PCB缺陷檢測(cè)上下料系統(tǒng)的應(yīng)用研究*

蔣仕龍，林斌，陳劍雄，李冬榮，陳方涵

（深港產(chǎn)學(xué)研基地運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳518057，深圳518060）

0 引言

印刷電路板（Printed Circuit Board，PCB）是所有電子產(chǎn)品不可缺少的基礎(chǔ)零部件。在其生產(chǎn)過程中，必須對(duì)加工和蝕刻后的覆銅板產(chǎn)生的線路的品質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)。目前主要的檢測(cè)方式是采用人工上下料，利用專門的自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)（Automatic Optic Inspection，AOI）設(shè)備實(shí)現(xiàn)內(nèi)層覆銅軟基板和壓合而成的PCB硬板線路的短路、斷線、缺孔等可能的14種缺陷的檢測(cè)[1-3]；其中以色列奧寶（Or?botech）的AOI設(shè)備在PCB檢測(cè)市場占據(jù)超大份額的優(yōu)勢(shì)性地位。隨著拼版工藝的發(fā)展[4]，AOI不再局限于單層的內(nèi)層覆銅板檢測(cè)，也包括對(duì)多層覆銅板壓合而成的成品PCB檢測(cè)，層數(shù)最多可達(dá)128層。對(duì)于40英寸×48英寸這種大尺寸多層PCB，其質(zhì)量可達(dá)到15 kg。此時(shí)若仍采用人工上下料和翻板的方式為AOI檢測(cè)設(shè)備供料，工人會(huì)很快疲勞，難以跟上AOI設(shè)備的工作節(jié)拍，嚴(yán)重影響產(chǎn)能。因此，實(shí)現(xiàn)PCB檢測(cè)自動(dòng)上下料和自動(dòng)翻板成為了行業(yè)的剛性需求。

國內(nèi)外的PCB自動(dòng)上下料和自動(dòng)翻面主要有2種方法[5-7]。國內(nèi)某公司利用六關(guān)節(jié)機(jī)器人和1個(gè)“L”型的上板機(jī)構(gòu)，以及1個(gè)單軸翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)PCB的自動(dòng)上下料和自動(dòng)翻板，這種方法結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，但有2個(gè)非常嚴(yán)重的缺點(diǎn)：一是整個(gè)設(shè)備運(yùn)行的節(jié)拍太慢，運(yùn)行節(jié)拍接近4min，大大降低了AOI的使用率；二是采用“L”的上板機(jī)構(gòu)，使得PCB豎直放置，不能采用保護(hù)隔紙防止PCB的磨損。新加坡某公司利用一臺(tái)專用的桁架機(jī)器人為2臺(tái)AOI設(shè)備上料，用另一臺(tái)直角坐標(biāo)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)PCB的翻面，每臺(tái)AOI設(shè)備只檢測(cè)PCB一面。該方法基本可以充分利用AOI設(shè)備的檢測(cè)時(shí)間，但是由于每一塊PCB要分2次在不同的AOI設(shè)備檢測(cè)，要求每塊PCB要有2個(gè)身份識(shí)別碼，并且在不同的機(jī)器上完成初始的識(shí)別模板。這種工作模式跟奧寶科技設(shè)計(jì)的利用人工上下料和翻板在同一臺(tái)AOI機(jī)器完成檢測(cè)的工藝大不相同，容易造成兩者節(jié)拍不匹配，因此沒有大面積推廣?？偟膩碚f，現(xiàn)有的同類產(chǎn)品都有行業(yè)不可接受的缺點(diǎn)。

本文作者針對(duì)行業(yè)中采用奧寶Discovery系列AOI設(shè)備進(jìn)行缺陷檢測(cè)的眾多需求，研發(fā)一款既不會(huì)改變AOI檢測(cè)工藝，又不會(huì)降低AOI設(shè)備使用率的專用智能機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)不同重量不同面積不同厚度PCB自動(dòng)上下料和自動(dòng)翻板，增加PCB的產(chǎn)能。

