一種中央空調(diào)主控板PCBA全自動在線功能測試平臺的開發(fā)

華 偉，劉 焱，張英軍

（技研新陽有限公司，廣東東莞 523533）

0 引言

電子科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，誕生出精度和復(fù)雜度更高的PCBA（Printed Circuit Board Assembly，裝配印制電路板），并且廣泛應(yīng)用在電子設(shè)備中[1]。PCBA的性能高低很大程度上直接決定整個(gè)產(chǎn)品質(zhì)量的好壞，因而在PCBA出廠之前，必須對其進(jìn)行功能測試，使得其性能滿足設(shè)計(jì)的要求。同時(shí)，為提高PCBA的測試效率，即產(chǎn)品生產(chǎn)效率，全自動的測試在未來無人工廠的應(yīng)用又成為必然的趨勢。所以研制開發(fā)出一種自動、高效、新穎的PCBA自動測試平臺是高科技發(fā)展的必然需求[2-3]。

FCT（Functional Circuit Test，功能測試）指的是對測試目標(biāo)板（UUT，Unit Under Test）提供模擬的運(yùn)行環(huán)境（激勵(lì)和負(fù)載），使其工作于各種設(shè)計(jì)狀態(tài)，從而獲取各個(gè)狀態(tài)的參數(shù)來驗(yàn)證UUT的功能好壞的測試方法，即對UUT加載合適的激勵(lì)，測量輸出端響應(yīng)是否合乎要求，一般專指PCBA的功能測試[4]。

現(xiàn)有的生產(chǎn)線測試工位大部分采用人工取放板的方式進(jìn)行測試，每個(gè)測試工位或者每臺測試設(shè)備必須配備相應(yīng)的操作人員，自動化程度不高、測試速度慢、人工成本高，從而降低了整體生產(chǎn)效率，導(dǎo)致生產(chǎn)成本的上升[5-7]。因此迫切需要全自動測試平臺，實(shí)現(xiàn)PCBA測試自動化和測試設(shè)備通用化，用于取代傳統(tǒng)的人工作業(yè)，降低人力資源投入，有效提高作業(yè)人員的安全性和產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)性。

1 測試平臺

PCBA全自動在線測試平臺，以中央空調(diào)主控板為檢測基板，采用全自動控制系統(tǒng)，各部位檢測元件實(shí)時(shí)檢測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并把信號反饋給邏輯控制器（PLC）。人機(jī)界面（HMI）采用Windows操作系統(tǒng)，簡單便捷，不僅可以查看當(dāng)前設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及所有傳感器和氣缸的狀態(tài)，HMI還可以向PLC傳送用戶參數(shù)，使機(jī)器達(dá)到理想的控制效果。系統(tǒng)控制器采用高可靠性、高運(yùn)算、主流技術(shù)的PLC控制器。機(jī)械手采用獨(dú)立的控制箱控制，機(jī)械手與PLC之間的通訊完全采用IO通訊。主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用優(yōu)質(zhì)氣缸和高性能作為執(zhí)行器。平臺由機(jī)構(gòu)部分（運(yùn)動氣缸、執(zhí)行電機(jī)、VS機(jī)械手）、控制部分（PLC控制器、上位機(jī)界面、PC、機(jī)器手控制箱）、測試部分（電腦、儀器、針床、壓床），平臺整體布局如圖1所示。

圖1 測試平臺整體布局圖

測試平臺具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）FCT測試可實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，測試過程透明化，全天采集測試數(shù)據(jù)，提高品質(zhì)水平；

（2）全過程全自動檢測，基板的測試過程自動執(zhí)行，基板的上料和下料采用VS機(jī)器人自動完成，并根據(jù)測試結(jié)果對基板進(jìn)行分類（OK或NG），整個(gè)檢測過程無需作業(yè)人員參與；

