全自動化電路板在線檢測系統(tǒng)

(西南交通大學 機械工程學院，成都 610031)

0 引言

隨著全球老齡化越來越嚴重，勞動力人口大量減少，各個產(chǎn)業(yè)的人工成本正在逐年增加，這促進了自動化技術(shù)的大力發(fā)展，尤其是促進了工業(yè)自動化的大力發(fā)展。將自動化技術(shù)引入工業(yè)生產(chǎn)中，不僅能降低生產(chǎn)成本，而且大力提高生產(chǎn)效率[1-4]。

在電路板生產(chǎn)過程中，電路板焊接完成后需要檢測板子的焊接質(zhì)量，質(zhì)量合格的產(chǎn)品才允許出廠。目前，大多電路板生產(chǎn)廠家的質(zhì)量檢驗過程采用傳統(tǒng)的人工方法。即檢測人員把電路板放入ICT(自動在線測試)檢測箱，根據(jù)檢測結(jié)果對產(chǎn)品進行分揀處理。因為電路板生產(chǎn)線一天24小時不停機，使得檢測人員需要三班倒工作，而且檢測人員會因為疲勞而出現(xiàn)誤檢。隨著勞動力數(shù)量的減少和人工成本的上升，電路板檢測自動化越來越多的受到廠家關注。根據(jù)電路板的檢測要求，本文設計研發(fā)了一種通用的電路板自動化檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以很方便地加入到現(xiàn)有電路板生產(chǎn)線當中，能夠以較低的成本實現(xiàn)對現(xiàn)有生產(chǎn)線的改造升級，同時，自動化檢測還降低了電路板檢測成本，提高了檢測效率，還能避免人工操作失誤，提高電路板檢測的準確度，具有很高的實用價值。

1 檢測系統(tǒng)的總體設計

1.1 檢測系統(tǒng)的功能要求

根據(jù)電路板檢測流程和檢測要求，檢測系統(tǒng)應具備如下功能：

1)檢測系統(tǒng)能夠與現(xiàn)有的電路板生產(chǎn)線配套，滿足即生產(chǎn)即檢測的實時要求。

2)檢測系統(tǒng)有一定的通用性，拆裝方便，可以接入不同的生產(chǎn)線。

3)檢測系統(tǒng)應具備檢測電路板線路開路、短路、所有零件的焊接等情況的功能[5-8]。

4)受檢電路板最大尺寸為30*20 cm，最大重量為2 kg。

5)檢測過程完全自動化，無需人工干預。

6)檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)能夠全部上傳到工廠的FIS系統(tǒng)以便于管理。

7)檢測系統(tǒng)具有自檢及故障提示功能。

8)系統(tǒng)操作界面應簡潔美觀，操作簡便。

1.2 檢測系統(tǒng)的總體布局

根據(jù)系統(tǒng)要求，該檢測系統(tǒng)的總體設計采用生產(chǎn)線設計，總體布局如圖1所示。

圖1 總體布局圖

該檢測系統(tǒng)由主控計算機、PLC、接駁臺、掃碼槍、機械手、ICT以及光電開關等設備組成。其中主控計算機控制整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作并把相關的信息報告給工廠FIS系統(tǒng)，以便統(tǒng)一管理；接駁臺用于與現(xiàn)有的電路板生產(chǎn)線對接以及電路板的傳送，主控計算機通過PLC控制接駁臺的運行過程，接駁臺的使用使得檢測系統(tǒng)具有很大的靈活性，它可以隨時接入或移出當前生產(chǎn)線；掃碼槍對電路板進行身份識別并上傳到主控計算機；機械手負責受檢電路板的抓取和分揀；ICT用來檢測電路板焊接質(zhì)量；光電開關則檢測受檢電路板的位置信息。

2 硬件系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)硬件選型

根據(jù)系統(tǒng)性能需求，主控計算機主要有兩類可以選擇，一種是普通電腦，另一種是工控機。相對于普通家用電腦來說，工控機在抗電磁干擾、抗粉塵、煙霧、抗震等性能上具有明顯優(yōu)勢，它的實時性、可擴充性以及遇險自復位性也是普通電腦所不具備的。因此，本系統(tǒng)選擇研華公司生產(chǎn)的工控機IPC-610L作為主控機。

