飛針式在線測試儀的機(jī)械運(yùn)動(dòng)精度分析

章 寧

（國營蕪湖機(jī)械廠，安徽 蕪湖 241000）

1 引言

飛針式在線測試儀，作為SMT電裝生產(chǎn)線的一種檢測手段之一，因其可應(yīng)對小批量多品種的檢測需求而受到科研機(jī)構(gòu)的青睞。隨著國內(nèi)電裝生產(chǎn)線的迅速發(fā)展，研發(fā)手段的日臻完善，人們越來越認(rèn)識(shí)到飛針式在線測試儀在實(shí)際應(yīng)用中的重要性。與早期的飛針式在線測試儀相比，目前的飛針式在線測試儀測試的內(nèi)涵不斷豐富，其品質(zhì)也在不斷提高。隨著電路板上元器件密集度的提高以及元器件的小型化和超小型的發(fā)展趨勢，飛針式在線測試儀的落針精度愈發(fā)受到關(guān)注。

飛針式在線測試儀，利用數(shù)量有限的、可沿X、Y和Z向移動(dòng)的測試頭，在被測板上快速移動(dòng)，根據(jù)測試要求和測試語句，以不同形式進(jìn)行組合，各自可移動(dòng)測試頭上的探針與被測板接觸，逐步進(jìn)行測試，最終完成整板的檢測。本文的重點(diǎn)是對飛針式在線測試儀的三維精度進(jìn)行分析。

2 飛針式在線測試儀

目前，主流的飛針式在線測試儀（簡稱飛針測）的機(jī)械結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)方式有直線電機(jī)（X/Y/Z向）、伺服電機(jī)+滾珠絲杠+滑動(dòng)導(dǎo)軌（X/Y向）+直線電機(jī)（Z向）、伺服電機(jī)+滾珠絲杠+滑動(dòng)導(dǎo)軌（X/Y向）+步進(jìn)電機(jī)（Z向）。對于位移檢測，通常會(huì)采用兩種方式：內(nèi)置伺服電機(jī)中的環(huán)形光柵；與各向滑動(dòng)導(dǎo)軌平行安裝的直尺型光柵。理論上，因檢測位置的差異，直尺型光柵方式的精度要優(yōu)于環(huán)形光柵方式。一般情況下，光柵的柵距即為位移的分辨率。也就是說，光柵的柵距越小，位移分辨率越高。

早期的飛針測在使用中，其定位精度并未被廣泛觀注，這是因?yàn)槟菚r(shí)的被測板上的元器件，絕大多數(shù)是以通孔型、大尺寸焊盤為主。隨著貼片元器件越發(fā)廣泛的應(yīng)用，封裝越來越小型化，尤其是隨著0402、0201，甚至01005小型化封裝的元件越來越多地出現(xiàn)在被測板上，飛針測的定位精度問題也逐漸凸現(xiàn)出來，成為被關(guān)注的焦點(diǎn)問題。

3 機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的X/Y精度

X/Y軸向重復(fù)定位精度并不是探針的重復(fù)定位精度，而軸向重復(fù)定位精度可以視為可移動(dòng)測試頭的重復(fù)定位精度。對可移動(dòng)測試頭與探針的重復(fù)定位精度之間的差異進(jìn)行詳盡的解析。

光柵與探針的示意圖如圖1所示，箭頭所指向的為直尺型光柵，而讀取柵格數(shù)的編碼器（Encoder）緊臨各自的光柵。由此，不難得出結(jié)論：軸向重復(fù)定位精度，僅是可移動(dòng)測試頭的而非探針的針尖。如果從探針的針尖算起，屬于半反饋的位置測量及控制系統(tǒng)，針尖的位置精度，從某種意義上說，是開放且不受控的，完全取決于設(shè)計(jì)水準(zhǔn)、加工精度和裝配質(zhì)量。而探針針尖移動(dòng)的控制，則處于無任何反饋的狀態(tài)，即無反饋控制。因此，飛針測的X/Y重復(fù)定位精度本質(zhì)上是可移動(dòng)測試頭的。

