防雷芯片電性能測試及外觀分選一體機的研制

俞興華

（廈門賽爾特電子有限公司，福建 廈門 361100）

0 引言

壓敏電阻芯片作為防雷產品的核心器件，其電氣性能分選和外觀檢測是決定產品質量的重要工序，及早分選剔除不合格品，對保證產品質量至關重要。防雷芯片以大尺寸方形片為主，大尺寸芯片銀面面積大，在生產周轉過程中極易磨損、氧化造成二次損傷，目前市場上通用的六面外觀分選機和電性能檢測設備均無法適用[1-2]。芯片外觀主要以人工肉眼進行檢測，電性能檢測以手工測試分選為主。檢測分類項目多，人工檢測精度和效率均較低。

本研制的這款防雷芯片電性能測試及外觀分選一體機，通過減少生產過程周轉工序，避免在設備上料過程中造成芯片二次損傷，同時考慮兼容多種規格尺寸的芯片，提高檢測效率和精度，降低經營成本，實現對芯片電性能測試及外觀分選時進行自動化檢測分類。

1 防雷芯片電性能測試和外觀檢測要求

防雷芯片是一種限壓型保護器件，利用壓敏電阻芯片的非線性特性，當電壓出現在壓敏電阻的兩極間，壓敏電阻可以將電壓鉗位到一個相對固定的電壓值以此來保護后級電路。壓敏電阻電性能測試項目主要包含電壓上限、電壓下限、電壓合格、非線性不良及漏電流[3]。

防雷芯片外觀檢測項目主要包含黑片缺口、銀面臟污、劃痕、溢銀、缺銀、偏印、鼓包/雜質、麻點、裂紋及外觀尺寸等。不良項目涉及芯片正反兩面及四周邊緣。壓敏電阻芯片外觀良品檢測項目及具體檢測要求見表1。

表1 壓敏電阻芯片外觀良品檢測項目及具體檢測要求

2 防雷芯片電性能測試及外觀分選一體機設計依據及原理

防雷芯片電性能測試及外觀分選一體機要求避免人為周轉和測試過程中芯片的二次損傷。外觀不良品剔除后對電性能按5種規格進行分類收集，合格品要求吸塑盒能夠在線收集包裝并確保外觀檢測的精度和效率。防雷芯片電性能測試及外觀分選一體機的設計原理如圖1所示。設備采用帶視覺四軸機械手進行芯片自動上料[4]，通過轉盤機構實現芯片正反兩面及邊緣進行影像非接觸式、高度成像方式進行外觀檢測，采用凸輪傳動機構探針兩面測試通過TTK突波吸收器測試機進行電性能測試，數據采集系統對測試數據進行存檔分析。凸輪聯動機構實現多工位分類收集。本設備可實現一人多機模式，人工一個小時收放料一次，能夠有效降低人工成本。

圖1 防雷芯片電性能測試及外觀分選一體機設計原理圖

3 防雷芯片電性能測試及外觀分選一體機結構設計

防雷芯片電性能測試及外觀分選一體機結構示意圖如圖2所示。設備結構分為芯片料盤自動儲料機構、帶視覺四軸機械手自動抓取機構、芯片上料輸送帶機構、芯片底部影像檢測機構、芯片端面外觀視覺檢測機構、電性能測試機構、工位頂升旋轉分離抓取機構，以及合格品自動放吸塑盒收料機構。其中，芯片外觀檢測機構、電性能測試機構和分離抓取機構作為設備的核心部件，采用6個凸輪聯動機構完成。設計采用2個轉盤同步輸送芯片。

