CN104812172A - 用于对板状或棒状的物体打标的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对棒状或板状的物体打标的方法，所述物体在X-Y平面中设置并且受到Z方向上的挠曲。在此，首先将待投射的图案指向对位标记的额定位置，其中，对位标记位于物体的表面上并且在物体在Z方向上没有挠曲的情况下位于额定位置。接下来确定投射在物体表面上的图案的实际位置，并且求出所述实际位置和所述对位标记之间的偏差。最后借助激光束对物体打标，其中，为了打标，基于求出的偏差修正激光束的定向。此外还公开一种用于执行打标方法的系统。

Description

用于对板状或棒状的物体打标的方法和系统

技术领域

本发明涉及用于对棒状或板状的物体打标的方法和系统，所述物体布置在X-Y平面中并且至少局部受到Z方向上的挠曲。在此，该方法和系统允许改善标记的定位精度。

背景技术

在对物体的标记区打标的打标设备中，重要的是物体平整地位于打标机下方。然而在传统的设备中，物体通常在两个沿输送方向定向的板条上被输送。这导致物体在板条之间由于其自重而弯曲或挠曲。如果现在对物体打标，则挠曲会引起标记相对于希望位置的偏差。为了抵消这种效果，重要的是在打标之前使物体平整地定向。迄今为止有待打标的物体例如借助机械的中心支撑平整地被保持。

由DE 102 14 817 A1已知一种用于焊膏涂层的高度测量的方法，该方法基于三角测量方法。为此使用一种设备，该设备具有摄像机、以第一预给定角度相对于摄像机布置的用于在待测量表面上产生线的第一投影器、以第二预给定角度相对于摄像机布置的用于产生光点的第二投影器和评价系统。在此，第二投影器的光束被这样地调校，使得当印制电路板不受到挠曲时，该光束在待测量表面上的入射点与由第一投影器投射的线的一个端点重合。

DE 699 26 885 T2公开一种用于检查部件缺陷的系统，该系统为此测量印制电路板的挠曲。该系统包括一个垂直安装的摄像机和一个直线激光器，该直线激光器以确定的角度相对于垂线布置。首先在系统中锁定一个标定板并且测量高度值，所述高度值作为额定值存储。每个待检查的印制电路板在真正的高度测量之前在如标定板一样的光栅中被测量。待检查的印制电路板的求出的高度值然后与存储的额定值比较并且作为高度测量的修正值使用，以便检测印制电路板上的部件布置中的缺陷。

DE 10 2010 050445 A1公开一种用于检查焊接位置的方法。首先将光束投射在标定物体上并且拍摄和存储投射的光线的图像。对待检查的印制电路板进行同样的过程。接着比较标定物体和待检查的印制电路板的投射光束。由此允许检测印制电路板的挠曲。

DE 10 2005 051318 A1描述一种用于求出印制电路板上的凸起的三角测量方法。

DE 103 52 561 A1公开一种用于对印制电路板打标的方法。因为标记不是始终具有良好质量/可读性，所以将施加的标记与额定值比较，然后适配。

DE 198 31 558 C1公开一种用于对面状工件进行激光加工的装置。工件固定在保持装置的两个卡爪之间，其中，工件的加工区域位于激光器的偏转区域中。卡爪构造为框架形的并且以窄间距包围激光束的偏转区域，从而夹紧面保持得很小并且工件中的挠曲可忽略。

DE 100 35 446 A1公开一种用于借助激光器产生微孔的方法。在该方法中求出待加工的基底相对于X-Y工作台的位置和可能的偏转。为此借助摄像系统检测和比较在所述基底上存在的标记的额定和实际位置。

还已知的是，为了检查缺陷或为了测量焊膏高度而检测板状物体的挠曲。在所提到的文献中没有描述一种检测物体挠曲并且在接下来的打标方法中考虑物体挠曲的方法。

发明内容

因此要找到一种如何能够对产品打标的解决方案，其中，产品在Z方向上的(例如由其自重、其支撑状况或位于其上的元器件引起的)挠曲不会导致标记在X或Y方向上相对于希望的位置发生显著的偏差。

