整體硬質(zhì)合金刀具二維碼的直接激光標(biāo)刻與檢驗(yàn)*

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京 210016）

刀具是車間生產(chǎn)的重要資源，對(duì)刀具的追蹤管理是車間刀具管理的關(guān)鍵。在刀具管理過程中刀具信息編碼無疑是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，現(xiàn)在越來越多的刀具管理系統(tǒng)采用激光在刀具表面標(biāo)刻攜帶刀具信息編碼的二維碼作為刀具信息識(shí)別的手段[1-2]。然而，對(duì)于表面光滑、反光且材料硬度極高的刀具材料，要在其表面標(biāo)刻清晰可讀的條碼十分困難。其難點(diǎn)在于激光標(biāo)刻參數(shù)的選擇，即沒有合適的標(biāo)刻參數(shù)選擇就難以標(biāo)刻出清晰可讀的條碼，進(jìn)而無法保證基于條碼識(shí)別的刀具管理系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

目前，在進(jìn)行整體硬質(zhì)合金刀具的二維條碼激光標(biāo)刻時(shí)，如何調(diào)節(jié)激光標(biāo)刻參數(shù)以獲得高質(zhì)量的條碼暫時(shí)還沒有專門參數(shù)選擇基準(zhǔn)。操作者只能靠經(jīng)驗(yàn)選擇標(biāo)刻參數(shù)，無法確保二維條碼質(zhì)量，而激光標(biāo)刻零件條碼的質(zhì)量是影響識(shí)讀設(shè)備能否正確、快速識(shí)讀條碼內(nèi)容的根本因素[3-4]。直接激光標(biāo)刻（Direct Laser Part Marking，簡(jiǎn)稱DLPM ）技術(shù)，指直接在物體表面采用激光標(biāo)識(shí)可機(jī)器識(shí)別的代碼的一種標(biāo)識(shí)技術(shù)，利用DLPM技術(shù)可以在刀具一類的圓柱表面上標(biāo)刻出攜帶特定信息的二維條碼。Yasa等[5]曾分析了脈沖頻率、掃描速度等標(biāo)刻工藝參數(shù)對(duì)在45鋼等金屬表面標(biāo)刻字母和圖形的深度、寬度和清晰度的影響；李夏霜等[6]研究了鋁合金表面激光標(biāo)刻Data Matrix條碼標(biāo)刻參數(shù)和條碼質(zhì)量的關(guān)系；王蘇安[7-8]等研究了45鋼和Wu18Cr4V高速鋼材料直接激光標(biāo)刻對(duì)刀具識(shí)別可靠性和刀具力學(xué)性能影響。然而，目前在硬質(zhì)合金刀具表面進(jìn)行直接激光標(biāo)刻參數(shù)選擇和條碼質(zhì)量檢測(cè)的研究仍相對(duì)較少。如何在硬質(zhì)合金材料（刀桿）表面標(biāo)刻出清晰可讀的刀具信息條碼，對(duì)后繼刀具管理系統(tǒng)的正常運(yùn)行帶來了一定的挑戰(zhàn)。

綜上所述，為選擇合適的激光標(biāo)刻參數(shù)以獲得高質(zhì)量的整體硬質(zhì)合金刀具信息二維條碼，分別以激光標(biāo)刻參數(shù)如功率、速率、頻率等作為對(duì)象進(jìn)行單因素試驗(yàn)，得到最佳的標(biāo)刻參數(shù)；進(jìn)而改變條碼尺寸進(jìn)行重復(fù)標(biāo)刻試驗(yàn)，獲得光纖激光器標(biāo)刻Data Matrix條碼的標(biāo)刻參數(shù)選擇基準(zhǔn)；最后進(jìn)行條碼可讀性試驗(yàn)，模擬工廠實(shí)際情況對(duì)條碼的可讀性影響因素進(jìn)行詳細(xì)分析，從而為推廣應(yīng)用硬質(zhì)合金刀具直接激光標(biāo)刻技術(shù)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)對(duì)象與設(shè)備

