防雷芯片電性能測(cè)試及外觀分選一體機(jī)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(chǎn)品的核心器件，其電氣性能分選和外觀檢測(cè)是決定產(chǎn)品質(zhì)量的重要工序，及早分選剔除不合格品，對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)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(chǎn)周轉(zhuǎn)過(guò)程中極易磨損、氧化造成二次損傷，目前市場(chǎng)上通用的六面外觀分選機(jī)和電性能檢測(cè)設(shè)備均無(wú)法適用[1-2]。芯片外觀主要以人工肉眼進(jìn)行檢測(cè)，電性能檢測(cè)以手工測(cè)試分選為主。檢測(cè)分類項(xiàng)目多，人工檢測(cè)精度和效率均較低。

本研制的這款防雷芯片電性能測(cè)試及外觀分選一體機(jī)，通過(guò)減少生產(chǎn)過(guò)程周轉(zhuǎn)工序，避免在設(shè)備上料過(guò)程中造成芯片二次損傷，同時(shí)考慮兼容多種規(guī)格尺寸的芯片，提高檢測(cè)效率和精度，降低經(jīng)營(yíng)成本，實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片電性能測(cè)試及外觀分選時(shí)進(jìn)行自動(dòng)化檢測(cè)分類。

1 防雷芯片電性能測(cè)試和外觀檢測(cè)要求

防雷芯片是一種限壓型保護(hù)器件，利用壓敏電阻芯片的非線性特性，當(dāng)電壓出現(xiàn)在壓敏電阻的兩極間，壓敏電阻可以將電壓鉗位到一個(gè)相對(duì)固定的電壓值以此來(lái)保護(hù)后級(jí)電路。壓敏電阻電性能測(cè)試項(xiàng)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(cè)項(xiàng)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(zhì)、麻點(diǎn)、裂紋及外觀尺寸等。不良項(xiàng)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(cè)項(xiàng)目及具體檢測(cè)要求見表1。

表1 壓敏電阻芯片外觀良品檢測(cè)項(xiàng)目及具體檢測(cè)要求

2 防雷芯片電性能測(cè)試及外觀分選一體機(jī)設(shè)計(jì)依據(jù)及原理

防雷芯片電性能測(cè)試及外觀分選一體機(jī)要求避免人為周轉(zhuǎn)和測(cè)試過(guò)程中芯片的二次損傷。外觀不良品剔除后對(duì)電性能按5種規(guī)格進(jìn)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(cè)的精度和效率。防雷芯片電性能測(cè)試及外觀分選一體機(jī)的設(shè)計(jì)原理如圖1所示。設(shè)備采用帶視覺(jué)四軸機(jī)械手進(jìn)行芯片自動(dòng)上料[4]，通過(guò)轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)芯片正反兩面及邊緣進(jìn)行影像非接觸式、高度成像方式進(jìn)行外觀檢測(cè)，采用凸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)探針兩面測(cè)試通過(guò)TTK突波吸收器測(cè)試機(jī)進(jìn)行電性能測(cè)試，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行存檔分析。凸輪聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多工位分類收集。本設(shè)備可實(shí)現(xiàn)一人多機(jī)模式，人工一個(gè)小時(shí)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(cè)試及外觀分選一體機(jī)設(shè)計(jì)原理圖

3 防雷芯片電性能測(cè)試及外觀分選一體機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

防雷芯片電性能測(cè)試及外觀分選一體機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。設(shè)備結(jié)構(gòu)分為芯片料盤自動(dòng)儲(chǔ)料機(jī)構(gòu)、帶視覺(jué)四軸機(jī)械手自動(dòng)抓取機(jī)構(gòu)、芯片上料輸送帶機(jī)構(gòu)、芯片底部影像檢測(cè)機(jī)構(gòu)、芯片端面外觀視覺(jué)檢測(cè)機(jī)構(gòu)、電性能測(cè)試機(jī)構(gòu)、工位頂升旋轉(zhuǎn)分離抓取機(jī)構(gòu)，以及合格品自動(dòng)放吸塑盒收料機(jī)構(gòu)。其中，芯片外觀檢測(cè)機(jī)構(gòu)、電性能測(cè)試機(jī)構(gòu)和分離抓取機(jī)構(gòu)作為設(shè)備的核心部件，采用6個(gè)凸輪聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)完成。設(shè)計(jì)采用2個(gè)轉(zhuǎn)盤同步輸送芯片。

