相干公司開發(fā)了一種用于成型表面的簡單的自動化激光打標(biāo)解決方案 。
新的智能化方案使得打標(biāo)可以在 幾乎任何形狀或 表面定向上實(shí)現(xiàn)，甚至在孔內(nèi)和附加物中也可以實(shí)現(xiàn)打印
圖解：這些案例是在不銹鋼中利用相干的超短脈沖激光進(jìn)行黑色標(biāo)記法打標(biāo)打出來的樣品
不斷增長的3D打標(biāo)需求
激光打標(biāo)市場被認(rèn)為是不斷增加的一個市場，在需要打標(biāo)或者紋理非平面 的場合，如曲線、傾斜或者階梯曲面 的表面以及自由成型的表面和凹面。非常遺憾地是，傳統(tǒng)地激光打標(biāo)和集成機(jī)器存在的缺陷是只能對平板的表面進(jìn)行打標(biāo)或者圓柱地表面通過旋轉(zhuǎn)地方式或者在打標(biāo)的過程中對部件進(jìn)行移動的方式來實(shí)現(xiàn)打標(biāo)。然而，目前現(xiàn)存地可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀表面地打標(biāo)辦法就是訴諸成本 和利用機(jī)器人或者復(fù)雜的5軸機(jī)器進(jìn)行復(fù)雜的編程。
但在現(xiàn)在，一種自動化的智能解決方案，稱之為SmartMap 3D的打標(biāo)方案，在相干公司問世，通過將新穎的硬件和軟件結(jié)合在一起，尤其是一個業(yè)也證明的快速可變聚焦的辦法，一個新穎的3D機(jī)器視覺，均在功能強(qiáng)大的打標(biāo)軟件的控制下進(jìn)行（可視化激光打標(biāo)）。這一技術(shù)不僅可以非常容易地將整個工藝進(jìn)行簡化，同時還減少了成本和對部件進(jìn)行精密固定、裝夾或移動所造成的時間和成本。軟件同時也支持簡單的打標(biāo)應(yīng)用，包括飛行打標(biāo)。在本文中，我們?yōu)榇蠹医榻B了這一3D打標(biāo)技術(shù)的主要特征和在成本-效益中的有益效果，在對子系統(tǒng)進(jìn)行打標(biāo)和整個設(shè)備進(jìn)行打標(biāo)時的效果。而且，由于激光類型的獨(dú)立性，SmartMap 3D 可以用來制造幾乎各種不同類型的激光打標(biāo)（如顏色的變化、雕刻）、對粗糙表面和結(jié)構(gòu)化的表面的精密處理，甚至是采用超快脈沖激光在不銹鋼上進(jìn)行黑色的打標(biāo)，見上圖。如今相干公司已經(jīng)擁有完整的的激光打標(biāo)系統(tǒng)和整套的機(jī)器。
激光打標(biāo)——用途廣泛&其他的優(yōu)勢
激光打標(biāo)廣泛的應(yīng)用在各種不同的工業(yè)領(lǐng)域，激光打標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化后可以實(shí)現(xiàn)永久的在幾乎任何材料上實(shí)現(xiàn)高對比度的標(biāo)記。這些標(biāo)記可以用來制造識別和追溯的功用。可以實(shí)現(xiàn)防偽品牌保護(hù)或?qū)崿F(xiàn)某種功能性的目的（如時間標(biāo)記）。目前有一種快速增長的需求來制造審美標(biāo)記 ，如商標(biāo)的logo（計算機(jī)平板電腦）和用于特殊目的裝飾性標(biāo)記、在汽車部件（如修剪元件、儀表板和相應(yīng)的按鈕、換檔桿 和尾燈詳圖 ）中不同尋常的織構(gòu)等。
確切的來說，對于一個特定的打標(biāo)應(yīng)用來說，其在不同場合中的應(yīng)用可謂千差萬別，但在大多數(shù)場合，制造商希望可以制造出永久性的標(biāo)記，并且經(jīng)常是需要一個難以模仿造假或改變的程度。這一現(xiàn)實(shí)需求使得激光打標(biāo)遠(yuǎn)勝噴碼打標(biāo)或上墨移印。此外，對于許多食品和飲料的應(yīng)用場合以及某些醫(yī)療和藥品產(chǎn)品，打標(biāo)就會同攝入或直接同病人相接觸的材料相接觸。而且，這就排除了傳統(tǒng)的墨水打標(biāo)。另外一個常用的需求就是打標(biāo)工藝不對同周圍的環(huán)境（未打標(biāo)材料）和底層的材料造成損傷。同時需要有盡可能小的或無后處理過程（如清洗）。通過將激光功率、波長和脈沖寬度同目標(biāo)材料的吸收率和熱特征的匹配，這一空間選擇性就相對的可以直接的進(jìn)行打標(biāo)，甚至是高分辨率的打標(biāo)。