圖1 光柵與探針

3.1 探針精度影響因素

無論是伺服電機(jī)，還是直線電機(jī)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)可移動(dòng)測試頭到達(dá)指定位置后，需要短暫時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。而且在停止時(shí)，還需要?jiǎng)討B(tài)微調(diào)保持位置的精確度。此處產(chǎn)生的誤差，即為引起重復(fù)定位的精度偏差的原因之一。同時(shí)，探針的精度還受到下述因素的影響：

1）探針支架的強(qiáng)度。飛針測在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，處于高速、往復(fù)、急加速和急停運(yùn)動(dòng)方式。為適應(yīng)這種工況，在設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)盡量降低可移動(dòng)測試頭的質(zhì)量。所以，探針支架的材料通常為非金屬且較為單薄，特別是在急停時(shí)，所產(chǎn)生的顫動(dòng)會(huì)影響其落針的精度。

2）探針結(jié)構(gòu)的缺陷。飛針測所用的探針通常由三部分組成：針頭、針管及內(nèi)置在針管內(nèi)的彈簧。當(dāng)針頭接觸到測試點(diǎn)時(shí)，彈簧受力壓縮，可減緩針頭對測試點(diǎn)的沖擊。為保證針頭與針管之間的平順滑動(dòng)，兩者之間需要保持充分的間隙。而這個(gè)間隙也會(huì)降低落針的精度。

3）探針針尖的彎曲與轉(zhuǎn)動(dòng)。探針針尖的彎曲與轉(zhuǎn)動(dòng)是對落針精度影響最大的，也是不可控的。探針用過一段時(shí)間后，針尖部分會(huì)發(fā)生彎曲造成落針偏差，因此需要對探針進(jìn)行校準(zhǔn)。當(dāng)校準(zhǔn)完成后，在最初若干次測試中，落針精度會(huì)有顯著地改善。但當(dāng)測試點(diǎn)降至一定尺寸時(shí)，校準(zhǔn)很快就失效了。

綜上所述，可以得出結(jié)論：軸向X/Y重復(fù)定位精度是保障探針的落針精度的充分條件，但不是必要條件。另外，Z向的運(yùn)行方式也會(huì)影響落針精度。

3.2 飛針式在線測試儀的定位精度和重復(fù)定位精度

（1）精度的判斷和量化

使用飛針測的用戶多為電器/電氣方面的，沒有高精度的機(jī)械方面的。本文介紹一種簡便易行的方法，用來驗(yàn)證定位定都和重復(fù)定位精度。

首先，需要準(zhǔn)備一塊表面無劃痕、無斑痕的覆銅板（用于制作印制電路板，即PCB板，長度100mm及以上，寬度大于最小夾板寬度即可），夾持在飛針測上，建議在檢測前更換未使用過的探針，并且完成探針的校準(zhǔn)。

在飛針測上，編制一個(gè)小程序，用于檢測定位精度（該程序亦可用于重復(fù)定位精度的檢測）。所編制的程序?yàn)樗尼樛瑫r(shí)使用的測試，如繼電器測試、變壓器測試、光電耦合器測試等（如圖2所示），在A區(qū)和B區(qū)分別各設(shè)一個(gè)虛擬四針測試。

圖2 檢驗(yàn)定位精度的落針示意圖

在圖2中，P1、P2、P3和P4分別代表四個(gè)探針的落針點(diǎn)，同一個(gè)探針在兩個(gè)區(qū)的落針點(diǎn)的距離是已知的（該距離不小于50mm，建議設(shè)為100mm及以上）。當(dāng)完成A區(qū)的測試后，四個(gè)探針移動(dòng)到B區(qū)，如此運(yùn)行后，在板上留下8個(gè)針痕（針痕的可見性，取決于探針下落的力度），為進(jìn)行定位精度的檢驗(yàn)提供了依據(jù)。

（2）檢驗(yàn)路徑

檢驗(yàn)有兩個(gè)途徑：利用飛針測上的攝像頭進(jìn)行檢驗(yàn)；將測試板拿到相關(guān)的部門，如計(jì)量機(jī)構(gòu)進(jìn)行測量和檢驗(yàn)。