圖2 防雷芯片電性能測(cè)試及外觀分選一體機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 料倉(cāng)自動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

芯片來(lái)料為不銹鋼料框存放模式，為了避免芯片周轉(zhuǎn)造成外觀二次損傷，采用料框自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)模式。該模式左側(cè)為帶產(chǎn)品料倉(cāng)自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)、料框輸送機(jī)構(gòu)和空料倉(cāng)自動(dòng)收集機(jī)構(gòu)。自動(dòng)上料和自動(dòng)收料機(jī)構(gòu)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶護(hù)板的鏈條實(shí)現(xiàn)升降，鏈條護(hù)板上安裝限位板把料框分離，護(hù)板的間距與鏈條節(jié)距匹配，通過(guò)控制碼盤實(shí)現(xiàn)料框有序輸送。碼盤旋轉(zhuǎn)一個(gè)工位，電機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈條輸送一盤料框。料框輸送到皮帶傳送帶時(shí)，傳感器輸出信號(hào)，輸送帶把料框輸送到指定位置并阻擋限位，便于進(jìn)行視覺(jué)定位抓取?？樟峡蚶孟嗤脑磉M(jìn)行收料的有序提升。

電機(jī)選型計(jì)算：帶載料框重量約3.3 kg/PCS，為滿足人工看機(jī)要求，料倉(cāng)設(shè)計(jì)為一次性可裝載30 PCS。負(fù)載總重量約100 kg。根據(jù)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和電機(jī)扭力計(jì)算結(jié)果，上下料倉(cāng)電機(jī)可選用功率為200 W減速比為100的調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)。料框皮帶輸送線根據(jù)計(jì)算選用功率為60 W減速比為15的調(diào)速電機(jī)控制。

3.2 帶視覺(jué)四軸機(jī)械手自動(dòng)抓取機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

料框內(nèi)芯片呈無(wú)序狀態(tài)，為避免芯片外觀二次損傷，采用視覺(jué)對(duì)料框內(nèi)芯片先進(jìn)行成像檢測(cè)定位再通過(guò)四軸機(jī)械手進(jìn)行抓取。視覺(jué)定位系統(tǒng)采用打正向光方式，光源在機(jī)械手上方，CCD從上往下拍攝，進(jìn)行圖像分析定位。相機(jī)將計(jì)算出的像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為機(jī)械手的物理坐標(biāo)，視覺(jué)軟件與機(jī)械手進(jìn)行網(wǎng)口通信，將視野內(nèi)物料的物理坐標(biāo)發(fā)送給機(jī)械手，機(jī)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(jué)精度，一個(gè)料框分成兩半?yún)^(qū)域進(jìn)行定位抓取，視覺(jué)定位系統(tǒng)采用正向光方式，兩個(gè)條形光源呈一定角度安裝在機(jī)械手上方，采用1 200像素相機(jī)從上往下拍攝，進(jìn)行圖像分析定位。相機(jī)將計(jì)算出的像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成機(jī)械手的物理坐標(biāo)，視覺(jué)軟件與機(jī)械手進(jìn)行網(wǎng)口通信，將視野內(nèi)芯片的物理坐標(biāo)發(fā)送給機(jī)械手，四軸機(jī)械手采用真空吸盤模式實(shí)現(xiàn)芯片自動(dòng)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(guò)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(guò)該模式可兼容多種規(guī)格芯片自動(dòng)抓取有序輸送，避免薄產(chǎn)品容易疊片現(xiàn)象。

3.3 防雷芯片外觀檢測(cè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

芯片視覺(jué)檢測(cè)需包含芯片正反兩面及四周邊緣。外觀檢測(cè)系統(tǒng)采用基恩士品牌通過(guò)正反面兩個(gè)工位對(duì)芯片進(jìn)行檢測(cè)。每個(gè)工位安裝有500 W相機(jī)，以及低角度環(huán)形光源和偏振環(huán)形光源兩種光源。

