隨著電力建設快速發展，電力控制設備應用的惡劣場景日益增多，其內部電路設計也日益復雜，布局越來越密，給電力控制設備的印制電路板（printed circuit board, PCB）產品質量管控、信息化管理、全程可行性追溯帶來更多的挑戰。傳統的追溯管理做法是在PCB上粘貼紙質條碼，這種方式需要足夠的PCB布局空間，且人工粘貼，生產效率低；同時在惡劣環境下紙質條碼信息容易損失，因此需要尋求一種占用空間小、可靠性高、信息容量大的產品追溯技術。

國內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。在汽車行業，有學者采用激光在PCB上雕刻二維碼，探討激光工藝參數對二維碼質量的影響。相關的研究多數停留在試驗驗證階段，試驗方式相對簡單，沒有應用到實際生產當中，缺乏實現實時采集數據的技術支撐，也缺少應用在線運動掃碼技術實現追溯的相關研究。

基于以上現狀，本文針對PCB鐳雕二維碼在線運動掃碼技術進行研究，在不影響現有自動化生產的前提下，解決靜止掃碼帶來的生產作業停頓、等待浪費，以及行業內普遍存在的生產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，為電力控制設備產品質量管控、信息化管理提供數據支撐，也為智能制造數字化車間打下堅實的基礎。

1 電力控制設備PCB鐳雕二維碼現狀

1.1 PCB鐳雕技術應用分析

電力控制設備制造業生產過程PCB二維碼信息讀取環節多，使用廣泛，通常是在PCB生產開始環節就進行追溯信息的采集，工序主要包含PCB絲印、串行外設接口（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）及調試等環節。

激光鐳雕技術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，二維碼包含有產品條碼、型號及版本號等技術信息，激光雕刻的DM碼實物圖如圖1所示。激光刻碼技術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，確保PCB信息在運動過程中的一次讀碼率達到99.9%以上，以實現追溯信息快速獲取的能力，提高產品質量數據分析能力，加快企業工藝技術創新和改造，提升企業競爭力。

1.2 鐳雕二維碼碼制選取

現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標準推薦使用DM碼，主要因其具有強大的糾錯能力，只需要讀取信息的20%即可精準讀取；在同等編碼面積下，DM碼可以存儲更多的信息量。考慮到電力控制設備表面貼裝技術（surface mounted technology, SMT）制造運用的惡劣場景、預留空間很有限的PCB布局，以及二維碼必須包含產品條碼、型號、版本號等幾十位字符的技術信息，本文采用DM碼并運用于自動化生產中。

2 電力控制設備鐳雕二維碼在線運動掃碼技術

2.1 在線運動掃碼系統設計

自動化生產過程中需要在主要生產環節進行質量管控、生產報工等作業操作，這就需要精準讀取單塊PCB的DM碼。由于鐳雕的DM碼非常小，給讀取設備造成較大的困難，常用的方法是靜態掃碼，在生產工序中設法將PCB停止，通過掃碼設備進行掃碼，保證較高的讀取率。

對現代智能制造業來講，靜態掃碼停止PCB過程破壞了生產線原有的生產節拍，存在較多等待浪費，嚴重影響生產效率和產能，因此本文設計了一種在線運動掃碼技術，在線運動掃碼結構設計如圖2所示。

圖2 在線運動掃碼結構設計

運動掃碼技術要求生產設備在不停頓、不等待、不影響正常生產秩序的情況下，通過視覺設備對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

在線運動掃碼系統組成主要包含光電模塊、人機接口（human machine interface, HMI）、視覺讀碼設備、PLC等設備，通過軟件設計實現各個設備之間的通信和邏輯任務。當被測物體PCB通過光電模塊時，光電模塊信號觸發視覺設備進行讀碼，讀碼成功則放行，當讀碼失敗后能夠對生產設備進行管控，設備發出警告信號，通過HMI查看失敗原因及需要處理的內容，進行人工干預，在線運動掃碼系統方案設計如圖4所示，因此視覺設備具有高讀取成功率是系統的關鍵。

2.2 在線運動掃碼關鍵技術參數研究

PCB激光鐳雕微小二維碼技術的視覺設備讀碼成功率是在線運動掃碼關鍵所在，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效率，因此在線運動掃碼成功的關鍵取決于數據讀碼器的高識別讀取率。

