彭學(xué)軍 王高壘 鮑軍云

電力控制設(shè)備印制電路板鐳雕二維碼在線運(yùn)動(dòng)掃碼技術(shù)研究

彭學(xué)軍 王高壘 鮑軍云

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211100）

近年來(lái)，隨著激光工藝的提升，電力控制設(shè)備制造業(yè)積極引入印制電路板（PCB）激光鐳雕二維碼工藝來(lái)節(jié)省成本，提高數(shù)據(jù)追溯的穩(wěn)定性。通過(guò)高精度視覺(jué)設(shè)備的軟硬件集成實(shí)現(xiàn)激光鐳雕二維碼信息實(shí)時(shí)在線運(yùn)動(dòng)采集，確保PCB信息在運(yùn)動(dòng)過(guò)程一次讀碼率達(dá)到99.9%以上，提高智能制造水平和數(shù)據(jù)采集能力，助力新技術(shù)在電力制造業(yè)的廣泛應(yīng)用。

電力控制設(shè)備；激光鐳雕；在線運(yùn)動(dòng)掃碼；智能制造；印制電路板（PCB）；二維碼

0 引言

隨著電力建設(shè)快速發(fā)展，電力控制設(shè)備應(yīng)用的惡劣場(chǎng)景日益增多[1]，其內(nèi)部電路設(shè)計(jì)也日益復(fù)雜，布局越來(lái)越密，給電力控制設(shè)備的印制電路板（printed circuit board, PCB）產(chǎn)品質(zhì)量管控、信息化管理、全程可行性追溯帶來(lái)更多的挑戰(zhàn)[2]。傳統(tǒng)的追溯管理做法是在PCB上粘貼紙質(zhì)條碼，這種方式需要足夠的PCB布局空間，且人工粘貼，生產(chǎn)效率低[3]；同時(shí)在惡劣環(huán)境下紙質(zhì)條碼信息容易損失，因此需要尋求一種占用空間小、可靠性高、信息容量大的產(chǎn)品追溯技術(shù)[4-5]。

國(guó)內(nèi)外理論研究和工程實(shí)踐表明，激光雕刻二維碼可能是滿足上述需求的最佳技術(shù)[6]。在汽車(chē)行業(yè)，有學(xué)者采用激光在PCB上雕刻二維碼，探討激光工藝參數(shù)對(duì)二維碼質(zhì)量的影響[7]。相關(guān)的研究多數(shù)停留在試驗(yàn)驗(yàn)證階段，試驗(yàn)方式相對(duì)簡(jiǎn)單[8]，沒(méi)有應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，缺乏實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的技術(shù)支撐，也缺少應(yīng)用在線運(yùn)動(dòng)掃碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)追溯的相關(guān)研究。

基于以上現(xiàn)狀，本文針對(duì)PCB鐳雕二維碼在線運(yùn)動(dòng)掃碼技術(shù)進(jìn)行研究，在不影響現(xiàn)有自動(dòng)化生產(chǎn)的前提下，解決靜止掃碼帶來(lái)的生產(chǎn)作業(yè)停頓、等待浪費(fèi)，以及行業(yè)內(nèi)普遍存在的生產(chǎn)工序追溯信息獲取困難的問(wèn)題，具備實(shí)時(shí)快速采集信息的能力，為電力控制設(shè)備產(chǎn)品質(zhì)量管控、信息化管理提供數(shù)據(jù)支撐，也為智能制造數(shù)字化車(chē)間打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 電力控制設(shè)備PCB鐳雕二維碼現(xiàn)狀

1.1 PCB鐳雕技術(shù)應(yīng)用分析

電力控制設(shè)備制造業(yè)生產(chǎn)過(guò)程PCB二維碼信息讀取環(huán)節(jié)多，使用廣泛[9]，通常是在PCB生產(chǎn)開(kāi)始環(huán)節(jié)就進(jìn)行追溯信息的采集，工序主要包含PCB絲印、串行外設(shè)接口（serial peripheral interface, SPI）檢測(cè)、元器件表貼、回流焊接、自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)（automated optical inspection, AOI）及調(diào)試等環(huán)節(jié)。