1 PCB上下料及自動(dòng)翻板機(jī)器人系統(tǒng)

PCB上下料及自動(dòng)翻面的智能機(jī)器人是與奧寶光學(xué)自動(dòng)掃描設(shè)備配套使用的，需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上板、自動(dòng)對(duì)位、自動(dòng)翻板、自動(dòng)壓板邊、自動(dòng)移位隔板膠片、自動(dòng)下板、自動(dòng)防疊板等功能。相應(yīng)技術(shù)參數(shù)為：（1）適用板厚：0.05～7.5 mm（帶孔）；（2）適用板重：標(biāo)準(zhǔn)5 kg，且10 kg、15 kg為可選項(xiàng)；（3）最大板尺寸：40英寸×48英寸；（4）對(duì)位精度：1 mm（以奧寶光學(xué)掃描機(jī)的臺(tái)面零點(diǎn)為零點(diǎn)）；（5）設(shè)備運(yùn)行節(jié)拍 （不含奧寶光學(xué)掃描機(jī)的掃描時(shí)間）：“上板—對(duì)位—翻板—下板—移位隔板膠片—板邊噴墨”此系列動(dòng)作在8 min內(nèi)完成;“上板—對(duì)位—壓邊—翻板—壓邊—下板—移位隔板膠片—板邊噴墨”此系列動(dòng)作在11 s內(nèi)完成；(6)設(shè)備尺寸：1.6 m×1.6 m×2.2 m。

整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)流程為：人工碼放待檢PCB工件于上料架，工業(yè)相機(jī)對(duì)工件或防護(hù)板進(jìn)行位置識(shí)別后輸出信號(hào)，上料機(jī)器人抓取工件后運(yùn)動(dòng)至AOI設(shè)備上料位放料，再抓取防護(hù)板到下料區(qū)下料。一面檢測(cè)完成后由上下料機(jī)器人共同完成翻面動(dòng)作后放料，AOI設(shè)備檢測(cè)完成后輸出信號(hào)，下料機(jī)器人完成下料，噴碼機(jī)噴碼。

PCB板上下料系統(tǒng)用于對(duì)制造后的PCB板進(jìn)行上料及下料操作，僅用一臺(tái)AOI檢測(cè)設(shè)備便可實(shí)現(xiàn)板正面及反面的檢測(cè)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，包括方形機(jī)架、機(jī)架內(nèi)部檢測(cè)位、放置待檢PCB板的上料臺(tái)以及用于放置檢后PCB板的下料臺(tái)等。在對(duì)PCB板上下料時(shí)，首先將待檢PCB板放置在上料臺(tái)1上，然后使上料吸盤架2移動(dòng)至該平臺(tái)上方吸附PCB板，并將其移動(dòng)到檢測(cè)設(shè)備上進(jìn)行檢測(cè)。完成單面檢測(cè)后，PCB板被下料吸盤架3吸附，并通過橫向轉(zhuǎn)動(dòng)軸4轉(zhuǎn)動(dòng)180°，從而將單面檢測(cè)后的PCB板翻轉(zhuǎn)。此時(shí)，PCB板已檢面朝下，未檢面朝上。翻轉(zhuǎn)后，再對(duì)PCB板重復(fù)之前的操作，從而在檢測(cè)設(shè)備中完成另一面的檢測(cè)。兩面均檢測(cè)完畢后，用下料吸盤架3吸附PCB板，在縱向轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)5進(jìn)行角度轉(zhuǎn)動(dòng)，之后將板放置在下料臺(tái)6上，至此完成下料。從而實(shí)現(xiàn)利用一臺(tái)AOI設(shè)備，完成PCB板正反面檢測(cè)。之后，由位于下料臺(tái)6的上方的噴碼器7對(duì)雙面檢測(cè)后的PCB板進(jìn)行噴碼標(biāo)記。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Systemstructurediagram

圖2 離線板型記錄儀示意圖Fig.2 Schematic diagramof off-lineboard-typerecorder

2 基于離線板型記錄儀的可配置夾具設(shè)計(jì)

在PCB板的生產(chǎn)加工工藝流程中，對(duì)PCB板夾取一般是通過采用具有多個(gè)吸盤的夾具來實(shí)現(xiàn)[8-9]，當(dāng)夾取的是無孔PCB板時(shí)，夾具通過吸盤能夠簡便完成夾取。而當(dāng)夾取的是多孔PCB板時(shí)，PCB板上有孔的位置會(huì)影響吸盤的吸附，使得吸盤吸附力不夠，因此需要將吸盤調(diào)整到PCB板的無孔位置進(jìn)行吸附。不同型號(hào)的PCB板具有不同密度的不規(guī)則孔位，為使設(shè)備能夠自適應(yīng)、快速、便捷地獲取孔位信息以調(diào)節(jié)吸盤位置，作者設(shè)計(jì)了能夠根據(jù)板型記錄儀獲得的板型參數(shù)，自動(dòng)調(diào)整吸盤位置，并自動(dòng)打開或者關(guān)閉吸盤通氣閥的智能夾具。

