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1、紫外激光切割机紫外激光切割机n挠性印刷电路板：是一种利用挠性基材制成的具有图形的印刷电路板，其英文名称为Flexible Printed Circuit Board，简称FPCB或FPC，由绝缘基材和导电层构成，绝缘基材和导电层之间可以有粘结剂。n由于其具有可连续自动化生产，配线密度高，重量轻、体积小，配线错误少，可挠性及可弹性改变形状等特性，被广泛应用于军工、国防和消费性电子产品如数码相机、手表、笔记本电脑等领域。FPC产业发展预测n基于目前中国大陆FPC的广阔市场，日本、美国、台湾地区等大型FPC企业都已在中国大陆抢夺客户，中国大陆地区大批FPC民营企业兴起。预测2009年，中国大陆FPC
2、产业仍将高速度向前健康发展。n未来几年内，中国大陆FPC产量产值将超过美国、欧洲、韩国、台湾地区，接近日本，其中产量将占全球约20%的比重，成为世界最重要的生产基地。n中国印制电路行业协会(CPCA)指出，中国大陆挠性板需求近年来呈高增长率56.5%发展，远高于世界平均增长率的8.4%。自2001年以来中国大陆挠性板市场需求连续三年增幅达70%，美国约45%，占全球10%20%。n CPCA预测指出，2005年中国大陆FPC的产值达到135.94亿元人民币，比2004年的84.95亿元人民币增长65%左右，预期今后几年市场增幅仍将保持在这个水平。市场需求主要来自于手机、笔记本计算机、PDA、数
3、码相机、LCD显示屏等高端、小型化电子产品领域，进而推动中国大陆PCB厂商开发更薄、更轻和密度更高的FPC，FPC在整个行业的比例也将越来越大。激光切割FPC的特点与优点n激光在挠性电路板制造过程中有三个主要功能：FPC外型切割，覆盖膜开窗，钻孔等；n直接根据CAD数据用来激光切割，更方便快捷，可以大幅度缩短交货周期；n采用高速振镜扫描方式投射激光，不因形状复杂、路径曲折而增加加工难度；n进行覆盖膜开窗口时，采用矢量描述激光走行的路径，切割出的覆盖膜轮廓边缘齐整圆顺、光滑无毛刺、无溢胶。采用模具等机加工方式开窗难免在窗口附近会有冲型后的毛刺和溢胶，这种毛刺和溢胶在经贴合压合上焊盘后是很难去除的
4、，会直接影响其后的镀层质量。n挠性板样品加工经常由于客户需要出现线路、焊盘位置的修改而导致覆盖膜窗口的变更，采用传统方法则需要重新更换或修改模具。而采用激光加工，此问题却可以迎刃而解，因为只需要你将修改后的C AD数据导入就可以很轻松快捷地加工得到你想要开窗图形的覆盖膜，在时间和费用上将为您赢得市场竞争先机。n激光加工精度高，是挠性电路板成型处理的理想工具。经聚焦后的激光可以将材料加工成任意形状。在以往的大批量生产中，许多小部件都使用机械硬冲压成型的模具压制形成。但是硬冲模法大的损耗和长的交付周期对小部件的加工和成型而言显得不实用且成本高。激光器的选择n许多塑料和一些大量使用在挠性电路板基体材
5、料中的特殊聚合物(如聚酰亚胺)不能通过红外处理或热处理过程进行精细加工。因为热会使塑料变形，在切割边缘产生炭化形式的损伤，可能会导致电路板结构性的削弱和寄生传导性通路，从而不得不增加后续处理工序以改善加工结果。因此，红外激光器不适合于挠性电路板的处理。n紫外激光器的输出波长在0.4m以下，这是适合于处理聚合物材料的主要优点。与红外加工不同，紫外微处理过程从本质上来说不是热处理过程。大多数材料吸收紫外光比红外光更容易，高能量的紫外光直接破坏许多非金属材料表面的分子键，这种冷加工出来的部件具有光滑的边缘和最低限度的炭化影响。针对挠性电路板材料的特性，选择DPSS紫外激光器作为光源。本项目采用355
