基于工業(yè)機器人的柔性化自動測試系統(tǒng)

王 瑞，陳偉雄，王 楠，王 勇，葉 敏，陳志仁

（上海無線電設(shè)備研究所，上海 201109）

0 引言

PCBA及電子元器件，一般都要在生產(chǎn)的后道加入測試環(huán)節(jié)，對其電氣性能參數(shù)進行檢測，以確保所有實際產(chǎn)品的規(guī)格參數(shù)滿足設(shè)計要求。與生產(chǎn)前道已實現(xiàn)高度自動化的貼片焊接、三防涂覆、螺紋緊固、點膠加固等環(huán)節(jié)不同，產(chǎn)品測試多為手動或半自動的方式，操作人員抓取產(chǎn)品并將其放置在測試治具中，完成產(chǎn)品的定位裝夾，以及測試治具與待測產(chǎn)品測試觸點（或測試接口）的導(dǎo)通，然后觸發(fā)自動測試流程。測試完成后，再手動將產(chǎn)品從治具中取出，根據(jù)測試結(jié)果的合格與否，手動分揀合格品與不良品[1]。該種測試方式雖然實現(xiàn)了產(chǎn)品測試、數(shù)據(jù)記錄、結(jié)果生成的自動化，但產(chǎn)品的上料抓取、治具裝夾、測點導(dǎo)通、下料分揀等流程仍依靠人工，存在人力成本較高、測試效率低下，測試過程一致性與質(zhì)量可溯性難以保證的問題。

圖1 柔性化自動測試系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖Fig.1 Hardware architecture of flexible automatic test system

圖2 柔性化自動測試系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of flexible automatic test system

圖3 柔性化自動測試系統(tǒng)通信拓?fù)鋱DFig.3 Communication topology of flexible automatic test system

本文介紹了一套基于工業(yè)機器人的柔性化自動測試系統(tǒng)，實現(xiàn)產(chǎn)品測試過程中上料抓取、編碼識別、治具裝夾、產(chǎn)品測試、結(jié)果生成與數(shù)據(jù)記錄、下料與不良分揀等全流程的自動化，操作人員只需定期將待測產(chǎn)品放入指定料盤或取走測試完成產(chǎn)品，顯著提升測試效率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

該柔性化自動測試系統(tǒng)，以工業(yè)機器人為核心，機器人末端集成自適應(yīng)電動夾持器、力控傳感器、智能相機等執(zhí)行部件，搭建機器人搬運子系統(tǒng)，實現(xiàn)產(chǎn)品自動裝夾、編碼識別、視覺定位、力監(jiān)控與位置反饋控制等功能[2,3]。

在工業(yè)機器人周圍，分別布置有周轉(zhuǎn)料盤、中轉(zhuǎn)平臺和自動化測試治具。周轉(zhuǎn)料盤按照功能劃分為供料盤、合格品料盤和不良品料盤，與實現(xiàn)產(chǎn)品重定位、編碼識別的中轉(zhuǎn)平臺構(gòu)成上下料子系統(tǒng)。自動化測試治具可實現(xiàn)產(chǎn)品的自動裝夾定位與測試探點導(dǎo)通，及接口接插等功能，根據(jù)機器人工作范圍、搬運流轉(zhuǎn)與產(chǎn)品測試的周期時間匹配關(guān)系，合理配置測試治具數(shù)量，達(dá)到最優(yōu)的測試效率。搭載測試用儀器儀表、自動化測試軟件的測試機柜與自動化測試治具之間，通過線纜連接，構(gòu)成產(chǎn)品測試子系統(tǒng)。

該柔性化自動測試系統(tǒng)采用分布式控制，系統(tǒng)的主控軟件與機器人控制器、測試治具電機驅(qū)動器、測試機柜的自動化測試軟件之間，通過不同的通信協(xié)議實現(xiàn)指令控制、數(shù)據(jù)交互功能。