離線板型記錄儀原理如圖2所示，由外殼、內(nèi)設(shè)光源、透光玻璃、采集模塊和孔位信息文件生成模塊4個(gè)部分組成。外殼的上表面傾斜設(shè)置，前低后高，靠近操作人的一端為前，便于人工操作。透光玻璃用于放置PCB板并使光線透過。為了便于PCB板在透光玻璃上安裝定位，外殼的上表面開設(shè)有一凹槽，透光玻璃置于凹槽中。采集模塊為板條狀對(duì)比板，位于透光玻璃上方，用于接收透過PCB板各個(gè)通孔的光線。板上開設(shè)有多個(gè)可供光線透過且與夾具上吸盤布置對(duì)應(yīng)的對(duì)比通孔，呈間隔相等的一字排列。

當(dāng)內(nèi)設(shè)光源發(fā)出的光透過透光玻璃層照射于PCB板上時(shí)，PCB板上有孔的位置就會(huì)有光透過。采集模塊通過接收透過孔的光線，將其轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的孔位信息。然后產(chǎn)生與之相對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸入開關(guān)與吸盤閥門關(guān)閉的信號(hào)，并將相應(yīng)的信號(hào)以工作文件的形式存儲(chǔ)起來。之后采用人工方式推動(dòng)滑槽上的滑塊，直到滑塊從PCB板一端移到另一端。這樣，滑塊移動(dòng)的距離就間接地通過編碼器記錄了下來，并以生成工作文件的形式儲(chǔ)存起來。至此，通過上述兩個(gè)工作文件，可獲知夾具吸盤的數(shù)量及兩組吸盤之間的距離，便于吸盤控制系統(tǒng)調(diào)用。

此外，為了測(cè)出PCB板的重力信息，凹槽底部設(shè)有壓力傳感器。當(dāng)PCB板放置于透光玻璃上時(shí)，壓力傳感器就會(huì)自動(dòng)感應(yīng)透光玻璃上的壓力變化，從而自動(dòng)測(cè)出PCB板的重力信息，并根據(jù)PCB板的重量判斷夾具上吸盤的吸附力是否足夠。若吸附力不足，則需調(diào)整PCB板的傳送運(yùn)動(dòng)參數(shù)，即調(diào)小PCB板的傳送加速度，使得PCB板平緩傳送，從而避免因吸附力不足而致使PCB板跌落損壞的情況；若吸附力充足，則無需調(diào)整。

由于每一份生成的工作文件都代表了每一型號(hào)規(guī)格相同的PCB板上孔位信息，因此當(dāng)生產(chǎn)加工同一批大小規(guī)格相同的PCB板時(shí)，只需要將板型記錄儀生成的文件導(dǎo)入吸盤控制系統(tǒng)，即可實(shí)現(xiàn)吸盤吸附位置的快速自動(dòng)調(diào)節(jié)，提高生產(chǎn)效率。

3 基于視覺定位的上下料機(jī)器人控制與模擬

在AOI設(shè)備對(duì)PCB板進(jìn)行檢測(cè)之前，需將待測(cè)板移動(dòng)至AOI檢測(cè)平臺(tái)，整個(gè)過程通過控制安裝有吸盤的三維XYZ外加R轉(zhuǎn)軸的機(jī)械手來實(shí)現(xiàn)。為使機(jī)械手能重復(fù)移動(dòng)至指定平臺(tái)，保證每次PCB板上料位姿態(tài)一致性，平臺(tái)上方安裝有視覺系統(tǒng)進(jìn)行定位補(bǔ)償。

假設(shè)PCB板上某點(diǎn)的基準(zhǔn)坐標(biāo)為P(x ,y,z)，經(jīng)機(jī)械手抓取至平臺(tái)上的相機(jī)坐標(biāo)為P′(x ′,y′,z′)。由于兩個(gè)不同坐標(biāo)之間可能會(huì)存在旋轉(zhuǎn)和位移，因此兩者的關(guān)系可由3×3的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移向量S=(sx,sy,sz)T建立：

