PCBA自動化測試方案及實現技術

摘 要：PCBA是電子產品的核心組成部分，其可靠性直接決定了產品的壽命，因此PCBA的生產測試環節非常重要。PCBA傳統測試方案為人工配合測試工裝進行測試，隨著用工成本、單板防靜電技術要求越來越高，PCBA的自動化測試需求也越來越迫切。文章介紹了一種移動終端產品的單板自動化測試系統，可實現移動終端產品的全自動上下料、搬運、測試，集成2G/3G/4G/5G蜂窩測試儀表、Wi-Fi/Bluetooth/GPS測試儀表、電源表等，實現通信終端產品PCBA全自動化、黑燈化、無人化測試，達到了較高的智能制造水平。

關鍵詞：PCBA；自動化測試；智能制造

中圖分類號：TP274；TP242 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）14-0145-08

PCBA Automated Testing Scheme and Implementation Technology

CAI Dong1， LI Chenyang2， LING Li1， WANG Ting1， ZHANG Jian2

（1.ZTE Co.， Ltd.， Xi'an 710111， China; 2.ZTE Co.， Ltd.， Shenzhen 518057， China）

Abstract： PCBA is a core component of electronic products， and its reliability directly determines the lifespan of the product. Therefore， the production testing process of PCBA is very important. The traditional testing scheme for PCBA involves manual cooperation with testing fixtures. With the increasing cost of labor and anti-static technology requirements of PCBA， the need for automated testing of PCBA is becoming increasingly urgent. This paper introduces a PCBA automated testing system for mobile terminal products， which can achieve full automated production logistics， handling， and testing of mobile terminal products. It integrates 2G/3G/4G/5G cellular testing instruments， Wi-Fi/Bluetooth/GPS testing instruments， power supply and so on. It achieves full automation， black lighting， and unmanned testing of communication terminal products PCBA， achieving a high level of intelligent manufacturing.

Keywords： PCBA; automated testing; intelligent manufacturing

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.14.030

0 引 言

在PCBA單板完成SMT貼片后，需要對單板進行功能和性能測試，攔截因器件物料、貼片工藝、生產制程引入的不良單板，因此，單板的生產測試檢測成了一道關鍵質量工序，對檢測效率、檢測質量、成本均存在較高的要求。傳統單板測試采用人工上下料和夾具工裝輔助方式進行測試，存在測試成本高、靜電損傷風險大、占用產線面積大等問題，基于這些痛點，本文提出了一種單板自動化測試系統設計方案，可有效解決上述痛點問題，全面提升PCBA單板測試自動化程度。

1 目的與目標

1.1 方案目的

提出一套PCBA單板測試自動化系統設計方案，實現通信終端產品單板的全自動上下料、搬運、測試，并可集成2G/3G/4G/5G蜂窩測試儀表、Wi-Fi/Bluetooth/GPS測試儀表、電源表等，實現單板電流測試、射頻校準綜測和Wi-Fi/Bluetooth/GPS等自動化測試，改進測試質量，提升測試效率，改善生產自動化水平[1]。

1.2 目標設定

需要實現手機單板版本下載、單板電流測試、2G/3G/4G/5G蜂窩射頻校準及測試、Wi-Fi/Bluetooth/GPS綜測等工位的自動化測試，核心指標設定如下：

1）兼容主流通信終端PCBA單板生產，長度50～250 mm，寬度50～180 mm，高10～44 mm。

2）整線每小時產能超過240 pcs。

3）機器視覺一次識別率99.5%以上[2]。

4）單板報廢率低于0.05‰。

5）整線單板上下料全部自動化，實現料盤碼放、吸取、平移自動化，實現PCBA單板的吸取、移動、放料自動化。

6）每線可靈活配置多道工序，包括同一個環內多種工序和不同環之間多道工序。

7）整線各模組狀態數據自動采集及通過中控集中調度。

2 需求分析

按照目標設定，整線需要兼容最多8種測試工序，在8種工序全部測試的情況下，需要保證整線UPH產能不低于240 pcs，因此每種工序平均CT（Cycle Time）需要控制到15秒以內，才能實現UPH目標。

基于上述對測試盒的基礎要求，結合技術限制因素，提出整線分為1個上料機、1個下料機、兩個測試模組的配置方案，其中每個測試模組配置1臺6軸機械手和8個單板測試盒，機械手在測試模組中心向測試箱上下料，全部過程實現自動化。

