激光加工中切割PZT陶瓷的控制改進(jìn)

張文斌，楊松濤，劉紅英

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京101601）

激光加工中切割PZT陶瓷的控制改進(jìn)

張文斌，楊松濤，劉紅英

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京101601）

介紹在原有激光加工切割PZT陶瓷的工藝過(guò)程中，加入機(jī)械工裝夾具后，軟件部分進(jìn)行的控制改進(jìn)，并通過(guò)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)技術(shù)升級(jí)進(jìn)行驗(yàn)證，效果良好，并得到了客戶的一致好評(píng)。

激光加工；PZT陶瓷；控制改進(jìn)

隨著近年來(lái)激光器產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，在工業(yè)生產(chǎn)加工領(lǐng)域中，激光加工技術(shù)的應(yīng)用也進(jìn)一步得到提高。但隨著市場(chǎng)的不斷發(fā)展和需求的不斷提高，客戶在追求加工效果的同時(shí)，對(duì)加工效率的要求也在進(jìn)一步加強(qiáng)，并提出了很多富有建設(shè)性的修改建議。對(duì)此，本文針對(duì)客戶對(duì)PZT陶瓷加工工藝流程的改進(jìn)訴求和建議，結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)和測(cè)試，通過(guò)加裝機(jī)械工裝夾具，對(duì)軟件控制流程進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，并在設(shè)備上進(jìn)行了運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，效果良好。本次控制改進(jìn)可以應(yīng)用于相關(guān)加工模式的升級(jí)和改造。

1　　機(jī)械工裝夾具

本次軟件控制改進(jìn)主要以添加的機(jī)械工裝夾具為硬件平臺(tái)，結(jié)合現(xiàn)有軟件控制流程，對(duì)原有的工藝加工流程進(jìn)行簡(jiǎn)化，其示意圖如圖1所示。

該夾具主要由4個(gè)固定晶片的矩形通孔和兩個(gè)圖像識(shí)別定位的圓形通孔組成，在實(shí)際加工過(guò)程中，首先需要將PZT晶片固定到機(jī)械工裝夾具上，使其不能晃動(dòng)，然后，將固定好晶片的工裝夾具固定到加工設(shè)備的工作臺(tái)上，也須保證工裝夾具不能晃動(dòng)。

以上操作完成之后，便需要通過(guò)軟件控制系統(tǒng)來(lái)提取晶片的偏轉(zhuǎn)信息和位置信息，來(lái)為加工晶片提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖1機(jī)械工裝夾具示意圖

2切割PZT陶瓷控制改進(jìn)后的優(yōu)點(diǎn)

在激光加工過(guò)程中，引入機(jī)械工裝夾具后的優(yōu)勢(shì)主要包括：簡(jiǎn)化了加工工藝步驟；提高了激光加工生產(chǎn)效率；校位標(biāo)記點(diǎn)的一致性得到提高，進(jìn)而提高了晶片的加工精度。

2.1簡(jiǎn)化加工工藝步驟

原有切割PZT陶瓷的控制流程主要包括：晶片位置中心的識(shí)別、晶片整體偏轉(zhuǎn)角度的識(shí)別與校正、以及切割街區(qū)的設(shè)定，然后開(kāi)始晶片的自動(dòng)切割?？刂屏鞒滩襟E如圖2所示。

添加機(jī)械工裝夾具后，切割PZT陶瓷的控制流程變化如圖3所示。

圖2切割PZT陶瓷的原控制流程

圖3切割PZT陶瓷的新控制流程

通過(guò)比較圖2和圖3發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的切割控制流程主要省去了原加工控制流程的步驟2、步驟3以及步驟4，這主要是由于在加工過(guò)程中，引入機(jī)械工裝夾具后，工作臺(tái)對(duì)夾具的固定和校位標(biāo)記點(diǎn)的固化所導(dǎo)致的。改進(jìn)后的控制流程不需要再對(duì)晶片的位置進(jìn)行識(shí)別定位，其位置信息主要通過(guò)識(shí)別工裝夾具的校位標(biāo)記點(diǎn)來(lái)進(jìn)行確定，同時(shí)省去了在晶片上加工校位標(biāo)記點(diǎn)的需要。

2.2提高加工生產(chǎn)效率

通過(guò)上一小節(jié)的分析，切割PZT陶瓷的新控制流程步驟比原控制流程減少了三項(xiàng)，主要包括晶片總數(shù)與晶片位置信息的識(shí)別、每片晶片偏轉(zhuǎn)角度的粗調(diào)以及在晶片上切割校位標(biāo)記點(diǎn)。其中對(duì)單片晶片偏轉(zhuǎn)角度的粗調(diào)和切割校位標(biāo)記點(diǎn)的減少，使得晶片的加工生產(chǎn)效率得到了極大的提高，這種優(yōu)勢(shì)更多的體現(xiàn)在多片PZT陶瓷的加工過(guò)程中，改進(jìn)后的校位點(diǎn)識(shí)別時(shí)間只相當(dāng)于原加工模式中一片晶片校位點(diǎn)的識(shí)別和角度調(diào)整時(shí)間。為更好的說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題，再對(duì)兩者的軟件流程圖進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示。

