激光加工中切割PZT陶瓷的控制改進

張文斌，楊松濤，劉紅英

（中國電子科技集團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

張文斌，楊松濤，劉紅英

（中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京101601）

介紹在原有激光加工切割PZT陶瓷的工藝過程中，加入機械工裝夾具后，軟件部分進行的控制改進，并通過生產現場的測試數據來對技術升級進行驗證，效果良好，并得到了客戶的一致好評。

激光加工；PZT陶瓷；控制改進

隨著近年來激光器產業的不斷發展和技術進步，在工業生產加工領域中，激光加工技術的應用也進一步得到提高。但隨著市場的不斷發展和需求的不斷提高，客戶在追求加工效果的同時，對加工效率的要求也在進一步加強，并提出了很多富有建設性的修改建議。對此，本文針對客戶對PZT陶瓷加工工藝流程的改進訴求和建議，結合生產現場的實驗和測試，通過加裝機械工裝夾具，對軟件控制流程進行了技術改進，并在設備上進行了運行實驗，效果良好。本次控制改進可以應用于相關加工模式的升級和改造。

1　　機械工裝夾具

本次軟件控制改進主要以添加的機械工裝夾具為硬件平臺，結合現有軟件控制流程，對原有的工藝加工流程進行簡化，其示意圖如圖1所示。

該夾具主要由4個固定晶片的矩形通孔和兩個圖像識別定位的圓形通孔組成，在實際加工過程中，首先需要將PZT晶片固定到機械工裝夾具上，使其不能晃動，然后，將固定好晶片的工裝夾具固定到加工設備的工作臺上，也須保證工裝夾具不能晃動。

以上操作完成之后，便需要通過軟件控制系統來提取晶片的偏轉信息和位置信息，來為加工晶片提供數據基礎。

圖1機械工裝夾具示意圖

2切割PZT陶瓷控制改進后的優點

在激光加工過程中，引入機械工裝夾具后的優勢主要包括：簡化了加工工藝步驟；提高了激光加工生產效率；校位標記點的一致性得到提高，進而提高了晶片的加工精度。

2.1簡化加工工藝步驟

原有切割PZT陶瓷的控制流程主要包括：晶片位置中心的識別、晶片整體偏轉角度的識別與校正、以及切割街區的設定，然后開始晶片的自動切割?？刂屏鞒滩襟E如圖2所示。

添加機械工裝夾具后，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

通過比較圖2和圖3發現，改進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程中，引入機械工裝夾具后，工作臺對夾具的固定和校位標記點的固化所導致的。改進后的控制流程不需要再對晶片的位置進行識別定位，其位置信息主要通過識別工裝夾具的校位標記點來進行確定，同時省去了在晶片上加工校位標記點的需要。

2.2提高加工生產效率

通過上一小節的分析，切割PZT陶瓷的新控制流程步驟比原控制流程減少了三項，主要包括晶片總數與晶片位置信息的識別、每片晶片偏轉角度的粗調以及在晶片上切割校位標記點。其中對單片晶片偏轉角度的粗調和切割校位標記點的減少，使得晶片的加工生產效率得到了極大的提高，這種優勢更多的體現在多片PZT陶瓷的加工過程中，改進后的校位點識別時間只相當于原加工模式中一片晶片校位點的識別和角度調整時間。為更好的說明這個問題，再對兩者的軟件流程圖進行對比，如圖4所示。

通過對比流程圖，可以發現控制流程改進前后，循環判定整整少了一層，在多片加工時，改進后的控制流程的加工效率優勢將會更加明顯。

圖4切割PZT陶瓷的軟件主流程圖改進前后對比

2.3提高切割加工精度

由于該加工設備采用固定光路設計，切割圖形均由工作臺移動完成，在原加工控制流程中，將校位標記點直接打到PZT陶瓷上，由工作臺運動擬合圓形切割形成，其切割效果的一致性較差，使得圖像識別精度出現誤差，進而造成加工精度的誤差。在圖像進行識別處理前，為便于識別，需將圖像進行二值化處理，處理效果如圖5、圖6所示。