对于解决方案，为了对布置在X-Y平面中并且至少局部受到Z方向上的挠曲的棒状或板状的物体打标，提出一种具有权利要求1的步骤的方法。该方法尤其具有以下步骤：

在物体在X-Y平面中的旋转和位置方面借助至少一个对位标记确定棒状或板状的物体相对于参考点的定向；

确定至少一个与所述对位标记位于物体的同一表面上的样标(Unikat)的实际位置，其中，所述样标在物体的表面上位于一个物体在Z方向上具有显著的挠曲的地点；

求出样标的额定位置和样标的实际位置之间的偏差；和

借助激光束对物体打标，其中，为了打标，至少基于求出的偏差修正激光束的定向。

对于解决方案，也提出一种用于对棒状或板状的物体打标的系统，所述物体布置在X-Y平面中并且至少局部受到Z方向上的挠曲。

通过这些解决方案能够借助唯一的摄像机检测由物体的挠曲引起的偏差，该摄像机指向物体的表面。这能够减少整个系统中所需的部件的数量。也不需要在X、Y方向上的机械的修正位移或者围绕Z轴的修正转动来使物体对齐。物体并非多余地机械承载并且能够以更大的生产率执行打标。这引起更小的成本耗费以及很少的磨损和更长设备寿命。此外，这是在操作设备中的集成翻转站中补偿物体在打标时挠曲的更有效途径。

在提出的解决方案中足够的是，求出样标的额定位置和实际位置之间的X偏差和在需要时Y偏差，以便接下来相应地修正用于打标的激光束的定向。换而言之，不需要计算或以测量技术确定对位标记和额定位置之间的Z偏差来修正激光束的定向。

在提出的解决方案中，样标可以例如是点状、十字形、正方形或圆形的。样标可以是印制电路板上的带状导线的特定部位、安装在印制电路板上的件的部件棱边或部件角部或类似物。对位标记与此无关地可以是例如点状、十字形、正方形或圆形的。对位标记可以蚀刻或印刷在物体上。

样标的额定位置是在物体没有Z方向的挠曲时样标所处的X/Y坐标的空间位置。在此，样标的实际位置是物体表面上的一个在摄像机指向样标的实际位置时得到的地点。

物体可以是任何的板状或棒状的产品，例如印制电路板或识别卡(例如信用卡、身份证等)。在此，物体可以具有矩形、多边形、圆形、棒状或其它的形状。在物体上可以布置元器件，例如电路元器件。元器件可以包括处理器芯片、连接器件、开关、电阻元件、电容器、LED和/或其它可安装的元器件。元器件可以任意地布置在物体上。

物体还可以在X-Y平面中的至少三个支撑点上被支撑。在此，一个线状或带状的支柱是两个支撑点的静态等同物，从而物体能够像在X-Y平面中的一个线状支柱和另一个支撑点上类似地被支撑。在X-Y平面中也可以设置其它支撑点、支撑线和/或支撑面。例如，物体可以支撑在两个设置在物体的边缘区域中的板条上，这些板条限定X-Y平面。在此，板条可以平行地或相对彼此倾斜地布置。

物体的打标可以在标记区域中进行。在此，标记区域可以是物体表面上的基本上没有元器件的任何区域。标记区域可以通过线状的轮廓线或通过附加的层状材料限定。标记区域的形状可以是矩形、正方形、多角形、圆形、圆的或非圆的，或者具有任何其它形状。在标记区域中可以施加任何的文字、图像或设计信息。

对位标记可以位于测量区域中。在此，测量区域可以是物体表面上没有元器件的任何区域。测量区域可以例如完全位于标记区域内部。但是也可设想，测量区域仅部分地与标记区域重合，或者测量区域完全位于标记区域外部。在测量区域的大小和造型方面重要的是，测量区域足够大，以便包围由物体挠曲引起的投射图案的任何偏差。测量区域的形状可以是矩形、正方形、多角形、圆形、圆的或非圆的，或者具有任何其它形状。

