激光加工中切割PZT陶瓷的時(shí)序設(shè)計(jì)

張文斌，靳衛(wèi)國(guó)，連軍莉，楊松濤

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 101601)

得益于近年來激光技術(shù)的不斷發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)加工領(lǐng)域中，由于激光具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干性四大特性，激光加工帶來了一些其它加工方法所不具備的特性：可控性強(qiáng)、能量穩(wěn)定集中、光束方向性好、光束細(xì)等，是新型陶瓷切割處理的理想工具[1]。但隨著激光加工領(lǐng)域的不斷拓展和客戶需求的不斷更新，不同材料對(duì)激光加工工藝的要求越來越具有針對(duì)性，因此要求激光加工設(shè)備中軟件控制系統(tǒng)應(yīng)更好地滿足客戶新的加工工藝的需求，對(duì)此，本文介紹了一種針對(duì)激光加工設(shè)備切割無街區(qū)PZT陶瓷的時(shí)序設(shè)計(jì)方法，并在設(shè)備上進(jìn)行了切割實(shí)驗(yàn)，效果良好。

1 軟件主體控制時(shí)序

該型激光加工設(shè)備是應(yīng)用紫外激光束，經(jīng)激光聚焦導(dǎo)光系統(tǒng)產(chǎn)生聚焦光斑，通過控制激光通斷與移動(dòng)工作臺(tái)來對(duì)晶片進(jìn)行直線切割。其中，軟件控制系統(tǒng)主要通過圖像視覺模塊完成晶片位置中心和晶片整體偏轉(zhuǎn)角度的提取，并依據(jù)提取到的晶片數(shù)據(jù)，結(jié)合對(duì)晶片切割參數(shù)的設(shè)置，來對(duì)晶片的偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)行校正，然后通過設(shè)置切割起點(diǎn)來計(jì)算得到每條切割線的切割數(shù)據(jù)，最后控制工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)，對(duì)PZT陶瓷進(jìn)行直線切割。

本軟件系統(tǒng)主要由機(jī)器視覺模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊和激光器控制模塊組成。機(jī)器視覺模塊用來處理CMOS攝像頭提取到的工作臺(tái)圖像；運(yùn)動(dòng)控制模塊用來控制工作臺(tái)X、Y軸、旋轉(zhuǎn)向θ向電機(jī)以及Z向電機(jī)運(yùn)動(dòng)；激光器控制模塊用來控制激光器重復(fù)頻率、功率百分比以及電流大小的設(shè)定，3個(gè)模塊共同配合來完成PZT陶瓷晶片的切割。

在整個(gè)軟件系統(tǒng)的啟動(dòng)階段，主要完成機(jī)器視覺模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊和激光器模塊的初始化工作，之后需要將工作臺(tái)移動(dòng)至上片位，把貼好膜的PZT陶瓷晶片放置于工作臺(tái)中心，完成上片之后，需要根據(jù)PZT陶瓷晶片的規(guī)格參數(shù)來編輯并設(shè)置激光加工參數(shù)（這些參數(shù)主要包括：PZT陶瓷晶片的長(zhǎng)、寬、橫向/縱向切割道的間距等）。

以上操作完成之后，便需要對(duì)PZT陶瓷晶片的加工流程進(jìn)行新的時(shí)序設(shè)計(jì)，以提取充足的晶片信息來完成對(duì)切割數(shù)據(jù)的計(jì)算。

2 切割PZT陶瓷的時(shí)序設(shè)計(jì)

切割PZT陶瓷的前期控制流程主要包括：晶片位置中心的識(shí)別、晶片整體偏轉(zhuǎn)角度的識(shí)別與校正以及切割街區(qū)的設(shè)定，然后開始晶片的自動(dòng)切割。時(shí)序設(shè)計(jì)步驟如圖1所示。

圖1 切割PZT陶瓷的時(shí)序設(shè)計(jì)