通過(guò)對(duì)比流程圖，可以發(fā)現(xiàn)控制流程改進(jìn)前后，循環(huán)判定整整少了一層，在多片加工時(shí)，改進(jìn)后的控制流程的加工效率優(yōu)勢(shì)將會(huì)更加明顯。

圖4切割PZT陶瓷的軟件主流程圖改進(jìn)前后對(duì)比

2.3提高切割加工精度

由于該加工設(shè)備采用固定光路設(shè)計(jì)，切割圖形均由工作臺(tái)移動(dòng)完成，在原加工控制流程中，將校位標(biāo)記點(diǎn)直接打到PZT陶瓷上，由工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)擬合圓形切割形成，其切割效果的一致性較差，使得圖像識(shí)別精度出現(xiàn)誤差，進(jìn)而造成加工精度的誤差。在圖像進(jìn)行識(shí)別處理前，為便于識(shí)別，需將圖像進(jìn)行二值化處理，處理效果如圖5、圖6所示。

圖5 PZT陶瓷上的標(biāo)記點(diǎn)處理效果

圖6工裝夾具上的標(biāo)記點(diǎn)處理效果

通過(guò)比較圖5、圖6可以很明顯的得知，將校位標(biāo)記點(diǎn)加載到工裝夾具上后，標(biāo)記點(diǎn)的半徑有所增長(zhǎng)，這主要是由于在PZT陶瓷上直接加工標(biāo)記點(diǎn)時(shí)，半徑太大會(huì)導(dǎo)致圓環(huán)形標(biāo)記點(diǎn)的出現(xiàn)，使得圖像識(shí)別出現(xiàn)困難，另外，工裝夾具上的標(biāo)記點(diǎn)圓度提高明顯，使得圖像識(shí)別精度得到提升，同時(shí)，由于每次加工開(kāi)始前，都需要將晶片固定到相同類型尺寸的工裝夾具上，使得校位標(biāo)記點(diǎn)的前后一致性得到了最大的提升，在降低了圖像識(shí)別難度的時(shí)候，圖像識(shí)別精度的提升也更加必然，進(jìn)而使PZT陶瓷的加工精度進(jìn)一步得到提升。

3　　結(jié)果分析

通過(guò)上面的分析比較，不難發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的加工控制流程在加工效率和加工精度的提高上將取得較大的進(jìn)步，下面將通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)加工效率和加工精度的提升進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1去掉了每片晶片位置信息和角度偏轉(zhuǎn)量的圖像識(shí)別誤差

在原先的工藝控制流程中，上片完成后，需要圖像識(shí)別加載晶片的總數(shù)和每塊晶片的基本位置信息，而在圖像識(shí)別的過(guò)程中，由于相機(jī)分辨率以及光照條件和噪聲的影響，必然使得圖像識(shí)別結(jié)果出現(xiàn)誤差，表1給出了以一片PZT陶瓷作為實(shí)驗(yàn)晶片，將其放置于承片臺(tái)上并保持位置和偏轉(zhuǎn)角度不變，分別進(jìn)行了12次實(shí)驗(yàn)，并將通過(guò)圖像處理得到的晶片整體偏轉(zhuǎn)角度（晶片整體縱向邊緣與工作臺(tái)橫向水平線之間的夾角）與中心點(diǎn)的位置記錄。

表1圖像識(shí)別結(jié)果

通過(guò)表1中記錄得到的晶片整體偏轉(zhuǎn)角度以及晶片中心位置，通過(guò)下面的公式計(jì)算其最大角度偏差和最大位置偏差，

得出的結(jié)果：最大角度偏差為0.182°，最大位置偏差x向?yàn)?.017 mm，y向?yàn)?.022 mm。

但在改進(jìn)后的工藝控制流程中，由于去掉了加載晶片總數(shù)和每塊晶片基本位置信息的識(shí)別，使得該項(xiàng)識(shí)別誤差得到了清除，其位置信息的精度改由工裝夾具來(lái)保證。