機(jī)械結(jié)構(gòu)采用兩個(gè)同步分割器轉(zhuǎn)盤控制，根據(jù)時(shí)序圖計(jì)算，1#轉(zhuǎn)盤選用8工位分割器，每個(gè)工位安裝彈性真空吸嘴且由單獨(dú)的真空發(fā)生器控制，通過(guò)氣管旋轉(zhuǎn)接頭連接，真空吸附產(chǎn)品，從底部檢測(cè)芯片外觀。2#轉(zhuǎn)盤選用12工位分割器盤，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)盤工裝內(nèi)實(shí)現(xiàn)芯片端面外觀檢測(cè)。該工位測(cè)試時(shí)需把芯片頂升至低角度環(huán)形光源中，該頂升機(jī)構(gòu)采用擺臂凸輪動(dòng)作實(shí)現(xiàn)。為保證機(jī)械傳動(dòng)安全性避免撞擊，頂升凸輪安裝傳感器監(jiān)控動(dòng)作。芯片外觀檢測(cè)時(shí)，每個(gè)光源需同時(shí)拍攝多張圖片進(jìn)行算法計(jì)算判斷外觀是否合格[4-5]。

3.4 防雷芯片電性能測(cè)試機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

芯片電性能測(cè)試機(jī)構(gòu)采用溝槽凸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，當(dāng)裝盤移至測(cè)試工位時(shí)，轉(zhuǎn)盤處于停止?fàn)顟B(tài)，在停止時(shí)間內(nèi)平動(dòng)溝槽凸輪旋轉(zhuǎn)，凸輪滾子升降通過(guò)齒輪齒條傳動(dòng)上下探針往復(fù)運(yùn)動(dòng)對(duì)芯片進(jìn)行在線檢測(cè)，凸輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，凸輪滾子通過(guò)凸輪軌跡實(shí)現(xiàn)升降帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)齒條實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)并通過(guò)滑軌導(dǎo)向?qū)崿F(xiàn)上下兩塊板的往復(fù)運(yùn)動(dòng)升降運(yùn)行。探針安裝在上下兩塊板上，通過(guò)螺桿調(diào)節(jié)行程滿足不同厚度的產(chǎn)品測(cè)試?；壪掳逄幇惭b有傳感器監(jiān)控，防止探針在凸輪機(jī)構(gòu)松動(dòng)時(shí)與轉(zhuǎn)盤撞擊。電性能測(cè)試使用TTK突波吸收器測(cè)試機(jī)多通道對(duì)多個(gè)項(xiàng)目同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)存儲(chǔ)，做到數(shù)據(jù)分析可查。

3.5 防雷芯片篩分機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

芯片按非線性系數(shù)、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(shè)計(jì)時(shí)采用凸輪聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)完成轉(zhuǎn)盤6個(gè)工位同時(shí)抓取動(dòng)作。該功能在2#分割器裝盤實(shí)現(xiàn)，2#分割器轉(zhuǎn)盤為頂升旋轉(zhuǎn)篩分機(jī)構(gòu)。當(dāng)2#分割器轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)1周時(shí)，主軸升降旋轉(zhuǎn)，主軸頂部安裝帶槽轉(zhuǎn)盤，利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)。主軸頂部轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，六角桿驅(qū)動(dòng)滑塊動(dòng)作完成往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，滑塊處安裝有真空吸盤，通過(guò)升降及旋轉(zhuǎn)凸輪動(dòng)作實(shí)現(xiàn)真空吸盤完成芯片“工”字形自動(dòng)抓取動(dòng)作。利用該機(jī)構(gòu)可同時(shí)滿足6工位抓取，每個(gè)工位吸盤由單獨(dú)的真空發(fā)生器控制并設(shè)計(jì)成行程可調(diào)裝置，通過(guò)螺桿調(diào)節(jié)吸盤位置可兼容不同厚度芯片。設(shè)備運(yùn)行時(shí)，根據(jù)測(cè)試信號(hào)PLC控制對(duì)應(yīng)工位真空發(fā)生器對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分類抓取存放。

