解志鋒 張 維 雷 蕾 何衛(wèi)平

西北工業(yè)大學現(xiàn)代設計與集成制造技術教育部重點實驗室,西安,710072

零件表面激光直接標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)大學現(xiàn)代設計與集成制造技術教育部重點實驗室,西安,710072

針對零件表面激光直接標刻二維條碼工藝參數(shù)選擇中存在的盲目性進行了試驗研究,主要分析了有效矢量步長、有效矢量步間延時、電流及Q-Sw itch頻率這4個激光標刻工藝參數(shù)及其交互作用對激光標刻二維條碼質(zhì)量的影響。優(yōu)化了零件表面激光標刻二維條碼的工藝參數(shù),并建立了優(yōu)化模型,為標刻高質(zhì)量二維條碼提供了保障。

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

0 引言

直接標識技術(directpartmarking,DPM)是指直接在物體表面標識可機器識別的代碼的一種標識技術。直接激光標刻零件編碼技術是直接標識技術和二維條碼技術的融合,它利用具有適當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,可通過條碼識讀設備讀取條碼內(nèi)容以實現(xiàn)對零件的追蹤管理。

目前,進行零件的二維條碼激光標刻時,如何調(diào)節(jié)激光標刻工藝參數(shù)以獲得高質(zhì)量的條碼并沒有科學有效的方法。操作者只能靠經(jīng)驗選擇標刻參數(shù),無法確保二維條碼質(zhì)量。而激光直接標刻零件編碼的質(zhì)量是影響識讀設備能否正確、快速識讀條碼內(nèi)容的根本因素。目前,國內(nèi)學者在因標刻參數(shù)影響激光束路徑而使激光標刻圖像產(chǎn)生暈染、缺失等方面有很多研究成果[1-2]。激光開延時、拐彎延時、跳轉延時過大會使圖像產(chǎn)生暈染,而過小則會使圖像產(chǎn)生缺失、失真的現(xiàn)象。另外,清華大學、澳門大學以及比利時的Catholic University of Leuven等單位的一些研究人員則分析了脈沖頻率、掃描速度等標刻工藝參數(shù)對標刻字母和圖形的深度、寬度和清晰度的影響,其研究結果顯示,隨著掃描速度的提高,圖像深度、寬度減小,標刻對比度下降,當掃描速度增大到一定值后,標刻圖像的質(zhì)量迅速下降[3-6]。但目前關于激光直接標刻的工藝參數(shù)影響二維條碼質(zhì)量方面的研究還未見有文獻報道。

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

1 試驗思路

根據(jù)相關資料及二維條碼印刷質(zhì)量檢驗的國家標準[8],矩陣式二維條碼圖像的質(zhì)量等級指標中的對比度,即符號對比度(symbol contrast,SC)和打印增長會對二維條碼質(zhì)量等級產(chǎn)生重要影響,即條碼圖像的質(zhì)量等級主要通過符號對比度、打印增長等特性來評定,而這幾項指標的獲得主要受激光標刻過程工藝參數(shù)變化的影響。

在激光直接標刻零件編碼的工藝參數(shù)試驗中采用的設備包括半導體泵浦ND:YAG激光雕刻機、條碼檢測儀、標刻零件和識讀夾持工裝等。試驗過程分為試驗設計、試驗操作、試驗數(shù)據(jù)分析三部分。首先,在確定好試驗因素的前提下,根據(jù)試驗確定各因素值的選取范圍,保證試驗的有效性。然后在選取范圍內(nèi),對各因素水平值進行設計,并按照試驗設計方法進行激光二維條碼標刻,如圖1所示。通過條碼檢測儀,根據(jù)DPM標準對條碼質(zhì)量進行檢驗,獲得條碼質(zhì)量符號對比度、打印增長指標的數(shù)據(jù),進行影響顯著性及趨勢分析,并獲得分析結果。試驗過程如圖2所示。

圖1 激光直接標刻零件標識

圖2 激光直接標刻零件標識的工藝參數(shù)試驗示意圖

2 試驗設計及數(shù)據(jù)分析方法

2.1 試驗設計

根據(jù)經(jīng)驗及文獻資料,有效矢量步長、有效矢量步間延時、電流、Q-Sw itch頻率及Q-Sw itch釋放時間這5個激光標刻工藝參數(shù)是激光標刻中的重要影響因素。激光標刻機使用要求中明確規(guī)定Q-Sw itch頻率及Q-Sw itch釋放時間兩參數(shù)的乘積必須恒為常數(shù),所以試驗中確定以有效矢量步長、有效矢量步間延時、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)試驗確定各標刻工藝參數(shù)的取值范圍,確保試驗的有效性。在取值范圍內(nèi)對各標刻工藝參數(shù)選擇3個不同的水平,如表1所示。

表1 標刻工藝參數(shù)及其水平

為使試驗過程中環(huán)境不可控因素的敏感性最小,即因環(huán)境不可控因素導致的誤差最小,我們在進行試驗時,試驗安排序號采用隨機順序,并盡量保證試驗操作過程的一致性。同時,遵循重復試驗原則,減小方法和操作等帶來的以個體差異為主的各種誤差。試驗設計選擇因子設計法,該方法不僅考慮到每個因素對試驗指標的影響效應,同時考慮各因素之間交互作用對試驗指標的影響效應。

2.2 方差分析方法

方差是在隨機干擾存在的情況下,把各因素變化所產(chǎn)生的影響分離出來進而作出因素變化對研究對象是否有顯著性影響的推斷[9]。因子設計的標準方差分析過程中,在求出每一組合下3次觀察值之和后,按照因子設計代數(shù)符號表,求出各因子及交互作用效果對應的對照值,以有效矢量步長(因子A)為例,其對照值計算公式為

