试结束的PCBA 从治具中取出，再将待测试的PCBA 插入治具中），大幅提高转移效率；电动夹爪采用位置控制和压力控制的组合控制模式（先以位置模式快速运动至即将接触工艺边的位置，再以压力模式夹紧工艺边），通过设置合理的压力值，可有效避免损伤PCBA，且在夹持失败的情形下输出报警信息。相较于常用的气动夹爪，电动夹爪功能强大，具有灵活、安全等优点。机器人末端法兰与电动夹爪之间安装压力传感器，其作用是在往测试治具上插装PCBA 时，实时检测下压压力，当压力值超出设定阈值时，主控系统中止机器人动作，以保护PCBA 不受损伤。

伸缩气缸实现料盒的吐出、缩回。当需要人工补料（待测品）或卸料（良品、不良品）时，将料盒吐出至防护网外侧，人员操作时完全脱离机器人工作区间，确保人员的绝对安全；人工补料或卸料完成后，料盒缩回，机器人开始自动抓取、放置PCBA，继续生产测试。

2.2 测试系统

测试设备包含测试主机、仪表、输入输出等模块，可实现PCBA 的自动测试。测试设备的数量可根据测试时间、机器人速率等合理设置（最多可达6 台），以最少的资源达到最优的测试效率。测试设备与主控系统通过以太网连接，作为总系统的一部分。当主控系统故障，或机器人挂机等其它意外情况发生时，测试设备可作为独立单元，脱离主控系统，由人工代替机器人取放PCBA，实现停机不停产，保障生产进度不受影响。

主控系统与测试设备采用TCP 通信方式，机器人系统作为TCP SERVER，测试系统作为TCP CLIENT。

主控系统与测试设备的信息交互过程如下：

1）测试系统运行后，若状态正常，不断发送ready；若状态异常，不断发送err。

2）测试系统收到主控系统响应的二维码后，不再发送ready，开始检测插入位置是否正确、是否插到位。

若插入位置错误，发送pos err；若插入不到位，发送pos invalid；若插入正确且已插到位，不发送信息，开始测试。

图3 视觉定位结果Fig.3 Visual positioning results

3）若测试合格，发送pass；若测试不合格，发送fail。

4）收到主控系统响应后，本次流程结束，开始发送ready 进入下一流程。

2.3 自动定位与标定系统

本系统主要分为视觉硬件装置和软件系统，硬件装置由相机、光源及镜头等组成，软件系统包括图像处理模块、坐标变换模块、自动标定模块等组成。视觉硬件装置被安装在机器人末端，跟随机器人移动，可引导机器人对其执行取放动作，以及对测试治具位置的自动标定。

2.3.1 产品自动定位

PCBA 厚度比在料盒料槽的宽度小，其在料盒中的位置是不确定的；另外，上料时料盒的位置也会有微小变化。因此，无法通过固定点位抓取的方式进行取料，需要视觉机器人末端的视觉系统实现PCBA 精确定位，并引导机器人进行抓取。

机器人带动末端相机在料盒上方进行拍照，获取料盒中PCBA 的图像，通过模板匹配算法，得到图像像素坐标，然后由视觉软件系统进行坐标变换，得到PCBA 在机器人坐标系中的坐标，进而引导机器人准确抓取PCBA。

PCBA 竖直放在料盒槽内，机器人末端相机从上往下拍照，只能获取到长边图像以及连接件图像。PCBA 在料槽中倾斜状态下，长边图像亮度很低，不是理想的识别对象；连接件底座为白色，尺寸也较大，在不同倾斜角度下图像亮度均较高。因此，将其选为识别对象。利用机器视觉的模板匹配算法，识别出图像中连接件的数量及位置，如图3 所示。

2.3.2 测试治具自动标定

测试设备作为系统的一部分，根据生产任务调度，需要随时抽离到人工测试工位；测试治具根据测试产品的不同，需要进行更换。因此，测试治具的位置经常会发生变化，为了能够快速消除该变化带来的影响，要求自动化测试系统具备对测试治具进行自动、快速定位的能力。

图4 测试治具自动标定流程Fig.4 Testing the automatic calibration process

机器人末端的视觉系统与激光传感器组成自动标定系统，实现对测试治具的位置和姿态快速标定的功能。视觉系统实现对治具水平面的位置和角度（ 3 个自由度）的标定，激光传感器实现对治具高度和倾斜角度（ 3 个自由度）的标定，标定流程如图4 所示。

2.4 过程追溯系统

为了将PCBA 产品信息、测试过程信息、测试结果等建立关联数据并作保存，设计一套固定视觉装置（如图5所示），识别PCBA 二维码信息。机器人从待测品料盒中抓取PCBA 后，将其置于固定相机上方，固定相机自动识别PCBA 正面的二维码；系统将产品自身相关信息，后续测试的对应治具、测试设备，以及测试结果等信息全部与二维码进行关联。

固定视觉装置除了识别二维码以外，还采集PCBA 正反面图像，并做初步质量检测，判断元器件是否有异常。图像信息与二维码关联，并存储在本地；车间MES 系统通过以太网从本地读取图像、测试等所有过程信息。

3 试生产验证

提供100 片PCBA，对自动化测试系统进行实测验证。测试设备测试一片PCBA 的时间是115s，机器人完成单次转移流程（从料盒抓取PCBA，插入治具；再从治具取出PCBA，放入良品料盒或不良品料盒）的时间为30s 左右，配置4 台测试设备，系统效率最优（机器人不停地转移，正好匹配测试设备的测试速度）。

图5 固定视觉装置Fig.5 Fixed vision device

统计生产数据，所有产品完成测试的总时间为3130s，良品98 片，不良品2 片。整个测试过程全部由系统自动完成，无须人工辅助；故障停机0 次，产品损坏0 片，单片生产效率为31.3s。

4 结论

本文利用工业机器人及机器视觉技术，设计了由执行系统、测试系统、自动定位与标定系统、过程追溯系统，4个核心分系统组成的PCBA 自动化测试系统。经过100 片PCBA 的试生产实测，该系统实现PCBA 转移和测试的全过程自动化，运行过程中无故障、无损件。PCBA 自动化测试系统使用机器代人，自动化程度高，可以降低用人成本，减少生产过程的人为操作失误因素，提高生产品质保障，具有很高的实际应用意义。