激光鐳雕技術(shù)是通過(guò)激光鐳雕機(jī)以微小功率在PCB表面層進(jìn)行燒蝕，形成可以讀取的有效信息，二維碼包含有產(chǎn)品條碼、型號(hào)及版本號(hào)等技術(shù)信息，激光雕刻的DM碼實(shí)物圖如圖1所示。激光刻碼技術(shù)既要保證刻碼信息的有效性、準(zhǔn)確性、可識(shí)別性，還不能損害PCB，不能破壞底層銅箔。

圖1 激光雕刻的DM碼實(shí)物圖

在實(shí)際運(yùn)用中，鐳雕二維碼大小一般很難超過(guò)3mm×3mm，鐳雕微型二維碼由于密度高、形狀小、位置不固定等問(wèn)題，信息讀取比較困難。因此通過(guò)研究激光鐳雕微型二維碼在線運(yùn)動(dòng)掃碼技術(shù)，確保PCB信息在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的一次讀碼率達(dá)到99.9%以上，以實(shí)現(xiàn)追溯信息快速獲取的能力，提高產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)分析能力[10]，加快企業(yè)工藝技術(shù)創(chuàng)新和改造，提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

1.2 鐳雕二維碼碼制選取

現(xiàn)階段激光雕刻二維碼碼制比較多，比如Quick Response Code（QR碼）、Data Matrix（DM碼）等[11]，NASA標(biāo)準(zhǔn)推薦使用DM碼[12-13]，主要因其具有強(qiáng)大的糾錯(cuò)能力，只需要讀取信息的20%即可精準(zhǔn)讀取；在同等編碼面積下，DM碼可以存儲(chǔ)更多的信息量?？紤]到電力控制設(shè)備表面貼裝技術(shù)（surface mounted technology, SMT）制造運(yùn)用的惡劣場(chǎng)景、預(yù)留空間很有限的PCB布局，以及二維碼必須包含產(chǎn)品條碼、型號(hào)、版本號(hào)等幾十位字符的技術(shù)信息，本文采用DM碼并運(yùn)用于自動(dòng)化生產(chǎn)中。

2 電力控制設(shè)備鐳雕二維碼在線運(yùn)動(dòng)掃碼技術(shù)

2.1 在線運(yùn)動(dòng)掃碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中需要在主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行質(zhì)量管控、生產(chǎn)報(bào)工等作業(yè)操作，這就需要精準(zhǔn)讀取單塊PCB的DM碼。由于鐳雕的DM碼非常小，給讀取設(shè)備造成較大的困難，常用的方法是靜態(tài)掃碼，在生產(chǎn)工序中設(shè)法將PCB停止，通過(guò)掃碼設(shè)備進(jìn)行掃碼，保證較高的讀取率。對(duì)現(xiàn)代智能制造業(yè)來(lái)講，靜態(tài)掃碼停止PCB過(guò)程破壞了生產(chǎn)線原有的生產(chǎn)節(jié)拍，存在較多等待浪費(fèi)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)能，因此本文設(shè)計(jì)了一種在線運(yùn)動(dòng)掃碼技術(shù)，在線運(yùn)動(dòng)掃碼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 在線運(yùn)動(dòng)掃碼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)掃碼技術(shù)要求生產(chǎn)設(shè)備在不停頓、不等待、不影響正常生產(chǎn)秩序的情況下，通過(guò)視覺(jué)設(shè)備對(duì)PCB進(jìn)行掃描完成信息快速獲取，然后通過(guò)控制可編程邏輯控制器（programmable logic controller, PLC）將讀取的信息采用OPC協(xié)議傳送給后臺(tái)PLC進(jìn)行管控，在線運(yùn)動(dòng)掃碼管控如圖3所示。