（3）基板測試可在3個(gè)工位同時(shí)在線測試，縮短流水線上基板的等待時(shí)間，大大提高了整個(gè)檢測的效率；

（4）追溯系統(tǒng)管理，對基板的測試時(shí)間、測試工位、測試結(jié)果和各個(gè)測試項(xiàng)目與基板的二維碼進(jìn)行綁定，實(shí)行信息化管理和存儲，方便查詢以及后期對檢測產(chǎn)品進(jìn)行追溯和檢測信息的統(tǒng)計(jì)等；

（5）平臺具有手動單步運(yùn)行和自動運(yùn)行兩種方式，自動運(yùn)行用于在線檢測過程，手動單步離線運(yùn)行用于平臺調(diào)試、單枚基板測試，維修等場合；

（6）智能測試系統(tǒng)，檢測過程、直通率、不良率、生產(chǎn)分析、測試站監(jiān)控實(shí)時(shí)在線可視化儀表顯示，詳細(xì)的測試日志文件、測試結(jié)果，從大量數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)化有用的可視化信息，快速詳細(xì)地提供解決質(zhì)量問題的證據(jù)；

（7）測試平臺通用性強(qiáng)，測試基板種類的多樣化，生產(chǎn)切換機(jī)種可快速換模（單臺換模1 min），操作簡易，單層、雙層在線測試多臺并行在線測試。

2 測試平臺硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 測試平臺硬件結(jié)構(gòu)

圖2 測試平臺硬件結(jié)構(gòu)圖

測試平臺硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，包含3臺PC機(jī)、3臺顯示屏、3臺FCT測試機(jī)、3個(gè)針床、PLC控制器總成、1臺VS機(jī)器人、交換機(jī)、掃描槍組、運(yùn)動控制器、電機(jī)、傳感器組1和氣缸組。PC2作為主控電腦使用，PC1、PC2、PC3、PLC和立式機(jī)器人通過交換機(jī)組成局域網(wǎng)進(jìn)行通訊。PC機(jī)和FCT測試機(jī)之間采用PCI和COM連接。立式機(jī)器人與PLC采用I/O方式進(jìn)行通訊，傳感器組和氣缸組通過I/O口接入PLC控制器中。掃描槍由PC2控制，負(fù)責(zé)對基板二位碼信息的采集。傳感器組2是每個(gè)FCT測試工位上安裝的兩個(gè)光電傳感器，用于檢測針床上是否有基板，并將檢測信號分別返回至PC機(jī)和PLC。

2.2 立式機(jī)器人

基板從傳送帶到FCT測試工位的搬運(yùn)過程由立式機(jī)器人（型號為VS-38080-010）配合末端執(zhí)行器完成，立式機(jī)器人上下行程范圍為800 mm，平面行程的半徑范圍為800 mm，角度范圍為320°的空間，立式機(jī)器人及FCT測試工位安裝位置實(shí)物圖如圖3所示。3個(gè)FCT測試工位采用立體式的安裝方式并列放置，并且在不考慮基板從傳送帶到針床的搬運(yùn)時(shí)間時(shí)，它們可實(shí)現(xiàn)同時(shí)在線測試。當(dāng)PLC檢測到傳送帶上的阻擋傳感器反饋的基板到達(dá)信號時(shí)，立式機(jī)器人在PLC的指令控制下通過氣壓吸附的方式把基板抓取并準(zhǔn)確放置在FCT測試工位的針床上，具體放置的工位由PLC根據(jù)FCT測試的運(yùn)行情況進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度管理。

圖3 立式機(jī)器人及FCT測試工位安裝位置實(shí)物圖

2.3 FCT測試工位

測試系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，建立可視化儀表盤，測試過程透明化，主要功能如圖4所示。

主要功能詳細(xì)介紹如下。

（1）報(bào)表功能：是自動生成報(bào)表并將發(fā)生的質(zhì)量問題依設(shè)置通過郵件或短信發(fā)送。

（2）報(bào)警功能：設(shè)定生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制指標(biāo)，可自動分析預(yù)測、異常報(bào)警。

（3）不合格品分析：分析不合格品產(chǎn)生的原因，讓您快速找到問題根源。

（4）質(zhì)量預(yù)測：及時(shí)預(yù)測生產(chǎn)過程中潛在的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