此外可以针对第二对位标记、第二样标的第二额定位置和第二实际位置以及第二偏差执行以上步骤。然后在接下来的打标步骤中基于在求出的(第一)偏差和求出的第二偏差之间的线性的内插补的偏差修正激光束的定向。

因此，由物体的一部分或其整个表面上的挠曲引起的偏差可以被逼近。在此有意义的是，重复这些步骤，从而以希望的精度求出关于至少待打标的区域的偏差信息。

处理器可以是摄像机的一部分，或者摄像机可以是处理器的一部分。同样地，处理器单元可以是激光辐射器的一部分，或者激光辐射器可以是处理器单元的一部分。激光辐射器、摄像机和处理器单元在此被理解为功能单元，它们在实施方案中不意味着任何确定的划分。

附图说明

上述方法和系统的其它细节、特征、优点和作用由以下说明以及由附图得出。在此：

图1示出印制电路板的示意俯视图；

图2示出按照图1的具有标出的测量区域的印制电路板；

图3a示出按照图2的具有投射图案的测量区域；

图3b示出按照图2的具有偏移的图案的测量区域；

图4示出按照第一实施例的用于求出印制电路板的挠曲的示意系统；

图5a示出按照图1通过线A-A’的印制电路板的横剖面；

图5b示出按照图2a的横剖面的放大图；

图6示出按照第二实施例的用于求出印制电路板的挠曲的示意系统；和

图7示出按照图2的具有两个另外的测量区域的印制电路板。

具体实施方式

如图1所示，印制电路板10位于X-Y平面(以下也称为水平面)中并且在此由两个大致以印制电路板宽度的间距布置的、在这里仅仅示意表示的导轨或板条20a、20b支撑。

印制电路板10包括分层的、电绝缘的材料，所述材料带有粘附在其上或者安装在其中的、通常由铜或类似导电金属制成的导电连接。在印制电路板10上安设有一些元器件12。印制电路板材料以及固定在其上的元器件12的自重导致印制电路板10在板条20a、20b之间挠曲。在此，印制电路板10的挠曲度取决于多种因素，尤其是印制电路板10的形状和大小、印制电路板材料的重量和刚度、布置在印制电路板10上的元器件12的重量和布局、板条20a、20b的布局和它们之间的间距、以及印制电路板10在板条20a、20b上的定向。

在印制电路板10的上表面上设有一个标记区域14，以便施加文字信息(例如元器件号或系列号)、制造商信息和/或图像信息(例如商号标志或图形商标)。

图2示出图1的印制电路板10，带有一个位于该印制电路板10的表面上的对位标记19。该对位标记19用于确定印制电路板10在其在X-Y平面中的旋转和位置方面相对于参考点RO的定向。对位标记19在印制电路板10的表面上位于印制电路板10的一个在Z方向上没有显著的挠曲的地点；在这里所示的例子中，该地点靠近印制电路板10的边缘并且靠近板条20a、20b中的一个。参考点RO在这里是X-Y平面中在系统(机器)的总体布局内部的一个固定位置。这些数据与其它数据一起用于求出印制电路板10的挠曲程度。图中的实际位置18标明了样标36的位置，它与对位标记19位于印制电路板10的同一表面上。在此，样标36(在这里是示意地示出的带状导线结构的特定角部)在印制电路板10的表面上位于印制电路板10的一个在Z方向上具有显著的挠曲的地点；在这里所示的例子中，该地点靠近印制电路板10的中心。

