零件表面激光直接標(biāo)刻二維條碼的工藝參數(shù)優(yōu)化研究

解志鋒 張 維 雷 蕾 何衛(wèi)平

西北工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安,710072

零件表面激光直接標(biāo)刻二維條碼的工藝參數(shù)優(yōu)化研究

解志鋒 張 維 雷 蕾 何衛(wèi)平

西北工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安,710072

針對(duì)零件表面激光直接標(biāo)刻二維條碼工藝參數(shù)選擇中存在的盲目性進(jìn)行了試驗(yàn)研究,主要分析了有效矢量步長(zhǎng)、有效矢量步間延時(shí)、電流及Q-Sw itch頻率這4個(gè)激光標(biāo)刻工藝參數(shù)及其交互作用對(duì)激光標(biāo)刻二維條碼質(zhì)量的影響。優(yōu)化了零件表面激光標(biāo)刻二維條碼的工藝參數(shù),并建立了優(yōu)化模型,為標(biāo)刻高質(zhì)量二維條碼提供了保障。

激光標(biāo)刻;零件表面;二維條碼質(zhì)量;工藝參數(shù)優(yōu)化

0 引言

直接標(biāo)識(shí)技術(shù)(directpartmarking,DPM)是指直接在物體表面標(biāo)識(shí)可機(jī)器識(shí)別的代碼的一種標(biāo)識(shí)技術(shù)。直接激光標(biāo)刻零件編碼技術(shù)是直接標(biāo)識(shí)技術(shù)和二維條碼技術(shù)的融合,它利用具有適當(dāng)能量的激光束在零件平面、圓柱面或圓錐面上形成一定深度的、永久性的二維條碼圖像,可通過(guò)條碼識(shí)讀設(shè)備讀取條碼內(nèi)容以實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的追蹤管理。

目前,進(jìn)行零件的二維條碼激光標(biāo)刻時(shí),如何調(diào)節(jié)激光標(biāo)刻工藝參數(shù)以獲得高質(zhì)量的條碼并沒(méi)有科學(xué)有效的方法。操作者只能靠經(jīng)驗(yàn)選擇標(biāo)刻參數(shù),無(wú)法確保二維條碼質(zhì)量。而激光直接標(biāo)刻零件編碼的質(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。目前,國(guó)內(nèi)學(xué)者在因標(biāo)刻參數(shù)影響激光束路徑而使激光標(biāo)刻圖像產(chǎn)生暈染、缺失等方面有很多研究成果[1-2]。激光開(kāi)延時(shí)、拐彎延時(shí)、跳轉(zhuǎn)延時(shí)過(guò)大會(huì)使圖像產(chǎn)生暈染,而過(guò)小則會(huì)使圖像產(chǎn)生缺失、失真的現(xiàn)象。另外,清華大學(xué)、澳門(mén)大學(xué)以及比利時(shí)的Catholic University of Leuven等單位的一些研究人員則分析了脈沖頻率、掃描速度等標(biāo)刻工藝參數(shù)對(duì)標(biāo)刻字母和圖形的深度、寬度和清晰度的影響,其研究結(jié)果顯示,隨著掃描速度的提高,圖像深度、寬度減小,標(biāo)刻對(duì)比度下降,當(dāng)掃描速度增大到一定值后,標(biāo)刻圖像的質(zhì)量迅速下降[3-6]。但目前關(guān)于激光直接標(biāo)刻的工藝參數(shù)影響二維條碼質(zhì)量方面的研究還未見(jiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道。

為了選擇合適的激光標(biāo)刻工藝參數(shù)以獲得高質(zhì)量的零件二維條碼,本文通過(guò)大量的試驗(yàn),著重分析研究了有效矢量步長(zhǎng)、有效矢量步間延時(shí)、電流、Q-Switch頻率[7]等激光標(biāo)刻工藝參數(shù)及其交互作用對(duì)激光標(biāo)刻零件二維條碼質(zhì)量的影響趨勢(shì)以及顯著性程度。

