整體硬質(zhì)合金旋轉(zhuǎn)刀具的激光字符標(biāo)識(shí)技術(shù)研究

龐存辰 徐 鋒 左敦穩(wěn) 吳小軍 戶海峰

南京航空航天大學(xué)，南京，210016

0 引言

整體硬質(zhì)合金旋轉(zhuǎn)數(shù)控刀具是較昂貴的消耗性資源，同時(shí)也是參與制造活動(dòng)的重要輔助工具，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中需要反復(fù)重磨使用，能否對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)化管理，不僅直接影響機(jī)床的正常使用及生產(chǎn)效率，還會(huì)影響加工成本［1］。

刀具全壽命周期管理可以為刀具相關(guān)部門提供刀具詳細(xì)信息，縮短刀具生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，降低刀具成本，刀具全壽命周期管理同時(shí)強(qiáng)調(diào)在統(tǒng)一的集成資源平臺(tái)下運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)刀具各種信息的共享［2］。對(duì)刀具個(gè)體進(jìn)行唯一性標(biāo)識(shí)是實(shí)現(xiàn)刀具全壽命周期管理的基礎(chǔ)。刀具標(biāo)識(shí)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)刀具信息采集和追蹤、辨認(rèn)刀具身份的重要技術(shù)之一。目前刀具的標(biāo)識(shí)方法主要有條碼技術(shù)、射頻技術(shù)和直接標(biāo)識(shí)技術(shù)［3］。條碼技術(shù)是相對(duì)成熟的技術(shù)，條碼的制作與條碼的識(shí)別都有成熟可靠的產(chǎn)品［4］。傳統(tǒng)的手段是將條碼打印出來(lái)粘貼在刀具表面，依靠條碼識(shí)別設(shè)備采集相應(yīng)的信息。然而紙制條碼易破損、污損，條碼標(biāo)記與刀具分離導(dǎo)致條碼的誤讀是不可能完全避免的，這樣就使得使用條碼技術(shù)準(zhǔn)確跟蹤控制刀具的使用過(guò)程非常困難。射頻識(shí)別技術(shù)是以無(wú)線通信的方式讀取電子標(biāo)簽里包含的編碼數(shù)據(jù)，但是該技術(shù)用于刀具的標(biāo)識(shí)［5－6］有很大的局限性，要選擇合適的電子標(biāo)簽并將其嵌入到小直徑的刀具中不僅非常困難，而且很可能會(huì)因此而改變刀具的物理參數(shù)，因此將射頻識(shí)別技術(shù)用在需要識(shí)別的刀具上就不太合適。直接標(biāo)識(shí)指直接在物體表面標(biāo)識(shí)可被機(jī)器識(shí)別的代碼。20世紀(jì)90年代末，NASA經(jīng)過(guò)五年多的研究最終選擇了定點(diǎn)撞擊、電化學(xué)標(biāo)識(shí)、直接激光標(biāo)刻以及直接噴碼作為零件的主要直接標(biāo)識(shí)技術(shù)［7］。目前，直接標(biāo)識(shí)技術(shù)已經(jīng)在汽車、電子、航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛的研究與應(yīng)用［8－10］。

旋轉(zhuǎn)刀具表面彎曲且可標(biāo)識(shí)面積小，激光標(biāo)刻己經(jīng)被證明是唯一能夠保證圖像質(zhì)量的刀具標(biāo)識(shí)技術(shù)手段［11］。王蘇安［12］將激光標(biāo)刻技術(shù)與二維條碼相結(jié)合成功解決了大部分刀具的直接標(biāo)識(shí)問(wèn)題，但該方法并不能勝任標(biāo)刻面積小于4mm×4mm的小直徑旋轉(zhuǎn)刀具，并且使用一維碼或二維碼必須依賴于特定的條碼識(shí)別設(shè)備才能獲得標(biāo)識(shí)信息。在實(shí)際的使用過(guò)程中，標(biāo)識(shí)碼有可能因?yàn)榈毒叩亩啻窝b夾而破損，從而導(dǎo)致標(biāo)識(shí)信息無(wú)法讀取，甚至造成刀具無(wú)法利用，因而提高了成本。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出采用激光直接標(biāo)刻數(shù)字的刀具直接標(biāo)識(shí)技術(shù)。采用數(shù)字作為激光標(biāo)識(shí)碼，具有簡(jiǎn)便直觀的優(yōu)點(diǎn)，在標(biāo)識(shí)碼破損導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法識(shí)別時(shí)仍然可以采用人工辨識(shí)，提高了刀具的可利用率。