6、nm的DPSS紫外激光器主要参数如下n激光波长：355nm n输出功率：7W n频率：10KHz-100KHz n光束质量(M2)：1.2,TEM00 n脉宽：12ns n功率不稳定度：1%n输出光斑：1mm外光路系统外光路系统是将激光器输出的激光反射聚焦到工件表面进行加工的部分。敢先激光网,www.laser5.org n首先利用一个10倍的扩束器对激光束进行整形，然后通过装在高速振镜头内的两片全反射镜将激光向工件反射并通过聚焦镜聚焦后照射在挠性电路板表面，振镜在计算机的控制下运动完成对挠性电路板的成型加工。n经过振镜镜片反射到FPC表面的激光束并不都垂直于FPC,远心扫描透镜就是经过特殊设
7、计,为了使聚焦光束的主光线在任何视场角的情况下都垂直于焦平面，以保证振镜在其扫描范围内切割时的切缝达到一致。n聚焦光斑越小往往透镜的扫描面积越小，将使切割的速度和加工效率降低；但是选择大面积的远心扫描透镜则聚焦光斑将大大增加，除了影响切割质量外，同时也会因功率密度的降低影响切割效率。综合考虑后选择扫描面积40X40mm的远心扫描透镜，其设计聚焦光斑值小于7m。计算机控制系统n切割系统工作方式概述n激光切割系统根据切割中激光运动与否，分为定光式切割和动光式切割两种，定光式激光切割在工作过程中光路固定，依靠工作台的运动实现对工件的切割加工。这种定光式切割系统的切割速度主要取决于工作台的运动速度，而
8、由于工作台本身的运动速度限制，其加工速度不可能太高，而且由于机械运动的惯性始终存在，使得加工精度和加工速度这一对矛盾很难得到调和。适用于小批量、零散加工，以及对速度和效率要求不高的场合。n动光式切割系统依靠受计算机控制的两个振镜实现激光的高速扫描；通过可补偿聚焦误差的聚焦镜将光束聚焦到工件表面，实现加工过程的自动化。振镜偏转产生的激光扫描速度，相对于工作台的移动速度快得多，所以这种方式的加工效率比定光式高得多，其应用前景远大于定光式。纵然动光式激光切割虽然优点很多，由于振镜加工幅面的限制使得单独靠振镜是不可能完成整个加工的，于是我们就考虑到使用振镜和工作台的联合运动。将待加工对象分割成网格块。
9、n以每一个网格块为单元切割加工，然后移动工作台到下一个块，依次逐块进行加工从而完成整个零件的切割加工,因此必须处理好工作台运动和振镜运动之间以及激光开关延时的关系；n由于振镜自身的畸变误差(枕型和桶形畸变)，以及加工过程中网格块的变换，如何处理好各网格之间切分轨迹的无缝对接成为实现动光式激光切割中的关键技术。最后由于FPC生产工艺复杂，所用的材料容易产生变形，并且不同的部位由于材料不同，不仅导致局部区域切割次数不一样，而且导致变形程度不一样，因此对切割系统的控制方式、材料变形的适应性以及切割精度，提出了很高的要求。综上所述只有解决好了这些问题，才能最大限度地发挥动光式激光切割的优点。n本项目提
10、出了一种动光式激光切割拼缝高精度的方法1)首先补偿桶形和振形畸变2)然后区域系数的线性插值补偿3)最后任意四边形的畸变校正,主要表现为梯形畸变控制系统硬件组成n本项目硬件部分主要由以下几个部分组成：工业控制计算机、直线电机及驱动器、摄像机、工作台、远心透镜、高速双振镜、运动控制卡、光源以及其他辅助装置等。n运动控制器n该运动控制器由DSP+FPGA组成，可以实现高性能的控制计算。该卡提供两轴运动控制输出，对于每个轴既可以输出脉冲量，也可以输出模拟量。其中脉冲输出用于控制伺服电机，模拟量输出用于控制振镜偏转。控制卡还为每轴提供正负限位信号和原点信号输入，为每个轴提供16位的状态寄存器，用户可以随
11、意通过指令来获取当前状况下各轴的运行状态，提供16位通用输入和16位通用输出I/O信号，另有两路高速I/O口控制激光输出的开启、关闭。为了达到高速、高精度的切割，该卡还提供激光开关延时、空跳延时、标刻延时等。直线电机n进给速度范围宽。可从1m/min到20m/min以上，目前加工中心的快进速度已达208m/min，而传统机床快进速度60m/min，一般为2030m/min。速度特性好。速度偏差可达0.01%以下。加速度大。直线电机最大加速度可达30g，目前加工中心的进给加速度已达3.24g，激光加工机的进给加速度已达5g，而传统机床进给加速度在1g以下，一般为0.3g。n定位精度高。采用光栅闭
