一种中央空调主控板PCBA全自动在线功能测试平台的开发

华 伟，刘 焱，张英军

（技研新阳有限公司，广东东莞 523533）

0 引言

电子科学技术的不断发展和进步，诞生出精度和复杂度更高的PCBA（Printed Circuit Board Assembly，装配印制电路板），并且广泛应用在电子设备中[1]。PCBA的性能高低很大程度上直接决定整个产品质量的好坏，因而在PCBA出厂之前，必须对其进行功能测试，使得其性能满足设计的要求。同时，为提高PCBA的测试效率，即产品生产效率，全自动的测试在未来无人工厂的应用又成为必然的趋势。所以研制开发出一种自动、高效、新颖的PCBA自动测试平台是高科技发展的必然需求[2-3]。

FCT（Functional Circuit Test，功能测试）指的是对测试目标板（UUT，Unit Under Test）提供模拟的运行环境（激励和负载），使其工作于各种设计状态，从而获取各个状态的参数来验证UUT的功能好坏的测试方法，即对UUT加载合适的激励，测量输出端响应是否合乎要求，一般专指PCBA的功能测试[4]。

现有的生产线测试工位大部分采用人工取放板的方式进行测试，每个测试工位或者每台测试设备必须配备相应的操作人员，自动化程度不高、测试速度慢、人工成本高，从而降低了整体生产效率，导致生产成本的上升[5-7]。因此迫切需要全自动测试平台，实现PCBA测试自动化和测试设备通用化，用于取代传统的人工作业，降低人力资源投入，有效提高作业人员的安全性和产品的标准性。

1 测试平台

PCBA全自动在线测试平台，以中央空调主控板为检测基板，采用全自动控制系统，各部位检测元件实时检测设备运行状态，并把信号反馈给逻辑控制器（PLC）。人机界面（HMI）采用Windows操作系统，简单便捷，不仅可以查看当前设备运行状态及所有传感器和气缸的状态，HMI还可以向PLC传送用户参数，使机器达到理想的控制效果。系统控制器采用高可靠性、高运算、主流技术的PLC控制器。机械手采用独立的控制箱控制，机械手与PLC之间的通讯完全采用IO通讯。主要执行机构采用优质气缸和高性能作为执行器。平台由机构部分（运动气缸、执行电机、VS机械手）、控制部分（PLC控制器、上位机界面、PC、机器手控制箱）、测试部分（电脑、仪器、针床、压床），平台整体布局如图1所示。

图1 测试平台整体布局图

测试平台具有如下优点：

（1）FCT测试可实时采集数据，测试过程透明化，全天采集测试数据，提高品质水平；

（2）全过程全自动检测，基板的测试过程自动执行，基板的上料和下料采用VS机器人自动完成，并根据测试结果对基板进行分类（OK或NG），整个检测过程无需作业人员参与；

（3）基板测试可在3个工位同时在线测试，缩短流水线上基板的等待时间，大大提高了整个检测的效率；

（4）追溯系统管理，对基板的测试时间、测试工位、测试结果和各个测试项目与基板的二维码进行绑定，实行信息化管理和存储，方便查询以及后期对检测产品进行追溯和检测信息的统计等；

（5）平台具有手动单步运行和自动运行两种方式，自动运行用于在线检测过程，手动单步离线运行用于平台调试、单枚基板测试，维修等场合；

（6）智能测试系统，检测过程、直通率、不良率、生产分析、测试站监控实时在线可视化仪表显示，详细的测试日志文件、测试结果，从大量数据中转化有用的可视化信息，快速详细地提供解决质量问题的证据；

（7）测试平台通用性强，测试基板种类的多样化，生产切换机种可快速换模（单台换模1 min），操作简易，单层、双层在线测试多台并行在线测试。

2 测试平台硬件系统设计

2.1 测试平台硬件结构

图2 测试平台硬件结构图

测试平台硬件结构如图2所示，包含3台PC机、3台显示屏、3台FCT测试机、3个针床、PLC控制器总成、1台VS机器人、交换机、扫描枪组、运动控制器、电机、传感器组1和气缸组。PC2作为主控电脑使用，PC1、PC2、PC3、PLC和立式机器人通过交换机组成局域网进行通讯。PC机和FCT测试机之间采用PCI和COM连接。立式机器人与PLC采用I/O方式进行通讯，传感器组和气缸组通过I/O口接入PLC控制器中。扫描枪由PC2控制，负责对基板二位码信息的采集。传感器组2是每个FCT测试工位上安装的两个光电传感器，用于检测针床上是否有基板，并将检测信号分别返回至PC机和PLC。

2.2 立式机器人

基板从传送带到FCT测试工位的搬运过程由立式机器人（型号为VS-38080-010）配合末端执行器完成，立式机器人上下行程范围为800 mm，平面行程的半径范围为800 mm，角度范围为320°的空间，立式机器人及FCT测试工位安装位置实物图如图3所示。3个FCT测试工位采用立体式的安装方式并列放置，并且在不考虑基板从传送带到针床的搬运时间时，它们可实现同时在线测试。当PLC检测到传送带上的阻挡传感器反馈的基板到达信号时，立式机器人在PLC的指令控制下通过气压吸附的方式把基板抓取并准确放置在FCT测试工位的针床上，具体放置的工位由PLC根据FCT测试的运行情况进行统一调度管理。

