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1 緒論

1.1 前言

自1960年第一臺(tái)激光器“紅寶石激光器”誕生以來(lái)，近五十年間，激光技術(shù)與應(yīng)用迅猛發(fā)展，已與多個(gè)學(xué)科相結(jié)合形成多個(gè)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，比如光譜與照明技術(shù)，激光醫(yī)療與光子生物學(xué)，激光加工(laser oem)技術(shù)，激光檢測(cè)與計(jì)量技術(shù)等等。

其中，激光加工(laser oem)技術(shù)是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對(duì)材料(包括金屬與非金屬)進(jìn)行切割、焊接、表面處理、打孔、微加工等的一門(mén)技術(shù)，是涉及到光、機(jī)、電、材料及檢測(cè)等多門(mén)學(xué)科的綜合技術(shù)。

1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

中國(guó)激光加工(laser oem)設(shè)備真正規(guī)模化普及始于2000年之后。伴隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)尤其是中國(guó)制造業(yè)進(jìn)入新的發(fā)展階段，中國(guó)的激光加工(laser oem)設(shè)備行業(yè)也迎來(lái)了黃金發(fā)展時(shí)期。2003年之前，中國(guó)激光加工(laser oem)設(shè)備行業(yè)保持了50%以上的驚人發(fā)展速度，04年之后，行業(yè)的成長(zhǎng)速度有所放緩，但仍然保持了20%以上的快速發(fā)展。

國(guó)際上，激光切割和焊接構(gòu)成了激光加工(laser oem)設(shè)備銷(xiāo)售額的主體（50%以上），并且占據(jù)了激光加工(laser oem)設(shè)備的高端市場(chǎng)。但在中國(guó)激光加工(laser oem)設(shè)備市場(chǎng)中，小功率的激光標(biāo)記機(jī)的市場(chǎng)份額超過(guò)了40%，而激光切割的市場(chǎng)份額只有30%左右，并且這30%的市場(chǎng)份額還主要被外資或合資激光設(shè)備廠商所占有，顯示出中國(guó)激光加工(laser oem)設(shè)備行業(yè)的市場(chǎng)應(yīng)用范圍以及國(guó)內(nèi)激光設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)都還處于相對(duì)初期的發(fā)展階段。

1.3 紫外激光切割技術(shù)

近年來(lái)，隨著FPC行業(yè)的精密小型化發(fā)展趨勢(shì)，由此帶來(lái)外形加工的高精度低損傷的要求，傳統(tǒng)的機(jī)械加工已無(wú)法滿(mǎn)足市場(chǎng)要求。而激光的無(wú)接觸式加工避免了加工產(chǎn)生的應(yīng)力，可有效的提高材料的切割質(zhì)量和效率，并且邊緣整齊、光滑，對(duì)金屬材料加工后具有優(yōu)越的電學(xué)特性。另外，相對(duì)于CO2激光切割技術(shù)，紫外激光“冷”光源具有良好的聚焦性能，熱影響區(qū)小，切割質(zhì)量?jī)?yōu)越。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

紫外激光切割機(jī)，其硬件系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成：紫外激光器及其水冷裝置、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、直線電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、CCD攝像裝置、工作移動(dòng)平臺(tái)、高速度雙振鏡、運(yùn)動(dòng)控制卡、吸塵器以及其他輔助裝置。

2.2 工作原理

UV激光切割機(jī)(laser cutting)工作原理可以簡(jiǎn)述為：運(yùn)動(dòng)控制、激光控制及軟件系統(tǒng)三個(gè)部分。運(yùn)動(dòng)控制及激光控制均依賴(lài)于運(yùn)動(dòng)控制卡的協(xié)調(diào)處理，而軟件系統(tǒng)則是運(yùn)動(dòng)控制卡協(xié)調(diào)處理的大腦，在整個(gè)切割過(guò)程中起著至關(guān)重要的地位。下面分別介紹這三個(gè)部分的工作原理。

