Zk-g-300全自动绿光PCB在线激光打标机的设计

李 锐

(深圳市中科激光科技有限公司， 广东 深圳 518104)

自1960年美国科学家梅曼研制出世界上第一台激光器以来，激光技术逐步成为现代制造业的核心技术之一[1]。激光打标是激光技术的重要应用之一，高档激光打标市场目前仍被国外产品所占据，中国企业的技术实力尚有许多不足。本文在现有激光打标机基础上进行工艺改进，得到一种高性能、高速度、高精准的全自动PCB在线激光打标机，各项性能指标均处于行业先进水平，市场风险较低。

1 拟解决的关键技术问题

本文研发一种高性能、高速度、高精准的全自动绿光PCB在线激光打标机，其软硬件设计包括：大功率绿光激光器、机器视觉、运动控制、图形处理、矢量字体处理、数据编译、数据传输等核心设计。研究出来的激光打标机，要求实现PCB高效精准打标，解决PCB系列产品的溯源，全自动生产，能与ERP、MES对接。

2 设计方案

设计分为硬件和软件两个部分。硬件包括激光器的选取、机器视觉设计、运动控制器设计，软件包括图形处理模块、矢量字体处理模块、数据编译模块、数据传输模块开发[2]。

图1 技术线路图

2.1 硬件部分

2.1.1 激光器

本文研发的Zk-g-300全自动绿光PCB在线激光打标机，其核心部件激光器采用IPG公司生产的大功率绿光激光器。其光束质量比传统的激光打标机要高，聚焦光斑小，降低了发散角，提升了机器的功率密度，更适用于精密、精细打标和深雕。同时，电光转换效率高，降低了整机耗电量，大大节省能耗支出。激光器大点主要参数如下：

激光最大平均输出功率：8 W / 15 W；

激光重复频率：1～200 kHz；

调Q激光脉宽：13～80 ns；

激光波长：λ=532 nm；

光束质量因子：M2<1.2；

光束发散角度<2 mrad。

2.1.2 机器视觉系统

机器视觉系统由光学系统、图像采集器和照明器组成，可极大地提高激光打标设备的性能。

(1)光学系统

本文设计的激光打标机，观察系统的光轴与激光光轴取相同方向，观察系统的光轴与工作面垂直，避免了图像对称性差、畸变和成像不清晰的问题。这种打标机的特点是观察系统的光路有一部分重合到激光光路中，通过一片45°反射镜反射到成像系统中。按照这种思路，设计如下解决方案：在打标头和激光器之间加入45°反射镜，观察系统的光线经过打标头，通过振镜的摆动，可以分区域观察所有打标器件，如图2所示。

图2 光学系统结构设计图

(2)图像采集系统

图像传感器决定着机器视觉系统的成像效果[3]。本文设计的全自动PCB在线激光打标机，选用的是CMOS传感器，如图3所示。

图3 CMOS随机窗口读取

CMOS传感器功能优越，抗辐射能力强，结构系统简单可靠，具有非破坏性的数据读出方式以及优化的曝光控制。为配合全自动PCB在线激光打标机的整体性能，本文采用了德国SVS-VISTEK公司生产的CMOS工业相机，型号是SVSCAM-SVS285。

(3)照明系统

综合考虑光谱曲线、几何形状、照明亮度、发光效率和使用寿命等多方面因素，本文选择采用LED光源进行照明。

2.1.3 运动控制系统

本文设计的全自动PCB在线激光打标机，拥有自主设计的运动控制系统(如图4和图5所示)，包括运动控制器、驱动或放大器、执行器、反馈传感器、机械部件等。

图4 运动控制系统模块图

图5 运动控制系统框图

2.2 软件部分

作为设备的核心，软件的控制直接影响设备的自动化程度、运动控制和激光器的运作。软件逻辑框架如图6所示。

图6 软件逻辑框架图

2.2.1 图形处理模块

釆用设计软件CorelDraw生成的矢量文件作为导入文件，以MFC框架中图形存储的方式保存，对于数字图像用到变换、编码压缩、增强和复原、分割、描述、分类(识别)6种基本处理方法，并采用滤波器对带噪声图像进行滤波处理。图形处理模块的结构如图7所示。

图7 图形处理模块的结构

2.2.2 矢量字体处理模块

激光打标系统所用到文字主要为字符和常用的一二级汉字，编码连续。根据这种特点，将文件索引表中的索引项按照字符的编码有序排列，文件的文件头信息(大多不是字符)则保留字体大小的相关数据，剔除其他信息，存储字形索引表，完成文件优化。优化之后的SHX文件存储空间小，读取速度快，更易于与激光打标系统兼容。

2.2.3 数据编译模块

设计一种优化插补算法[4]，编译的数据终点判别依赖于用户所输入的插补步长，根据计算机当前执行的插补次数与插补点总数的比较，可以得出是否已经完成插补工作，优化后的插补算法提高了插补的平均运动速度。

2.2.4 数据传输

本文研发的全自动PCB在线激光打标机采用USB连接的方式，选择型号N9602接口芯片，用DMA方式与单片机通信。USB连接结构如图8所示。

图8 USB连接结构

3 实现结果分析

根据上述设计方案，制成Zk-g-300全自动绿光PCB在线激光打标机，在传统产品基础上进行工艺改进，打标机具备以下技术优势：

(1)PCB打码实现产品可追溯性；

(2)贴标产能高，不易脱落，持久性强，而油墨喷码精度低，效果差，污染大；

(3)永久、高效、环保、无耗材、低投入高回报，激光器寿命长；

(4)可与自动化产线结合，全自动生产，能和EPR、MES对接。

本文设计完成的高性能、高速度、高精准的全自动PCB在线激光打标机，技术指标如表1所示。

表1 技术指标表

4 结 语

在现有激光打标机的基础上实现工艺改进，研发了一种高性能、高速度、高精准的全自动绿光PCB在线激光打标机，对采用的大功率绿光激光器、机器视觉、运动控制和图形处理、矢量字体处理、数据编译、数据传输等核心设计内容做了详细分析,对激光打标技术研究有一定的参考意义。