（南京航空航天大學機電學院，南京 210016）

刀具是車間生產(chǎn)的重要資源，對刀具的追蹤管理是車間刀具管理的關鍵。在刀具管理過程中刀具信息編碼無疑是一個重要環(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刻攜帶刀具信息編碼的二維碼作為刀具信息識別的手段[1-2]。然而，對于表面光滑、反光且材料硬度極高的刀具材料，要在其表面標刻清晰可讀的條碼十分困難。其難點在于激光標刻參數(shù)的選擇，即沒有合適的標刻參數(shù)選擇就難以標刻出清晰可讀的條碼，進而無法保證基于條碼識別的刀具管理系統(tǒng)的正常運行。

目前，在進行整體硬質合金刀具的二維條碼激光標刻時，如何調節(jié)激光標刻參數(shù)以獲得高質量的條碼暫時還沒有專門參數(shù)選擇基準。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量，而激光標刻零件條碼的質量是影響識讀設備能否正確、快速識讀條碼內容的根本因素[3-4]。直接激光標刻（Direct Laser Part Marking，簡稱DLPM ）技術，指直接在物體表面采用激光標識可機器識別的代碼的一種標識技術，利用DLPM技術可以在刀具一類的圓柱表面上標刻出攜帶特定信息的二維條碼。Yasa等[5]曾分析了脈沖頻率、掃描速度等標刻工藝參數(shù)對在45鋼等金屬表面標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刻Data Matrix條碼標刻參數(shù)和條碼質量的關系；王蘇安[7-8]等研究了45鋼和Wu18Cr4V高速鋼材料直接激光標刻對刀具識別可靠性和刀具力學性能影響。然而，目前在硬質合金刀具表面進行直接激光標刻參數(shù)選擇和條碼質量檢測的研究仍相對較少。如何在硬質合金材料（刀桿）表面標刻出清晰可讀的刀具信息條碼，對后繼刀具管理系統(tǒng)的正常運行帶來了一定的挑戰(zhàn)。

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

1 試驗方案

1.1 試驗對象與設備

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

試驗所選擇的激光器為IPG YLP 0.5mJ脈沖摻鐿光纖激光器，見圖1，采用發(fā)射波長1062nm 左右和峰值功率高達20kW的周期性脈沖序列。試驗用條碼掃描槍為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 試驗方法

試驗總共分為3步進行。

第1步，試驗預處理。由于刀具表面光滑反光，會使一定的激光能量反射，不能標刻出具有明顯對比度的條碼，所以試驗開始前先要在標刻的部位進行一定的去光滑、反光處理即毛化處理。

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

第3步，條碼可讀性檢驗試驗。條碼的可讀性就是指二維條碼在特定條件（光線強度、識讀角度、識讀距離）下，通過二維條碼掃描槍掃描條碼，從而在計算機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條碼的識讀性進行檢驗，主要針對條碼殘缺度、環(huán)境光線、識讀距離、識讀角度等分別進行單因素試驗，以確定每一個因子對條碼可讀性的影響程度。為此，本試驗中將可讀性等級分為：易、較易、較難、難、不識讀，依次以A、B、C、D、E表示。以掃描時間為衡量標準，A為0.3s內，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，可讀性試驗研究的過程中需要檢測的信息主要有識讀距離、識讀時間、識讀角度。其中識讀時間是指從開始掃描到計算機上出現(xiàn)條碼信息所用的時間，識讀角度和識讀距離如圖3所示。

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

2 試驗預處理

試驗預處理階段就是對刀具表面進行毛化處理，即在需要標刻條碼的位置上用激光進行預先去反光，使其表面略粗糙，從而提高識讀性能的處理過程。由于毛化處理只是試驗的一個預處理部分，對精度沒有要求，所以毛化處理參數(shù)根據(jù)激光標刻經(jīng)驗值選擇低頻率、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）為毛化處理后的標刻效果，圖4（b）為沒有毛化處理的標刻圖形。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 激光標刻試驗與分析

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

分析表1中的試驗結果可以得出，條碼可讀性易、圖形清晰的幾組試驗速率都偏小，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間過短，刀具表面單位面積內沒有吸收足夠的激光能量從而導致標刻效果不佳，而激光能量是標刻效果優(yōu)劣的最直接衡量標準之一。因此，此時最佳標刻速率為100mm/s。

分析表2中的試驗結果可以得出，條碼可讀性易、圖形清晰的幾組試驗功率都比較大，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，使得標刻條碼效果變差。因此，此時最佳標刻功率為16W。

分析表3中的試驗結果可以得出，條碼可讀性易、圖形清晰的幾組試驗頻率都偏大，頻率逐漸變小之后條碼圖形明顯變得很不清晰，當頻率低至40kHz時條碼不識讀，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時標刻的條碼圖形同樣不清晰，可讀性也不高。因此，此時最佳的標刻頻率為70kHz。