2.2.1運(yùn)動(dòng)控制

運(yùn)動(dòng)控制分為平臺(tái)控制和振鏡控制，由一塊DSP+FPGA組成的運(yùn)動(dòng)控制卡來(lái)實(shí)現(xiàn)。運(yùn)動(dòng)控制卡通過(guò)PCI與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相通訊，可以實(shí)現(xiàn)高性能的控制計(jì)算。該卡提供兩軸運(yùn)動(dòng)控制輸出，可在控制振鏡運(yùn)動(dòng)和工作平臺(tái)運(yùn)動(dòng)之間轉(zhuǎn)換。其中對(duì)于每個(gè)軸既可以輸出脈沖量，也可以輸出模擬量。控制卡還為每軸提供正負(fù)限位信號(hào)和原點(diǎn)信號(hào)輸入，為每個(gè)軸提供16位的狀態(tài)寄存器，軟件系統(tǒng)可以隨意通過(guò)指令來(lái)獲取當(dāng)前狀況下各軸的運(yùn)行狀態(tài)。

由于UV激光切割機(jī)(laser cutting)的振鏡掃描范圍約40mm×40mm，而實(shí)際切割的圖形通常都大于這個(gè)范圍，因此在實(shí)際切割過(guò)程中需要振鏡和平臺(tái)的協(xié)調(diào)工作，原理是：將圖形分割為振鏡掃描范圍大小的多個(gè)區(qū)域，每次僅切割一個(gè)區(qū)域的圖形，此時(shí)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)靜止，通過(guò)振鏡運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)切割。每次切完當(dāng)前區(qū)域就需要移動(dòng)平臺(tái)到另一個(gè)區(qū)域，此時(shí)振鏡運(yùn)動(dòng)處于靜止。然后重復(fù)上述振鏡及平臺(tái)運(yùn)動(dòng)直至圖形切割完畢。

2.2.2激光控制

UV激光切割機(jī)(laser cutting)的激光器通過(guò)串口與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)軟件對(duì)激光器的智能控制：包括激光開(kāi)/關(guān)、延時(shí)控制、激光能量控制模式選擇、激光能量輸出方式選擇和相關(guān)參數(shù)設(shè)置。其中延時(shí)控制及激光能量輸出方式選擇等控制，需要軟件通過(guò)控制卡實(shí)時(shí)的作用于激光器，才能解決激光控制和運(yùn)動(dòng)控制的協(xié)調(diào)工作。

2.2.3軟件系統(tǒng)

UV激光切割機(jī)(laser cutting)擁有強(qiáng)大的中文界面軟件系統(tǒng)，包括：圖形文檔處理模塊、設(shè)備控制模塊、定位及校正模塊、切割加工模塊及實(shí)時(shí)顯示模塊。設(shè)備控制模塊的控制原理在上文運(yùn)動(dòng)控制中已介紹，下面主要介紹圖形文檔處理模塊和定位及校正模塊。

2.2.3.1圖形文檔處理模塊

UV激光切割軟件支持Gerber文件格式的讀取，為了滿(mǎn)足市場(chǎng)需要，新版本軟件除了Gerber文件格式以外，還支持標(biāo)準(zhǔn)的DXF文檔的讀取。

圖形讀取后，通常需要對(duì)圖形進(jìn)行處理，軟件系統(tǒng)支持對(duì)圖形的平移、旋轉(zhuǎn)、鏡像、剪切等編輯工作。另外由于不同的FPC切割板的材料差異以及同一切割板不同區(qū)域的差異(如軟硬結(jié)合板)，軟件支持在切割過(guò)程中對(duì)圖形分區(qū)域處理，并對(duì)不同區(qū)域設(shè)置不同的切割參數(shù)從而使切割效果最佳。