1 小直徑硬質(zhì)合金刀具的激光字符標(biāo)刻技術(shù)

1.1 激光對(duì)硬質(zhì)合金的刻蝕規(guī)律研究

在研究小直徑刀具表面激光直接字符標(biāo)刻工藝前，本文首先研究激光對(duì)硬質(zhì)合金的刻蝕規(guī)律。

試驗(yàn)設(shè)備采用武漢楚天工業(yè)激光設(shè)備有限公司研制的型號(hào)為CT－LMK50－B的激光打標(biāo)機(jī)。試驗(yàn)所用樣件為厚度為4.76mm的YG6硬質(zhì)合金銑刀片，采用不同的工作電流、標(biāo)刻速度和重復(fù)頻率標(biāo)刻長(zhǎng)度為15mm的直線段。用Micro XAM非接觸表面形貌儀測(cè)量刻蝕深度，用工具顯微鏡測(cè)量刻蝕寬度。試驗(yàn)結(jié)果取三次測(cè)量的平均值，圖1～圖3所示為試驗(yàn)結(jié)果。

圖1 工作電流對(duì)標(biāo)刻寬度和深度的影響曲線

圖2 標(biāo)刻速度對(duì)標(biāo)刻寬度和深度的影響曲線

圖3 重復(fù)頻率對(duì)標(biāo)刻寬度和深度的影響曲線

激光功率隨著工作電流i的增大而增大，導(dǎo)致材料熔化和氣化現(xiàn)象加劇，因而激光標(biāo)刻寬度b和深度h都隨工作電流i的增大而增大。

隨著激光標(biāo)刻速度v的增大，材料被激光照射的部分接收到的平均熱量減少，導(dǎo)致標(biāo)刻寬度和標(biāo)刻深度變小。當(dāng)v＞300m/s時(shí)，脈沖激光已經(jīng)不能標(biāo)刻連續(xù)的直線而是標(biāo)刻出一個(gè)個(gè)間斷的凹坑。激光照射到的點(diǎn)接收恒定的能量，因而標(biāo)刻深度和標(biāo)刻速度趨于穩(wěn)定。

激光峰值功率隨著脈沖重復(fù)頻率f的增大而減小，平均功率隨之增大。標(biāo)刻寬度主要取決于激光光斑的大小，本試驗(yàn)中標(biāo)刻寬度在400～510μm內(nèi)波動(dòng)。標(biāo)刻深度隨著重復(fù)頻率的增大而減小。

1.2 激光直接標(biāo)刻字符工藝研究

本文采用單因素試驗(yàn)研究激光直接標(biāo)刻數(shù)字字符的規(guī)律。試驗(yàn)樣件為φ3mm的YG6硬質(zhì)合金立銑刀。標(biāo)刻字體采用的是常用的Arial字體，標(biāo)刻字符為123456。6位字符總長(zhǎng)度為4mm，高度為0.7mm。

本文將標(biāo)刻寬度和標(biāo)刻對(duì)比度作為激光字符標(biāo)刻質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，標(biāo)刻寬度過(guò)寬時(shí)，標(biāo)刻的字體筆畫間會(huì)相互粘連，導(dǎo)致字符模糊（圖4）；標(biāo)刻寬度過(guò)小又會(huì)導(dǎo)致筆畫不連續(xù)，影響標(biāo)刻字符的識(shí)別。本文中標(biāo)刻寬度指的是字符2底部橫線的寬度；標(biāo)刻對(duì)比度指的是標(biāo)刻和未標(biāo)刻的區(qū)域在亮度上的差別，對(duì)比度越大標(biāo)刻清晰度就越大，則標(biāo)刻質(zhì)量就越好。標(biāo)刻對(duì)比度的獲取方法如下：首先由CCD攝像機(jī)采集激光標(biāo)刻字符的圖像，然后使用MATLAB軟件進(jìn)行灰度化圖像處理并獲得標(biāo)刻和未標(biāo)刻區(qū)域的灰度值，最后計(jì)算標(biāo)刻和未標(biāo)刻區(qū)域的灰度值的百分比值作為標(biāo)刻對(duì)比度。

