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探究如何优化激光标刻目标参数

2020-10-19 208 上传者：管理员

摘要：为了提高激光标刻的效率,以文字“统”示例作为研究对象,通过优化激光标刻汉字笔画顺序,给出激光间隔跳跃距离计算方法,绘制出激光标刻文字流程图,获得示例汉字打标统计表,分析出优化汉字笔画标刻顺序,降低标刻空行程时间,能够提高激光标刻效率。针对激光标刻图形失真的问题,采用角度增量判别法判别拐点,以圆弧过渡代替直线加工,能够提高激光图形标刻质量。

关键词：
光学
工艺参数
激光图形
激光打标
路径分析
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激光加工是一种非接触、无污染、无磨损的加工工艺，它包含激光切割、激光打孔、激光标刻等加工方式。激光打标技术已经在众多领域占有很大的比例，国家根据激光标刻行业制定了一系列的标准。工艺参数的设定在激光标刻过程中对其加工质量和效率起到了重要作用[1]。本文以激光标刻文字、条形码为研究对象，通过优化汉字笔画打标顺序和圆弧代替直线加工，能够激光标刻质量和效率。

1、激光标刻研究目标

激光加工的原理如图1所示，计算机将发出数字信号转换为模拟信号，激光器发出脉冲激光[2,3,4]。在X、Y轴电机驱动下，X轴、Y轴两个振镜使激光束在空间有序运动，实现工件的加工形状。激光经过透镜聚焦后，在焦点上达到高的能量密度和10000℃以上的高温，使材料在极短的时间内熔化甚至气化，达到在工件上标刻图形的目的。

图1激光打标原理图

在激光打标机中文本打印有多种形式，其中16x16点阵式存储形式最为常见，汉字存储符合计算机0和1高低电平存储特征，显示文字部分点用1点亮，文字背景用0黑暗区表示。本文以汉字“统”为研究示例，见图2。激光打标不仅可以标刻文字，还可以标刻条形码。二维码是条形码的一种重要形式，二维码中的数据结构能够包含商品信息，具有高信息密度、易于中文识别等特征，二维码在商品生产、销售、使用环节得到了广泛应用，因此本文激光标刻图形以二维码为研究对象，示例见图3所示。

图2激光打标文字

图3激光打标二维码

2、激光加工文字参数研究

激光标刻的字体图形符号清晰、会长时间保留，不会因为频繁接触、长时间放置字体模糊。激光标刻数字、字母很容易实现，但汉字结构复杂、笔画数目多，激光打标采用不同打标笔画顺序会有不同的加工效率。激光标刻某一个字体所用的时间为打标过程中所有笔画所用的时间、不同笔画加工时的间隔跳跃时间。参考文献[2]提出笔画跟踪法打标文字，也就是按笔画顺序扫描加工文字，例如图2“统”字顺序加工第三笔画提手和第四笔画点它们之间激光间隔跳跃时间较长，如果加工完第三笔画然后加工第八笔画撇激光间隔跳跃时间较短。激光笔画加工间隔期空行程距离之和最短，那么激光跳跃时间之和也最短。激光跳跃距离之和可用下式表示：

式中：f为激光跳跃距离和；

S为不同笔画间距离；

i,j为不同笔画；

m为笔画开始端；

n为笔画结束端。

在上式当中，如果m=1、n=2，那么激光正向笔画加工；如果m=2、n=1，那么激光逆向笔画加工。

根据文字存储形式和求和公式，激光标刻算法流程可按如图4进行。流程1从字库中提取文字，字库中用16X16点阵表示，用点阵描述汉子结构。流程2对文字各笔画编号，每个汉字每笔画进行编码，不同笔画间距离比较可以转化为编码间低电平个数比较。流程3对文字各行扫描寻找笔画间低电平数目。流程4不同笔画距离和和5对求和距离比较，两两笔画距离求和会出现多个结果，结果比较最小值笔画求和算法输出。6输出打标，激光打标单个文字耗时总时间是每笔画耗时与笔画间跳跃时间之和，每笔花费时间一样，跳跃时间越短总时间越短，所以对此输出打标。

图4标刻文字流程图

在激光打标机上按照如图4流程方式标刻“统”，可以获得表1，打标笔画代表打标统字的第几笔，笔画编号是为了计算跳跃时间设定，跳跃端点表示实际打标顺序，打标时间代表标刻单笔使用的时间，标刻时间是打标时间和跳跃时间之和。从表中可以看出打标时间间隔占的时间比较长，不能忽略打标间隔时间，从表中可以看出合理优化打标间隔能够提高打标的效率。