12、环控制，定位精度可达0.0010.002m。应用前馈控制的直线电机驱动系统可减少跟踪误差200倍以上。由于运动部件的动态特性好，响应灵敏，加上插补控制的精细化，可实现纳米级控制。行程不受限制。传统的丝杠传动受丝杠制造工艺限制，一般46m，更长的行程需要接长丝杠，无论从制造工艺还是在性能上都不理想。而采用直线电机驱动，定子可无限加长，且制造工艺简单，已有大型高速加工中心X轴长达40m以上。n结构简单、运动平稳、噪声小，运动部件摩擦小、磨损小、使用寿命长、安全可靠。直线电机参数：n X轴行程：304mm nY轴行程：400mm n加工速度：最大10000mm/min n定位精度：0.001mm n
13、重复精度：0.001mm n切割系统软件是该设备的核心，软件管理硬件的工作程，处理用户的输入信息，以及反馈系统工作状态信息。n系统软件功能模块分为以下几个部分：n Gerber文件解析模块：本系统主要应用在FPC行业，该行业在电路板设计过程中所使用的主要文件格式是Gerber文件，所以在切割时软件一定要能识别Gerber文件，将其中与切割相关的重要信息提取出来。解析模块的主要任务是要能识别文件的层信息、实体信息。n运动控制模块软件系统需要提供的运动功能包括：工作台回零运动(其中包括X，Y轴单独回零或者X，Y同时回零)；机床坐标系下运动与振镜坐标系下运动转换；工作台绝对坐标和相对坐标单段直线、圆
14、弧轨迹运动；振镜角度、坐标值运动；工作台和振镜多段轨迹连续运动等。n系统状态显示模块各轴限位状态，零点捕获状态，电机的使能状态，伺服使能状态，机床当前位置，激光开关状态，摄像机状态以及加工时间等。n激光控制模块主要包括激光能量控制模式，开关光，直接输出能量大小、能量n CCD定位模块主要完成标志点的自动定位和手动定位两种方式，以及相机分辨率的标定，相机中心距离振镜中心距离的测量，变形矫正算法的实现等。n系统补偿与校正模块该模块是项目的重点，由于振镜加工产生误差的因素很多，所以必须加以矫正才能满足加工要求。系统工作流程如图真空吸附装置n本吸盘装置在加工过程中通过真空泵，由吸管4对托盘台面进行吸气
15、，能在多孔陶瓷板上产生很强的吸附力，当把待加工的FPC工件放置在此真空吸盘上后，由于真空泵在多孔陶瓷板表面上产生的强大吸附力，能有效将FPC工件吸附在多孔陶瓷板敢先激光网,www.laser5.org表面，对其起到了很好的固定作用，待加工的FPC工件无变形，表面平整度好，非常有利于紫外激光的切割加工；此外，由于此真空吸盘制作简单，加工方便并且成本低廉，非常适合FPC的紫外激光切割加工。CCD精密定位n采用CCD定位技术是本项目的又一个新颖点。在精密元器件加工过程中，因受夹具的加工精度和安装方式的限制，须人工不断调整定位，这样必然存在人工疏失、重复性差和效率低的问题。FPC由于板面不平整，普通装
16、夹方式基本不能满足要求，所以在加工的时候一般直接采用将FPC板放置在工作台上面采用CCD定位。FPC采用挠性材料作为基材，由于热胀冷缩或其它原因，极易发生不均匀变形，这种不均匀变形对加工精度的影响非常严重；n传统的CCD定位算法直接将被加工对象当作刚性物体来考虑，忽略了FPC的不均匀变形，如果按照传统的CCD定位算法来加工，不仅精度上不能满足要求，甚至使切割出来的电路单元完全报废以至无法使用，比如把导线切断而造成该电路单元报废等。因此传统的CCD定位方式远不能满足实际生产需要。因此为了实现FPC的高精度切割，需要找到一种快捷、准确、定位精度高的定位算法，而且该定位算法还必须考虑FPC的不均匀变形问题。n CCD定位系统基本组成n CCD定位系统由光源、镜头、摄像机、图像处理单元、监视器组成，其中CCD单元还留有接口与控制主机通信，最终达到控制运动执行机构精确定位的目的。定位和变形校正方法n该项目以工件上的标记孔为基准，采用CCD摄像机为工具摄取图像得到工件上标记孔的实际位置，通过和理论的标