圖5 PZT陶瓷上的標記點處理效果

圖6工裝夾具上的標記點處理效果

通過比較圖5、圖6可以很明顯的得知，將校位標記點加載到工裝夾具上后，標記點的半徑有所增長，這主要是由于在PZT陶瓷上直接加工標記點時，半徑太大會導致圓環形標記點的出現，使得圖像識別出現困難，另外，工裝夾具上的標記點圓度提高明顯，使得圖像識別精度得到提升，同時，由于每次加工開始前，都需要將晶片固定到相同類型尺寸的工裝夾具上，使得校位標記點的前后一致性得到了最大的提升，在降低了圖像識別難度的時候，圖像識別精度的提升也更加必然，進而使PZT陶瓷的加工精度進一步得到提升。

3　　結果分析

通過上面的分析比較，不難發現，改進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步，下面將通過實驗數據來對加工效率和加工精度的提升進行驗證。

3.1去掉了每片晶片位置信息和角度偏轉量的圖像識別誤差

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

表1圖像識別結果

通過表1中記錄得到的晶片整體偏轉角度以及晶片中心位置，通過下面的公式計算其最大角度偏差和最大位置偏差，

得出的結果：最大角度偏差為0.182°，最大位置偏差x向為0.017 mm，y向為0.022 mm。

但在改進后的工藝控制流程中，由于去掉了加載晶片總數和每塊晶片基本位置信息的識別，使得該項識別誤差得到了清除，其位置信息的精度改由工裝夾具來保證。

3.2標記點的圖像識別精度得到提升

在原先的工藝控制加工流程中，需要將校位標記點直接切割到PZT陶瓷上，其加工得到的校位標記點圓度較差，半徑較小，使得圖像識別結果存在較大誤差，本小節通過兩個實驗來進行進一步的驗證。以一片PZT陶瓷作為實驗晶片，在不移動位置及改變偏轉角度的前提下，分別在其兩個邊角處切割了兩個校位點，并以這兩個校位點為目標，進行12次圖像處理實驗，實驗數據記錄如表2所示。

表2改進前圖像識別結果

根據表2記錄的圖像識別處理結果得到的校位點位置，通過公式（1）計算可得到兩個校位點的最大位置偏差分別為：（0.011 mm，0.016 mm）、（0.011 mm，0.013 mm）。

改進工藝控制流程后，將校位標記點固定到工裝夾具上，以同一夾具為對象，進行12次圖像識別實驗，實驗數據記錄如表3所示。

根據表3的實驗數據，通過公式（1）計算兩個校位標記點的最大位置偏差分別為：（0.001 mm，0.001 mm）、（0.001 mm，0.001 mm），可知改進工藝控制流程后，校位標記點的位置信息的圖像識別結果已經非常理想了，相較于改進之前十幾個微米的最大識別位置誤差，已經有了極大的提高。

表3改進后圖像識別結果

3.3加工切割效率得到提升

最后，通過現場測試，來對最終的晶片加工效率進行對比。

首先以單片晶片為實驗對象，分別使用改進前和改進后的工藝控制流程來進行加工，數據記錄如表4所示。

表4加工方式改進前后單片加工效率對比

通過對比發現，對于單片晶片加工，改進后的對準時長比改進前縮短了大約半分鐘，在加工時長保持基本一致的情況下，合計加工時長比改進前減少約30 s。

前面已經提到控制流程改進后，加工效率的提升在多片時將體現的更加明顯，現以四片相同晶片為實驗對象，分別使用改進前和改進后的工藝控制流程來進行加工，數據記錄如表5所示。

表5加工方式改進前后多片加工效率對比

通過對比發現，在多片加工中，改進后的對準時長與改進前相比，縮短了約330 s，而其單片的平均加工時長比改進前提升了1倍有余，實驗再次充分的說明了工藝控制加工流程改進后，加工效率的顯著提升。

4　　結束語

通過本次加工工藝控制流程的改進，最直接的心得就是設備研發人員需要加強對工藝控制流程的探索和實驗，同時，需要多多聽取生產一線操作人員對加工設備的修改意見，通過整合信息，將會對后續設備的研發提高極大的幫助。

［1］ 張國順.現代激光制造技術［M］.北京；化學工業出版社，2005.

［2］ 楊松濤，韓微微等.355 nm激光新型陶瓷加工研究［J］.電子工業專用設備，2011（2）：8-11.

［3］ 沈鵬.陶瓷研發尖端技術［N］.中國建材報，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，畢業于西北工業大學，現任職于中國電子科技集團公司第四十五研究所，從事激光加工設備的開發與研制工作。

2016-05-17