2 子系統(tǒng)設(shè)計

2.1 機器人搬運子系統(tǒng)設(shè)計

圖4所示為機器人搬運子系統(tǒng)，包括工業(yè)機器人、力控傳感器、腕部智能相機、自適應(yīng)電動夾持器、定制夾指等組成。

圖4 機器人搬運子系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of robot handling subsystem

工業(yè)機器人選用UR六軸協(xié)作式機器人，具有安裝快速、部署靈活、編程簡單的優(yōu)點，操作人員可快速完成機器人的位置示教與編程開發(fā)，并確保操作的安全性和便利性。

圖5 測試治具示意圖Fig.5 Schematic diagram of test fixture

圖6 主控軟件架構(gòu)圖Fig.6 Main control software architecture

機器人末端配置有力控傳感器，實現(xiàn)機器人搬運、取放過程中的力監(jiān)控與力位反饋控制，避免對測試產(chǎn)品、料盤、測試治具等的損壞。

機器人末端配置有腕部智能相機，實現(xiàn)待測產(chǎn)品的視覺定位與編碼識別，料盤、治具處的位置識別與視覺引導(dǎo)等功能。

機器人末端配置有自適應(yīng)電動夾持器，以及根據(jù)產(chǎn)品外形尺寸特征定制的夾指工裝，兼容不同產(chǎn)品的自動化夾持需求。

UR機器人控制器基于相關(guān)硬件接口與軟件開發(fā)包，實現(xiàn)與上述的力控傳感器、智能相機、自適應(yīng)電動夾持器等的即插即用控制，方便功能開發(fā)。UR機器人控制器與主控軟件之間，通過基于TCP/IP的socket通信，實現(xiàn)控制交互。所有的動作流程以子程序的形式存儲在機器人控制器，主控軟件將包含子程序編號、目標(biāo)點位置的指令字符串，通過socket通信方式發(fā)送至機器人，機器人解析指令字符串，調(diào)用子程序，執(zhí)行相關(guān)動作，并將結(jié)果信息以socket通信字符串反饋至主控軟件。

2.2 上下料子系統(tǒng)設(shè)計

供料區(qū)、合格品料區(qū)、不良品料區(qū)布置在機器人周圍，各個料區(qū)均布置兩個料盤，可同時進行兩種產(chǎn)品的混線測試，也可將料盤規(guī)劃為同一規(guī)格，滿足單一產(chǎn)品測試需求。在供料區(qū)的一側(cè)，設(shè)計有中轉(zhuǎn)平臺，用于完成料盤取料后的產(chǎn)品重定位、編碼識別等操作。

2.3 產(chǎn)品測試子系統(tǒng)設(shè)計

在機器人周圍分別布置兩種產(chǎn)品的各兩個測試治具，分別對應(yīng)不同的測試項目。每個測試治具共包含4個測試工位，測試探針通過測試線纜與測試機柜的儀器儀表連接，產(chǎn)品裝夾完成后，測試探針接觸產(chǎn)品測試點，輸入測試激勵信號并接收反饋信號，完成產(chǎn)品測試。

測試治具的產(chǎn)品裝夾、探針推進等均由步進電機驅(qū)動，工控機通過串口服務(wù)器連接各電機驅(qū)動器，主控軟件通過Modbus RTU實現(xiàn)對電機的驅(qū)動控制。

2.4 主控軟件子系統(tǒng)

主控軟件采用3層架構(gòu)，包括表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層和任務(wù)驅(qū)動層。表現(xiàn)層包括窗體界面，各個窗體界面繼承了基類的界面接口，通過底層任務(wù)響應(yīng)的窗體回調(diào)方法，實現(xiàn)界面更新操作。業(yè)務(wù)邏輯層包括一個動作線程和任務(wù)指令出入隊列的方法，通過調(diào)用任務(wù)響應(yīng)方法實現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯。任務(wù)驅(qū)動層則實現(xiàn)各任務(wù)指令的具體動作響應(yīng)。

