彭學軍 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動掃碼技術(shù)研究

彭學軍 王高壘 鮑軍云

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211100）

近年來，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節(jié)省成本，提高數(shù)據(jù)追溯的穩(wěn)定性。通過高精度視覺設(shè)備的軟硬件集成實現(xiàn)激光鐳雕二維碼信息實時在線運動采集，確保PCB信息在運動過程一次讀碼率達到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；在線運動掃碼；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)用的惡劣場景日益增多[1]，其內(nèi)部電路設(shè)計也日益復(fù)雜，布局越來越密，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]。

國內(nèi)外理論研究和工程實踐表明，激光雕刻二維碼可能是滿足上述需求的最佳技術(shù)[6]。在汽車行業(yè)，有學者采用激光在PCB上雕刻二維碼，探討激光工藝參數(shù)對二維碼質(zhì)量的影響[7]。相關(guān)的研究多數(shù)停留在試驗驗證階段，試驗方式相對簡單[8]，沒有應(yīng)用到實際生產(chǎn)當中，缺乏實現(xiàn)實時采集數(shù)據(jù)的技術(shù)支撐，也缺少應(yīng)用在線運動掃碼技術(shù)實現(xiàn)追溯的相關(guān)研究。

基于以上現(xiàn)狀，本文針對PCB鐳雕二維碼在線運動掃碼技術(shù)進行研究，在不影響現(xiàn)有自動化生產(chǎn)的前提下，解決靜止掃碼帶來的生產(chǎn)作業(yè)停頓、等待浪費，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題，具備實時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)字化車間打下堅實的基礎(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)開始環(huán)節(jié)就進行追溯信息的采集，工序主要包含PCB絲印、串行外設(shè)接口（serial peripheral interface, SPI）檢測、元器件表貼、回流焊接、自動光學檢測（automated optical inspection, AOI）及調(diào)試等環(huán)節(jié)。

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

圖1 激光雕刻的DM碼實物圖

在實際運用中，鐳雕二維碼大小一般很難超過3mm×3mm，鐳雕微型二維碼由于密度高、形狀小、位置不固定等問題，信息讀取比較困難。因此通過研究激光鐳雕微型二維碼在線運動掃碼技術(shù)，確保PCB信息在運動過程中的一次讀碼率達到99.9%以上，以實現(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)競爭力。

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標準推薦使用DM碼[12-13]，主要因其具有強大的糾錯能力，只需要讀取信息的20%即可精準讀??；在同等編碼面積下，DM碼可以存儲更多的信息量?？紤]到電力控制設(shè)備表面貼裝技術(shù)（surface mounted technology, SMT）制造運用的惡劣場景、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、版本號等幾十位字符的技術(shù)信息，本文采用DM碼并運用于自動化生產(chǎn)中。

2 電力控制設(shè)備鐳雕二維碼在線運動掃碼技術(shù)

2.1 在線運動掃碼系統(tǒng)設(shè)計

自動化生產(chǎn)過程中需要在主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行質(zhì)量管控、生產(chǎn)報工等作業(yè)操作，這就需要精準讀取單塊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，通過掃碼設(shè)備進行掃碼，保證較高的讀取率。對現(xiàn)代智能制造業(yè)來講，靜態(tài)掃碼停止PCB過程破壞了生產(chǎn)線原有的生產(chǎn)節(jié)拍，存在較多等待浪費，嚴重影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)能，因此本文設(shè)計了一種在線運動掃碼技術(shù)，在線運動掃碼結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2 在線運動掃碼結(jié)構(gòu)設(shè)計

運動掃碼技術(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，通過視覺設(shè)備對PCB進行掃描完成信息快速獲取，然后通過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PLC進行管控，在線運動掃碼管控如圖3所示。

圖3 在線運動掃碼管控

在線運動掃碼系統(tǒng)組成主要包含光電模塊、人機接口（human machine interface, HMI）、視覺讀碼設(shè)備、PLC等設(shè)備，通過軟件設(shè)計實現(xiàn)各個設(shè)備之間的通信和邏輯任務(wù)。當被測物體PCB通過光電模塊時，光電模塊信號觸發(fā)視覺設(shè)備進行讀碼，讀碼成功則放行，當讀碼失敗后能夠?qū)ιa(chǎn)設(shè)備進行管控，設(shè)備發(fā)出警告信號，通過HMI查看失敗原因及需要處理的內(nèi)容，進行人工干預(yù)，在線運動掃碼系統(tǒng)方案設(shè)計如圖4所示，因此視覺設(shè)備具有高讀取成功率是系統(tǒng)的關(guān)鍵。

2.2 在線運動掃碼關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)研究

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

圖4 在線運動掃碼系統(tǒng)方案設(shè)計

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，能夠快速定位識別損壞嚴重的二維碼或定位圖像完全消失的二維碼。掃碼器視場和讀碼距離的關(guān)系如圖5所示。掃碼器采用S型16mm的自動對焦液體鏡頭，像素可達到1 280× 960，基于2DMax算法并結(jié)合最新的PowerGrid技術(shù)，一個掃描圖像的解碼時間可快至4ms，具有靈活的視場和讀取距離。

通常情況下讀碼器曝光時間越短，讀取二維碼間隔越短，讀取率越高，曝光時間根據(jù)自動化生產(chǎn)環(huán)境光線、二維碼對比度等因素設(shè)置，一般設(shè)置曝光時間≤500ms。通過高精度視覺讀碼設(shè)備實現(xiàn)拍照讀取，同一個二維碼只讀取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。通過簡單方便的調(diào)諧和觸發(fā)按鈕，高效實現(xiàn)在線運動讀取高密度二維碼，實現(xiàn)最高讀取率。