（5）實(shí)時(shí)監(jiān)控：嚴(yán)密監(jiān)測生產(chǎn)過程中的質(zhì)量穩(wěn)定性。

（6）員工培訓(xùn)與資格管理：管理操作員工的培訓(xùn)和技能資格，測試軟件登錄和數(shù)據(jù)訪問權(quán)限。

圖4 測試系統(tǒng)主要功能

測試平臺測試基板以家用空調(diào)的主控板為測試目標(biāo)板，當(dāng)前機(jī)種FCT測試內(nèi)容包括基板的交流電壓測試、直流測試、電壓測試、頻率測試、相位波形測試、通信檢測測試、電流環(huán)通信測試、PQ485通信測試、遙控信號測試、線控器信號測試、制冷電壓測試、制熱電壓測試、馬達(dá)轉(zhuǎn)數(shù)測試。FCT測試工位包含針床、氣壓組件、檢測硬件部分和檢測軟件部分等，分別如圖5、圖6所示。

圖5 FCT硬件部分

圖6 FCT軟件界面

3 測試平臺軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體流程

系統(tǒng)運(yùn)行總體流程如圖7所示，首先是基板掃描，通過掃描槍采集基板的二維碼并將其數(shù)據(jù)保存在SQL數(shù)據(jù)庫中；然后按調(diào)度指令，將基板從傳送帶上取下并放置在對應(yīng)FCT測試工位的針床上；接下來是對基板進(jìn)行FCT測試，檢測基板的各項(xiàng)性能，顯示并保存；最后是數(shù)據(jù)分析處理，對數(shù)據(jù)庫中檢測結(jié)果進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)。

圖7 系統(tǒng)總體運(yùn)行流程

3.2 基板掃描流程設(shè)計(jì)

基板掃描流程如圖8所示，基板通過傳送帶傳輸，當(dāng)基板到達(dá)位置時(shí)，掃描到位傳感器（光電傳感器）檢測該信號并返回給PC2，由PC2開啟掃描槍對基板二維碼進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并保存SQL數(shù)據(jù)庫中。然后，基板繼續(xù)前行至下一工位。

圖8 基板掃描流程圖

3.3 機(jī)器人取板放板流程設(shè)計(jì)

機(jī)器人取板放板流程如圖9所示，基板防反檢測OK，基板掃描結(jié)束后到達(dá)取板位置時(shí)，取板到位傳感器獲取信號并傳至PLC，PLC對FCT測試工位進(jìn)行整合調(diào)度，發(fā)送命令給機(jī)器人執(zhí)行取板放板任務(wù)，當(dāng)基板放置于針床位置時(shí)（針床防反功能應(yīng)用于設(shè)備離線測試），執(zhí)行到位保護(hù)措施，確定基板放置OK。以此類推，抓取基板置下一工位。當(dāng)基板放置偏移（離線模式基板放反、偏移，上模不會下壓，并且設(shè)備報(bào)警）、未放置到位，基板放置異常信號傳至PLC，設(shè)備報(bào)警。報(bào)警解除需要人工確認(rèn)處理完異常后，直接復(fù)位報(bào)警信號，然后啟動設(shè)備即可正常測試運(yùn)行。

圖9 機(jī)器人取板放板流程圖

3.4 FCT測試設(shè)計(jì)

FCT測試流程如圖10所示，當(dāng)基板正確放置到針床上時(shí)，針床上模將基板壓下，然后開始檢測，檢測過程及結(jié)果在對應(yīng)的PC機(jī)上實(shí)時(shí)顯示，并將所有的檢測結(jié)果保存在PC2的SQL數(shù)據(jù)庫中，便于后續(xù)對檢測數(shù)據(jù)的追溯和跟蹤。同時(shí)，檢測OK/NG結(jié)果返回至PLC中，PLC根據(jù)基板檢測結(jié)果確定基板的去向。