主控機與PLC、光電開關、機械手以及電路板檢測設備之間均采用數(shù)字信號進行信息交互，因此工控機需要配備一個數(shù)字IO卡，根據(jù)所需信號的數(shù)量，選用凌華公司的PCI接口卡ADLINK PCI-7432[9]。該模塊可以即插即用，分別具有32路輸入通道和輸出通道，滿足系統(tǒng)需求。接口卡的所有通道均采用光耦隔離，所以它具有很高的抗干擾性。輸出通道具有較高的驅(qū)動能力(500 mA驅(qū)動電流)，輸入通道可耐壓24 V，這使得該PCI卡可以和PLC這種現(xiàn)場控制設備直接相連而無需另加驅(qū)動和轉(zhuǎn)換電路。由于主控機使用串口(RS485)與掃碼槍以及ICT進行通信；使用以太網(wǎng)與工廠FIS系統(tǒng)通信，所以工控機需要配備兩個串口和一個網(wǎng)口。

機械手用于抓取電路板，根據(jù)受檢電路板的尺寸和重量要求，機械臂選用EPSON S5-901S 組裝機械手,該機械手采用剛性手臂設計，結(jié)合了先進的伺服控制技術(shù)，即使在要求高精度高速循環(huán)時，也能實現(xiàn)高速運動和低振動，具有高性能和靈活的手臂,在保持最快循環(huán)時間的同時，最高負載達到5 kg，且定位精度高[10]，完全滿足系統(tǒng)需求。

在電路板焊接質(zhì)量檢測中，首選儀器為ICT(自動在線測試儀)檢測箱，它是PCBA (印刷電路板組件)生產(chǎn)的專用測試設備。ICT使用范圍廣，測量準確性高，對檢測出的問題指示明確，即使電子技術(shù)水準一般的工人處理有問題的PCBA也非常容易[8]。使用ICT能極大地提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

ICT檢測過程主要是使用測試探針接觸PCB layout出來的測試點來檢測PCBA的線路開路、短路、所有零件的焊接情況,可分為開路測試、短路測試、電阻測試、電容測試、二極管測試、三極管測試、場效應管測試、IC管腳測試(test jet connect check)等其它通用和特殊元器件的漏裝、錯裝、參數(shù)值偏差、焊點連焊、線路板開短路等故障，并將故障是哪個組件或開短路位于哪個點準確告訴用戶。

2.2 掃碼系統(tǒng)的設計

在電路板的生產(chǎn)過程中，為了方便對電路板的管理，每一塊電路板都有自己唯一的序列號條碼，該條碼包含了電路板的生產(chǎn)批次、型號、編號等關鍵信息，在對電路板進行焊接質(zhì)量檢測之前，需要用掃碼槍掃描電路板的序列號條碼，并將其上傳到工廠的FIS系統(tǒng)。FIS系統(tǒng)收到條碼信息，對條碼進行分析，以確定該電路板是否是當前要檢測的電路板，如果是，則通知檢測系統(tǒng)進行檢測，否則電路板直接被送往后面的流水線。這樣做是為了防止其他電路板被送到接駁臺上后造成系統(tǒng)誤檢。另一方面，F(xiàn)IS根據(jù)電路板條碼對后續(xù)的檢測結(jié)果進行一一對應的管理和保存，這將大大提高工廠的生產(chǎn)和管理效率。

根據(jù)系統(tǒng)功能要求及檢測要求，掃碼系統(tǒng)設計的思路是利用生產(chǎn)線上的電路板傳送到光電開關位置時，光電開關被觸發(fā)，把光信號傳轉(zhuǎn)換成電信號，電信號經(jīng)過主控計算機的處理和判斷，啟動掃描槍并開始掃描條碼。將采集到的條碼保存到片外的flash中，通過串口將條碼信息傳送到主控計算機保存起來。系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 掃碼工作流程

