Zk-g-300全自動綠光PCB在線激光打標機的設計

李 銳

(深圳市中科激光科技有限公司， 廣東 深圳 518104)

自1960年美國科學家梅曼研制出世界上第一臺激光器以來，激光技術逐步成為現(xiàn)代制造業(yè)的核心技術之一[1]。激光打標是激光技術的重要應用之一，高檔激光打標市場目前仍被國外產(chǎn)品所占據(jù)，中國企業(yè)的技術實力尚有許多不足。本文在現(xiàn)有激光打標機基礎上進行工藝改進，得到一種高性能、高速度、高精準的全自動PCB在線激光打標機，各項性能指標均處于行業(yè)先進水平，市場風險較低。

1 擬解決的關鍵技術問題

本文研發(fā)一種高性能、高速度、高精準的全自動綠光PCB在線激光打標機，其軟硬件設計包括：大功率綠光激光器、機器視覺、運動控制、圖形處理、矢量字體處理、數(shù)據(jù)編譯、數(shù)據(jù)傳輸?shù)群诵脑O計。研究出來的激光打標機，要求實現(xiàn)PCB高效精準打標，解決PCB系列產(chǎn)品的溯源，全自動生產(chǎn)，能與ERP、MES對接。

2 設計方案

設計分為硬件和軟件兩個部分。硬件包括激光器的選取、機器視覺設計、運動控制器設計，軟件包括圖形處理模塊、矢量字體處理模塊、數(shù)據(jù)編譯模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊開發(fā)[2]。

圖1 技術線路圖

2.1 硬件部分

2.1.1 激光器

本文研發(fā)的Zk-g-300全自動綠光PCB在線激光打標機，其核心部件激光器采用IPG公司生產(chǎn)的大功率綠光激光器。其光束質(zhì)量比傳統(tǒng)的激光打標機要高，聚焦光斑小，降低了發(fā)散角，提升了機器的功率密度，更適用于精密、精細打標和深雕。同時，電光轉換效率高，降低了整機耗電量，大大節(jié)省能耗支出。激光器大點主要參數(shù)如下：

激光最大平均輸出功率：8 W / 15 W；

激光重復頻率：1～200 kHz；

調(diào)Q激光脈寬：13～80 ns；

激光波長：λ=532 nm；

光束質(zhì)量因子：M2<1.2；

光束發(fā)散角度<2 mrad。

2.1.2 機器視覺系統(tǒng)

機器視覺系統(tǒng)由光學系統(tǒng)、圖像采集器和照明器組成，可極大地提高激光打標設備的性能。

(1)光學系統(tǒng)

本文設計的激光打標機，觀察系統(tǒng)的光軸與激光光軸取相同方向，觀察系統(tǒng)的光軸與工作面垂直，避免了圖像對稱性差、畸變和成像不清晰的問題。這種打標機的特點是觀察系統(tǒng)的光路有一部分重合到激光光路中，通過一片45°反射鏡反射到成像系統(tǒng)中。按照這種思路，設計如下解決方案：在打標頭和激光器之間加入45°反射鏡，觀察系統(tǒng)的光線經(jīng)過打標頭，通過振鏡的擺動，可以分區(qū)域觀察所有打標器件，如圖2所示。

圖2 光學系統(tǒng)結構設計圖

(2)圖像采集系統(tǒng)

圖像傳感器決定著機器視覺系統(tǒng)的成像效果[3]。本文設計的全自動PCB在線激光打標機，選用的是CMOS傳感器，如圖3所示。

圖3 CMOS隨機窗口讀取

CMOS傳感器功能優(yōu)越，抗輻射能力強，結構系統(tǒng)簡單可靠，具有非破壞性的數(shù)據(jù)讀出方式以及優(yōu)化的曝光控制。為配合全自動PCB在線激光打標機的整體性能，本文采用了德國SVS-VISTEK公司生產(chǎn)的CMOS工業(yè)相機，型號是SVSCAM-SVS285。

(3)照明系統(tǒng)

綜合考慮光譜曲線、幾何形狀、照明亮度、發(fā)光效率和使用壽命等多方面因素，本文選擇采用LED光源進行照明。

2.1.3 運動控制系統(tǒng)

本文設計的全自動PCB在線激光打標機，擁有自主設計的運動控制系統(tǒng)(如圖4和圖5所示)，包括運動控制器、驅(qū)動或放大器、執(zhí)行器、反饋傳感器、機械部件等。

圖4 運動控制系統(tǒng)模塊圖

圖5 運動控制系統(tǒng)框圖

2.2 軟件部分

作為設備的核心，軟件的控制直接影響設備的自動化程度、運動控制和激光器的運作。軟件邏輯框架如圖6所示。

圖6 軟件邏輯框架圖

2.2.1 圖形處理模塊

釆用設計軟件CorelDraw生成的矢量文件作為導入文件，以MFC框架中圖形存儲的方式保存，對于數(shù)字圖像用到變換、編碼壓縮、增強和復原、分割、描述、分類(識別)6種基本處理方法，并采用濾波器對帶噪聲圖像進行濾波處理。圖形處理模塊的結構如圖7所示。

圖7 圖形處理模塊的結構

2.2.2 矢量字體處理模塊

激光打標系統(tǒng)所用到文字主要為字符和常用的一二級漢字，編碼連續(xù)。根據(jù)這種特點，將文件索引表中的索引項按照字符的編碼有序排列，文件的文件頭信息(大多不是字符)則保留字體大小的相關數(shù)據(jù)，剔除其他信息，存儲字形索引表，完成文件優(yōu)化。優(yōu)化之后的SHX文件存儲空間小，讀取速度快，更易于與激光打標系統(tǒng)兼容。

2.2.3 數(shù)據(jù)編譯模塊

設計一種優(yōu)化插補算法[4]，編譯的數(shù)據(jù)終點判別依賴于用戶所輸入的插補步長，根據(jù)計算機當前執(zhí)行的插補次數(shù)與插補點總數(shù)的比較，可以得出是否已經(jīng)完成插補工作，優(yōu)化后的插補算法提高了插補的平均運動速度。

2.2.4 數(shù)據(jù)傳輸

本文研發(fā)的全自動PCB在線激光打標機采用USB連接的方式，選擇型號N9602接口芯片，用DMA方式與單片機通信。USB連接結構如圖8所示。

圖8 USB連接結構

3 實現(xiàn)結果分析

根據(jù)上述設計方案，制成Zk-g-300全自動綠光PCB在線激光打標機，在傳統(tǒng)產(chǎn)品基礎上進行工藝改進，打標機具備以下技術優(yōu)勢：

(1)PCB打碼實現(xiàn)產(chǎn)品可追溯性；

(2)貼標產(chǎn)能高，不易脫落，持久性強，而油墨噴碼精度低，效果差，污染大；

(3)永久、高效、環(huán)保、無耗材、低投入高回報，激光器壽命長；

(4)可與自動化產(chǎn)線結合，全自動生產(chǎn)，能和EPR、MES對接。

本文設計完成的高性能、高速度、高精準的全自動PCB在線激光打標機，技術指標如表1所示。

表1 技術指標表

4 結 語

在現(xiàn)有激光打標機的基礎上實現(xiàn)工藝改進，研發(fā)了一種高性能、高速度、高精準的全自動綠光PCB在線激光打標機，對采用的大功率綠光激光器、機器視覺、運動控制和圖形處理、矢量字體處理、數(shù)據(jù)編譯、數(shù)據(jù)傳輸?shù)群诵脑O計內(nèi)容做了詳細分析,對激光打標技術研究有一定的參考意義。