圖10 FCT測試及處理流程圖

測試內(nèi)容及順序?yàn)椋汗╇娗癆C電壓確認(rèn)、產(chǎn)品傳感器T2B負(fù)載連接、產(chǎn)品傳感器T1負(fù)載連接、產(chǎn)品傳感器T2負(fù)載連接、產(chǎn)品傳感器T2A負(fù)載連接、產(chǎn)品水位開關(guān)、產(chǎn)品供電220 V、SWING 4項(xiàng)8拍信號檢測、產(chǎn)品5 V電壓檢測、產(chǎn)品12 V電壓檢測、產(chǎn)品18 V電壓檢測、產(chǎn)品300 V電壓檢測、給產(chǎn)品發(fā)送遙控器17°冷風(fēng)低檔開機(jī)指令、PQ485通信（制冷）、顯示板、EEV4項(xiàng)8拍信號檢測、線控器發(fā)送17°冷風(fēng)中檔指令、產(chǎn)品供電電流確認(rèn)、PQ485通信（能力碼）、線控器發(fā)送17°冷風(fēng)高檔指令、馬達(dá)高檔轉(zhuǎn)速確認(rèn)、PUMP電壓確認(rèn)、HEAT電壓確認(rèn)、線控器發(fā)送30°熱風(fēng)低檔指令、PQ485通信（制熱）、PQ485通信（機(jī)型確認(rèn)）、馬達(dá)轉(zhuǎn)速確認(rèn)、PUMP電壓確認(rèn)、HEAT電壓確認(rèn)、線控器發(fā)送關(guān)機(jī)指令、產(chǎn)品供電OFF、產(chǎn)品高壓電解電容放電、產(chǎn)品電解電容放電、產(chǎn)品高壓電解電容放電（320 V）、產(chǎn)品高壓320 V電壓檢測。整個(gè)測試過程耗時(shí)為17 s左右，具有較快的檢測速度。

3.5 數(shù)據(jù)分析處理

對數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存，便于追溯管理，測試系統(tǒng)對基板二維碼、測試過程、測試結(jié)果等數(shù)據(jù)全部保存在PC2計(jì)算機(jī)的SQL數(shù)據(jù)庫中，從數(shù)據(jù)庫中可以統(tǒng)計(jì)和分析當(dāng)天檢測情況，如合格品數(shù)量、不合格品數(shù)量、合格率等生產(chǎn)數(shù)據(jù)和指標(biāo)，同時(shí)還可以按要求生成統(tǒng)計(jì)報(bào)表，對產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量預(yù)測等。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)和開發(fā)的中央空調(diào)主控板PCBA全自動測試平臺由PC、PLC、立式機(jī)器人、FCT BOX、針床等構(gòu)成，立式機(jī)器人完成對基板的取板放板任務(wù)，F(xiàn)CT BOX自動完成對基板的測試，并且測試過程、測試結(jié)果實(shí)時(shí)在線顯示，同時(shí)保存于數(shù)據(jù)庫中，整個(gè)測試過程從基板的上料、FCT測試、測試完之后的下料分揀均無人參與，實(shí)現(xiàn)全自動化測試。實(shí)現(xiàn)了對基板的交流電壓測試、直流測試、電壓測試、頻率測試、相位波形測試、通信檢測測試、電流環(huán)通信測試、PQ485通信測試、遙控信號測試、線控器信號測試、制冷電壓測試、制熱電壓測試、馬達(dá)轉(zhuǎn)數(shù)測試，全面完成測試目標(biāo)。

測試平臺采用通用化設(shè)計(jì)，可對應(yīng)不同的產(chǎn)品，平臺整體使用靈活，操作簡單，畫面信息實(shí)時(shí)顯示。同時(shí)該平臺維護(hù)簡單，運(yùn)行成本低，運(yùn)行效率高，便于調(diào)試、管理及維護(hù)。最重要的是具有對所有測試數(shù)據(jù)的追溯、分析、統(tǒng)計(jì)和管理的功能。

目前，該測試平臺已成功應(yīng)用于多家制造企業(yè)，市場反應(yīng)良好，未來對PCBA測試還具有更大的應(yīng)用前景。