如前文所述，X/Y的運(yùn)行速度及運(yùn)行方式都會(huì)對重復(fù)定位精度產(chǎn)生影響。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)需要較高的落針精度時(shí)，往往會(huì)降低X/Y的運(yùn)行速度，而且采用可提高落針精度的方式來運(yùn)行測試。因此，在做上述定位精度和重復(fù)定位精度檢驗(yàn)時(shí)，可將二者的X/Y速度降低，降低至最大速度的70%左右為比較務(wù)實(shí)的設(shè)置。

4 機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的Z精度

如果說，X/Y的定位精度和重復(fù)定位精度直接關(guān)系到探針的落針精準(zhǔn)度，Z的位移精度及其控制不但關(guān)乎落針的痕跡，如上文所述，還與探針在落針點(diǎn)處X/Y向的精準(zhǔn)度有關(guān)聯(lián)。如圖3所示，可見四個(gè)獨(dú)立控制的測試頭近距離落針的狀況。每個(gè)測試頭均可沿X/Y/Z方向快速移動(dòng)。

圖3 國產(chǎn)Smarteam A4飛針式在線測試系統(tǒng)：微小間距測試

以測試兩端元件為例，兩個(gè)測試頭依據(jù)各自的X、Y坐標(biāo)值，快速移動(dòng)到對應(yīng)的測試點(diǎn)上方后，探針沿Z向快速斜向下降直至接觸到測試點(diǎn)，當(dāng)測量信號(hào)采集后，立即抬起并快速移動(dòng)到下一組的測試焊盤處，再行測試，依次進(jìn)行，最終完成被測板。

通過精確控制Z向的行程，可以把控探針接觸測試點(diǎn)（焊盤或焊點(diǎn)）的力度，讓因探針接觸所造成的測試點(diǎn)的創(chuàng)傷減低到最小程度。如果創(chuàng)傷能做到最小化，那么，對改善X/Y的精度也是有益的。如何做到使測試點(diǎn)創(chuàng)傷最小化，有以下四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：高分辨率的位移控制系統(tǒng)、需要配有翹曲補(bǔ)償裝置、落針點(diǎn)為非專用測試點(diǎn)、消除震顫的影響。

總之，Z向的精度及其控制，其重要性和復(fù)雜性皆不亞于X/Y向的。因此，為方便用戶更快、更好地處理Z向精度，某些品牌的飛針測廠家在測試頭上加裝了壓力感知裝置，當(dāng)上述各項(xiàng)設(shè)置及改善措施完成后，通過測試預(yù)運(yùn)行，獲得各個(gè)落針點(diǎn)的接觸力度示意圖（如圖4所示）。在該示意圖上，用不同的顏色表示接觸力度的大小，據(jù)此編輯和優(yōu)化不同區(qū)域、甚至每個(gè)測試點(diǎn)的接觸力度，不但可以更進(jìn)一步減小落針點(diǎn)的創(chuàng)傷，還能夠間接地輔助提高X/Y的精度。隨著表面貼裝元器件的普遍應(yīng)用，兩面貼裝的電路板也比比皆是。飛針測的生產(chǎn)廠家也紛紛推出了兩面有移動(dòng)探針的飛針測。兩面同時(shí)落針，如果稍加注重落針的區(qū)域和時(shí)間的處置，可以部分地相互抵消因動(dòng)能引發(fā)的震顫。

圖4 接觸力度感知示意圖

5 結(jié)束語

通過分析落針精度的真正內(nèi)涵，利用飛針測上的各種運(yùn)行方法和參數(shù)的設(shè)置，讓測試的可靠性進(jìn)一步的提高。準(zhǔn)確而可靠的落針，不但可以提高測試結(jié)果的可信度，而且還可以縮短測試時(shí)間。飛針測的測試用時(shí)是其一大短板，而為保障落針的可靠性，幾乎所有的廠家都賦予各種手段進(jìn)行彌補(bǔ)，但代價(jià)就是加長了測試時(shí)間。因此，改善了落針品質(zhì)，很大程度上會(huì)節(jié)約測試時(shí)間。