借助已知的印制电路板10的尺寸和参考点RO可求出对位标记19的位置，即位于测量区域16中的对位标记19在印制电路板10没有挠曲的情况下所在的X、Y坐标。因为对位标记19位于印制电路板10的一个没有显著的挠曲的地点，所以对位标记的实际位置(至少近似地)也落在其额定位置上。但是因为样标36被选择在印制电路板10的表面上位于一个具有显著的挠曲的地点，所以样标36的额定位置17和实际位置18相互偏离。

图3a和图3b示出测量区域16的放大部分，以便说明借助对位标记19测量挠曲的方法。如在图3a中所示，当印制电路板10不受挠曲时，对位标记19相对于样标36的额定位置17具有确定的X和Y偏差。

如在图3b中所示，印制电路板10的挠曲导致样标36在实际位置18上的偏差△x、△y。在此，样标36的位置确定X-偏差△x并且在需要时确定Y-偏差△y，它们共同确定样标36的实际位置18和对位标记19之间的偏差。

在图4中示出根据第一实施例的用于对由印制电路板10的挠曲引起的样标36的偏差△x、△y进行测量的系统。首先将印制电路板10放入激光辐射器30和摄像机40下方的加工区域中。光束32以角度α₁从激光辐射器30投射到样标36的额定位置17上，其中光束32由于印制电路板10的挠曲实际上在样标36的偏移的实际位置18处射到印制电路板10上。接着摄像机40拍摄图像，该图像至少包括测量区域16和样标36，其中，该图像也可以包括印制电路板10的其它区域或者甚至整个印制电路板10。摄像机40将图像传输给处理器50(也称为处理器单元)，该处理器分析该图像，以便求出实际位置18以及由此求出相对于额定位置17的坐标的偏差值△x、△y。

接着上面描述的测量方法，提高激光辐射器30的强度，以便产生适合在印制电路板10的表面上铭刻标记区域14设置标记的激光束37。激光辐射器30借助由处理器50计算出的偏差值△x、△y修正激光束37的定向α₂，以便补偿印制电路板10的挠曲。因此对位标记19能够如在图中所示精确地与激光束37相遇，并且在标记区域14中形成一个因印制电路板10的挠曲而最少畸变的标记。

在该打标方法中，指向样标36的光束32必须从相对于印制电路板10与对印制电路板10打标的激光束37相同的出发点射出。即，仅当光束32与对印制电路板10打标的激光束37从同一出发点34投射时，X-Y平面中的偏差值△x、△y的计算对于激光束37的定向α₂的修正而言是正确的。

在第二实施例中，光束32的光源或出发点与激光束37的光源或出发点不同地定位。为了正确地确定激光束37的定向α₂，在一个中间步骤中计算额定位置17和对位标记19之间的Z偏差△z。该计算步骤借助图5a和图5b被详细地说明。

图5a示出根据图1的印制电路板10的经过线A-A’的横剖面。在此示出一个假想的印制电路板10’，它没有自重(或者有但是具有无限高的刚度)，因此没有由重力引起的挠曲。实际上印制电路板在支撑板条20a、20b之间受到挠曲。在此，借助光束32检测由挠曲引起的印制电路板10的Z偏差△z。

图5b示出光束32入射到印制电路板10上时所在区域的放大视图。在此，光束32以相对于Z轴倾斜的角度α₁指向样标36的额定位置17。在没有自重的假想印制电路板10’的情况下，光束32正好射到额定位置17上。但是，由于实际的印制电路板10的挠曲，光束32在样标36的偏差的实际位置18处射到印制电路板10上。额定位置17和实际位置18之间的偏差△x(和在需要时△y)通过与处理器相配的摄像机求出。接着借助已知的角度α1和偏差△x(和在需要时△y)以三角学方式计算Z偏差△z，它近似于印制电路板10的挠曲。

在图6中示出根据第二实施例的用于对由印制电路板10的挠曲引起的Z偏差执行测量并且接着对印制电路板10打标的系统。在此，在图6中所示的系统在很大程度上与在图4中所示的系统相同，其中，一致的元件不再重新说明。在图6中所示的系统具有一个用于产生光束32的照明单元30，和一个用于产生激光束37的单独的激光辐射器35。