圖2 防雷芯片電性能測試及外觀分選一體機結構示意圖

3.1 料倉自動上下料機構設計

芯片來料為不銹鋼料框存放模式，為了避免芯片周轉造成外觀二次損傷，采用料框自動倉儲模式。該模式左側為帶產品料倉自動上料機構、料框輸送機構和空料倉自動收集機構。自動上料和自動收料機構采用電機驅動帶護板的鏈條實現升降，鏈條護板上安裝限位板把料框分離，護板的間距與鏈條節距匹配，通過控制碼盤實現料框有序輸送。碼盤旋轉一個工位，電機驅動鏈條輸送一盤料框。料框輸送到皮帶傳送帶時，傳感器輸出信號，輸送帶把料框輸送到指定位置并阻擋限位，便于進行視覺定位抓取?？樟峡蚶孟嗤脑磉M行收料的有序提升。

電機選型計算：帶載料框重量約3.3 kg/PCS，為滿足人工看機要求，料倉設計為一次性可裝載30 PCS。負載總重量約100 kg。根據電機負載轉動慣量和電機扭力計算結果，上下料倉電機可選用功率為200 W減速比為100的調速電機驅動。料框皮帶輸送線根據計算選用功率為60 W減速比為15的調速電機控制。

3.2 帶視覺四軸機械手自動抓取機構設計

料框內芯片呈無序狀態，為避免芯片外觀二次損傷，采用視覺對料框內芯片先進行成像檢測定位再通過四軸機械手進行抓取。視覺定位系統采用打正向光方式，光源在機械手上方，CCD從上往下拍攝，進行圖像分析定位。相機將計算出的像素坐標轉換為機械手的物理坐標，視覺軟件與機械手進行網口通信，將視野內物料的物理坐標發送給機械手，機械手抓取物料放在指定工位并完成芯片的抓取。

料框尺寸為280 mm×250 mm，需要抓取的范圍大，為保證視覺精度，一個料框分成兩半區域進行定位抓取，視覺定位系統采用正向光方式，兩個條形光源呈一定角度安裝在機械手上方，采用1 200像素相機從上往下拍攝，進行圖像分析定位。相機將計算出的像素坐標轉換成機械手的物理坐標，視覺軟件與機械手進行網口通信，將視野內芯片的物理坐標發送給機械手，四軸機械手采用真空吸盤模式實現芯片自動抓取并按指定要求放置在帶槽同步帶上，定位精度為±0.1mm，效率可滿足2 400 PCS/h。同步帶輸送通過傳感器控制輸送固定距離，有序把芯片輸送至抓取工位。通過該模式可兼容多種規格芯片自動抓取有序輸送，避免薄產品容易疊片現象。

3.3 防雷芯片外觀檢測機構設計

芯片視覺檢測需包含芯片正反兩面及四周邊緣。外觀檢測系統采用基恩士品牌通過正反面兩個工位對芯片進行檢測。每個工位安裝有500 W相機，以及低角度環形光源和偏振環形光源兩種光源。

機械結構采用兩個同步分割器轉盤控制，根據時序圖計算，1#轉盤選用8工位分割器，每個工位安裝彈性真空吸嘴且由單獨的真空發生器控制，通過氣管旋轉接頭連接，真空吸附產品，從底部檢測芯片外觀。2#轉盤選用12工位分割器盤，轉盤工裝選擇鋼化玻璃鑲件且底部安裝背光光源。芯片放置在2#分割器轉盤工裝內實現芯片端面外觀檢測。該工位測試時需把芯片頂升至低角度環形光源中，該頂升機構采用擺臂凸輪動作實現。為保證機械傳動安全性避免撞擊，頂升凸輪安裝傳感器監控動作。芯片外觀檢測時，每個光源需同時拍攝多張圖片進行算法計算判斷外觀是否合格[4-5]。

3.4 防雷芯片電性能測試機構設計

芯片電性能測試機構采用溝槽凸輪傳動機構，當裝盤移至測試工位時，轉盤處于停止狀態，在停止時間內平動溝槽凸輪旋轉，凸輪滾子升降通過齒輪齒條傳動上下探針往復運動對芯片進行在線檢測，凸輪旋轉時，凸輪滾子通過凸輪軌跡實現升降帶動齒輪旋轉，齒輪旋轉時驅動兩個齒條實現往復直線運動并通過滑軌導向實現上下兩塊板的往復運動升降運行。探針安裝在上下兩塊板上，通過螺桿調節行程滿足不同厚度的產品測試?；壪掳逄幇惭b有傳感器監控，防止探針在凸輪機構松動時與轉盤撞擊。電性能測試使用TTK突波吸收器測試機多通道對多個項目同時進行檢測，測試數據通過數據采集系統進行實時監測存儲，做到數據分析可查。