從功能模塊上劃分，軟件可分為主程序模塊、機器人模塊、測試治具模塊，各個模塊均繼承了基類，具有與基類相同的層級架構(gòu)。主程序的業(yè)務(wù)邏輯層可調(diào)用機器人與測試治具模塊的業(yè)務(wù)邏輯層，實現(xiàn)不同模塊間的互聯(lián)互通。

圖8 物料流轉(zhuǎn)調(diào)度圖Fig.8 Material flow scheduling diagram

圖7所示為主控軟件的主界面，包括：

圖7 主控軟件界面Fig.7 Main control software interface

1）測試模式選擇：根據(jù)生產(chǎn)排程，選擇產(chǎn)品混合測試、單一產(chǎn)品測試等。

2）測試流程控制區(qū)：包括設(shè)備初始化、測試開始、暫停、繼續(xù)、停止等按鈕。

3）料盤狀態(tài)顯示區(qū)：以表格形式對應(yīng)料盤上的陣列槽位，以不同顏色填充的形式區(qū)分槽位的產(chǎn)品有無及異常狀態(tài)。

4）治具狀態(tài)顯示區(qū)：以表格形式對應(yīng)測試工位，以顏色填充和文字說明顯示產(chǎn)品有無和測試狀態(tài)，如無產(chǎn)品、待測試、測試中、合格品、不良品、工位未啟用等。

3 關(guān)鍵技術(shù)介紹

3.1 任務(wù)自主規(guī)劃與機器人路徑優(yōu)化

如上所述，該柔性化自動測試系統(tǒng)可兼容兩種不同產(chǎn)品的各兩個測試項的單獨/混合測試的不同生產(chǎn)排程。為滿足測試任務(wù)與搬運中轉(zhuǎn)流程的規(guī)劃調(diào)度，首先，對機器人、測試治具的動作流程進行劃分，細(xì)分為多個子程序。如針對某一測試產(chǎn)品，機器人子程序均可細(xì)分為：料盤處取料/放料、測試治具取料/放料、中轉(zhuǎn)平臺重定位/拍照識別、機器人回等待位等。同理，測試治具細(xì)分為治具裝夾/松開等。

主控軟件的主程序業(yè)務(wù)邏輯層，實時判斷測試進展情況與料盤、治具處的物料有無狀態(tài)，并基于指定的物料流轉(zhuǎn)方向調(diào)用相應(yīng)子程序，實現(xiàn)生產(chǎn)排程的自主規(guī)劃調(diào)度。

主控軟件基于業(yè)務(wù)邏輯層的調(diào)度策略，通過socket通信方式，向機器人控制器下發(fā)子程序編號和目標(biāo)點的坐標(biāo)信息，機器人執(zhí)行響應(yīng)的動作。為實現(xiàn)機器人路徑優(yōu)化，基于機器人基坐標(biāo)系的象限區(qū)域，設(shè)置多個中間過渡點，機器人子程序執(zhí)行時，首先判斷當(dāng)前點與目標(biāo)點的象限區(qū)域，經(jīng)由過渡點運行至目標(biāo)象限區(qū)域內(nèi)，再執(zhí)行相應(yīng)的動作[4]。

3.2 主控軟件與測試軟件通信

系統(tǒng)主控軟件與測試機柜的測試軟件間采用UDP通信協(xié)議，實現(xiàn)互聯(lián)互通。通信指令如下：

1）測試流程觸發(fā)

測試治具采用多產(chǎn)品“同進同出”的方式，當(dāng)測試治具上的4個工位均完成上料（缺料或工位未啟用情況下，可能少于4個），主控軟件向指定的網(wǎng)絡(luò)端口發(fā)送測試觸發(fā)指令，格式如下：

StartTest,Tester1,Code1=B0001,Code2=B0002,Code3=None,Code4=None

其中，粗體部分(Tester1)為工裝編號；斜體部分（B0001/None）為工位產(chǎn)品編碼；None表示該工位無產(chǎn)品上料（缺料或工位未啟用）。