其中，R為正交單位矩陣。在PCB上下料的應(yīng)用中，z=z′，利用板面上多個(gè)的Mark點(diǎn)位置，便可確認(rèn)sx、sy和PCB板在X′-Y′坐標(biāo)平面上的旋轉(zhuǎn)角度，從而進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償。

機(jī)械手進(jìn)行操作時(shí)，某些軌跡有嚴(yán)格的規(guī)劃的空間定位和速度要求，而在過渡軌跡部分，其運(yùn)動(dòng)速度越快越好，以滿足運(yùn)動(dòng)節(jié)拍，這就要求軌跡優(yōu)化[10-12]。因此，結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)分析獲得正解和逆解模型后，利用MATLAB進(jìn)行模擬驗(yàn)證，得到一系列離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)，并繪制軌跡規(guī)劃曲線，以獲得各軸的速度與加速度曲線，最終節(jié)拍滿足設(shè)計(jì)要求，如圖3所示。

4 設(shè)備實(shí)測(cè)結(jié)果

根據(jù)圖1的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的設(shè)備實(shí)物圖如圖4所示。為驗(yàn)證設(shè)備的性能，分別進(jìn)行了定位精度測(cè)試與夾具測(cè)試。定位精度測(cè)試結(jié)果如表1所示。表1給出了兩組上料位置、AOI測(cè)試平臺(tái)位置及其對(duì)接位置補(bǔ)償前后的數(shù)據(jù)。各位置在X、Y和Z軸上出現(xiàn)位移偏差的幾率較小，出現(xiàn)的偏差均在可接受范圍。

圖3 機(jī)械手模擬曲線Fig.3 Simulation curveof manipulator

圖4 PCB檢測(cè)上下料系統(tǒng)Fig.4 Feedingand uploading systemfor PCBinspection

表2和表3是根據(jù)離線板型記錄儀提供的結(jié)果，分別給出了抓取不同重量的PCB板所需的最少單邊吸盤個(gè)數(shù)及其分布方式。

表2中Y表示在當(dāng)前單邊吸盤個(gè)數(shù)下可以成功提取該重量下的板；N表示在當(dāng)前單邊吸嘴個(gè)數(shù)下不能成功提取該重量下的板；m/n表示以單邊的中心為基準(zhǔn)，中心的一邊為m個(gè)吸盤，中心的另一邊為n個(gè)吸盤。從而得出不同重量PCB板上料所需的最少單邊吸盤數(shù)和吸盤分配方式，如表3所示。

完成的樣機(jī)送入PCB廠進(jìn)行了3個(gè)月的現(xiàn)場測(cè)試，進(jìn)行樣機(jī)的評(píng)估。測(cè)試結(jié)果顯示，樣機(jī)及小批量的試制機(jī)器的參數(shù)達(dá)到了客戶約定的各項(xiàng)指標(biāo)。

表2 夾具測(cè)試

表3 吸盤個(gè)數(shù)與分布

5 結(jié)論

根據(jù)PCB板AOI檢測(cè)的工藝要求和節(jié)拍要求，針對(duì)奧寶AOI設(shè)備的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了自動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)。其中，上料機(jī)械手由XYZθ3個(gè)移動(dòng)軸和1個(gè)旋轉(zhuǎn)軸構(gòu)成，下料機(jī)器人由βγ2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸和1個(gè)Z向移動(dòng)軸構(gòu)成，上下料機(jī)器人協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)完成PCB翻面動(dòng)作。PCB檢測(cè)結(jié)果的噴碼動(dòng)作由一個(gè)單獨(dú)的XZ兩軸移動(dòng)機(jī)械手完成。同時(shí)，針對(duì)PCB板上的孔位會(huì)破壞夾具上吸盤的真空度，采用智能可配置夾具設(shè)計(jì)，離線自動(dòng)檢測(cè)孔位信息，提供抓取PCB板所需的最小吸盤數(shù)及其分布方式。整個(gè)系統(tǒng)涉及定位、機(jī)械手協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)自動(dòng)翻面、夾具掉板自動(dòng)偵測(cè)后再次自動(dòng)上料等功能功能，實(shí)現(xiàn)了全程無人值守的智能化操作。