根據(jù)掃碼系統(tǒng)流程及具體的需求，掃碼硬件系統(tǒng)部分主要包括主控制板、掃碼槍模塊、電源模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊、光電開關模塊、串口通信模塊、網(wǎng)絡通信模塊等，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 硬件結(jié)構(gòu)圖

主控制器ARM7微處理器采用STM32F767IGT6核心芯片，該芯片具有高性能ARM?Cortex?-M732位RISC內(nèi)核，工作頻率高達216 MHz。Cortex?-M7內(nèi)核具有一個浮點單元(FPU)，該單元支持ARM?雙精度和單精度數(shù)據(jù)處理指令和數(shù)據(jù)類型，并且集成了高速嵌入式存儲器，并具有高達2 MB，512 KB的Flash存儲器，可以很好的滿足設計需求。USB轉(zhuǎn)串口模塊采用CP2615芯片來完成，目的是把串口改成USB接口，串口通信模塊是用來傳輸電路板條碼數(shù)據(jù)到主控計算機；網(wǎng)絡通信模塊用來將電路板條碼數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)網(wǎng)口傳送到工廠FIFS系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)軟件設計

根據(jù)系統(tǒng)設計要求，需設計主控軟件、PLC控制程序以及機械手的控制程序。而系統(tǒng)的主控軟件要實現(xiàn)對光電開關、掃碼槍、頂起機構(gòu)、機械臂、檢測箱等現(xiàn)場設備的控制和管理，并完成與工廠FIS系統(tǒng)的交互。

如上所述，檢測系統(tǒng)包括光電開關、掃碼槍、頂起機構(gòu)、機械臂、檢測箱等設備。整個系統(tǒng)的運行過程由工控機控制完成。系統(tǒng)主控軟件基于Qt平臺搭建，包含兩部分設計，界面設計和后臺程序設計。

3.1 界面設計

為了操作方便，軟件界面使用選項卡控件進行搭建。界面選項卡有四項：系統(tǒng)設置界面、主界面(操作界面)、設備狀態(tài)界面和幫助界面。為了減少視覺疲勞，界面選擇黑色做為背景。

為了能夠檢測不同系列的電路板，即適配不同的生產(chǎn)線，每更換一個新的生產(chǎn)線，就需要重新配置一些重要信息，這一操作由系統(tǒng)設置界面完成。系統(tǒng)設置界面如圖4所示，主要配置電路板產(chǎn)線信息和ICT檢測箱使用的共享目錄。

圖4 系統(tǒng)設置界面

配置完成后，即可打開主界面，系統(tǒng)進入正常工作狀態(tài)。主界面如圖5所示，工作人員通過鼠標點擊“開始”按鈕，則整個檢測系統(tǒng)開始進行電路板的檢測，點擊“停止”按鈕，檢測系統(tǒng)立即停止工作，“復位”按鈕則用于檢測中途出錯后將檢測流程恢復到初始狀態(tài)。其他顯示窗口用于實時監(jiān)測系統(tǒng)的重要運行數(shù)據(jù)，比如COM口狀態(tài)、網(wǎng)絡狀態(tài)、當前受檢電路板的條碼信息、I/O信息等。

圖5 系統(tǒng)主界面

設備狀態(tài)界面(圖6)用于實時監(jiān)控本機與工廠FIS 系統(tǒng)之間的通信狀態(tài)，包括當前網(wǎng)絡連接狀態(tài)，發(fā)送到FIS 系統(tǒng)的信息以及從FIS接收到的信息。