測試軟件接收到觸發(fā)指令后，啟動測試流程。測試完成后，將測試結(jié)果數(shù)據(jù)與產(chǎn)品編碼綁定、存儲或上傳，確保質(zhì)量可溯。

2）測試狀態(tài)反饋

測試流程觸發(fā)后，測試軟件會定時向主控軟件發(fā)送工裝的測試狀態(tài)，直至接收到下一次測試觸發(fā)指令，測試狀態(tài)的通信指令格式如下：

圖10 柔性化自動測試設(shè)備實物圖Fig.10 Physical diagram of flexible automatic test equipment

表1 試運行結(jié)果統(tǒng)計表Table 1 Statistics of test run results

Tester1=Testing,Status1=Busy,Status2=Busy,Status3=Empty,Status4=Empty。

粗體部分(Testing)為治具狀態(tài)，取值可為Testing（測試中）、Complete（測試完成）。斜體部分(Busy/Empty)為工位狀態(tài)，取值可為Empty（無產(chǎn)品）、Error（工位故障）、Testing（測試中）、Pass（測試合格）、Fail(測試不良)。

主控軟件接收到治具測試完成的狀態(tài)反饋后，執(zhí)行相應(yīng)的搬運中轉(zhuǎn)動作，根據(jù)測試結(jié)果的Pass/Fail，將其放置到不同的料盤，并屏蔽故障工位。

3.3 故障智能診斷與自動化恢復(fù)

該柔性化自動測試系統(tǒng)在運行過程中，會自動對運行過程中的故障異常進行監(jiān)控，如門開報警、缺料滿料報警、動作執(zhí)行異常、通信異常、碰撞異常等。異常發(fā)生時，系統(tǒng)自動調(diào)用異常響應(yīng)動作流程，如機器人回等待位、動作中斷/急停等，并以提示框的形式顯示報警代碼、名稱、參數(shù)、原因，及相應(yīng)的解決對策。操作人員按照報警對策的提示信息，輔助完成設(shè)備的故障恢復(fù)。圖9所示為供料盤中，有產(chǎn)品均完成測試時的缺料報警的提示框。

圖9 缺料報警提示框Fig.9 Alarm prompt box for shortage of materials

4 生產(chǎn)驗證

在完成該柔性化自動測試系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計、安裝調(diào)試后，安排批量產(chǎn)品進行生產(chǎn)試運行，對系統(tǒng)的功能性能進行測試。待測產(chǎn)品為某型PCBA板，待測產(chǎn)品數(shù)量200個。共兩項測試：①衰減性能測試，時長約8 min/pcs；②電阻測試，時長約2 min/pcs（受測試儀表影響，治具中的各測試工位為串行測試）。

據(jù)調(diào)研，人工完成200個產(chǎn)品的測試大約需花費35 h。自動化測試總時長為28.5 h，生產(chǎn)效率由5.7 pcs/h提升至7 pcs/h，提升22.8%。生產(chǎn)過程中，除缺料滿料報警外，未發(fā)生設(shè)備故障停機情況，操作人員只需定期將待測產(chǎn)品放入指定料盤或取走測試完成產(chǎn)品，實現(xiàn)測試流程的無人值守。

5 結(jié)語

該柔性化自動測試系統(tǒng)，以六軸協(xié)作式機器人為核心，搭配相應(yīng)的末端執(zhí)行器、上下料周轉(zhuǎn)料盤、自動化測試治具與測試機柜，可實現(xiàn)多種產(chǎn)品的多個測試項目的單獨/混測測試等不同生產(chǎn)排程，滿足高效率、高可靠、高柔性的測試需求。生產(chǎn)驗證過程中，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、無故障停機，除更換周轉(zhuǎn)料盤外，測試過程中基本實現(xiàn)無人化，顯著降低人工成本，減少測試過程中的人為操作因素，提升測試效率與過程一致性，具有較高的實用價值與示范意義。