在此，光束32从照明单元30以角度α₁指向额定位置17。光束32在发生偏差的实际位置18处入射到印制电路板10上。接着拍摄测量区域的图像并且进行分析，以便求出实际位置18以及相对于额定位置17的偏差值△x、△y。处理器50借助求出的偏差值△x、△y以及角度α₁计算由印制电路板10的挠曲引起的在实际位置18和额定位置17之间的z偏差△z。接着借助求出的Z偏差△z修正激光束37的定向α₂。

总而言之，在该测量方法中在激光辐射器30和摄像机40下方的加工区域中通过本身集成在设备中的摄像机40首先求出印制电路板10的位置和旋转。在没有挠曲的位置，即印制电路板10受到板条20a、20b支撑的地方，可以测量特定的标记，即样标并且用于位置和旋转补偿。在挠曲最大地起作用的位置(大多在印制电路板10的中心区域)中借助摄像机40测量样标，并且求出其相对于投射的实际位置的偏差△x、△y。借助偏差△x、△y以三角学方式计算由挠曲引起的印制电路板10的竖直偏差△z。

为了线性地逼近根据第一和/或第二实施例的由挠曲引起的偏差△x、△y和在需要时偏差△z，必须在两个位置上执行测量。这借助图7说明。

图7示出根据图3的具有三个标出的测量区域16a、16b、16c的印制电路板。在此，确定三个在额定位置上的样标36，它们分别以位于测量区域16a、16b、16c之一中的对位标记19a、19b、19c为参照。接着求出样标36的实际位置18a、18b、18c和所对应的对位标记19a、19b、19c之间的偏差△x₁、△y₁；△x₂、△y₂；△x₃、△y₃(或在需要时△z₁、△z₂、△z₃)。

分别在样标36的三个实际位置18a、18b、18c的两个之间对由印制电路板10的挠曲引起的偏差△x_n、△y_n(或在需要时△z_n)进行数字内插补。以类似方式在通过三个实际位置18a、18b、18c限定的假想三角形中通过双线性内插补来逼近由印制电路板10的挠曲引起的偏差△x_n、△y_n(或在需要时△z_n)。此外，偏差△x_n、△y_n(或在需要时△z_n)可以在假想的三角形以外或者沿着连接线18a-18b、18a-18c、18b-18c的延长线通过外插补计算。接着借助经过内插补的偏差△x_n、△y_n或在需要时△z_n修正激光束37的定向α₂。

上述的变型仅仅用于更好地理解所述打标方法和系统的结构、工作方式和特性；它们不将公开内容限制于这些实施例。这些图是部分示意的，其中，重要的特性和效果一部分明显放大地示出，以便说明功能、作用原理、技术构造和特征。在此，在图中或在文字中公开的每种工作方式、每种原理、每种技术构造和每个特征能够与所有的权利要求、文字中和其它图中的每个特征、在本公开内容中包含或由此求出的其它工作方式、原理、技术构造和特征自由地并且任意地组合，从而所有可想到的组合都属于所描述的打标方法和所描述的系统。在此文字中、即在说明书每段中，在权利要求中的所有单个实施方式之间的组合，还有在文字、权利要求和图中的不同变型之间的组合也被包含在内。

权利要求也不限制公开内容和所有列举的特征的组合可能性。所有公开的特征明确地也单独以及与所有其它特征组合地在此公开。

Claims (12)

1.用于对棒状或板状的物体(10)打标的方法，所述物体布置在X-Y平面中并且至少局部受到Z方向上的挠曲，包括以下步骤：

在物体(10)在X-Y平面中的旋转和位置的方面，借助至少一个对位标记(19)确定所述棒状或板状的物体(10)相对于参考点(RO)的定向，其中，所述对位标记(19)在物体(10)的表面上位于物体(10)在Z方向上没有显著的挠曲的地点，所述对位标记的实际位置至少近似落在其额定位置上；

