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。南京南瑞繼保電氣有限公司的研究人員彭學(xué)軍、王高壘、鮑軍云，在2021年第8期《電氣技術(shù)》上撰文，通過高精度視覺設(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。
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，其內(nèi)部電路設(shè)計(jì)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)。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；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)。
國內(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)。在汽車行業(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。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，沒有應(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)過程PCB二維碼信息讀取環(huán)節(jié)多，使用廣泛，通常是在PCB生產(chǎn)開始環(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(yùn)動(dòng)掃碼技術(shù)，確保PCB信息在運(yùn)動(dòng)過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，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，NASA標(biāo)準(zhǔn)推薦使用DM碼，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。考慮到電力控制設(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(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，通過視覺設(shè)備對(duì)PCB進(jìn)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(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）、視覺讀碼設(shè)備、PLC等設(shè)備，通過軟件設(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通過光電模塊時(shí)，光電模塊信號(hào)觸發(fā)視覺設(shè)備進(jìn)行讀碼，讀碼成功則放行，當(dāng)讀碼失敗后能夠?qū)ιa(chǎn)設(shè)備進(jìn)行管控，設(shè)備發(fā)出警告信號(hào)，通過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≤500?s。通過高精度視覺讀碼設(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，選取高精度視覺讀碼設(shè)備掃碼，影響在線掃碼通過率的主要是兩個(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)通過改變PCB運(yùn)動(dòng)速度，研究掃碼通過率的變化。掃碼角度為12°時(shí)，PCB運(yùn)動(dòng)速度與掃碼通過率的關(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)速度與掃碼通過率的關(guān)系
在實(shí)際應(yīng)用過程中，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)。
如條碼無法識(shí)別，接駁臺(tái)則停止運(yùn)作，PCB無法進(jìn)入下一個(gè)作業(yè)設(shè)備，同時(shí)通過接駁臺(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；后期可開展二維碼讀碼自適應(yīng)相關(guān)研究，通過識(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。通過在線運(yùn)動(dòng)掃碼技術(shù)，實(shí)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(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)字化車間打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
本文編自2021年第8期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“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”，作者為彭學(xué)軍、王高壘、鮑軍云。