图3 立式机器人及FCT测试工位安装位置实物图

2.3 FCT测试工位

测试系统实时采集数据，建立可视化仪表盘，测试过程透明化，主要功能如图4所示。

主要功能详细介绍如下。

（1）报表功能：是自动生成报表并将发生的质量问题依设置通过邮件或短信发送。

（2）报警功能：设定生产过程中的质量控制指标，可自动分析预测、异常报警。

（3）不合格品分析：分析不合格品产生的原因，让您快速找到问题根源。

（4）质量预测：及时预测生产过程中潜在的质量风险。

（5）实时监控：严密监测生产过程中的质量稳定性。

（6）员工培训与资格管理：管理操作员工的培训和技能资格，测试软件登录和数据访问权限。

图4 测试系统主要功能

测试平台测试基板以家用空调的主控板为测试目标板，当前机种FCT测试内容包括基板的交流电压测试、直流测试、电压测试、频率测试、相位波形测试、通信检测测试、电流环通信测试、PQ485通信测试、遥控信号测试、线控器信号测试、制冷电压测试、制热电压测试、马达转数测试。FCT测试工位包含针床、气压组件、检测硬件部分和检测软件部分等，分别如图5、图6所示。

图5 FCT硬件部分

图6 FCT软件界面

3 测试平台软件设计

3.1 系统总体流程

系统运行总体流程如图7所示，首先是基板扫描，通过扫描枪采集基板的二维码并将其数据保存在SQL数据库中；然后按调度指令，将基板从传送带上取下并放置在对应FCT测试工位的针床上；接下来是对基板进行FCT测试，检测基板的各项性能，显示并保存；最后是数据分析处理，对数据库中检测结果进行分析统计。

图7 系统总体运行流程

3.2 基板扫描流程设计

基板扫描流程如图8所示，基板通过传送带传输，当基板到达位置时，扫描到位传感器（光电传感器）检测该信号并返回给PC2，由PC2开启扫描枪对基板二维码进行数据采集，并保存SQL数据库中。然后，基板继续前行至下一工位。

图8 基板扫描流程图

3.3 机器人取板放板流程设计

机器人取板放板流程如图9所示，基板防反检测OK，基板扫描结束后到达取板位置时，取板到位传感器获取信号并传至PLC，PLC对FCT测试工位进行整合调度，发送命令给机器人执行取板放板任务，当基板放置于针床位置时（针床防反功能应用于设备离线测试），执行到位保护措施，确定基板放置OK。以此类推，抓取基板置下一工位。当基板放置偏移（离线模式基板放反、偏移，上模不会下压，并且设备报警）、未放置到位，基板放置异常信号传至PLC，设备报警。报警解除需要人工确认处理完异常后，直接复位报警信号，然后启动设备即可正常测试运行。

图9 机器人取板放板流程图

3.4 FCT测试设计

FCT测试流程如图10所示，当基板正确放置到针床上时，针床上模将基板压下，然后开始检测，检测过程及结果在对应的PC机上实时显示，并将所有的检测结果保存在PC2的SQL数据库中，便于后续对检测数据的追溯和跟踪。同时，检测OK/NG结果返回至PLC中，PLC根据基板检测结果确定基板的去向。

图10 FCT测试及处理流程图

测试内容及顺序为：供电前AC电压确认、产品传感器T2B负载连接、产品传感器T1负载连接、产品传感器T2负载连接、产品传感器T2A负载连接、产品水位开关、产品供电220 V、SWING 4项8拍信号检测、产品5 V电压检测、产品12 V电压检测、产品18 V电压检测、产品300 V电压检测、给产品发送遥控器17°冷风低档开机指令、PQ485通信（制冷）、显示板、EEV4项8拍信号检测、线控器发送17°冷风中档指令、产品供电电流确认、PQ485通信（能力码）、线控器发送17°冷风高档指令、马达高档转速确认、PUMP电压确认、HEAT电压确认、线控器发送30°热风低档指令、PQ485通信（制热）、PQ485通信（机型确认）、马达转速确认、PUMP电压确认、HEAT电压确认、线控器发送关机指令、产品供电OFF、产品高压电解电容放电、产品电解电容放电、产品高压电解电容放电（320 V）、产品高压320 V电压检测。整个测试过程耗时为17 s左右，具有较快的检测速度。

3.5 数据分析处理

对数据实时保存，便于追溯管理，测试系统对基板二维码、测试过程、测试结果等数据全部保存在PC2计算机的SQL数据库中，从数据库中可以统计和分析当天检测情况，如合格品数量、不合格品数量、合格率等生产数据和指标，同时还可以按要求生成统计报表，对产品进行质量预测等。

4 结束语

本文设计和开发的中央空调主控板PCBA全自动测试平台由PC、PLC、立式机器人、FCT BOX、针床等构成，立式机器人完成对基板的取板放板任务，FCT BOX自动完成对基板的测试，并且测试过程、测试结果实时在线显示，同时保存于数据库中，整个测试过程从基板的上料、FCT测试、测试完之后的下料分拣均无人参与，实现全自动化测试。实现了对基板的交流电压测试、直流测试、电压测试、频率测试、相位波形测试、通信检测测试、电流环通信测试、PQ485通信测试、遥控信号测试、线控器信号测试、制冷电压测试、制热电压测试、马达转数测试，全面完成测试目标。

测试平台采用通用化设计，可对应不同的产品，平台整体使用灵活，操作简单，画面信息实时显示。同时该平台维护简单，运行成本低，运行效率高，便于调试、管理及维护。最重要的是具有对所有测试数据的追溯、分析、统计和管理的功能。

目前，该测试平台已成功应用于多家制造企业，市场反应良好，未来对PCBA测试还具有更大的应用前景。