圖5 掃碼器視場和讀取距離的關(guān)系

一般而言，在曝光時間、增益系數(shù)、物距等參數(shù)相對固定的情況下，選取高精度視覺讀碼設(shè)備掃碼，影響在線掃碼通過率的主要是兩個關(guān)鍵變量：掃碼角度和PCB運動速度。

當掃碼角度為12°左右時，可以獲得較好的掃碼視角，這時通過改變PCB運動速度，研究掃碼通過率的變化。掃碼角度為12°時，PCB運動速度與掃碼通過率的關(guān)系如圖6所示，隨著PCB運動速度的增大，掃碼通過率呈現(xiàn)先基本保持不變再急劇下降的趨勢，當PCB運動速度在160～200mm/s時，掃碼通過率平均維持在99.9%以上。因此，在不影響生產(chǎn)線節(jié)拍的前提下，當掃碼角度為12°、PCB運動速度為200mm/s時，掃碼通過率最為穩(wěn)定，高達99.9%以上。

圖6 掃碼角度為12°時，PCB運動速度與掃碼通過率的關(guān)系

在實際應(yīng)用過程中，掃碼角度、PCB運動速度兩個關(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，當二維碼旁邊有較高元器件產(chǎn)生陰影時，掃碼角度需要根據(jù)實際情況進行調(diào)整；PCB運動速度主要受限于流水線節(jié)拍，正常情況下PCB運動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。

3 電力控制設(shè)備鐳雕二維碼在線運動掃碼軟件設(shè)計

3.1 在線運動掃碼軟件設(shè)計

在線運動掃碼通過接駁臺與讀碼器集成，在接駁臺上設(shè)置進板和出板光口傳感信息實現(xiàn)讀碼器觸發(fā)，當接駁臺第一階段光口感應(yīng)PCB觸發(fā)監(jiān)控服務(wù)時，通過讀碼器識別二維碼信息，成功識別后傳送至后臺PLC，PLC判斷合格后發(fā)出要板信號。如條碼無法識別，接駁臺則停止運作，PCB無法進入下一個作業(yè)設(shè)備，同時通過接駁臺的上位機或者安燈系統(tǒng)進行報警。當PCB經(jīng)過第二階段光口感應(yīng)后，關(guān)閉讀碼器讀碼觸發(fā)，PLC發(fā)出下一次要板信號。軟件控制程序設(shè)計如圖7所示。

圖7 軟件控制程序設(shè)計

1）設(shè)備起動后，接駁臺上無PCB，接駁臺會對上站SMT設(shè)備發(fā)出要板信號。

2）接駁臺檢測到PCB時，會觸發(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）當下站設(shè)備要板時，接駁臺會結(jié)合數(shù)據(jù)采集反饋信息，決定是輸送PCB去下站設(shè)備還是進行停板報警提示。

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

3.2 在線運動掃碼軟件通信

在線運動掃碼軟件系統(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，實現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的采集及部分設(shè)備的自動控制，主要包括I/O信息采集、SMEMA信號采集、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進行數(shù)據(jù)傳輸，在線運動掃碼軟件通信協(xié)議如圖8所示。

圖8 在線運動掃碼軟件通信協(xié)議

4 電力控制設(shè)備鐳雕二維碼在線運動掃碼實際應(yīng)用與不足

電力控制設(shè)備鐳雕二維碼在線運動掃碼在南京南瑞繼保電氣有限公司得到實際應(yīng)用，在PCB絲印、表貼、AOI等生產(chǎn)工序采用在線運動掃碼工藝，實際應(yīng)用效果滿足設(shè)計要求，達到了99.9%的在線掃碼通過率。

實際應(yīng)用中，由于在不同掃碼工序時的生產(chǎn)節(jié)拍不一樣，各個工序位置的DataMan掃碼器參數(shù)根據(jù)實際需求進行設(shè)定。DataMan掃碼器參數(shù)設(shè)定后，當不同產(chǎn)品的二維碼差異性較大時，掃碼器參數(shù)不能同時兼顧，需要人工調(diào)整參數(shù)設(shè)置；后期可開展二維碼讀碼自適應(yīng)相關(guān)研究，通過識別產(chǎn)品型號調(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。

實際應(yīng)用中，DataMan掃碼器在線運動掃碼寬度范圍在30mm左右，當不同產(chǎn)品的激光鐳雕二維碼不能相對統(tǒng)一位置時，掃碼過程中需要不斷調(diào)整讀碼器位置。因此，要求在PCB設(shè)計階段考慮預(yù)留統(tǒng)一鐳雕二維碼位置。

5 結(jié)論

本文在充分研究當前激光鐳雕二維碼和在線掃碼存在的實際問題的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種電力控制設(shè)備PCB鐳雕二維碼在線運動掃碼技術(shù)方案，將采集到的生產(chǎn)信息實時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)。此研究已經(jīng)運用到自動化生產(chǎn)線上，在不影響現(xiàn)有自動化生產(chǎn)的前提下，有效地實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的單塊PCB精確追溯，具備實時快速的信息采集能力。通過在線運動掃碼技術(shù)，實現(xiàn)了在沒有人員參與情況下的信息讀取，大大提高了作業(yè)效率，同時對生產(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)字化車間打下了堅實基礎(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

彭學軍（1979—），男，高級工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)測試、制造自動化、智能制造技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用。