圖3 在線運(yùn)動(dòng)掃碼管控

在線運(yùn)動(dòng)掃碼系統(tǒng)組成主要包含光電模塊、人機(jī)接口（human machine interface, HMI）、視覺(jué)讀碼設(shè)備、PLC等設(shè)備，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)各個(gè)設(shè)備之間的通信和邏輯任務(wù)。當(dāng)被測(cè)物體PCB通過(guò)光電模塊時(shí)，光電模塊信號(hào)觸發(fā)視覺(jué)設(shè)備進(jìn)行讀碼，讀碼成功則放行，當(dāng)讀碼失敗后能夠?qū)ιa(chǎn)設(shè)備進(jìn)行管控，設(shè)備發(fā)出警告信號(hào)，通過(guò)HMI查看失敗原因及需要處理的內(nèi)容，進(jìn)行人工干預(yù)，在線運(yùn)動(dòng)掃碼系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)如圖4所示，因此視覺(jué)設(shè)備具有高讀取成功率是系統(tǒng)的關(guān)鍵。

2.2 在線運(yùn)動(dòng)掃碼關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)研究

PCB激光鐳雕微小二維碼技術(shù)的視覺(jué)設(shè)備讀碼成功率是在線運(yùn)動(dòng)掃碼關(guān)鍵所在，需要在PCB運(yùn)動(dòng)過(guò)程中一次讀碼率達(dá)到99.9%以上，才能不影響正常的生產(chǎn)效率，因此在線運(yùn)動(dòng)掃碼成功的關(guān)鍵取決于數(shù)據(jù)讀碼器的高識(shí)別讀取率。

圖4 在線運(yùn)動(dòng)掃碼系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本文選用DataMan系列中一款掃碼器，能夠在各種二維碼質(zhì)量受損或者不同標(biāo)記位置情況下，提供可靠的二維碼讀取性能，能夠快速定位識(shí)別損壞嚴(yán)重的二維碼或定位圖像完全消失的二維碼。掃碼器視場(chǎng)和讀碼距離的關(guān)系如圖5所示。掃碼器采用S型16mm的自動(dòng)對(duì)焦液體鏡頭，像素可達(dá)到1 280× 960，基于2DMax算法并結(jié)合最新的PowerGrid技術(shù)，一個(gè)掃描圖像的解碼時(shí)間可快至4ms，具有靈活的視場(chǎng)和讀取距離。

通常情況下讀碼器曝光時(shí)間越短，讀取二維碼間隔越短，讀取率越高，曝光時(shí)間根據(jù)自動(dòng)化生產(chǎn)環(huán)境光線、二維碼對(duì)比度等因素設(shè)置，一般設(shè)置曝光時(shí)間≤500ms。通過(guò)高精度視覺(jué)讀碼設(shè)備實(shí)現(xiàn)拍照讀取，同一個(gè)二維碼只讀取1次，通常在設(shè)置里“延遲模式”選中“首次讀取”后，“代碼重讀延遲”設(shè)置為10s，表示在10s內(nèi)，相同的二維碼信息只讀取1次。通過(guò)簡(jiǎn)單方便的調(diào)諧和觸發(fā)按鈕，高效實(shí)現(xiàn)在線運(yùn)動(dòng)讀取高密度二維碼，實(shí)現(xiàn)最高讀取率。

圖5 掃碼器視場(chǎng)和讀取距離的關(guān)系

一般而言，在曝光時(shí)間、增益系數(shù)、物距等參數(shù)相對(duì)固定的情況下，選取高精度視覺(jué)讀碼設(shè)備掃碼，影響在線掃碼通過(guò)率的主要是兩個(gè)關(guān)鍵變量：掃碼角度和PCB運(yùn)動(dòng)速度。

當(dāng)掃碼角度為12°左右時(shí)，可以獲得較好的掃碼視角，這時(shí)通過(guò)改變PCB運(yùn)動(dòng)速度，研究掃碼通過(guò)率的變化。掃碼角度為12°時(shí)，PCB運(yùn)動(dòng)速度與掃碼通過(guò)率的關(guān)系如圖6所示，隨著PCB運(yùn)動(dòng)速度的增大，掃碼通過(guò)率呈現(xiàn)先基本保持不變?cè)偌眲∠陆档内厔?shì)，當(dāng)PCB運(yùn)動(dòng)速度在160～200mm/s時(shí)，掃碼通過(guò)率平均維持在99.9%以上。因此，在不影響生產(chǎn)線節(jié)拍的前提下，當(dāng)掃碼角度為12°、PCB運(yùn)動(dòng)速度為200mm/s時(shí)，掃碼通過(guò)率最為穩(wěn)定，高達(dá)99.9%以上。