試驗(yàn)需要標(biāo)刻的對(duì)象為整體硬質(zhì)合金刀具，刀桿直徑15mm，材料為硬質(zhì)合金，刀具桿表面沒有涂層，顏色深灰色偏暗。對(duì)于標(biāo)刻試驗(yàn)選擇的條碼Data Matrix（簡(jiǎn)稱DM），刀具可用于標(biāo)刻的面積很小，而DM條碼發(fā)展的構(gòu)想是希望在較小的條碼標(biāo)簽上存入更多的資料量[9-10]。

試驗(yàn)所選擇的激光器為IPG YLP 0.5mJ脈沖摻鐿光纖激光器，見圖1，采用發(fā)射波長(zhǎng)1062nm 左右和峰值功率高達(dá)20kW的周期性脈沖序列。試驗(yàn)用條碼掃描槍為Honeywell Xen-on 1902GSR無線條碼掃描槍，見圖2。

圖1 脈沖摻鐿光纖激光器Fig.1 Pulsed Yb-doped fiber laser

圖2 無線條碼掃描槍Fig.2 Wireless barcode scanner

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)總共分為3步進(jìn)行。

第1步，試驗(yàn)預(yù)處理。由于刀具表面光滑反光，會(huì)使一定的激光能量反射，不能標(biāo)刻出具有明顯對(duì)比度的條碼，所以試驗(yàn)開始前先要在標(biāo)刻的部位進(jìn)行一定的去光滑、反光處理即毛化處理。

第2步，激光標(biāo)刻試驗(yàn)。首先基于經(jīng)驗(yàn)選擇標(biāo)刻參數(shù)，如激光光斑直徑、功率、頻率、速率等，而后通過單因素試驗(yàn)，進(jìn)行多次標(biāo)刻比對(duì)標(biāo)刻圖形和識(shí)讀性以獲得最佳標(biāo)刻參數(shù)，最后改變條碼尺寸重復(fù)上述試驗(yàn)得出參數(shù)選擇基準(zhǔn)。

第3步，條碼可讀性檢驗(yàn)試驗(yàn)。條碼的可讀性就是指二維條碼在特定條件（光線強(qiáng)度、識(shí)讀角度、識(shí)讀距離）下，通過二維條碼掃描槍掃描條碼，從而在計(jì)算機(jī)上顯示出條碼中所包含信息這一過程的二維條碼特性。本階段將模擬多種情況對(duì)條碼的識(shí)讀性進(jìn)行檢驗(yàn)，主要針對(duì)條碼殘缺度、環(huán)境光線、識(shí)讀距離、識(shí)讀角度等分別進(jìn)行單因素試驗(yàn)，以確定每一個(gè)因子對(duì)條碼可讀性的影響程度。為此，本試驗(yàn)中將可讀性等級(jí)分為：易、較易、較難、難、不識(shí)讀，依次以A、B、C、D、E表示。以掃描時(shí)間為衡量標(biāo)準(zhǔn)，A為0.3s內(nèi)，B為0.3～0.8s，C為0.8～1.5s，D為 1.5～3.0s，E 為大于3.0s。

此外，可讀性試驗(yàn)研究的過程中需要檢測(cè)的信息主要有識(shí)讀距離、識(shí)讀時(shí)間、識(shí)讀角度。其中識(shí)讀時(shí)間是指從開始掃描到計(jì)算機(jī)上出現(xiàn)條碼信息所用的時(shí)間，識(shí)讀角度和識(shí)讀距離如圖3所示。

圖3 條碼掃描識(shí)讀示意圖Fig.3 Schematic diagram of barcode scanning read

2 試驗(yàn)預(yù)處理

試驗(yàn)預(yù)處理階段就是對(duì)刀具表面進(jìn)行毛化處理，即在需要標(biāo)刻條碼的位置上用激光進(jìn)行預(yù)先去反光，使其表面略粗糙，從而提高識(shí)讀性能的處理過程。由于毛化處理只是試驗(yàn)的一個(gè)預(yù)處理部分，對(duì)精度沒有要求，所以毛化處理參數(shù)根據(jù)激光標(biāo)刻經(jīng)驗(yàn)值選擇低頻率、小線能量輸入，即較低的功率、頻率和較高的速率。