1 試驗(yàn)思路

根據(jù)相關(guān)資料及二維條碼印刷質(zhì)量檢驗(yàn)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[8],矩陣式二維條碼圖像的質(zhì)量等級(jí)指標(biāo)中的對(duì)比度,即符號(hào)對(duì)比度(symbol contrast,SC)和打印增長(zhǎng)會(huì)對(duì)二維條碼質(zhì)量等級(jí)產(chǎn)生重要影響,即條碼圖像的質(zhì)量等級(jí)主要通過(guò)符號(hào)對(duì)比度、打印增長(zhǎng)等特性來(lái)評(píng)定,而這幾項(xiàng)指標(biāo)的獲得主要受激光標(biāo)刻過(guò)程工藝參數(shù)變化的影響。

在激光直接標(biāo)刻零件編碼的工藝參數(shù)試驗(yàn)中采用的設(shè)備包括半導(dǎo)體泵浦ND:YAG激光雕刻機(jī)、條碼檢測(cè)儀、標(biāo)刻零件和識(shí)讀夾持工裝等。試驗(yàn)過(guò)程分為試驗(yàn)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)操作、試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析三部分。首先,在確定好試驗(yàn)因素的前提下,根據(jù)試驗(yàn)確定各因素值的選取范圍,保證試驗(yàn)的有效性。然后在選取范圍內(nèi),對(duì)各因素水平值進(jìn)行設(shè)計(jì),并按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行激光二維條碼標(biāo)刻,如圖1所示。通過(guò)條碼檢測(cè)儀,根據(jù)DPM標(biāo)準(zhǔn)對(duì)條碼質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn),獲得條碼質(zhì)量符號(hào)對(duì)比度、打印增長(zhǎng)指標(biāo)的數(shù)據(jù),進(jìn)行影響顯著性及趨勢(shì)分析,并獲得分析結(jié)果。試驗(yàn)過(guò)程如圖2所示。

圖1 激光直接標(biāo)刻零件標(biāo)識(shí)

圖2 激光直接標(biāo)刻零件標(biāo)識(shí)的工藝參數(shù)試驗(yàn)示意圖

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)分析方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及文獻(xiàn)資料,有效矢量步長(zhǎng)、有效矢量步間延時(shí)、電流、Q-Sw itch頻率及Q-Sw itch釋放時(shí)間這5個(gè)激光標(biāo)刻工藝參數(shù)是激光標(biāo)刻中的重要影響因素。激光標(biāo)刻機(jī)使用要求中明確規(guī)定Q-Sw itch頻率及Q-Sw itch釋放時(shí)間兩參數(shù)的乘積必須恒為常數(shù),所以試驗(yàn)中確定以有效矢量步長(zhǎng)、有效矢量步間延時(shí)、Q-Sw itch頻率、電流作為固定因子(依次為因子A、因子B、因子C、因子D)。根據(jù)試驗(yàn)確定各標(biāo)刻工藝參數(shù)的取值范圍,確保試驗(yàn)的有效性。在取值范圍內(nèi)對(duì)各標(biāo)刻工藝參數(shù)選擇3個(gè)不同的水平,如表1所示。

表1 標(biāo)刻工藝參數(shù)及其水平

為使試驗(yàn)過(guò)程中環(huán)境不可控因素的敏感性最小,即因環(huán)境不可控因素導(dǎo)致的誤差最小,我們?cè)谶M(jìn)行試驗(yàn)時(shí),試驗(yàn)安排序號(hào)采用隨機(jī)順序,并盡量保證試驗(yàn)操作過(guò)程的一致性。同時(shí),遵循重復(fù)試驗(yàn)原則,減小方法和操作等帶來(lái)的以個(gè)體差異為主的各種誤差。試驗(yàn)設(shè)計(jì)選擇因子設(shè)計(jì)法,該方法不僅考慮到每個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響效應(yīng),同時(shí)考慮各因素之間交互作用對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響效應(yīng)。