根據(jù)時(shí)序設(shè)計(jì)步驟，設(shè)計(jì)軟件主控制流程圖如圖2所示。

2.1 識(shí)別晶片中心及偏轉(zhuǎn)角度

用來獲取PZT陶瓷晶片的位置中心以及整體縱向偏轉(zhuǎn)角度，主要通過圖像處理技術(shù)得到所需結(jié)果。

推進(jìn)陽光體育是中小學(xué)體育改革的重要內(nèi)容，“達(dá)標(biāo)爭(zhēng)優(yōu)，增強(qiáng)體魄”是陽光體育的運(yùn)動(dòng)口號(hào)，為此，體育老師要緊跟體育改革的步伐，為學(xué)生設(shè)計(jì)出科學(xué)合理的運(yùn)動(dòng)負(fù)荷，既要保證學(xué)生體育訓(xùn)練的強(qiáng)度和密度，又要關(guān)注學(xué)生身體和心理的承受限度，運(yùn)動(dòng)負(fù)荷不能過大也不能過小。在具體的體育教學(xué)中，老師要認(rèn)真研究體育新課標(biāo)的要求，結(jié)合不同年級(jí)學(xué)生的心理特點(diǎn)，制定相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)方案；并且要跟進(jìn)學(xué)生的訓(xùn)練情況，切忌紙上談兵，對(duì)學(xué)生的運(yùn)動(dòng)負(fù)荷要作詳細(xì)的記錄，發(fā)現(xiàn)不合理的地方及時(shí)修改完善，從中摸索和把握好不同年級(jí)男女學(xué)生的運(yùn)動(dòng)負(fù)荷規(guī)律。體育教學(xué)堅(jiān)持運(yùn)動(dòng)負(fù)荷適中的原則，在此基礎(chǔ)上，再追求教學(xué)內(nèi)容的多樣化。

由于晶片在手動(dòng)放置到承片臺(tái)上以后，晶片的縱向邊緣與工作臺(tái)的橫向水平線存在一定的偏轉(zhuǎn)角度，并不完全垂直，需要將晶片縱向邊緣校正到與工作臺(tái)橫向水平線垂直的角度，初始的晶片位置如圖3所示。

本功能利用圖像處理技術(shù)對(duì)初始晶片位置的縱向邊緣與工作臺(tái)橫向水平線的偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)行識(shí)別，并根據(jù)識(shí)別結(jié)果，控制工作臺(tái)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，來完成對(duì)晶片偏轉(zhuǎn)角度的初步校正，校正后的晶片位置如圖4所示。

圖2 切割PZT陶瓷的軟件主流程圖

圖3 初始的晶片位置

圖4 校正后的晶片位置

然后，再通過圖像處理技術(shù)，提取晶片的像素中心，并通過數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換，得到該晶片中心的實(shí)際物理坐標(biāo)，為下一步的工作做好準(zhǔn)備。

2.2 切割校位點(diǎn)并進(jìn)行圖像識(shí)別

在完成初步的旋轉(zhuǎn)校位之后，本可以直接設(shè)置橫向劃切起點(diǎn)，并計(jì)算每條切割道的起終點(diǎn)數(shù)據(jù)坐標(biāo)，但由于PZT陶瓷在正面切割完成之后，還需要在背面進(jìn)行切割，為了保證正反面切割線的位置偏移能夠滿足客戶的需求，所以，在第二步，需要在晶片的兩個(gè)邊角處切割兩個(gè)校位點(diǎn)，并經(jīng)過圖像處理，分別提取兩個(gè)校位點(diǎn)的像素坐標(biāo)，在經(jīng)過數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換以后，得到兩個(gè)校位點(diǎn)的實(shí)際物理坐標(biāo)，然后根據(jù)這兩個(gè)校位點(diǎn)的實(shí)際物理坐標(biāo)計(jì)算得到兩個(gè)校位點(diǎn)的角度偏移，再次對(duì)晶片的偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)行一次微調(diào)，切割校位點(diǎn)的實(shí)際結(jié)果，如圖5所示。

2.3 切割基準(zhǔn)對(duì)位線

通過多次對(duì)PZT陶瓷晶片外形的比較與測(cè)量，發(fā)現(xiàn)其邊緣的整齊度并不理想，所以不能將其邊緣作為橫向切割起點(diǎn)的標(biāo)志位。根據(jù)以往的激光加工的經(jīng)驗(yàn)，決定在晶片的橫向及縱向邊緣位置分別切割一條直線作為正反兩面切割的基準(zhǔn)對(duì)位線，這樣一來，就避免了因晶片邊緣不整齊，可能導(dǎo)致的正反兩面切割線的位置偏差較大的問題。

圖5 晶片上切割的校位點(diǎn)

2.4 設(shè)定橫向/縱向切割起點(diǎn)

在通過上述步驟獲取到晶片位置的中心并對(duì)晶片偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)行兩次校正之后，就可以根據(jù)上一步切割的基準(zhǔn)對(duì)位線來設(shè)定晶片的橫向/縱向切割起點(diǎn)了。在將基準(zhǔn)對(duì)位線設(shè)為切割起點(diǎn)的過程之后，軟件自動(dòng)計(jì)算每條切割線的起終點(diǎn)坐標(biāo)，并進(jìn)行保存，以方便在激光加工過程中調(diào)用。

2.5 自動(dòng)切割

以上步驟完成之后，就可以根據(jù)計(jì)算得到的晶片每一條切割線的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，來開始晶片的自動(dòng)切割。在加工過程中，軟件自動(dòng)判斷切割是否全部結(jié)束，如果切割完成，則退出自動(dòng)切割功能模塊。