圖4 字符“4”和“6”發(fā)生筆畫粘連

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于使用Arial字體在YG6硬質(zhì)合金上進(jìn)行字符直接激光標(biāo)刻，當(dāng)標(biāo)刻對(duì)比度大于等于1.45時(shí)，字符比較完整且未發(fā)生筆畫粘連現(xiàn)象，當(dāng)脈沖重復(fù)頻率為18kHz、工作電流為9.5A、標(biāo)刻速度為1～5m/s時(shí)可以獲得較好的標(biāo)刻質(zhì)量。

進(jìn)一步的激光標(biāo)刻試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用i為9.3～9.7A、f為17.5～19kHz、v為1～5m/s的標(biāo)刻參數(shù)在YG6硬質(zhì)合金上進(jìn)行字符直接標(biāo)刻時(shí)，都可以獲得較好的標(biāo)刻對(duì)比度和字符完整性，并且基本無(wú)字符粘連現(xiàn)象，故將上述標(biāo)刻參數(shù)取值區(qū)間作為滿足后續(xù)圖像處理要求的最佳激光標(biāo)刻參數(shù)范圍。使用最佳標(biāo)刻參數(shù)范圍內(nèi)的工藝參數(shù)進(jìn)行激光標(biāo)刻的效果如圖5所示。

圖5 使用最佳標(biāo)刻參數(shù)范圍內(nèi)的工藝參數(shù)的激光標(biāo)刻效果圖

1.3 激光標(biāo)刻字符字體的改進(jìn)

在圓柱形刀具表面上標(biāo)刻字符不可避免地會(huì)面臨字符變形的問(wèn)題，主要原因有二條：①激光標(biāo)刻字符時(shí)刀具處于靜止?fàn)顟B(tài)，由于柱面曲率的存在使得標(biāo)刻好的字符發(fā)生變形，導(dǎo)致字符信息在標(biāo)刻階段就已經(jīng)部分失真；②在采集刀具柱面上的字符圖像時(shí)，同樣由于柱面曲率的原因?qū)е虏杉降膱D像上的字符底部發(fā)生很大的變形。

以上兩條原因?qū)е碌淖址冃螘?huì)使得字符識(shí)別成功率大大降低。如果標(biāo)刻字符的高度和刀具的直徑比值很小，則第一條原因?qū)е碌氖д婊旧峡梢院雎?。本文只考慮由于識(shí)別設(shè)備采集字符圖像時(shí)字符底部發(fā)生的變形失真。

由圖4可以看出，由CCD攝像機(jī)采集到的激光標(biāo)刻字符的圖像上會(huì)有一條強(qiáng)烈的白色反光帶。為了不影響字符的識(shí)別，在采集圖像時(shí)必須將刀具向下或向上旋轉(zhuǎn)以避開(kāi)反光帶。

以刀具標(biāo)刻字符向下旋轉(zhuǎn)避開(kāi)反光帶為例（圖6），有如下計(jì)算公式：

式中，θ為字符底部與刀具中心平面夾角，（°）；br為反光帶寬度；d為反光帶與字符間距；H為字符總高；R為刀具半徑；ba為字符底部橫線寬度；l為字符底部橫線弧長(zhǎng)即原長(zhǎng)。

圖6 標(biāo)刻字符在刀具圓柱表面變形示意圖

刀具向上旋轉(zhuǎn)避開(kāi)反光帶時(shí)計(jì)算公式類似。

為保證字符變形后各位置的線寬相等，需改變字符底部橫線寬度，因此本文將數(shù)碼管字體相應(yīng)字符進(jìn)行了改進(jìn)（當(dāng)?shù)毒邩?biāo)刻字符向下避開(kāi)反光帶時(shí)，則需要改變字符0、1、2、3、5、6、8的底部橫線線寬值；當(dāng)?shù)毒邩?biāo)刻字符向上避開(kāi)反光帶時(shí)，則需要改變字符0，1，2，3，5，7，8，9的頂部橫線線寬值）。

下面以φ3mm刀具為例作進(jìn)一步說(shuō)明。在YG6銑刀片平面和φ3mm立銑刀圓柱面進(jìn)行6位字符激光標(biāo)刻；利用CCD攝像機(jī)分別獲得銑刀片平面和φ3mm立銑刀圓柱面（刀具向下旋轉(zhuǎn)避開(kāi)反光帶）的標(biāo)刻字符圖像，如圖7、圖8所示。