3.6 防雷芯片吸塑盒收料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

合格芯片需有序存放在吸塑盒里。機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)由空吸塑盒自動(dòng)上料儲(chǔ)料倉(cāng)，裝好芯片吸塑盒自動(dòng)收料倉(cāng)。吸塑盒由Y方向鏈條移位機(jī)構(gòu)、芯片X/Z軸模組機(jī)構(gòu)組成。上下料倉(cāng)儲(chǔ)料更換時(shí)間與前段芯片料框上料周期匹配。上下料倉(cāng)機(jī)構(gòu)采用伺服電機(jī)絲杠升降匹配氣缸阻擋機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)有序供料。Y方向鏈條輸送機(jī)構(gòu)根據(jù)吸塑盒尺寸結(jié)合鏈條節(jié)距采用8工位。每個(gè)工位均安裝傳感器監(jiān)控位置，伺服電機(jī)根據(jù)PLC控制實(shí)現(xiàn)吸塑盒產(chǎn)品間距有序輸送，吸塑盒達(dá)到指定位置時(shí)，X/Z模組一次真空吸附4個(gè)芯片存放在吸塑盒內(nèi)。吸塑盒裝滿盤后到達(dá)收料工位時(shí)，自動(dòng)收集機(jī)構(gòu)開始動(dòng)作，伺服電機(jī)通過(guò)絲杠提升配合氣缸阻擋機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)有序收料。吸塑盒內(nèi)根據(jù)不同芯片厚度可通過(guò)PLC輸入控制設(shè)置擺放層數(shù)。操作人員可實(shí)現(xiàn)不停機(jī)收料[6]。

4 防雷芯片電性能測(cè)試及外觀分選一體機(jī)性能測(cè)試結(jié)果與分析

防雷芯片電性能及外觀分選一體機(jī)研發(fā)完成導(dǎo)入生產(chǎn)使用后，人工針對(duì)批量產(chǎn)品進(jìn)行電性能和外觀復(fù)檢，避免出現(xiàn)不合格產(chǎn)品。電性能測(cè)試準(zhǔn)確率＞99.9%。根據(jù)非線性系數(shù)、電壓上線、電壓下線、漏電流、電壓合格等要求進(jìn)行準(zhǔn)備和篩分。銀片外觀檢測(cè)能在線識(shí)別黑片缺口、銀面臟污、溢銀、漏印、偏印、鼓包/雜質(zhì)、裂紋、麻點(diǎn)及外觀尺寸等項(xiàng)目，根據(jù)限度樣板要求，檢測(cè)準(zhǔn)確率＞99.9%。該設(shè)備整體檢測(cè)速度＞2 400 PCS/h，有效提高了防雷芯片電性能和外觀檢測(cè)準(zhǔn)確率和生產(chǎn)效率。

5 結(jié)語(yǔ)

防雷芯片電性能測(cè)試及外觀分選一體機(jī)能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)芯片電性能和外觀在線非接觸式檢測(cè)。通過(guò)料框料倉(cāng)上下料，機(jī)械手后視覺(jué)定位抓取模式，取消了部分周轉(zhuǎn)工序，有效避免周轉(zhuǎn)過(guò)程中對(duì)造成外觀的二次損傷。該設(shè)備能自動(dòng)檢出不良品，避免人為因素造成質(zhì)量誤判。實(shí)現(xiàn)了測(cè)試和包裝一體機(jī)生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)脫機(jī)操作，約1 h收放料一次，實(shí)現(xiàn)一人多機(jī)，有效降低人工成本。防雷芯片電性能測(cè)試及外觀分選一體機(jī)可實(shí)現(xiàn)合格品芯片在吸塑盒內(nèi)序存放，為下道工序自動(dòng)化設(shè)備開發(fā)提供了有效支撐。其帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益和設(shè)備效益十分顯著，值得廣泛推廣應(yīng)用。