2.2.3.2 定位及校正模塊

1）校正原理

雙振鏡掃描是一種在光柵或矢量模式下對(duì)X-Y平面場(chǎng)進(jìn)行掃描的簡(jiǎn)單、低成本方式，如圖2-2。這種掃描方式的主要缺點(diǎn)是其在雙軸平面場(chǎng)掃描時(shí)存在固有的幾何失真。主要包括枕形失真、線性失真和在平面場(chǎng)上成像光束的焦點(diǎn)誤差。通過(guò)在雙振鏡掃描系統(tǒng)后增加一個(gè)F-θ透鏡，可以對(duì)焦點(diǎn)誤差進(jìn)行校正，使得激光束能夠聚焦在同一焦平面上，并對(duì)掃描系統(tǒng)進(jìn)行一定的失真校正。但其無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)X軸枕形失真的校正，并產(chǎn)生Y軸方向的桶形失真。

圖2-2 振鏡掃描系統(tǒng)

針對(duì)上述原因，實(shí)際切割前需要對(duì)振鏡進(jìn)行校正，通常采用的校正方法為軟件補(bǔ)償校正,通過(guò)軟件處理達(dá)到校正的目的，具體可以分為增量補(bǔ)償、校正表、最小二乘擬合等幾種方法。UV激光切割機(jī)(laser cutting)軟件系統(tǒng)中采用了定標(biāo)網(wǎng)格的方法，結(jié)合增量補(bǔ)償及校正表來(lái)實(shí)現(xiàn)振鏡校正，解決了掃描場(chǎng)非線性失真問(wèn)題，從而達(dá)到了軟件校正的目的，不但經(jīng)濟(jì)而且可以靈活的調(diào)整校正參數(shù)。圖2-3所示為校正前后圖形對(duì)比。

圖2-3 校正前（左）后（右）圖形對(duì)比

2）定位原理

UV激光切割機(jī)(laser cutting)支持覆蓋膜和FPC板的切割，對(duì)于覆蓋膜只要放置于當(dāng)前位置，執(zhí)行當(dāng)前切割即可，切割圖形在覆蓋膜上位置出現(xiàn)微小的整體平移并不影響切割需求。但是對(duì)于FPC激光切割就必須使切割圖形準(zhǔn)確的位于指定的位置或線路，因此在切割前就需要對(duì)FPC板進(jìn)行定位工作。原理：移動(dòng)平臺(tái)至FPC定位孔，通過(guò)高清CCD[12]讀取并計(jì)算定位孔坐標(biāo)的實(shí)際位置，達(dá)到精確定位的目的。

3.技術(shù)突破

作為光、機(jī)、電一體化的大型精密儀器， UV激光切割機(jī)(laser cutting)在以下方面做出了重大突破。

3.1碳化控制技術(shù)

3.1.1碳化的產(chǎn)生

激光切割是利用聚焦的高功率激光束照射工件，光束能被材料吸收，當(dāng)激光超過(guò)閾值功率密度后引起照射點(diǎn)材料溫度急劇上升，當(dāng)溫度達(dá)到沸點(diǎn)后，材料開(kāi)始汽化，并形成孔洞。隨著激光束與工件的相對(duì)移動(dòng)，最終使材料形成切縫。

高功率激光束在切割過(guò)程中勢(shì)必會(huì)形成一定的熱影響區(qū)，當(dāng)切割能量過(guò)大或停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)均會(huì)因材料切割邊緣處吸收過(guò)多熱量而引起發(fā)黑發(fā)焦現(xiàn)象，即碳化。在切割FPC板及覆蓋膜過(guò)程中均可能產(chǎn)生碳化現(xiàn)象，由于不同材料對(duì)激光吸收程度不同，產(chǎn)生的碳化的條件及程度均不同。

3.1.2碳化控制技術(shù)

1）紫外激光光源具有良好的聚焦性能，熱影響區(qū)小，切割質(zhì)量?jī)?yōu)越，相比CO2激光切割而言紫外激光切割本身就具有提高精度、減少碳化的優(yōu)點(diǎn)。