表1标刻“统”字算法

3、激光加工条形码参数研究

激光标刻可分为点阵标刻和矢量标刻。点阵标刻有两种形式，16X16点阵和12X12点阵，扫描逐行进行，标刻按笔画进行[3,4]。矢量打标，生成的图形由直线构成，标刻采用划线式，用有向线段描述图形。由于激光振镜转动惯量的影响，如图5所示，在有向线段的首段加速度突然加大出现侧向偏移，有向线段末端加速度突然变小出现过冲现象，激光在加工小图形或精细图形时会得到失真图形。激光标刻图形，有图形线段时开激光，无图形线段时关激光，在开关激光束时激光振镜转动惯量就会起作用，控制好开关激光时的行走轨迹，降低标刻首末端的加速度，能够提高激光加工质量。

图5失真激光轨迹

图6修正激光轨迹

圆是一种最简单的二维曲线，在实际的曲线分段中也最容易实现。为了降低加工轨迹首末端的加速度，如图6所示，可以采用圆过渡，加工开始空行程切向进入，加工结束空行程切向切出。

激光打标软件要想对图5中的尖角圆弧过渡，首先需要检测到尖角的存在。尖角判别也可转为拐点判别，判别法有道格拉斯普克法、角度判别法、增量变换法等。第一种方法是实际计算长度值与设定基础值比较，第二种方法是计算偏转角度与设定基础值比较，第三种方法是前后偏移坐标进行比较。前两种需要寻找基础值，但是基础值有时很难寻找到。本文采用角度增量不等判别法，该方法不需要设定基础值，也不需要计算绝对值，该方法通过首先获得增量起点、相隔点连线与X轴的夹角，增量起点、相邻点连线与X轴的夹角，然后获得两个夹角进行对比，角度相等不提取拐点，角度相等提取拐点，对所有形状都可检测到拐点。算法的详细步骤如下：1）将图5曲线各顶点、交点、中点、XY轴分量进行定义：三角形左侧交点定义为C1，顶点定义为C3，右侧交点定义C5，中点定义C2、C4、C6，曲线C1C2距离Y轴分量增量定义为y12、X轴分量增量定义为x12，曲线C1C3距离Y轴分量增量定义为y13、X轴分量增量定义为x13，依次类推定义其余曲线。2）判断曲线与X轴夹角变化：曲线C1C2与X轴夹角为arctany12/x12，曲线C1C3与X轴夹角为arctany13/x13，角度arctany12/x12与角度arctany13/x13相等，C2不提取拐点；曲线C2C3与X轴夹角为arctany23/x23，假定连接线C2C4与X轴夹角为arctany24/x24，角度arctany23/x23与角度arctany24/x24不相等，C3提取拐点；根据此理不提取C4作为拐点，提取C5作为拐点。

在MATLAB中，将拐点角度增量判别法转换成激光可以接受的程序文件，然后将程序文件导入激光打标机，最后将二维码也导入激光打标机。在激光打标机中，设定二维码图形尺寸为1.5cm×1.5cm、扫描距离为40cm、标刻速度5000mm/s、空程速度7000mm/s、光束开光延时150us、关光延时0us、拐点延时20us、跳转延时为0us、结束延时50us。根据打标结果可以绘制表2，二维码经过修正后得到锯齿形、三角形、正弦周期波、半周期正弦波。拐点数锯齿形波长最多，打标耗时最多，正弦波没有拐点，这与实际相符，打标时长较少。

4、结束语

改变激光打标文字原有的笔画顺序能够提高打标的效率。采用角度增量判别法检测尖角的存在，利用圆弧过渡修复二维码图形，能够提高激光标刻图形的质量。

参考文献：

[1]廖平,杨德友,刘仁喜.一种激光打标中TrueType字体轮廓直线逼近优化算法[J].激光技术,2016,40(4):483-486.

[4]张迎信,安立宝.激光加热辅助切削加工技术研究进展[J].航空材料学报,2018,38(2):77-85.

陈明辉,马少龙,刘德华.激光标刻目标参数优化研究[J].南方农机,2020,51(19):192-193.

基金:2019年度邢台市社会科学规划项目“新时期邢台‘职教强市’建设研究”(xtsk1952).