圖4 在線運動掃碼系統方案設計

本文選用DataMan系列中一款掃碼器，能夠在各種二維碼質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算法并結合最新的PowerGrid技術，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，曝光時間根據自動化生產環境光線、二維碼對比度等因素設置，一般設置曝光時間≤500◆s。通過高精度視覺讀碼設備實現拍照讀取，同一個二維碼只讀取1次，通常在設置里“延遲模式”選中“首次讀取”后，“代碼重讀延遲”設置為10s，表示在10s內，相同的二維碼信息只讀取1次。通過簡單方便的調諧和觸發按鈕，高效實現在線運動讀取高密度二維碼，實現最高讀取率。

圖5 掃碼器視場和讀取距離的關系

一般而言，在曝光時間、增益系數、物距等參數相對固定的情況下，選取高精度視覺讀碼設備掃碼，影響在線掃碼通過率的主要是兩個關鍵變量：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系如圖6所示，隨著PCB運動速度的增大，掃碼通過率呈現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，在不影響生產線節拍的前提下，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系

在實際應用過程中，掃碼角度、PCB運動速度兩個關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生陰影時，掃碼角度需要根據實際情況進行調整；PCB運動速度主要受限于流水線節拍，正常情況下PCB運動速度一般與流水線節拍保持一致，避免流水線節拍產生波動。

?3 電力控制設備鐳雕二維碼在線運動掃碼軟件設計

3.1 在線運動掃碼軟件設計

在線運動掃碼通過接駁臺與讀碼器集成，在接駁臺上設置進板和出板光口傳感信息實現讀碼器觸發，當接駁臺第一階段光口感應PCB觸發監控服務時，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設備，同時通過接駁臺的上位機或者安燈系統進行報警。當PCB經過第二階段光口感應后，關閉讀碼器讀碼觸發，PLC發出下一次要板信號。軟件控制程序設計如圖7所示。

圖7 軟件控制程序設計

1）設備起動后，接駁臺上無PCB，接駁臺會對上站SMT設備發出要板信號。

2）接駁臺檢測到PCB時，會觸發讀碼器讀取其條碼，并把讀取的條碼信息傳給數據采集軟件。

3）當下站設備要板時，接駁臺會結合數據采集反饋信息，決定是輸送PCB去下站設備還是進行停板報警提示。

4）接駁臺未收到數據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設備的表面組裝設備制造商協會（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根據不同設備（生產設備，采集設備，物流設備等）采用多種通信協議及通信方式，實現設備數據的采集及部分設備的自動控制，主要包括I/O信息采集、SMEMA信號采集、S7通信協議、PROFINET協議、OPC UA協議等。其中核心數據通信交互模式采用OPC UA協議，現場中硬件部分架設了主控PLC及配套設備，軟件部分建立了OPC Server、OPC Clinet進行數據傳輸，在線運動掃碼軟件通信協議如圖8所示。

圖8 在線運動掃碼軟件通信協議

?4 電力控制設備鐳雕二維碼在線運動掃碼實際應用與不足

電力控制設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用，在PCB絲印、 表貼、AOI等生產工序采用在線運動掃碼工藝，實際應用效果滿足設計要求，達到了99.9%的在線掃碼通過率。

實際應用中，由于在不同掃碼工序時的生產節拍不一樣，各個工序位置的DataMan掃碼器參數根據實際需求進行設定。DataMan掃碼器參數設定后，當不同產品的二維碼差異性較大時，掃碼器參數不能同時兼顧，需要人工調整參數設置；后期可開展二維碼讀碼自適應相關研究，通過識別產品型號調用相應的掃碼參數，保證在最佳狀態下讀取PCB鐳雕二維碼。

實際應用中，DataMan掃碼器在線運動掃碼寬度范圍在30mm左右，當不同產品的激光鐳雕二維碼不能相對統一位置時，掃碼過程中需要不斷調整讀碼器位置。因此，要求在PCB設計階段考慮預留統一鐳雕二維碼位置。

?5 結論

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上，設計了一種電力控制設備PCB鐳雕二維碼在線運動掃碼技術方案，將采集到的生產信息實時傳輸到數據采集系統。

此研究已經運用到自動化生產線上，在不影響現有自動化生產的前提下，有效地實現了生產過程的單塊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，實現了在沒有人員參與情況下的信息讀取，大大提高了作業效率，同時對生產設備效率的影響降到最低，為電力控制設備產品質量管控、信息化管理提供了數據支撐，也為智能制造數字化車間打下了堅實基礎。

本文編自2021年第8期《電氣技術》，論文標題為“電力控制設備印制電路板鐳雕二維碼在線運動掃碼技術研究”，作者為彭學軍、王高壘、鮑軍云。