激光打標(biāo)可以依據(jù)是從激光輻照材料表面移除（如雕刻），或材料表面顏色變化來分類。材料移除可以是簡單的雕刻或包括選擇性的移除涂層或者漆層。顏色的變化可以是一個簡單的采用紅外激光進(jìn)行局部的食品箱 的燒黑、或者采用紫外激光對應(yīng)用于廚房中的物品中的添加了含ABS的TiO2的白色塑料的黑化所造成的顏色變化、或者采用可見光激光或者紫外光激光對白色塑料的顏色的變化、或者通過發(fā)泡來實(shí)現(xiàn)白色的聚合物的打標(biāo)，最近，還有采用超短脈沖激光對特定金屬的表面實(shí)現(xiàn)黑色的打標(biāo)標(biāo)記，見上圖。相干公司制造的所有的這些激光器具有更大范圍的激光功率水平，可以對一個公司中的所有的打標(biāo)進(jìn)行評估和優(yōu)化。相干可以供應(yīng)獨(dú)立的激光器 、激光打標(biāo)子系統(tǒng)或者整個機(jī)器的定位和自動的分揀功能 。而且，所有的這些激光系統(tǒng)和整合的機(jī)器均可以供SmartMap 3D來優(yōu)化選擇
傳統(tǒng)系統(tǒng)和子系統(tǒng)的缺點(diǎn)
圖2 (a) 傳統(tǒng)的3D打標(biāo)可在平面上實(shí)現(xiàn)
圖解：(b) 適用 SmartMap 3D打標(biāo)，聚焦偏移模塊（focus shifter module (FFM)）可以促使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對靶區(qū)體積的打標(biāo)
傳統(tǒng)的打標(biāo)是存在弊端的，智能實(shí)現(xiàn)2D的打標(biāo)，要實(shí)現(xiàn)3D表面的打標(biāo)，采用傳統(tǒng)工藝只有采用機(jī)器人才比較方便一點(diǎn)，需要傳輸鏡片，有時候甚至是整個激光子系統(tǒng)相對于工件表面移動和機(jī)器人進(jìn)行移動。這是非常累贅復(fù)雜的、費(fèi)錢的和需要復(fù)雜的編程，同時還需要同精確的復(fù)雜的圖像輸送進(jìn)行斗爭。而 SmartMap 3D則可以提供一個替代的解決方案，非常簡單、快速和更經(jīng)濟(jì)的解決方案，這是因?yàn)檫@一系統(tǒng)不再需要光學(xué)系統(tǒng)或部件的移動，這主要得益于快速的光學(xué)系統(tǒng)中的聚焦模塊，見圖2b。這使得可以實(shí)現(xiàn)快速的聚焦長度的調(diào)整。結(jié)合兩個掃描振鏡在X方向和XY方向的掃描，提供了快速的定位聚焦激光在XYZ位置的定位，而不需要對點(diǎn)的尺寸和形狀進(jìn)行改變。
SmartMap 3D – 系統(tǒng)整合了硬件、軟件和3D機(jī)器視覺
對3D打標(biāo)來說，另外一個關(guān)鍵的元素就是在可視化選擇（ Visual Laser Marker (VLM)）激光中用戶友好的軟件選擇。VLM可以自動地決定聚焦模塊和掃描發(fā)射鏡片依據(jù)特定工件進(jìn)行移動。基于相干40多年的在激光打標(biāo)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，該軟件定義工件表面，然后儲存起來用以每一工作類型的需要。用戶只需要對工件表面利用直覺GUI控制。這一打標(biāo)的細(xì)節(jié)可以利用兩個常用的3D表面地圖類型來生成和儲存。大多數(shù)直覺的辦法稱之為投影地圖，此時的打標(biāo)被定定義為一系列矢量上的點(diǎn)，同固定的相對的的視覺點(diǎn)相對應(yīng)。對于常用的固體，如球形、圓錐形和立方體，VLM均可以創(chuàng)建出UV地圖來。在這里，打標(biāo)是基于一系列的被定義的2D平面分割的角坐標(biāo)系來實(shí)現(xiàn)的。這就使得利用現(xiàn)有的打標(biāo)文件如pdf和dxf文件均科適用，同時支撐柔性的內(nèi)容，如QR代碼、Barcode代碼和相關(guān)的打標(biāo)軟件。不同的算法地圖分割成工件表面真實(shí)的xyz 坐標(biāo)系。對于特殊復(fù)雜的工件表面或圖形，更復(fù)雜的用戶則可以輸入CAD數(shù)據(jù)軟件和進(jìn)行在VLM中進(jìn)行編輯。大多數(shù)商業(yè)化的CAD 平臺均會提供這一輸入格式。