2.2 方差分析方法

方差是在隨機(jī)干擾存在的情況下,把各因素變化所產(chǎn)生的影響分離出來(lái)進(jìn)而作出因素變化對(duì)研究對(duì)象是否有顯著性影響的推斷[9]。因子設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)方差分析過(guò)程中,在求出每一組合下3次觀察值之和后,按照因子設(shè)計(jì)代數(shù)符號(hào)表,求出各因子及交互作用效果對(duì)應(yīng)的對(duì)照值,以有效矢量步長(zhǎng)(因子A)為例,其對(duì)照值計(jì)算公式為

式中,Ar為指各因子以A為基準(zhǔn)的不同水平組合;m為所有因子不同水平的組合數(shù);yr為不同水平組合下的值。

計(jì)算與每個(gè)對(duì)照值對(duì)應(yīng)的離差平方和:

式中,a為因子A的水平數(shù);b為因子B的水平數(shù);c為因子C的水平數(shù);d為因子D的水平數(shù);yijkl為 A、B、C、D因子不同水平下的效果值;y為 A、B、C、D因子不同水平下的效果值的和。

以及誤差平方和:

式中,SCD為因子C、D的相互作用的離差平方和的值。

通過(guò)離差平方和及各因素的自由度求出均方,則F比的值為各因素的均方與誤差均方值的比。

3 激光標(biāo)刻工藝參數(shù)對(duì)二維條碼對(duì)比度的影響

對(duì)比度是零件激光直接標(biāo)刻二維條碼能否被掃描設(shè)備正確識(shí)讀的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一,是標(biāo)刻基底材料表面顏色與其經(jīng)過(guò)激光束照射,表層物質(zhì)發(fā)生化學(xué)變化后顏色的反差程度。對(duì)比度受激光標(biāo)刻工藝參數(shù)變化的影響而影響Data Matrix二維條碼質(zhì)量。

表2為各激光標(biāo)刻工藝參數(shù)不同組合情況下條碼對(duì)比度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。分析過(guò)程中,考慮各因素及相互之間交互作用影響,并給出顯著度α=0.05,查出顯著度F檢驗(yàn)的臨界值F A(a,b)。從中可以看出激光標(biāo)刻工藝參數(shù)中有效矢量步長(zhǎng)、有效矢量步間延時(shí)、電流以及有效矢量步長(zhǎng)與有效矢量步間延時(shí)的交互作用對(duì)Data M atrix二維條碼質(zhì)量指標(biāo)中對(duì)比度的影響顯著。而QSw itch頻率的影響較小。

表2 因變量為對(duì)比度的方差分析表

3.1 有效矢量步長(zhǎng)、有效矢量步間延時(shí)對(duì)二維條碼對(duì)比度的影響

有效矢量步長(zhǎng)是指將打標(biāo)筆畫(huà)劃分成許多等份,每份的長(zhǎng)度。隨著有效矢量步長(zhǎng)的增大,標(biāo)刻深度減小,精度降低,而標(biāo)刻速度增大。有效矢量步長(zhǎng)調(diào)整范圍為0.001mm到0.03mm。隨著標(biāo)刻深度減小,精度降低,Data M atrix二維條碼的對(duì)比度下降,如圖3所示。當(dāng)有效矢量步長(zhǎng)超過(guò)0.015mm后,二維條碼的對(duì)比度已經(jīng)難以滿足掃描設(shè)備對(duì)條碼的識(shí)讀要求。

圖3 有效矢量步長(zhǎng)的影響

有效矢量步間延時(shí)是指給每份有效矢量步長(zhǎng)預(yù)置的時(shí)間,該參數(shù)也可以明顯改變雕刻的速度、精度和深度,如圖4所示。有效矢量步間延時(shí)越大,二維條碼對(duì)比度越大,而當(dāng)該參數(shù)大于120μs時(shí),由于金屬表面物質(zhì)過(guò)度氧化,使得 Data