3 方案設計

3.1 整體方案簡述

PCBA單板自動化測試系統，整線外觀如圖1所示。3D圖最右側為上料機模組，最左側為下料機模組，中間的測試小車部分為測試模組，是PCBA單板測試的核心單元[3]。

（a）3D圖

（b）實物圖

整線尺寸長度為8 500 mm，寬度為3 400 mm，高度為2 600 mm，配置4臺國產機械手，其中上下料機各配置1臺4軸機械手，測試模組各配置1臺6軸機械手，實現單板物料取放和轉運，整線側視圖和俯視圖如圖2所示。

（a）側視圖與俯視圖

（b）實物圖

3.2 實現方案簡述

3.2.1 整線總體構成

整線內部視圖如圖3所示，可以分解為7個單元[4]，包括上料機模組、下料機模組、測試平臺、測試小車、測試箱、不良品皮帶和安全防護欄，其中上料機、下料機每線配置各一臺，測試平臺可以動態增加和減少（本文以兩組為例），測試線和測試小車按照1：4比例進行配置。

（a）3D圖

（b）實物圖

3.2.2 測試模組動作流程及邏輯

本線體核心部分為測試模組，其總體動作流程為從待測料皮帶抓取物料，然后向PCBA測試盒上料，完成測試后從PCBA測試盒中取出單板，并根據測試結果向測試良品皮帶下料，或者向不良品皮帶下料。

3.2.3 測試線體內上下料及物流流程

上料機以物料托盤方式上料，上料機內部實現物料托盤進料、托盤升降、水平移盤、分盤、空托盤移盤、碼盤及托盤退出等功能，整線測試邏輯及流程如圖4所示。首先由上料機上電檢查物料狀態開始，在有料的情況下，直接啟動測試；缺料的情況下，上料機通過控制系統向主控系統發送上料請求，主控系統收到送料請求后，調度AGV（自動引導車）小車去線邊倉取料并向上料機進料。物料在測試模組中轉運時，載體為自動傳輸帶，前后站之間通過傳輸皮帶進行串聯，在前站測試通過后，由6軸機械手搭載機器視覺模組對PCBA進行識別、定位和抓取，重投到下一模組待測皮帶，從而實現各個測試模組的串聯。下料機與上料機功能類似，對空托盤進行上料、分盤、對測試通過的PCBA單板進行擺盤、對滿料盤進行碼盤，并實現測試通過的托盤從下料機出料并和AGV系統自動對接下料。

3.3 各模塊概要設計

本節對上述線體各個單元模組的概要設計進行介紹，讓讀者對模組工作原理、結構設計、參數性能有一個全面了解[5-6]。

3.3.1 上料機模組

該模組由一臺四軸機械手、托盤升降絲桿及控制電機、主控電腦、升盤機構、移盤機構、分盤機構、AGV接駁口、固定組件等構成，主要設計參數如下：

1）按照料盤標準尺寸（長×寬×高）590 mm

×490 mm×32 mm和典型內格布局2×3、3×3、3×6，每個托盤料堆可容納25盤，上料機總共可容納50盤物料。

2）4軸機械手配合機器視覺可實現對任意姿態擺放單板的吸取作業，平均CT優化至12秒以內，每小時吸取PCBA單板300片以上。

3）上料機配置條形光源，并在安全防護欄頂部配置外部程控光源，在識別時間窗口內動態打光，提升PCBA單板識別率，抓取成功率在99.5%以上。

4）配置手動進料、退料、急停按鈕，在人工模式和緊急情況下可人工干預，方便調試作業。

上料機外觀及主要結構如圖5所示。

（a）3D圖 （b）實物圖

3.3.2 下料機模組

下料機模組和上料機類似，由一臺四軸機械手、托盤升降絲桿及控制電機、主控電腦、升盤機構、移盤機構、分盤機構、AGV接駁口、固定組件等構成，其外觀結構如圖6所示。主要設計參數和上料機相同，與上料機的主要區別是未配置機器視覺、光源模組，并且進料為空托盤，而出料為滿料盤。

（a）3D圖

（b）實物圖

3.3.3 通用測試模組

通用測試模組配置一臺6軸機械手，以及4臺測試小車，每個測試小車包含2個測試箱，此外，每個模組配置進料皮帶、良品皮帶和不良皮帶各一條，對測試通過的PCBA單板可以流到下一模組進行下道工序測試，對不通過的PCBA單板，則可以復測或者在復測次數達到上限后在當站及時打下，再由作業員人工干預處理，其外觀結構如圖7所示。

（a）3D圖

（b）實物圖

主要設計參數如下[7]：

1）6軸機械手配置氣動夾爪，可實現對長50～

250 mm、寬50～180 mm、高10～44 mm的單板抓料和放料，兼容的PCBA單板重量150～540 g（典型值400～450 g），極限情況下要求最大兼容620 g的PCBA單板。