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

通過觀察圖5中折線變化趨勢可以看出，激光標刻的 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，試驗中激光標刻參數(shù)變化范圍很小。因此，得出整體硬質合金刀具激光標刻參數(shù)選擇基準：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刻及其可讀性

表2 不同功率下的條碼標刻及其可讀性

表3 不同頻率下的條碼標刻及其可讀性

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

4 條碼識讀性檢驗與分析

DM條碼雖然有一定的糾錯能力，但在實際生產(chǎn)中，條碼識讀還是有很多問題，需要對條碼可讀性檢驗。在實際生產(chǎn)過程中，刀具往往一直被冷卻潤滑液沖刷，而且在工廠中刀具被其他硬度高的工件碰撞，極有可能會使條碼部分損壞，造成條碼的殘缺不全，給條碼的識讀帶來困難，所以需要檢測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或很暗的極端條件下，同時條碼掃描時高度、角度也不定，所以還需要檢測在不同的光照條件、識讀距離、識讀角度下條碼的識讀性。

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

4.1 條碼殘缺對識讀性影響

在正常光線下條碼在不同殘缺形式下識讀性問題。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。試驗過程中分別檢測這3種情況下識讀距離、識讀性，另外試驗還檢測了條碼信息完整度。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簽遮擋進行模擬。

表4 不同殘缺形式的條碼可讀性

試驗結果顯示整體硬質合金刀具直接激光標刻的DM條碼能被識別出來的有3種情況，并且沒有任何信息丟失。這3幅圖中一個共同點就是沒有遮擋DM條碼的黑色定位邊，這與DM條碼本身的特點相符合，不識別的圖形都由于定位邊被遮擋的超過30%而不能被識讀出來。由此結合DM ECC200條碼Reed-Solomon糾錯算法的30%糾錯能力，直接激光標刻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%以內的殘缺可以正確識讀，并且不會有條碼信息的丟失，兩邊定位邊都有殘缺或者一邊定位邊殘缺超過30%不能識讀。

4.2 外界因素對識讀性影響

外界環(huán)境因素主要包括光線強度、識讀距離和識讀角度，其中識讀距離本身是作為試驗輸出的一個參量?？紤]到某些不確定工況條件下識讀距離有限，所以研究識讀距離對條碼識讀性的影響是有必要的，試驗以平均識讀時間作為應變量進行分析。試驗選擇8mm×8mm DM條碼，標刻的參數(shù)為以上試驗中推薦值，條碼清晰可見，正常情況下識讀容易，如圖6所示。

檢測不同的光線條件下條碼的識讀性。由于試驗對光強具體值的大小沒有很高的精度要求，所以試驗只需檢測肉眼可分辨的強光、正常光線、暗光、無可見光這4種情況下可讀性、識讀距離，不需要測量強的具體數(shù)值，試驗結果如表5所示。

通過對表5中數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)在強光下由于反光嚴重不能識讀，在暗光下由于光線不足造成很難識讀。由此本文建議在掃描條碼時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讀條碼。

在條碼完整度100%、正常光線下，依次以識讀角度、識讀距離作為自變量，以平均識讀時間為應變量，對比不同識讀角度和識讀距離下平均識讀時間，以此得出識讀角度和識讀距離對條碼識讀性的影響。圖7為不同識讀距離下條碼的平均識讀時間。表6為不同識讀角度下識讀性測試結果。

圖6 可讀性檢驗試驗條碼Fig.6 Barcode of readability test experiment

通過對圖7中數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，識讀距離在30～160mm，標刻的DM條碼是可以識讀的，但是可讀性差異很大，并且在可識讀的范圍內，平均識讀時間基本呈線性增長。由此得出，對于8mm×8mm的DM條碼最適合的識讀距離是30～50mm，超過該距離可讀性會下降。通過對表6記錄的試驗結果發(fā)現(xiàn)，識讀角度對條碼的可讀性影響也很大，在正常的識讀距離下，識讀角度接近或等于90°時，DM條碼可讀性才比較好，識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讀性

圖7 不同識讀距離下平均識讀時間Fig.7 Average read time of different read distances

表6 不同識讀角度下的條碼識讀性

5 結論

刀具信息條碼的標刻是基于條碼識別技術的刀具管理系統(tǒng)中一個重要技術難題，而利用DLPM技術可以在整體硬質合金刀具表面進行條碼激光標刻。本文通過大量激光標刻試驗和條碼可讀性測試試驗得出了如下結論。

（1）對整體硬質合金刀具上進行DM條碼激光標刻時，激光毛化預處理應該采用低頻率、小線能量，而為使標刻與激光毛化預處理表面形成明顯對比，提高標刻的可讀性，標刻參數(shù)應該選擇高頻率、大線能量輸入。

（2）對于給定的DM圖形和標刻刀具材料，條碼尺寸變化時標刻參數(shù)不會有明顯變化，即條碼尺寸適當變化不會影響標刻參數(shù)選擇。

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

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