具體的毛化處理參數(shù)：光斑直徑100μm，頻率20kHz，功率4W，速率450mm/s。圖4（a）為毛化處理后的標(biāo)刻效果，圖4（b）為沒有毛化處理的標(biāo)刻圖形。其中，白色的部分表示毛化處理之后的效果，邊緣黑色的部分是沒有毛化處理的效果。通過圖4發(fā)現(xiàn)毛化處理后標(biāo)刻的條碼清晰可見。

圖4 毛化處理前后的條碼Fig.4 Barcodes before and after roughening

3 激光標(biāo)刻試驗(yàn)與分析

圖4中二維碼圖形為標(biāo)刻試驗(yàn)DM條碼圖形，該條碼信息為：1234567890ABCDE/nABCDEFGHIJK/nwww.nuaatms.com（其中/n表示換行）。標(biāo)刻試驗(yàn)條碼尺寸為：8mm×8mm。試驗(yàn)開始前先根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)選擇標(biāo)刻的參數(shù)：光斑直徑4μm，頻率50kHz，功率12W，速率250mm/s。然后以該參數(shù)為參考依次進(jìn)行單因素試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1～3所示。

分析表1中的試驗(yàn)結(jié)果可以得出，條碼可讀性易、圖形清晰的幾組試驗(yàn)速率都偏小，速率變大之后條碼圖形明顯變得不清晰并且可讀性較差。其原因在于速率過大使得激光在刀具某一部位停留時(shí)間過短，刀具表面單位面積內(nèi)沒有吸收足夠的激光能量從而導(dǎo)致標(biāo)刻效果不佳，而激光能量是標(biāo)刻效果優(yōu)劣的最直接衡量標(biāo)準(zhǔn)之一。因此，此時(shí)最佳標(biāo)刻速率為100mm/s。

分析表2中的試驗(yàn)結(jié)果可以得出，條碼可讀性易、圖形清晰的幾組試驗(yàn)功率都比較大，在功率逐漸變小到臨界值10W之后條碼圖形變得極其模糊，其原因在于單位能量密度變低，刀具表面單位面積吸收不到足夠的激光能量，使得標(biāo)刻條碼效果變差。因此，此時(shí)最佳標(biāo)刻功率為16W。

分析表3中的試驗(yàn)結(jié)果可以得出，條碼可讀性易、圖形清晰的幾組試驗(yàn)頻率都偏大，頻率逐漸變小之后條碼圖形明顯變得很不清晰，當(dāng)頻率低至40kHz時(shí)條碼不識(shí)讀，并且條碼的黑、白色部分邊緣變得很難界定，在頻率最高的100kHz時(shí)標(biāo)刻的條碼圖形同樣不清晰，可讀性也不高。因此，此時(shí)最佳的標(biāo)刻頻率為70kHz。

通過以上試驗(yàn)分析，得出8mm×8mm尺寸DM條碼在硬質(zhì)合金刀具上最佳激光標(biāo)刻參數(shù)光斑直徑4μm，頻率70kHz，功率16W，速率100mm/s。重復(fù)上述試驗(yàn)得出條碼尺寸為：10mm×10mm、9mm×9mm、8mm×8mm、7mm×7mm、6mm×6mm、5mm×5mm、4mm×4mm這幾個(gè)尺寸系列的DM條碼最佳標(biāo)刻參數(shù)如圖5所示。

通過觀察圖5中折線變化趨勢(shì)可以看出，激光標(biāo)刻的 頻率基本為 65～75kHz，功率 13～16W，速率80～120mm/s。相比較該型激光器參數(shù)取值范圍：頻率20～100kHz，功率 0～20W，速率 0～1000mm/s，在 DM 條碼尺寸變化時(shí)，試驗(yàn)中激光標(biāo)刻參數(shù)變化范圍很小。因此，得出整體硬質(zhì)合金刀具激光標(biāo)刻參數(shù)選擇基準(zhǔn)：高頻率、大線能量輸入即大功率（大于13W）、低速率（小于150mm/s）、偏高頻率（65～75kHz）。