3.2標(biāo)記點(diǎn)的圖像識(shí)別精度得到提升

在原先的工藝控制加工流程中，需要將校位標(biāo)記點(diǎn)直接切割到PZT陶瓷上，其加工得到的校位標(biāo)記點(diǎn)圓度較差，半徑較小，使得圖像識(shí)別結(jié)果存在較大誤差，本小節(jié)通過(guò)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證。以一片PZT陶瓷作為實(shí)驗(yàn)晶片，在不移動(dòng)位置及改變偏轉(zhuǎn)角度的前提下，分別在其兩個(gè)邊角處切割了兩個(gè)校位點(diǎn)，并以這兩個(gè)校位點(diǎn)為目標(biāo)，進(jìn)行12次圖像處理實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表2所示。

表2改進(jìn)前圖像識(shí)別結(jié)果

根據(jù)表2記錄的圖像識(shí)別處理結(jié)果得到的校位點(diǎn)位置，通過(guò)公式（1）計(jì)算可得到兩個(gè)校位點(diǎn)的最大位置偏差分別為：（0.011 mm，0.016 mm）、（0.011 mm，0.013 mm）。

改進(jìn)工藝控制流程后，將校位標(biāo)記點(diǎn)固定到工裝夾具上，以同一夾具為對(duì)象，進(jìn)行12次圖像識(shí)別實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表3所示。

根據(jù)表3的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)公式（1）計(jì)算兩個(gè)校位標(biāo)記點(diǎn)的最大位置偏差分別為：（0.001 mm，0.001 mm）、（0.001 mm，0.001 mm），可知改進(jìn)工藝控制流程后，校位標(biāo)記點(diǎn)的位置信息的圖像識(shí)別結(jié)果已經(jīng)非常理想了，相較于改進(jìn)之前十幾個(gè)微米的最大識(shí)別位置誤差，已經(jīng)有了極大的提高。

表3改進(jìn)后圖像識(shí)別結(jié)果

3.3加工切割效率得到提升

最后，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，來(lái)對(duì)最終的晶片加工效率進(jìn)行對(duì)比。

首先以單片晶片為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，分別使用改進(jìn)前和改進(jìn)后的工藝控制流程來(lái)進(jìn)行加工，數(shù)據(jù)記錄如表4所示。

表4加工方式改進(jìn)前后單片加工效率對(duì)比

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，對(duì)于單片晶片加工，改進(jìn)后的對(duì)準(zhǔn)時(shí)長(zhǎng)比改進(jìn)前縮短了大約半分鐘，在加工時(shí)長(zhǎng)保持基本一致的情況下，合計(jì)加工時(shí)長(zhǎng)比改進(jìn)前減少約30 s。

前面已經(jīng)提到控制流程改進(jìn)后，加工效率的提升在多片時(shí)將體現(xiàn)的更加明顯，現(xiàn)以四片相同晶片為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，分別使用改進(jìn)前和改進(jìn)后的工藝控制流程來(lái)進(jìn)行加工，數(shù)據(jù)記錄如表5所示。

表5加工方式改進(jìn)前后多片加工效率對(duì)比

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在多片加工中，改進(jìn)后的對(duì)準(zhǔn)時(shí)長(zhǎng)與改進(jìn)前相比，縮短了約330 s，而其單片的平均加工時(shí)長(zhǎng)比改進(jìn)前提升了1倍有余，實(shí)驗(yàn)再次充分的說(shuō)明了工藝控制加工流程改進(jìn)后，加工效率的顯著提升。

4　　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本次加工工藝控制流程的改進(jìn)，最直接的心得就是設(shè)備研發(fā)人員需要加強(qiáng)對(duì)工藝控制流程的探索和實(shí)驗(yàn)，同時(shí)，需要多多聽(tīng)取生產(chǎn)一線操作人員對(duì)加工設(shè)備的修改意見(jiàn)，通過(guò)整合信息，將會(huì)對(duì)后續(xù)設(shè)備的研發(fā)提高極大的幫助。

［1］ 張國(guó)順.現(xiàn)代激光制造技術(shù)［M］.北京；化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［2］ 楊松濤，韓微微等.355 nm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.

［3］ 沈鵬.陶瓷研發(fā)尖端技術(shù)［N］.中國(guó)建材報(bào)，2004.

Scheduling of Laser Machining PZT Ceramic

ZHANG Wenbin，YANG Songtao，LIU Hongying
（The 45th Research Institute of CETC，Beijing 101601，China）

Be aim to the new requirement of the consumers about Laser Machining PZT ceramic without any block on the surface of sapphire wafer，this article discuss and achieve the function about the new scheduling.This function has changed the single machining mode and expanded the application of laser machining equipment.

Laser machining；Scheduling；PZT ceramic

TN205

B

1004-4507（2016）06-0049-06

張文斌（1985-），男，工程師，畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)，現(xiàn)任職于中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，從事激光加工設(shè)備的開(kāi)發(fā)與研制工作。

2016-05-17