圖6 掃碼角度為12°時(shí)，PCB運(yùn)動(dòng)速度與掃碼通過(guò)率的關(guān)系

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，掃碼角度、PCB運(yùn)動(dòng)速度兩個(gè)關(guān)鍵變量受到一定約束：掃碼角度主要受限于二維碼鐳雕位置，當(dāng)二維碼旁邊有較高元器件產(chǎn)生陰影時(shí)，掃碼角度需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整；PCB運(yùn)動(dòng)速度主要受限于流水線節(jié)拍，正常情況下PCB運(yùn)動(dòng)速度一般與流水線節(jié)拍保持一致，避免流水線節(jié)拍產(chǎn)生波動(dòng)。

3 電力控制設(shè)備鐳雕二維碼在線運(yùn)動(dòng)掃碼軟件設(shè)計(jì)

3.1 在線運(yùn)動(dòng)掃碼軟件設(shè)計(jì)

在線運(yùn)動(dòng)掃碼通過(guò)接駁臺(tái)與讀碼器集成，在接駁臺(tái)上設(shè)置進(jìn)板和出板光口傳感信息實(shí)現(xiàn)讀碼器觸發(fā)，當(dāng)接駁臺(tái)第一階段光口感應(yīng)PCB觸發(fā)監(jiān)控服務(wù)時(shí)，通過(guò)讀碼器識(shí)別二維碼信息，成功識(shí)別后傳送至后臺(tái)PLC，PLC判斷合格后發(fā)出要板信號(hào)。如條碼無(wú)法識(shí)別，接駁臺(tái)則停止運(yùn)作，PCB無(wú)法進(jìn)入下一個(gè)作業(yè)設(shè)備，同時(shí)通過(guò)接駁臺(tái)的上位機(jī)或者安燈系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警。當(dāng)PCB經(jīng)過(guò)第二階段光口感應(yīng)后，關(guān)閉讀碼器讀碼觸發(fā)，PLC發(fā)出下一次要板信號(hào)。軟件控制程序設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 軟件控制程序設(shè)計(jì)

1）設(shè)備起動(dòng)后，接駁臺(tái)上無(wú)PCB，接駁臺(tái)會(huì)對(duì)上站SMT設(shè)備發(fā)出要板信號(hào)。

2）接駁臺(tái)檢測(cè)到PCB時(shí)，會(huì)觸發(fā)讀碼器讀取其條碼，并把讀取的條碼信息傳給數(shù)據(jù)采集軟件。

3）當(dāng)下站設(shè)備要板時(shí)，接駁臺(tái)會(huì)結(jié)合數(shù)據(jù)采集反饋信息，決定是輸送PCB去下站設(shè)備還是進(jìn)行停板報(bào)警提示。

4）接駁臺(tái)未收到數(shù)據(jù)采集軟件對(duì)條碼反饋的信息時(shí)，接駁臺(tái)會(huì)直接切斷與下站SMT設(shè)備的表面組裝設(shè)備制造商協(xié)會(huì)（surface mount equipment manufacturers association, SMEMA）要板信號(hào)，并做報(bào)警處理。

3.2 在線運(yùn)動(dòng)掃碼軟件通信

在線運(yùn)動(dòng)掃碼軟件系統(tǒng)根據(jù)不同設(shè)備（生產(chǎn)設(shè)備，采集設(shè)備，物流設(shè)備等）采用多種通信協(xié)議及通信方式，實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的采集及部分設(shè)備的自動(dòng)控制，主要包括I/O信息采集、SMEMA信號(hào)采集、S7通信協(xié)議、PROFINET協(xié)議、OPC UA協(xié)議等。其中核心數(shù)據(jù)通信交互模式采用OPC UA協(xié)議，現(xiàn)場(chǎng)中硬件部分架設(shè)了主控PLC及配套設(shè)備，軟件部分建立了OPC Server、OPC Clinet進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在線運(yùn)動(dòng)掃碼軟件通信協(xié)議如圖8所示。