表1 不同速率下的條碼標(biāo)刻及其可讀性

表2 不同功率下的條碼標(biāo)刻及其可讀性

表3 不同頻率下的條碼標(biāo)刻及其可讀性

圖5 不同尺寸條碼對(duì)應(yīng)的有效激光直接標(biāo)刻參數(shù)Fig.5 Effective laser marking parameters of different size barcodes

4 條碼識(shí)讀性檢驗(yàn)與分析

DM條碼雖然有一定的糾錯(cuò)能力，但在實(shí)際生產(chǎn)中，條碼識(shí)讀還是有很多問題，需要對(duì)條碼可讀性檢驗(yàn)。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，刀具往往一直被冷卻潤(rùn)滑液沖刷，而且在工廠中刀具被其他硬度高的工件碰撞，極有可能會(huì)使條碼部分損壞，造成條碼的殘缺不全，給條碼的識(shí)讀帶來困難，所以需要檢測(cè)條碼在有一定殘缺的情況下可讀性問題[11-12]。另外，掃描極有可能在很強(qiáng)或很暗的極端條件下，同時(shí)條碼掃描時(shí)高度、角度也不定，所以還需要檢測(cè)在不同的光照條件、識(shí)讀距離、識(shí)讀角度下條碼的識(shí)讀性。

試驗(yàn)采集的作為衡量條碼可讀性優(yōu)劣的信息包括識(shí)讀距離、識(shí)讀時(shí)間和可讀性。試驗(yàn)采用的條碼圖形為尺寸8mm×8mm，條碼采用的參數(shù)為以上試驗(yàn)中推薦值，條碼標(biāo)刻清晰可見，正常情況下識(shí)讀容易。

4.1 條碼殘缺對(duì)識(shí)讀性影響

在正常光線下條碼在不同殘缺形式下識(shí)讀性問題。條碼的殘缺類型大體分為3類：第一，殘缺一邊；第二，殘缺一角；第三，中心部位殘缺。試驗(yàn)過程中分別檢測(cè)這3種情況下識(shí)讀距離、識(shí)讀性，另外試驗(yàn)還檢測(cè)了條碼信息完整度。表4為不同條碼殘缺形式下可讀性，條碼殘缺利用粘貼一些標(biāo)簽遮擋進(jìn)行模擬。

表4 不同殘缺形式的條碼可讀性

試驗(yàn)結(jié)果顯示整體硬質(zhì)合金刀具直接激光標(biāo)刻的DM條碼能被識(shí)別出來的有3種情況，并且沒有任何信息丟失。這3幅圖中一個(gè)共同點(diǎn)就是沒有遮擋DM條碼的黑色定位邊，這與DM條碼本身的特點(diǎn)相符合，不識(shí)別的圖形都由于定位邊被遮擋的超過30%而不能被識(shí)讀出來。由此結(jié)合DM ECC200條碼Reed-Solomon糾錯(cuò)算法的30%糾錯(cuò)能力，直接激光標(biāo)刻DM條碼在定位邊沒有殘缺或一邊殘缺小于30%情況下，其他部位30%以內(nèi)的殘缺可以正確識(shí)讀，并且不會(huì)有條碼信息的丟失，兩邊定位邊都有殘缺或者一邊定位邊殘缺超過30%不能識(shí)讀。

4.2 外界因素對(duì)識(shí)讀性影響

外界環(huán)境因素主要包括光線強(qiáng)度、識(shí)讀距離和識(shí)讀角度，其中識(shí)讀距離本身是作為試驗(yàn)輸出的一個(gè)參量。考慮到某些不確定工況條件下識(shí)讀距離有限，所以研究識(shí)讀距離對(duì)條碼識(shí)讀性的影響是有必要的，試驗(yàn)以平均識(shí)讀時(shí)間作為應(yīng)變量進(jìn)行分析。試驗(yàn)選擇8mm×8mm DM條碼，標(biāo)刻的參數(shù)為以上試驗(yàn)中推薦值，條碼清晰可見，正常情況下識(shí)讀容易，如圖6所示。