2）對(duì)運(yùn)動(dòng)控制卡的插補(bǔ)算法及延時(shí)控制進(jìn)行優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)、振鏡、激光的精確協(xié)調(diào)控制，最終達(dá)到減少碳化的作用。

3）由于不同材料對(duì)激光吸收程度不一樣，元祿光電的激光團(tuán)隊(duì)通過(guò)大量試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)不同材料的覆蓋膜及FPC板切割參數(shù)（切割速度、激光功率、激光延時(shí)等參數(shù)）的設(shè)置進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，在工業(yè)切割過(guò)程中根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行最優(yōu)設(shè)置，能夠最大程度控制碳化。

4）UV激光切割機(jī)(laser cutting)強(qiáng)大的軟件系統(tǒng)支持對(duì)同一FPC板的不同區(qū)域進(jìn)行分別的參數(shù)設(shè)置，結(jié)合不同材料最優(yōu)參數(shù)設(shè)置的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)分區(qū)域切割以及不同區(qū)域參數(shù)的智能控制，達(dá)到進(jìn)一步減少碳化的目的。

圖3.1 改進(jìn)前嚴(yán)重碳化 圖3.2 改進(jìn)后輕微碳化

如圖3.1和3.2，通過(guò)硬件和軟件的優(yōu)化， UV激光切割機(jī)(laser cutting)對(duì)碳化的控制技術(shù)有著顯著的提高，目前UV激光切割機(jī)(laser cutting)的碳化控制技術(shù)在某些方面已經(jīng)趕上甚至優(yōu)于國(guó)內(nèi)外同一類(lèi)型的UV激光切割機(jī)(laser cutting)。

3.2 切割效率的提升

UV激光切割機(jī)(laser cutting)在不改變硬件的情況下，通過(guò)軟件升級(jí)優(yōu)化路徑創(chuàng)建算法，減少激光空轉(zhuǎn)路徑，達(dá)到減少整體切割時(shí)間的效果。表3-1為算法優(yōu)化前后的效率對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過(guò)表格數(shù)據(jù)可以得知，優(yōu)化算法后切割效率提高約2%--9%，根據(jù)圖形單元的多少及復(fù)雜度則切割效率的提升略有差異。軟件算法的優(yōu)化節(jié)省了硬件優(yōu)化所需成本，提高了切割效率，增強(qiáng)了UV激光切割機(jī)(laser cutting)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

效率對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖形 效率(%)及切割時(shí)間(s) 算法優(yōu)化前 算法優(yōu)化后

表3-1效率對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)

注：1)以上對(duì)比數(shù)據(jù)的測(cè)試條件包括振鏡參數(shù)、激光參數(shù)、電機(jī)參數(shù)等均設(shè)置相同，切割材料均為聚酰亞胺。

2)以算法優(yōu)化后的激光切割效率為100%作為比較。

3.3 定位及漲縮系數(shù)補(bǔ)償

由于制造工藝的不同及材料熱脹冷縮系數(shù)的差別造成不同FPC板的形變差異，這就要求切割定位時(shí)必須分別加以補(bǔ)償，如果不補(bǔ)償則可能會(huì)致使切割出來(lái)的電路單元完全無(wú)法使用，最終導(dǎo)致整板報(bào)廢。目前，各個(gè)領(lǐng)域大部分的定位后圖形變換均采用線性的圖形變換，對(duì)于復(fù)雜的不規(guī)則的漲縮圖形在變換后會(huì)與實(shí)際圖形相差過(guò)大，甚至超過(guò)誤差范圍。UV激光切割軟件一方面改進(jìn)了圖形變換，一方面引入角度偏差和漲縮比的概念，在定位過(guò)程中對(duì)定位點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)定位超過(guò)角度誤差或漲縮比限制時(shí)均提示定位失敗，這就保證了定位切割的準(zhǔn)確性。表3-2為定位切割精度試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

精度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

材料：聚酰亞胺 邊緣與金手指距離

表3-2 精度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

推薦設(shè)備：FPC紫外激光切割機(jī)