圖6 設備狀態(tài)界面

幫助界面則是對上述三個界面中的命令按鈕和狀態(tài)信息的說明，以幫助用戶能夠更快更好的使用該軟件系統(tǒng)。

3.2 后臺檢測程序設計

在用戶單擊"開始"按鈕后，系統(tǒng)進入正常工作狀態(tài)，對生產(chǎn)線上的電路板焊接質(zhì)量進行自動檢測。檢測流程如下：系統(tǒng)會時刻監(jiān)測是否有電路板送到接駁臺上，如果沒有，接駁臺不運行；如果有電路板送到接駁臺上，則命令PLC啟動接駁臺；接著，系統(tǒng)檢測電路板是否被傳輸?shù)綊呙铇屛恢茫绻麤]有到達，一直等待；否則發(fā)送命令給PLC，暫停接駁臺，并命令掃描槍掃描電路板的條形碼，接收到掃碼槍傳送來的條碼信息后，命令PLC重啟接駁臺繼續(xù)運行；然后，檢測電路板是否到達機械手位置，如果到達，命令ICT箱門打開，同時命令機械手抓取電路板并放入ICT中，然后命令ICT關閉箱門，對電路板焊接質(zhì)量進行檢測；在收到ICT檢測結(jié)果后，命令ICT打開箱門，并命令機械手抓取電路板：如果有焊接缺陷，則把缺陷電路板分揀出來，否則，繼續(xù)傳送電路板到下一工序，與此同時，主機記錄并上傳檢測結(jié)果到工廠FIS系統(tǒng)。檢測流程圖如圖7所示。

圖7 檢測流程圖

4 系統(tǒng)測試與結(jié)果分析

本文設計的全自動化電路板檢測系統(tǒng)可以直接對接工廠的電路板生產(chǎn)線，現(xiàn)場需對系統(tǒng)的PLC模塊、掃碼系統(tǒng)、機械機構(gòu)模塊等進行不斷調(diào)試，調(diào)節(jié)系統(tǒng)各個模塊的工作任務及各模塊之間的協(xié)作。經(jīng)過不斷調(diào)試，自動化檢測系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，本系統(tǒng)的工作過程如下：

1)接駁臺把電路板接到檢測傳送帶上，當電路板被傳送到掃碼槍的位置時，觸發(fā)光電開關；

2)主控計算機接收到光電開關的信息后，控制接駁臺暫停傳送，同時命令掃碼槍掃描電路板序列號條碼；

3)掃碼完成后，掃碼槍把掃描結(jié)果傳送給主控計算機；

4)主控機接收到電路板條碼后，一方面上傳到工廠的FIS系統(tǒng)進行處理與保存，另一方面?zhèn)魉徒oICT，然后命令接駁臺繼續(xù)傳送電路板；

5)當電路板到達機械手的位置時，觸發(fā)此處的光電開關，主控計算機再次命令接駁臺暫停傳送，然后命令機械手抓取電路板并將其放入ICT中，進行電路板檢測；

6)檢測完畢后，ICT將檢測結(jié)果上傳到主控計算機，根據(jù)檢測結(jié)果，計算機命令機械手將電路板放置到不同的位置，以供后續(xù)系統(tǒng)完成下一步工作。

本系統(tǒng)經(jīng)過長時間持續(xù)的運行測試，基本沒有出現(xiàn)運行的問題，系統(tǒng)運行可靠穩(wěn)定。本系統(tǒng)檢測一塊電路板大概需要一分鐘，與傳統(tǒng)的人工檢測方法相比自動化檢測速度比人工快1倍，誤檢率為0.2%，而人工檢測誤檢率為0.5%。

5 結(jié)束語

全自動化電路板檢測系統(tǒng)在不改變現(xiàn)有生產(chǎn)線的情況下，能輕松對接電路板生產(chǎn)線，實現(xiàn)成品電路板質(zhì)量檢測的全自動化，并且可以接入工廠的FIS系統(tǒng)，實現(xiàn)對產(chǎn)線的全面改造升級。為了適配不同的電路板生產(chǎn)線，提高系統(tǒng)的通用性，該檢測系統(tǒng)允許人工配置產(chǎn)線信息。

全自動化電路板檢測系統(tǒng)已經(jīng)應用于工廠的多個生產(chǎn)線，目前已經(jīng)平穩(wěn)運行1年，而且自動化檢測系統(tǒng)可以自動掃描并實時上傳電路板條碼和檢測結(jié)果，非常便于工廠的統(tǒng)一管理和產(chǎn)品的追溯，并且為后續(xù)對產(chǎn)品以及產(chǎn)線的改進和優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。