圖7 YG6銑刀片平面上標(biāo)刻的字符圖像

圖8 φ3mm立銑刀圓柱面上標(biāo)刻的字符圖像

圖7中，字符8底邊橫線線寬為0.1176mm。圖8 對(duì)應(yīng)圖 7 中的l為 0.1176mm，br為0.2206mm，d為0.1470mm，H為0.6323mm，R為1.5mm，根據(jù)式（1）和式（2）可計(jì)算出字符變形為22.78%。

為了保證字符底部線寬近似與字符其他線寬（0.1176mm）相等，即字符變形不超過(guò)10%（這是為了滿足圖像識(shí)別正確率所必須的值，大于此值時(shí)識(shí)別的正確率會(huì)下降），反求出字符底部橫線線寬范 圍 為0.1366～0.1657mm，是 原 線 寬 的120%～140%，因?yàn)闃?biāo)刻字符向下避開(kāi)反光帶，所以只需要將字體文件中0、1、2、3、5、6、8字符底部橫線線寬修改為原高度的120%～140%。圖9所示為原字體和改進(jìn)字體。

圖9 原字體和改進(jìn)字體各數(shù)字字符

2 基于綜合特征向量的模板匹配識(shí)別方法

為了獲得較高的識(shí)別速度與識(shí)別率，本文引入基于特征向量的模板匹配法?；谔卣飨蛄康哪０迤ヅ浞ㄊ紫壤米址慕y(tǒng)計(jì)特征對(duì)大量樣本進(jìn)行特征提取作為特征向量，再利用特征向量進(jìn)行模板匹配，實(shí)現(xiàn)字符的識(shí)別。特征向量包含的信息過(guò)少會(huì)導(dǎo)致識(shí)別率下降，包含的信息過(guò)多又會(huì)大大增加識(shí)別時(shí)間。

本文在傳統(tǒng)特征向量算法［13－14］的基礎(chǔ)上引入突變位置和線寬的特征信息，提出了一種基于綜合特征向量的模板匹配法對(duì)字符進(jìn)行識(shí)別。綜合特征向量的特點(diǎn)主要是同時(shí)包含了像素突變次數(shù)和突變位置的信息（第一次突變位置和最后一次突變位置）。為了區(qū)分短線寬和長(zhǎng)線寬，本文的特征向量中還包含了白色像素點(diǎn)總數(shù)信息。為了克服逐行逐列掃描運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)，本文針對(duì)改進(jìn)數(shù)碼管字體的特點(diǎn)，選取了能夠包含該字體特征的最小掃描線數(shù)（8條穿越線）來(lái)進(jìn)行特征向量的提取。下面詳細(xì)介紹該算法中的綜合特征向量的提取以及字符識(shí)別的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

2.1 綜合特征向量的提取

在對(duì)單個(gè)字符圖像進(jìn)行識(shí)別前，首先將圖像尺寸統(tǒng)一調(diào)整為26×19像素大小，用5條水平線（對(duì)應(yīng)圖10中第4、9、13、18、23行）和3條垂直線（對(duì)應(yīng)圖10中第5、10、15列）分別從水平方向和豎直方向穿越圖片（圖10），其中掃描線的位置是在統(tǒng)計(jì)分析0～9十個(gè)數(shù)字單個(gè)字符圖片特點(diǎn)的基礎(chǔ)上分析總結(jié)出來(lái)的。取8個(gè)方向上像素突變次數(shù)（從0變成1或者從1變成0的次數(shù)）、白色像素點(diǎn)總數(shù)、第一次突變位置、最后一次突變位置共計(jì)32個(gè)數(shù)值作為字符原始特征向量。原始特征向量中由于白色像素點(diǎn)總數(shù)這一特征值比其他特征值大得多，為了使白色像素總數(shù)特征值與其他特征值的影響程度相似，將白色像素點(diǎn)總數(shù)除以4的值和其他特征值一起作為最終特征向量。第一次突變位置和最后一次突變位置按它所處的位置區(qū)域進(jìn)行取值，具體取值規(guī)則如下：設(shè)Pf和Pl分別為第一次和最后一次突變坐標(biāo)值（沿圖像的像素矩陣行方向掃描時(shí)，Pf和Pl取值為第一次突變所在的列號(hào)；沿矩陣列方向掃描時(shí)，Pf和Pl取值為第一次突變所在的行號(hào)），Vf和Vl分別為特征向量中第一次和最后一次突變位置分量，當(dāng)沿矩陣行方向掃描時(shí)，Vf和Vl按下式取值：