3 結(jié)果分析

通過上述設(shè)計(jì)并編程實(shí)現(xiàn)，上機(jī)調(diào)試完成之后，為了確保激光加工的精度與穩(wěn)定性，以一片PZT陶瓷作為實(shí)驗(yàn)晶片，將其放置于承片臺(tái)上并保持位置和偏轉(zhuǎn)角度不變，分別進(jìn)行了12次實(shí)驗(yàn)，并將通過圖像處理得到的晶片整體偏轉(zhuǎn)角度（晶片整體縱向邊緣與工作臺(tái)橫向水平線之間的夾角）與中心點(diǎn)的位置作了記錄，如表1所示。

表1 圖像識(shí)別結(jié)果

得出的結(jié)果為91.044°、(76.136 mm,76.405 mm)。

通過表1中記錄得到的晶片整體偏轉(zhuǎn)角度以及晶片中心位置，通過下面的公式計(jì)算其最大角度偏差和最大位置偏差，

得出的結(jié)果：最大角度偏差為0.182°，最大位置偏差X向?yàn)?.017 mm，Y向?yàn)?.022 mm。

由于晶片在角度校正之前得到的晶片中心可能會(huì)由于晶片偏轉(zhuǎn)角度較大，而導(dǎo)致晶片中心出現(xiàn)大的偏差，所以將表1中記錄得到的晶片中心位置以工作臺(tái)中心 (75.318 mm,75.295 mm)為旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)，圖像識(shí)別偏轉(zhuǎn)角度減去90°為旋轉(zhuǎn)角度，并按照下面的公式(3)和公式(4)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)：

結(jié)果記錄如表2所示。

根據(jù)公式(2)計(jì)算其旋轉(zhuǎn)后的最大位置偏差：X向?yàn)?.016 mm，Y向?yàn)?.024 mm，符合客戶±30 μm 的需求。

在獲取到晶片整體偏轉(zhuǎn)角度以及中心位置之后，再次以該P(yáng)ZT陶瓷作為實(shí)驗(yàn)晶片，在不移動(dòng)位置及改變偏轉(zhuǎn)角度的前提下，分別在其兩個(gè)邊角處切割了兩個(gè)校位點(diǎn)，并以這兩個(gè)校位點(diǎn)為目標(biāo)，進(jìn)行12次圖像處理實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表3所示。

表2 圖像識(shí)別結(jié)果

表3 圖像識(shí)別結(jié)果

根據(jù)表3記錄的圖像識(shí)別處理結(jié)果得到的校位點(diǎn)位置，通過公式(1)計(jì)算可得到兩個(gè)校位點(diǎn)的位置平均值分別為：(75.055 mm,73.276 mm)、(82.940 mm,73.008 mm)。

然后再根據(jù)表3記錄得到的兩個(gè)校位點(diǎn)的位置結(jié)果，通過公式(5)計(jì)算兩個(gè)校位點(diǎn)之間的水平校正角度：

計(jì)算結(jié)果記錄在表4中。

將表1中記錄的晶片整體偏轉(zhuǎn)角度與通過公式(5)計(jì)算得到的晶片校正角度進(jìn)行相減，即可得到晶片最終的切割角度，其結(jié)果如表4所示。

以計(jì)算得到的晶片最終切割角度為基礎(chǔ)，通過公式 (2)可以計(jì)算得到其最大角度偏差值為：0.059°，與晶片整體偏轉(zhuǎn)角度的最大偏差0.182°相比，通過校正點(diǎn)校正角度，使最大偏差減小了0.123°。

表3 圖像識(shí)別結(jié)果

PZT陶瓷的晶片尺寸為20 mm×30 mm，通過其最大角度偏差計(jì)算其橫向、縱向最大位置偏差為0.030 mm、0.020 mm，符合客戶±30 μm 的需求。另外，由于兩個(gè)校正點(diǎn)造成的校正角度較小，晶片中心不再隨校正點(diǎn)的校正角度而進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

4 結(jié)束語

PZT陶瓷切割功能的實(shí)現(xiàn)是通過圖像識(shí)別技術(shù)來提取晶片的整體偏轉(zhuǎn)角度及晶片中心位置，并在此基礎(chǔ)上，通過切割校位點(diǎn)來進(jìn)行角度偏差的二次校正，來保證晶片正反面的切割精度。

[1] 張國(guó)順.現(xiàn)代激光制造技術(shù)[J].北京；化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[2] 楊松濤，韓微微等.355 nm激光新型陶瓷加工研究[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2011(2)：8-11.