3.5 防雷芯片篩分機構設計

芯片按非線性系數、電壓上線、電壓下線、漏電流、外觀/電壓合格及外觀不良分類收集。設計時采用凸輪聯動機構完成轉盤6個工位同時抓取動作。該功能在2#分割器裝盤實現，2#分割器轉盤為頂升旋轉篩分機構。當2#分割器轉盤旋轉1周時，主軸升降旋轉，主軸頂部安裝帶槽轉盤，利用曲柄滑塊機構，把旋轉運動轉化為直線運動。主軸頂部轉盤旋轉時，六角桿驅動滑塊動作完成往復直線運動，滑塊處安裝有真空吸盤，通過升降及旋轉凸輪動作實現真空吸盤完成芯片“工”字形自動抓取動作。利用該機構可同時滿足6工位抓取，每個工位吸盤由單獨的真空發生器控制并設計成行程可調裝置，通過螺桿調節吸盤位置可兼容不同厚度芯片。設備運行時，根據測試信號PLC控制對應工位真空發生器對產品進行分類抓取存放。

3.6 防雷芯片吸塑盒收料機構設計

合格芯片需有序存放在吸塑盒里。機構設計由空吸塑盒自動上料儲料倉，裝好芯片吸塑盒自動收料倉。吸塑盒由Y方向鏈條移位機構、芯片X/Z軸模組機構組成。上下料倉儲料更換時間與前段芯片料框上料周期匹配。上下料倉機構采用伺服電機絲杠升降匹配氣缸阻擋機構實現有序供料。Y方向鏈條輸送機構根據吸塑盒尺寸結合鏈條節距采用8工位。每個工位均安裝傳感器監控位置，伺服電機根據PLC控制實現吸塑盒產品間距有序輸送，吸塑盒達到指定位置時，X/Z模組一次真空吸附4個芯片存放在吸塑盒內。吸塑盒裝滿盤后到達收料工位時，自動收集機構開始動作，伺服電機通過絲杠提升配合氣缸阻擋機構實現有序收料。吸塑盒內根據不同芯片厚度可通過PLC輸入控制設置擺放層數。操作人員可實現不停機收料[6]。

4 防雷芯片電性能測試及外觀分選一體機性能測試結果與分析

防雷芯片電性能及外觀分選一體機研發完成導入生產使用后，人工針對批量產品進行電性能和外觀復檢，避免出現不合格產品。電性能測試準確率＞99.9%。根據非線性系數、電壓上線、電壓下線、漏電流、電壓合格等要求進行準備和篩分。銀片外觀檢測能在線識別黑片缺口、銀面臟污、溢銀、漏印、偏印、鼓包/雜質、裂紋、麻點及外觀尺寸等項目，根據限度樣板要求，檢測準確率＞99.9%。該設備整體檢測速度＞2 400 PCS/h，有效提高了防雷芯片電性能和外觀檢測準確率和生產效率。

5 結語

防雷芯片電性能測試及外觀分選一體機能夠準確實現芯片電性能和外觀在線非接觸式檢測。通過料框料倉上下料，機械手后視覺定位抓取模式，取消了部分周轉工序，有效避免周轉過程中對造成外觀的二次損傷。該設備能自動檢出不良品，避免人為因素造成質量誤判。實現了測試和包裝一體機生產，實現脫機操作，約1 h收放料一次，實現一人多機，有效降低人工成本。防雷芯片電性能測試及外觀分選一體機可實現合格品芯片在吸塑盒內序存放，為下道工序自動化設備開發提供了有效支撐。其帶來的經濟效益和設備效益十分顯著，值得廣泛推廣應用。