圖10 8個(gè)掃描方向位置表示和突變位置區(qū)域取值示意圖

當(dāng)沿矩陣列方向掃描時(shí)，Vf和Vl按下式取值：

本文對(duì)450個(gè)單個(gè)字符圖片提取特征向量，再對(duì)450個(gè)圖片按0～9字符進(jìn)行分類，計(jì)算出對(duì)應(yīng)0～9字符的特征向量的均值如表1所示，表1僅列出0～4字符的特征向量均值）。

表1 字符0～4的特征向量均值表

2.2 字符識(shí)別

在進(jìn)行字符匹配計(jì)算時(shí)，一般都采用最小距離判別函數(shù)或最小鄰域判別函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。本文中經(jīng)過(guò)除法變換后的4組特征向量（突變次數(shù)、白色像素點(diǎn)總和、第一次突變位置、最后一次突變位置）組間的區(qū)別不大，因此在識(shí)別時(shí)直接采用最小距離計(jì)算。計(jì)算公式為

式中，fi為待識(shí)別字符圖片的特征向量；Fi為模板的特征向量。

識(shí)別時(shí)，將待識(shí)別對(duì)象的特征向量fi與所有模板的特征向量Fi逐個(gè)進(jìn)行比較，并計(jì)算它們各自的D值，若存在小于設(shè)定閾值的D值，則選取D值最小的模板作為識(shí)別結(jié)果，若所有模板的特征向量與待識(shí)別對(duì)象的特征向量的D值均大于閾值，則可能是輸入的圖片中的噪聲太多或者變形太大，導(dǎo)致無(wú)法識(shí)別。

本文采用改進(jìn)數(shù)碼管字體作為激光標(biāo)刻字體，選取270幅刀具編碼字符圖像用于字符識(shí)別算法測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明字符的正確識(shí)別率超過(guò)了95%，說(shuō)明本文識(shí)別算法的識(shí)別準(zhǔn)確率較高，可滿足企業(yè)對(duì)識(shí)別正確率的要求。

［1］胡偉，謝小柱，黃平，等.面向全生命周期的刀具管理系統(tǒng)研究［J］.工具技術(shù)，2008，42（3）：79－81.

［2］葉冬芬，周建強(qiáng)，韓雙霞.基于刀具全壽命周期管理的信息編碼研究［J］.機(jī)械制造，2009，47（12）：5－8.

［3］王蘇安，何衛(wèi)平，張維，等.刀具直接標(biāo)刻與識(shí)別技術(shù)研究［J］.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2007，13（6）：1169－1173.

［4］張成海，張鐸.現(xiàn)代自動(dòng)識(shí)別技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2003.

［5］胡生清，王執(zhí)泉.E555射頻卡在刀具識(shí)別中的應(yīng)用［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2002，24（12）：45－50.

［6］吳寧，王建華.數(shù)控加工中刀具射頻識(shí)別技術(shù)的實(shí)現(xiàn)［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2005（5）：73－77.

［7］Keegan W B.Application of Data Matrix Identification Symbols to Aerospace Parts Using Direct Part Marking Methods/Techniques，NASA－ HDBK－6003［R］.Atalanta：Materias，Processes and Manufacturing Department of NASA，2001.

［8］Lebkuechner G.Guideline for Direct Part Marking of Aero Engine Parts［R］.Munich：MTU Aero Engines，2001.

［9］Crazythunder B.Mobile Marking Cart［R］.St Louis：Monode Marking Products Inc，2003.

［10］Andresen J.Mark It，Track It，Share It—Parts Marking for Traceability［R］.Orlando：Center for Auto ID，Ohio University，2002.

［11］Jangsombatsiri W.Porter J D.Laser Direct－Part Marking of Data Matrix Symbols on Carbon Steel Substrates［J］.Manufacturing Science and Engineering，2007，129：583－591.

［12］王蘇安.面向全壽命周期管理的刀具直接標(biāo)識(shí)與信息追蹤技術(shù)研究［D］.西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007.

［13］王亞坤，曾德良，李向菊.一種新穎的數(shù)字識(shí)別算法［J］.電力科學(xué)與工程，2009，25（1）：76－78.

［14］Li Yun，Xie Mei.An Effective Method for Number and Letter Character Recognition［C］//Proceeding of 11th ICCT.Hangzhou，2009，11：708－710.