2）6軸機械手CT優化至12秒以內，每小時取放理論次數達300次，滿足整線UPH不低于240的產能要求。

3）6軸機械手配置同軸光源對待測皮帶上的單板進行動態識別，一次識別準確率在99.5%以上，非視覺識別時間窗內，光源保持斷電狀態，實現黑燈生產目標。

4）主控系統對各測試平臺模組進行集中調度，可實現單個模組內多個工序測試、多個模組同種工序測試、單個模組同種工序并且前后站測不同工序等應用模式，實現靈活的產能配置。

3.3.4 測試小車

測試小車采用臺階型雙層設計，主要功能為固定測試箱、容納測試工控機和測試儀表，以及為測試系統提供良好的供電、接線、散熱、安全環境，其外觀結構如圖8所示。

（a）3D圖

（b）實物圖

主要設計參數如下：

1）外觀尺寸（長×寬×高）為1 100 mm×

750 mm×1 228 mm，為測試箱提供穩固支撐，并可鎖定測試箱到小車上。

2）提供一拖二分屏器，保證在多臺測試工控機情況下，共用顯示屏，提高作業效率。

3）測試儀器分層架為可拆卸設計，保證兼容不同高度的測試工控機和測試儀表，提升設備靈活性。

4）配置四組散熱風扇，小車兩側預留鏤空散熱窗，保證儀器儀表的充分散熱。

3.3.5 單板測試箱

單板測試箱為產品測試的核心單元，需要保證PCBA單板的測試點穩固接觸，提供安全可靠的電氣網環境，并提供滿足技術要求的射頻隔離度環境。測試箱采用一拖二設計，一臺測試箱有獨立的兩組測試抽屜，分別可以獨立控制開關門，其外觀結構如圖9所示。

（a）3D圖

（b）實物圖

主要設計參數如下：

1）每個測試抽屜配置SMA射頻測試頭16個、DB9測試接頭2個、USB接口3個、RJ45接口2個，以便支持MIMO多天線通信終端產品的測試需求。

2）需要兼容的工裝夾具尺寸（長×寬×高）上限為340 mm×150 mm×116 mm，并且需要考慮雙面探針測試夾具的需求，要求把待測PCBA墊高后進行測試。

3）在2.4～5.8 GHz頻率范圍內，測試箱射頻隔離度要求在60 dB及以上。

4）測試箱需要支持程控接口，并可支持標準的程控指令，以便接收主控系統下發的開關門指令。

3.3.6 不良品皮帶

不良品皮帶主要用于測試最終不良品的流出和傳送，由6軸機械手把最終不良品放置到不良皮帶上，不良品皮帶感應到新的不良PCBA放料后，會自動前進指定長度，為下一塊不良PCBA單板留出空間。等到不良品皮帶上滿料時，不良品皮帶控制器會向主控系統發送消息，亮起線體指示黃燈，提醒作業員收撿最終不良PCBA單板，其外觀結構如圖10所示。

（a）3D圖 （b）實物圖

3.3.7 安全防護欄

安全防護欄主要實現線體作業區域的隔離，給生產作業人員提供一個安全的作業環境，同時提供良好的參觀效果，其外觀結構如圖11所示。

（a）3D圖

（b）實物圖

4 詳細設計舉例

本自動化測試線模塊數量多，涉及硬件軟件諸多技術，每個模塊的方案需要參照設計圖紙、代碼才能盡述。因此本節僅針對通用測試模組、主控系統的詳細設計進行介紹，以期讀者能對線體的設計思路有更加深入的理解。

4.1 通用測試模組

通用測試模組是PCBA自動測試線的核心，直接控制待測PCBA單板的測試流向，實現單板上下料取放、分揀，其核心指標包括一次抓取成功率、單次取放作業周期CT（Cycle Time）、機器視覺調校效率、夾爪兼容性、單板損傷率等。下面從幾個核心指標出發，對設計思路進行闡述[8]。

4.1.1 一次抓取成功率

6軸機械手配套的CCD視覺和氣動夾爪是通用測試模組的眼睛和手，抓取成功率主要受光源環境、機器視覺算法性能、機械手路徑和動作優化效果、氣動夾爪吸嘴吸附力、氣壓穩定性等因素影響。通用測試平臺如圖12所示，氣動夾爪如圖中虛線圓圈內所示。本項目在機械手CCD部分配置了紅光同軸光源，在上料機上方及料盤側邊設置了白色條形光源，保證了圖片采集成像效果。視覺算法方面，基于傳統算法和學習算法進行優化，實現了3×3、2.5×2.5小尺寸二維碼的高識別精度。此外模組單獨配置了儲氣罐，保證了氣壓穩定于0.55 MPa以上，保證了吸盤的吸附力，最終達成了一次識別抓取成功率99.5%以上的目標。