打印增長(zhǎng)是指在激光束的照射下,標(biāo)刻出的實(shí)際二維條碼與理想狀態(tài)下的二維條碼在X軸、Y軸上的百分比。它也是零件激光直接標(biāo)刻二維條碼能否被掃描設(shè)備正確識(shí)讀的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一。本文分別對(duì)X方向、Y方向的打印增長(zhǎng)進(jìn)行研究。表3為激光標(biāo)刻工藝參數(shù)對(duì)打印增長(zhǎng)影響的方差分析表。Matrix二維條碼無(wú)法識(shí)讀。

3.2 電流對(duì)二維條碼對(duì)比度的影響

激光電源工作電流的大小能夠改變激光的輸出能量,從而改變激光束對(duì)基體材料表層物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)程度,并進(jìn)而影響零件直接激光標(biāo)刻二維條碼的對(duì)比度大小,其影響趨勢(shì)如圖5所示。

圖5 電流的影響

4 激光標(biāo)刻工藝參數(shù)對(duì)二維條碼打印增長(zhǎng)的影響

表3 因變量為X方向、Y方向打印增長(zhǎng)的方差分析表

將表3中各因素F值與顯著度F檢驗(yàn)的臨界值比較后得到:有效矢量步長(zhǎng)、有效矢量步間延時(shí)及電流對(duì)Data Matrix二維條碼質(zhì)量指標(biāo)中X方向、Y方向的打印增長(zhǎng)的影響顯著;其余的激光標(biāo)刻工藝參數(shù)及相互之間的交互作用對(duì)其影響不顯著。

隨著有效矢量步長(zhǎng)的增大,X方向、Y方向的打印增長(zhǎng)逐漸減小(圖6)。相反,隨著有效矢量步間延時(shí)的增大,打印增長(zhǎng)逐漸增大(圖7)。電流的增大,激光能量增大,導(dǎo)致激光束經(jīng)過(guò)基體材料表面后,基體材料發(fā)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng),打印增長(zhǎng)的百分比升高(圖8)。

圖6 有效矢量步長(zhǎng)對(duì)打印增長(zhǎng)的影響

圖7 有效矢量步間延時(shí)對(duì)打印增長(zhǎng)的影響

圖8 電流對(duì)打印增長(zhǎng)的影響

5 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的激光標(biāo)刻工藝參數(shù)優(yōu)化模型

激光標(biāo)刻工藝參數(shù)與二維條碼質(zhì)量指標(biāo)中的對(duì)比度和打印增長(zhǎng)之間存在復(fù)雜的非線性關(guān)系,這使得標(biāo)刻工藝參數(shù)對(duì)二維條碼質(zhì)量的理論數(shù)學(xué)模型很難建立。采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),利用其高度非線性映射、自組織、自學(xué)習(xí)和聯(lián)想記憶等功能,使工藝參數(shù)與二維條碼質(zhì)量之間的非線性問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)線性優(yōu)化問(wèn)題,這樣就可表達(dá)激光標(biāo)刻工藝參數(shù)與二維條碼質(zhì)量之間的定量關(guān)系。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是指基于誤差反向傳播算法的多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),是目前應(yīng)用最為廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,模型中有輸入、隱含和輸出3種神經(jīng)元。層與層之間采用全互連方式,同層各神經(jīng)元之間不相互連接[10]。且理論上已經(jīng)證明在不限制隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)的情況下,只有一個(gè)隱含層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)任意非線性映射。本研究的數(shù)據(jù)便于獲取,映射關(guān)系復(fù)雜,所以采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來(lái)建立。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果,在激光標(biāo)刻過(guò)程中,主要是有效矢量步長(zhǎng)、有效矢量步間延時(shí)、電流及其交互作用對(duì)二維條碼質(zhì)量產(chǎn)生影響,故采用3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。輸入層節(jié)點(diǎn)選擇有效矢量步長(zhǎng)、有效矢量步間延時(shí)、電流3個(gè)參數(shù);輸出層節(jié)點(diǎn)選擇二維條碼的對(duì)比度、X方向打印增長(zhǎng)、Y方向打印增長(zhǎng)3個(gè)指標(biāo)。隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)參考值可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算:

式中,m為輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù);n為輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù);N為隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)。

根據(jù)此公式,建立5個(gè)隱含層節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(圖9)。在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí),一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如果第一層是S型函數(shù),第二層是線性函數(shù),就可以用來(lái)模擬任何連續(xù)有界的函數(shù)。所以本文中隱含層傳遞函數(shù)選擇Sigmoid函數(shù),輸出層函數(shù)選擇線性函數(shù)。因?yàn)镾型函數(shù)的值域在0～1之間,因此需要將輸入值和輸出值進(jìn)行預(yù)處理,使其在(0,1)區(qū)間內(nèi),以提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的收斂速度和學(xué)習(xí)效果。又因?yàn)樵谔荻冗f減法、帶自適應(yīng)學(xué)習(xí)率的梯度遞減法、Powell-Beale連續(xù)梯度法、Levenberg Marquart(LM)法、Fletcher-Powell連續(xù)梯度法等訓(xùn)練函數(shù)中,Levenberg M arquart訓(xùn)練函數(shù)迭代次數(shù)最少,收斂精度最高,故訓(xùn)練函數(shù)選用LM算法。

圖9 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)BP模型進(jìn)行訓(xùn)練后,通過(guò)仿真結(jié)果獲得二維條碼質(zhì)量指標(biāo)值,與真實(shí)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì),其誤差在4.5%以內(nèi),滿足實(shí)際需求。結(jié)果如表4所示。

表4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)值與試驗(yàn)值的誤差

6 結(jié)束語(yǔ)

激光標(biāo)刻工藝參數(shù)對(duì)Data M atrix二維條碼質(zhì)量等級(jí)影響的研究結(jié)果顯示,有效矢量步長(zhǎng)、有效矢量步間延時(shí)、電流對(duì)激光標(biāo)刻零件二維條碼質(zhì)量指標(biāo)中的對(duì)比度及打印增長(zhǎng)影響顯著,同時(shí),有效矢量步長(zhǎng)與有效矢量步間延時(shí)的交互作用對(duì)對(duì)比度也有顯著影響。研究結(jié)果為后續(xù)其他材料零件條碼的激光標(biāo)刻工藝參數(shù)選擇研究及模型建立提供了依據(jù)。該項(xiàng)研究有利于提高零件條碼質(zhì)量等級(jí),提高工業(yè)條碼識(shí)讀效率,可使零件的直接標(biāo)識(shí)技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用更加完善。

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Op tim ization of Laser Marking Process Param eters on 2D Barcode in Part Surface

Xie Zhifeng Zhang Wei Lei Lei He Weiping
The key laboratory of Contem porary Design and Integrated M anufacturing Technology,Northwestern Polytechnical University,Xi'an,710072

In allusion to the b lindness in selecting p rocess param eters of direct laser marking,this paper analyzed the influences of p rocess parameters of laserm arking and interactions on quality of 2D barcode through a large number of experiments.The process parameters included effective vector step,delay between the effective vector step,electric current and Q-sw itch frequency.The process parametersof laser marking on 2D barcode in the part surface were optim ized and an optimization model wasestablished.A lso,a high quality of the 2D barcode which marked by laser can be guaranteed.

lasermarking;part surface;quality of 2D barcode;optimization of process parameter

TG178

1004—132X(2011)05—0592—05

2010—05—17

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2007AA04071-3);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50505039)

(編輯 袁興玲)

解志鋒,男,1985年生。西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院碩士研究生。主要研究方向?yàn)橹破窐?biāo)識(shí)跟蹤技術(shù)、現(xiàn)代集成制造技術(shù)。獲中國(guó)專(zhuān)利3項(xiàng)。張 維,男,1970年生。西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院副教授。雷 蕾,女,1971年生。西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院博士研究生。何衛(wèi)平,男,1965年生。西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。