檢測(cè)不同的光線條件下條碼的識(shí)讀性。由于試驗(yàn)對(duì)光強(qiáng)具體值的大小沒有很高的精度要求，所以試驗(yàn)只需檢測(cè)肉眼可分辨的強(qiáng)光、正常光線、暗光、無可見光這4種情況下可讀性、識(shí)讀距離，不需要測(cè)量強(qiáng)的具體數(shù)值，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

通過對(duì)表5中數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)光下由于反光嚴(yán)重不能識(shí)讀，在暗光下由于光線不足造成很難識(shí)讀。由此本文建議在掃描條碼時(shí)最好在光源充足的環(huán)境下或者選擇能夠發(fā)出可見紅光的掃描槍來識(shí)讀條碼。

在條碼完整度100%、正常光線下，依次以識(shí)讀角度、識(shí)讀距離作為自變量，以平均識(shí)讀時(shí)間為應(yīng)變量，對(duì)比不同識(shí)讀角度和識(shí)讀距離下平均識(shí)讀時(shí)間，以此得出識(shí)讀角度和識(shí)讀距離對(duì)條碼識(shí)讀性的影響。圖7為不同識(shí)讀距離下條碼的平均識(shí)讀時(shí)間。表6為不同識(shí)讀角度下識(shí)讀性測(cè)試結(jié)果。

圖6 可讀性檢驗(yàn)試驗(yàn)條碼Fig.6 Barcode of readability test experiment

通過對(duì)圖7中數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，識(shí)讀距離在30～160mm，標(biāo)刻的DM條碼是可以識(shí)讀的，但是可讀性差異很大，并且在可識(shí)讀的范圍內(nèi)，平均識(shí)讀時(shí)間基本呈線性增長(zhǎng)。由此得出，對(duì)于8mm×8mm的DM條碼最適合的識(shí)讀距離是30～50mm，超過該距離可讀性會(huì)下降。通過對(duì)表6記錄的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，識(shí)讀角度對(duì)條碼的可讀性影響也很大，在正常的識(shí)讀距離下，識(shí)讀角度接近或等于90°時(shí)，DM條碼可讀性才比較好，識(shí)讀角度不同條碼可讀性變化亦非常明顯。

表5 不同光線條件的條碼識(shí)讀性

圖7 不同識(shí)讀距離下平均識(shí)讀時(shí)間Fig.7 Average read time of different read distances

表6 不同識(shí)讀角度下的條碼識(shí)讀性

5 結(jié)論

刀具信息條碼的標(biāo)刻是基于條碼識(shí)別技術(shù)的刀具管理系統(tǒng)中一個(gè)重要技術(shù)難題，而利用DLPM技術(shù)可以在整體硬質(zhì)合金刀具表面進(jìn)行條碼激光標(biāo)刻。本文通過大量激光標(biāo)刻試驗(yàn)和條碼可讀性測(cè)試試驗(yàn)得出了如下結(jié)論。

（1）對(duì)整體硬質(zhì)合金刀具上進(jìn)行DM條碼激光標(biāo)刻時(shí)，激光毛化預(yù)處理應(yīng)該采用低頻率、小線能量，而為使標(biāo)刻與激光毛化預(yù)處理表面形成明顯對(duì)比，提高標(biāo)刻的可讀性，標(biāo)刻參數(shù)應(yīng)該選擇高頻率、大線能量輸入。

（2）對(duì)于給定的DM圖形和標(biāo)刻刀具材料，條碼尺寸變化時(shí)標(biāo)刻參數(shù)不會(huì)有明顯變化，即條碼尺寸適當(dāng)變化不會(huì)影響標(biāo)刻參數(shù)選擇。

（3）直接激光標(biāo)刻DM條碼在定位邊是否有一定殘缺是條碼能否識(shí)讀的關(guān)鍵；外界因素（光線、識(shí)讀距離、識(shí)讀角度）對(duì)條碼可讀性影響很大，其中光線最好為正常光線，識(shí)讀距離 30～50mm，識(shí)讀角度 90°±10°。

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