（a）3D圖 （b）實物圖

4.1.2 單次取放作業周期（CT）

通過優化機械手動作路線，減少過渡點數量，提升機械手運行速率百分比（最終90%），以及配置儲氣罐保證吸附力等多種手段，最終實現平均CT在12秒以內，達成CT設定目標。

4.1.3 機器視覺調校效率

設定通用視覺模板，實現通用測試平臺的視覺模板通用化，在一個平臺上調校成功后，可快速復制到其他平臺，實現了較高的換型調機效率。老項目調機可以在30分鐘內完成。

4.1.4 夾具兼容性

設計了通用性較好的吸盤結構，如圖13所示，通過吸盤上的多個安裝點，可以實現吸桿、吸嘴的快速拆裝，從而適配不同PCBA單板的可選吸取點，實現快拆免拆。其結構的細部如圖14所示，通過手擰螺絲的方式，在不動吸盤、免工具的情況下，實現吸

桿、吸嘴的快速更換，實現大部分PCBA單板的兼容調試，具有極高的通用性，為快速換機型提供保障。

（a）3D圖 （b）實物圖

4.1.5 單板報廢率

本線體的PCBA目標報廢率要求低于0.05‰，設計階段從機器視覺精確性、氣壓穩定性、單板掉落保護設計、機械手運行速度等幾個方面進行了設計優化，調試過程中，優化設備報警策略，在發生破真空情況下實現即刻停機，避免對PCBA的進一步損傷，通過這一系列設計優化，最終達成了報廢率目標[9]。

4.2 主控系統

主控系統作為控制和協調整線作業流程和邏輯的核心，相當于人的神經系統，對線體運行效率、邏輯正確性、安全性、運行效率提供了基礎的保障。

本線體采用總線結構進行線體內部通信和調度，測試數據流采用Ethernet/TCP協議，控制數據流采用Modbus/TCP協議，實現所有的設備節點連接和控制，如圖15所示。

其核心網絡設備為交換機，頂層控制主機為主控電腦，被控制設備包括測試柜、上料機、下料機、控制柜、機器視覺CCD、機械手等，所有被控制設備僅在本地Ethernet內進行通信，而不與生產網通信，實現了硬件設備的物理隔離，保障設備安全性。測試小車中的測試電腦和主控電腦則可以和生產網通信。主控電腦配置了多網卡，可以同時與本地Ethernet和生產網中通信，有助于實現測試數據上傳MES以及對設備狀態信息的遠程采集和監控[10-11]。

以上料機、通用測試模組為例，系統應用界面截圖如圖16、17所示。

5 結 論

本方案基于機械手、機器視覺、自動化控制技術，實現了PCBA單板的自動化、無人化測試，按照此方案實現后，首條線應用效益統計如下：

1）每條自動化線直接節省作業員4人/線/班。

2）提高產線空間利用率，提升30%以上的單位面積產出率，提高了生產效率。

3）提升測試質量，減少了90%以上的PCBA單板撞件、報廢等作業原因導致的損傷。

4）改善了作業一致性，提升了測試數據一致性，提升了產品批次性質量。

5）改進了工廠的生產自動化水平，提升了可參觀性。

由此可見，本文介紹的單板自動化測試系統具有較強的技術可行性和實用性，有助于提升通信終端產品的PCBA生產測試效率、改進生產質量、降低生產成本，具有顯著的經濟效益和社會效益。

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作者簡介：蔡冬（1983—），男，漢族，陜西寶雞人，終端裝備開發部基帶技術專家，碩士研究生，研究方向：生產測試系統設計、測試自動化、智能制造；李晨陽（1982—），男，漢族，山西太原人，終端裝備開發部技術總工，本科，研究方向：生產測試軟件方案及開發、數字化、智能制造；凌立（1985—），女，漢族，陜西西安人，終端裝備開發部軟件開發高級工程師，碩士研究生，研究方向：生產測試軟件方案及開發、智能制造；王婷（1984—），女，漢族，陜西西安人，終端裝備開發部高級工程師，碩士研究生，研究方向：生產測試軟件開發、基于機器視覺、柔性物流的智能制造；張健（1979—），男，漢族，廣東深圳人，終端裝備開發部部長，碩士研究生，研究方向：生產測試軟件方案及開發、智能制造技術、數字化技術。

收稿日期：2023-11-22