3D視覺可以使得VLM能夠同時提供完全的精確的預(yù)覽要打標(biāo)的部件所將呈現(xiàn)的形態(tài)。并且?guī)椭胖脠D形、以錯誤色來視覺化剪切角，甚至設(shè)置機(jī)器軸的移動，所有這些均在預(yù)覽窗口完成。
該 SmartMap 3D打標(biāo)系統(tǒng)的第三個部件是硬件，機(jī)器視覺線性相機(jī)，可以在打標(biāo)之前掃描部件的每一部分。這是兩個不同的波長來適應(yīng)任何可以打標(biāo)材料的反射和顏色。整合視覺部件可以允許智能打標(biāo)軟件來探測打標(biāo)前部件的形狀和方位，一個三維的點(diǎn)云。這些結(jié)果同儲存的特定物體的CAD模型文件來對比。對匹配度進(jìn)行打分，以百分制來評價。GUI則選擇性的顯示相機(jī)圖片的匹配程度。這可以最小限度的滿足可以接受的這一打標(biāo)參數(shù)的選擇。可以替代的，基于GUI預(yù)覽，操作者可以決定是否需要開始打標(biāo)或調(diào)整工件的位置和方向以保證得到好的匹配度。點(diǎn)云可以轉(zhuǎn)換CAD表面和直接在VLM中應(yīng)用，這樣在沒有CAD模型進(jìn)行對比的時候也可以使用。這樣就可以使得打標(biāo)不需要進(jìn)行精確的定位和固定。
智能系統(tǒng)可以使用不同的工件放置而不需要移動激光或工件，這是因?yàn)樵撓到y(tǒng)考慮了幾個不同的重要的參數(shù)，包括投影變形、剪切角和頂角以及3D表面取向。
Projection distortion.投影變形： 由于激光束在整個打標(biāo)的過程中源于一個固定點(diǎn)，掃描系統(tǒng)必須可以校正形狀的畸變以使得在打標(biāo)過程中可能發(fā)生的其他情況，見圖3。這一類型的變形校正在過去廣泛的應(yīng)用于比較簡單的形狀的打標(biāo)上，如傾斜平面和圓柱體等。但是，對于任意的、自由的3D形狀的表面就會變得比較困難。現(xiàn)在，升級后的VLM軟件可以排除這一挑戰(zhàn)，這時候的校正是自動完成的。圖4為這一軟件有效性的演示。
圖3 當(dāng)在一個非法線入射角到曲線的表面時打標(biāo)的投影變形
Clipping angle.剪切角 ，傳統(tǒng)的2D打標(biāo)按特定方式 安置以使得激光束能夠經(jīng)常在垂直于（±10°C）工件表面的附近對齊 ，即接近 法線入射方向。然而，在3D打標(biāo)的時候，激光可以在任意角度進(jìn)行，顯著偏離法線的方向進(jìn)行打標(biāo)。偏離的最大角度取決于工件表面的吸收情況和反射情況，這叫剪切角。這一操作依據(jù)每一具體的工作來確定以使得每一激光打標(biāo)或者打標(biāo)機(jī)器來適應(yīng)不同的打標(biāo)材料。
圖4 應(yīng)用SmartMap 3D打標(biāo)系統(tǒng)，部件的CAD模型 在軟件中進(jìn)一步的提高改善，用戶對打標(biāo)的部件進(jìn)行定位。
Figure 4.圖解：最終結(jié)果顯示，變形的校正是非常必須的，以在目標(biāo)物體上實(shí)現(xiàn)正確的打標(biāo)形狀
Apex angle. 頂角：這個定義了激光打標(biāo)在XY軸的體積極限。這一點(diǎn)在采用 f-theta棱鏡的焦平面進(jìn)行標(biāo)印光定系時是非常重要的。在安裝的時候，系統(tǒng)或者子系統(tǒng)中，VLM中會儲存這些信息。它會自動地排除錯誤，任何一個操作者都可以在突破打印物理極限地條件下實(shí)現(xiàn)打印。
小結(jié)
激光打標(biāo)所提供的獨(dú)特的優(yōu)勢是可以在幾乎任何材料上制造數(shù)字、符號、logo和其他圖形 。直到現(xiàn)在，大多數(shù)激光打標(biāo)均受限于平面或者簡單的形狀。在自由形狀表面進(jìn)行特定用途的打標(biāo)是非常復(fù)雜和成本比較高昂的。這一困境現(xiàn)在得到了徹底的改變。先進(jìn)的智能3D打標(biāo)系統(tǒng)，SmartMap 3D，只需要簡單的按一下按鈕即可自動完成，解鎖用于工業(yè)中的汽車、消費(fèi)電子、(家用) 電器和其他場合中的打標(biāo)應(yīng)用。
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