确定至少一个样标(36)的实际位置(18)，所述样标与所述对位标记(19)位于物体(10)的同一表面上，其中，所述样标(36)在所述物体(10)的表面上位于物体(10)在Z方向上具有显著的挠曲的地点，所述样标的实际位置和额定位置相互偏离；

求出所述样标(36)的额定位置(17)和所述样标(36)的实际位置(18)之间的偏差(△x₁、△y₁)；以及

借助激光束(37)对物体(10)打标，其中，为了打标，至少基于求出的偏差(△x₁、△y₁)修正激光束(37)的定向(α₂)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参考点(RO)位于有待打标的物体的外部。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述样标(36)位于所述物体(10)的在Z方向上挠曲最大的区域中。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在打标步骤之前进行计算步骤，在该计算步骤中借助角度(α₁)和求出的偏差(△x₁、△y₁)计算所述样标(36)的额定位置(17)和所述对位标记(19)之间的Z偏差(△z₁)，和其中在打标步骤中基于计算出的Z偏差(△z₁)修正激光束(32)的定向(α₂)。

5.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，针对第二额定位置(17b)、第二对位标记(19b)、第二实际位置(18b)和第二偏差(△x₂、△y₂、△z₂)重新执行确定步骤、求出步骤以及在需要时执行计算步骤；并且其中在打标步骤中基于在求出的偏差(△x₁、△y₁、△z₁)和第二偏差(△x₂、△y₂、△z₂)之间的线性内插补的偏差(△x_n、△y_n、△z_n)修正激光束(32)的定向(α₂)。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，针对第三额定位置(17c)、第三对位标记(19c)、第三实际位置(18c)和第三偏差(△x₃、△y₃、△z₃)重新执行投射步骤、求出步骤以及在需要时执行计算步骤；和其中在打标步骤中基于双线性内插补的偏差(△x_n、△y_n、△z_n)修正激光束(37)的定向(α₂)。

7.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述物体(10)是印制电路板。

8.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述物体(10)支撑在两个设置在物体的边缘区域中的板条(20a、20b)上。

9.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述额定位置(17)位于测量区域(16)中。

10.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在打标步骤中对物体(10)的标记区域(14)打标。

11.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在投射步骤之前进行定向步骤，在定向步骤中使物体(10)在加工区域中定向。

12.用于对棒状或板状的物体(10)打标的系统，所述物体布置在X-Y平面中并且至少局部受到Z方向上的挠曲，所述系统包括：

摄像机(40)，所述摄像机设置用于拍摄至少一个对位标记(19)的图像并且将图像传输给一个处理器单元(50)，其中，所述对位标记(19)在物体(10)的表面上位于一个物体(10)在Z方向上没有显著的挠曲的地点，所述对位标记的实际位置至少近似落在其额定位置上；

其中，所述处理器单元(50)设置和编程用于在物体(10)的旋转和位置方面借助至少一个对位标记(19)确定棒状或板状的物体(10)相对于参考点(RO)的定向，

其中，所述摄像机(40)设置用于拍摄至少一个样标(36)的实际位置(18)并且传输给处理器单元(50)，其中，样标(36)与所述对位标记(19)位于物体(10)的同一表面上，并且其中所述样标(36)在物体(10)的表面上位于物体(10)在Z方向上具有显著的挠曲的地点，所述样标的实际位置和额定位置相互偏离；

其中，所述处理器单元(50)设置和编程用于求出样标(36)的额定位置和样标(36)的实际位置(18)之间的偏差(△x₁、△y₁)；并且

其中，所述处理器单元(50)设置和编程用于给激光辐射器(35)加载用于对物体(10)打标的控制数据，所述激光辐射器设置用于借助激光束(37)对物体(10)打标，其中，基于求出的偏差(△x₁、△y₁)修正所述控制数据，用于激光束(37)的定向(α₂)。