式中,Ar為指各因子以A為基準的不同水平組合;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。

計算與每個對照值對應的離差平方和:

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 激光標刻工藝參數(shù)對二維條碼對比度的影響

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

表2為各激光標刻工藝參數(shù)不同組合情況下條碼對比度的試驗數(shù)據(jù)。分析過程中,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檢驗的臨界值F A(a,b)。從中可以看出激光標刻工藝參數(shù)中有效矢量步長、有效矢量步間延時、電流以及有效矢量步長與有效矢量步間延時的交互作用對Data M atrix二維條碼質(zhì)量指標中對比度的影響顯著。而QSw itch頻率的影響較小。

表2 因變量為對比度的方差分析表

3.1 有效矢量步長、有效矢量步間延時對二維條碼對比度的影響

有效矢量步長是指將打標筆畫劃分成許多等份,每份的長度。隨著有效矢量步長的增大,標刻深度減小,精度降低,而標刻速度增大。有效矢量步長調(diào)整范圍為0.001mm到0.03mm。隨著標刻深度減小,精度降低,Data M atrix二維條碼的對比度下降,如圖3所示。當有效矢量步長超過0.015mm后,二維條碼的對比度已經(jīng)難以滿足掃描設備對條碼的識讀要求。

圖3 有效矢量步長的影響

有效矢量步間延時是指給每份有效矢量步長預置的時間,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。有效矢量步間延時越大,二維條碼對比度越大,而當該參數(shù)大于120μs時,由于金屬表面物質(zhì)過度氧化,使得 Data

打印增長是指在激光束的照射下,標刻出的實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刻二維條碼能否被掃描設備正確識讀的關鍵技術指標之一。本文分別對X方向、Y方向的打印增長進行研究。表3為激光標刻工藝參數(shù)對打印增長影響的方差分析表。Matrix二維條碼無法識讀。

3.2 電流對二維條碼對比度的影響

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

圖5 電流的影響

4 激光標刻工藝參數(shù)對二維條碼打印增長的影響

表3 因變量為X方向、Y方向打印增長的方差分析表

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

隨著有效矢量步長的增大,X方向、Y方向的打印增長逐漸減小(圖6)。相反,隨著有效矢量步間延時的增大,打印增長逐漸增大(圖7)。電流的增大,激光能量增大,導致激光束經(jīng)過基體材料表面后,基體材料發(fā)生強烈的化學反應,打印增長的百分比升高(圖8)。

圖6 有效矢量步長對打印增長的影響

圖7 有效矢量步間延時對打印增長的影響

圖8 電流對打印增長的影響

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

激光標刻工藝參數(shù)與二維條碼質(zhì)量指標中的對比度和打印增長之間存在復雜的非線性關系,這使得標刻工藝參數(shù)對二維條碼質(zhì)量的理論數(shù)學模型很難建立。采用神經(jīng)網(wǎng)絡技術,利用其高度非線性映射、自組織、自學習和聯(lián)想記憶等功能,使工藝參數(shù)與二維條碼質(zhì)量之間的非線性問題轉化為一個線性優(yōu)化問題,這樣就可表達激光標刻工藝參數(shù)與二維條碼質(zhì)量之間的定量關系。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡是指基于誤差反向傳播算法的多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡,是目前應用最為廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡模型,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)點數(shù)的情況下,只有一個隱含層的神經(jīng)網(wǎng)絡可以實現(xiàn)任意非線性映射。本研究的數(shù)據(jù)便于獲取,映射關系復雜,所以采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡結構來建立。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析結果,在激光標刻過程中,主要是有效矢量步長、有效矢量步間延時、電流及其交互作用對二維條碼質(zhì)量產(chǎn)生影響,故采用3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡。輸入層節(jié)點選擇有效矢量步長、有效矢量步間延時、電流3個參數(shù);輸出層節(jié)點選擇二維條碼的對比度、X方向打印增長、Y方向打印增長3個指標。隱含層神經(jīng)元個數(shù)參考值可根據(jù)經(jīng)驗公式來計算:

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

根據(jù)此公式,建立5個隱含層節(jié)點的網(wǎng)絡結構(圖9)。在對數(shù)據(jù)進行處理時,一個神經(jīng)網(wǎng)絡如果第一層是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)。因為S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行預處理,使其在(0,1)區(qū)間內(nèi),以提高神經(jīng)網(wǎng)絡的收斂速度和學習效果。又因為在梯度遞減法、帶自適應學習率的梯度遞減法、Powell-Beale連續(xù)梯度法、Levenberg Marquart(LM)法、Fletcher-Powell連續(xù)梯度法等訓練函數(shù)中,Levenberg M arquart訓練函數(shù)迭代次數(shù)最少,收斂精度最高,故訓練函數(shù)選用LM算法。

圖9 BP神經(jīng)網(wǎng)絡

利用試驗數(shù)據(jù)對BP模型進行訓練后,通過仿真結果獲得二維條碼質(zhì)量指標值,與真實試驗結果進行比對,其誤差在4.5%以內(nèi),滿足實際需求。結果如表4所示。

表4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡值與試驗值的誤差

6 結束語

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

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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

國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)資助項目(2007AA04071-3);國家自然科學基金資助項目(50505039)

(編輯 袁興玲)

解志鋒,男,1985年生。西北工業(yè)大學機電學院碩士研究生。主要研究方向為制品標識跟蹤技術、現(xiàn)代集成制造技術。獲中國專利3項。張 維,男,1970年生。西北工業(yè)大學機電學院副教授。雷 蕾,女,1971年生。西北工業(yè)大學機電學院博士研究生。何衛(wèi)平,男,1965年生。西北工業(yè)大學機電學院教授、博士研究生導師。