張文斌，孟憲俊，孟凡輝，楊松濤

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京101601)

激光加工技術(shù)是隨著激光技術(shù)發(fā)展而興起的一種新型加工工藝。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，因此激光加工就帶來了一些其它加工方法所不具備的特性：可控性強、能量穩(wěn)定集中、光束方向性好、光束細等，是新型陶瓷切割處理的理想工具[1]。但隨著激光加工工藝的發(fā)展以及自動控制技術(shù)的不斷提升，對激光的切割效率及自動化功能實現(xiàn)的要求越來越高，單純的手動控制模式已經(jīng)難以滿足客戶和市場的需求，對此，本文介紹了基于圖像識別技術(shù)的自動晶片切割道校位、自動晶片輪廓提取以及自動設(shè)置切割街區(qū)的功能實現(xiàn)方法，使激光這一新型加工技術(shù)更加完善地融入到現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)之中。

1 軟件主體控制時序

該型激光加工平臺是應(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，并通過圖像視覺模塊完成Al2O3晶片的橫向/縱向切割街區(qū)的校位之后，然后控制工作臺運動，對Al2O3圓晶進行直線切割。

本軟件主要由機器視覺模塊、運動控制模塊和激光器控制模塊組成。機器視覺模塊用來處理CMOS攝像頭的工作臺圖像；運動控制模塊用來控制工作臺x、y軸、旋轉(zhuǎn)向θ向電機以及z向電機運動；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個模塊共同配合來完成Al2O3晶圓的切割。

在整個軟件系統(tǒng)中的機器視覺模塊、運動控制模塊和激光器模塊分別初始化完成之后，需要將工作臺移動至上片位，把貼好膜的Al2O3晶片放置于工作臺中心，完成上片之后，需要根據(jù)Al2O3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：Al2O3晶片的直徑、橫向/縱向切割道的間距以及橫向/縱向街區(qū)的寬度等）。

以上操作完成之后，點擊“自動校位切割晶圓”，如圖1所示，軟件開始執(zhí)行自動校位切割A(yù)l2O3晶片的模塊。

圖1 控制界面示意圖

2 自動校位切割功能的設(shè)計與實現(xiàn)

自動校位切割功能模塊主要包括：晶片輪廓的識別、晶片翹曲狀況的識別、晶片切割街區(qū)的校位識別以及切割街區(qū)的設(shè)定，然后開始晶片的自動切割，最終實現(xiàn)自動校位切割。如圖2所示。

2.1 識別晶片輪廓

用來獲取Al2O3晶片的半徑以及圓心坐標，主要通過圖像對比處理技術(shù)得到。該功能需要提前保存一幅沒有晶片的工作臺背景圖作為對照，如圖3所示。

圖2 自動校位切割功能的設(shè)計

圖3 工作臺背景圖

在自動校位切割功能啟動之后，再獲取一幅帶有晶片的工作臺背景圖，如圖4所示，然后通過圖像對比技術(shù)獲取晶片圓心和半徑大小，并通過數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換，得到相應(yīng)的物理數(shù)據(jù)。

2.2 識別晶片翹曲狀況

用來獲取晶片表面的翹曲數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)變焦切割。該功能通過接觸式高度識別傳感器提取晶片表面的6個不同點的高度值作為參照，擬合出整個晶片的翹曲狀況，為切割數(shù)據(jù)的形成提供參數(shù)來源。

圖4 上片后的工作臺示意圖

2.3 識別切割街區(qū)并校位

由于晶片在手動放置到工作臺上之后，其切割道方向會與工作臺的直線切割方向存在一定的角度偏差，如圖5所示。

圖5 晶片角度校正前示意圖

通過圖像自動對比識別技術(shù)來提取數(shù)據(jù)，實現(xiàn)的校位功能就是用來消除這個偏差。整個校位過程在初步設(shè)計中，主要分為兩次粗調(diào)和一次精調(diào)，但在實際實驗中發(fā)現(xiàn)橫向切割道與縱向切割道并不完全垂直，于是在原有調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，又在橫向切割道上加了一次精調(diào)，才達到切割要求，如圖6所示。

2.4 設(shè)定橫向/縱向切割街區(qū)

在獲取到晶片的半徑以及圓心坐標之后，只是得到了晶片的主體數(shù)據(jù)，但其切割道所在位置并沒有得到，在晶片完成校位之后，就可以設(shè)定晶片的橫向/縱向切割街區(qū)所在位置了?？紤]到提高切割效率的需要，將設(shè)定切割街區(qū)所在位置合并到切割街區(qū)的校位過程中完成。

圖6 晶片角度校正后示意圖

2.5 自動切割

以上步驟完成之后，就可以計算得到晶片每一條切割道的數(shù)據(jù)，從而開始晶片的自動切割。在加工過程中，軟件自動判斷切割是否全部結(jié)束，如果切割完成，則退出自動校位切割功能模塊。

3 效率驗證

通過上述設(shè)計并編程實現(xiàn)，上機調(diào)試完成之后，在相同的切割速度和相同的晶片尺寸下，進行手動校位切割測試和自動校位切割測試，發(fā)現(xiàn)在保證原有切割精度的基礎(chǔ)上，自動校位功能的實際運行時間縮短為270 s左右，與原有手動運行效率對比見表1。

表1 校位切割效率運行對比

對于表1中手動校位切割、自動校位切割分別按照下面公式求取平均值:

得出的結(jié)果分別為320.5 s、259.8 s。

然后在校位切割所需時間的平均值基礎(chǔ)上，加上手工上下片所需的30 s，再利用每小時3 600 s，計算得出每小時本設(shè)備可完成加工的片數(shù)，計算公式如下：

得出的結(jié)果分別為10片/h、12片/h。

4 結(jié)束語

自動校位切割功能的實現(xiàn)是通過圖像識別技術(shù)來提取三氧化二鋁晶片的數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上，進行數(shù)據(jù)處理，得到所需結(jié)果的。今后我們將繼續(xù)改進設(shè)計并不斷優(yōu)化軟件設(shè)計思想、邏輯流程，以保證設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性，提高設(shè)備的生產(chǎn)效率，滿足客戶的自動化需求。

[1]張國順.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.355nm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.