圖8 在線運(yùn)動(dòng)掃碼軟件通信協(xié)議

4 電力控制設(shè)備鐳雕二維碼在線運(yùn)動(dòng)掃碼實(shí)際應(yīng)用與不足

電力控制設(shè)備鐳雕二維碼在線運(yùn)動(dòng)掃碼在南京南瑞繼保電氣有限公司得到實(shí)際應(yīng)用，在PCB絲印、表貼、AOI等生產(chǎn)工序采用在線運(yùn)動(dòng)掃碼工藝，實(shí)際應(yīng)用效果滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了99.9%的在線掃碼通過(guò)率。

實(shí)際應(yīng)用中，由于在不同掃碼工序時(shí)的生產(chǎn)節(jié)拍不一樣，各個(gè)工序位置的DataMan掃碼器參數(shù)根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)定。DataMan掃碼器參數(shù)設(shè)定后，當(dāng)不同產(chǎn)品的二維碼差異性較大時(shí)，掃碼器參數(shù)不能同時(shí)兼顧，需要人工調(diào)整參數(shù)設(shè)置；后期可開(kāi)展二維碼讀碼自適應(yīng)相關(guān)研究，通過(guò)識(shí)別產(chǎn)品型號(hào)調(diào)用相應(yīng)的掃碼參數(shù)，保證在最佳狀態(tài)下讀取PCB鐳雕二維碼。

實(shí)際應(yīng)用中，DataMan掃碼器在線運(yùn)動(dòng)掃碼寬度范圍在30mm左右，當(dāng)不同產(chǎn)品的激光鐳雕二維碼不能相對(duì)統(tǒng)一位置時(shí)，掃碼過(guò)程中需要不斷調(diào)整讀碼器位置。因此，要求在PCB設(shè)計(jì)階段考慮預(yù)留統(tǒng)一鐳雕二維碼位置。

5 結(jié)論

本文在充分研究當(dāng)前激光鐳雕二維碼和在線掃碼存在的實(shí)際問(wèn)題的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種電力控制設(shè)備PCB鐳雕二維碼在線運(yùn)動(dòng)掃碼技術(shù)方案，將采集到的生產(chǎn)信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)。此研究已經(jīng)運(yùn)用到自動(dòng)化生產(chǎn)線上，在不影響現(xiàn)有自動(dòng)化生產(chǎn)的前提下，有效地實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程的單塊PCB精確追溯，具備實(shí)時(shí)快速的信息采集能力。通過(guò)在線運(yùn)動(dòng)掃碼技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在沒(méi)有人員參與情況下的信息讀取，大大提高了作業(yè)效率，同時(shí)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備效率的影響降到最低，為電力控制設(shè)備產(chǎn)品質(zhì)量管控、信息化管理提供了數(shù)據(jù)支撐，也為智能制造數(shù)字化車(chē)間打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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Research on online motion scanning technology of printed circuit board laser carving 2D code for power control equipment

PENG Xuejun WANG Gaolei BAO Junyun

(NR Electric Co., Ltd, Nanjing, 211100)

In recent years, with the improvement of laser technology, the power control equipment manufacturing industry has actively introduced printed circuit board (PCB) laser carving 2D code technology to save costs and improve the stability of data traceability. Through the integration of software and hardware of high-precision visual equipment, the real-time online motion scanning of laser carving 2D code information is realized, which ensures that the one-time code reading rate of PCB information reaches more than 99.9%, improves the level of intelligent manufacturing and data acquisition ability, and promotes the wide application of new technology in the power manufacturing industry.

power control equipment; laser carving; online motion scanning; intelligent manufacturing; printed circuit board (PCB); 2D code

2020-12-18

2021-01-19

彭學(xué)軍（1979—），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)測(cè)試、制造自動(dòng)化、智能制造技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用。