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相干:用于成型表面的 一种简单的自动化激光3D打标解决方案

导读:相干公司开发了一种用于成型表面的简单的自动化激光打标解决方案 。

新的智能化方案使得打标可以在 几乎任何形状或 表面定向上实现,甚至在孔内和附加物中也可以实现打印

图解:这些案例是在不锈钢中利用相干的超短脉冲激光进行黑色标记法打标打出来的样品

不断增长的3D打标需求

激光打标市场被认为是不断增加的一个市场,在需要打标或者纹理非平面 的场合,如曲线、倾斜或者阶梯曲面 的表面以及自由成型的表面和凹面。非常遗憾地是,传统地激光打标和集成机器存在的缺陷是只能对平板的表面进行打标或者圆柱地表面通过旋转地方式或者在打标的过程中对部件进行移动的方式来实现打标。然而,目前现存地可以实现复杂形状表面地打标办法就是诉诸成本 和利用机器人或者复杂的5轴机器进行复杂的编程。

但在现在,一种自动化的智能解决方案,称之为SmartMap 3D的打标方案,在相干公司问世,通过将新颖的硬件和软件结合在一起,尤其是一个业也证明的快速可变聚焦的办法,一个新颖的3D机器视觉,均在功能强大的打标软件的控制下进行(可视化激光打标)。这一技术不仅可以非常容易地将整个工艺进行简化,同时还减少了成本和对部件进行精密固定、装夹或移动所造成的时间和成本。软件同时也支持简单的打标应用,包括飞行打标。在本文中,我们为大家介绍了这一3D打标技术的主要特征和在成本-效益中的有益效果,在对子系统进行打标和整个设备进行打标时的效果。而且,由于激光类型的独立性,SmartMap 3D 可以用来制造几乎各种不同类型的激光打标(如颜色的变化、雕刻)、对粗糙表面和结构化的表面的精密处理,甚至是采用超快脉冲激光在不锈钢上进行黑色的打标,见上图。如今相干公司已经拥有完整的的激光打标系统和整套的机器。

激光打标——用途广泛&其他的优势

激光打标广泛的应用在各种不同的工业领域,激光打标进行优化后可以实现永久的在几乎任何材料上实现高对比度的标记。这些标记可以用来制造识别和追溯的功用。可以实现防伪品牌保护或实现某种功能性的目的(如时间标记)。目前有一种快速增长的需求来制造审美标记 ,如商标的logo(计算机平板电脑)和用于特殊目的装饰性标记、在汽车部件(如修剪元件、仪表板和相应的按钮、换档杆 和尾灯详图 )中不同寻常的织构等。

确切的来说,对于一个特定的打标应用来说,其在不同场合中的应用可谓千差万别,但在大多数场合,制造商希望可以制造出永久性的标记,并且经常是需要一个难以模仿造假或改变的程度。这一现实需求使得激光打标远胜喷码打标或上墨移印。此外,对于许多食品和饮料的应用场合以及某些医疗和药品产品,打标就会同摄入或直接同病人相接触的材料相接触。而且,这就排除了传统的墨水打标。另外一个常用的需求就是打标工艺不对同周围的环境(未打标材料)和底层的材料造成损伤。同时需要有尽可能小的或无后处理过程(如清洗)。通过将激光功率、波长和脉冲宽度同目标材料的吸收率和热特征的匹配,这一空间选择性就相对的可以直接的进行打标,甚至是高分辨率的打标。

激光打标可以依据是从激光辐照材料表面移除(如雕刻),或材料表面颜色变化来分类。材料移除可以是简单的雕刻或包括选择性的移除涂层或者漆层。颜色的变化可以是一个简单的采用红外激光进行局部的食品箱 的烧黑、或者采用紫外激光对应用于厨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颜色变化、或者采用可见光激光或者紫外光激光对白色塑料的颜色的变化、或者通过发泡来实现白色的聚合物的打标,最近,还有采用超短脉冲激光对特定金属的表面实现黑色的打标标记,见上图。相干公司制造的所有的这些激光器具有更大范围的激光功率水平,可以对一个公司中的所有的打标进行评估和优化。相干可以供应独立的激光器 、激光打标子系统或者整个机器的定位和自动的分拣功能 。而且,所有的这些激光系统和整合的机器均可以供SmartMap 3D来优化选择

传统系统和子系统的缺点

图2 (a) 传统的3D打标可在平面上实现

图解:(b) 适用 SmartMap 3D打标,聚焦偏移模块(focus shifter module (FFM))可以促使系统实现对靶区体积的打标

传统的打标是存在弊端的,智能实现2D的打标,要实现3D表面的打标,采用传统工艺只有采用机器人才比较方便一点,需要传输镜片,有时候甚至是整个激光子系统相对于工件表面移动和机器人进行移动。这是非常累赘复杂的、费钱的和需要复杂的编程,同时还需要同精确的复杂的图像输送进行斗争。而 SmartMap 3D则可以提供一个替代的解决方案,非常简单、快速和更经济的解决方案,这是因为这一系统不再需要光学系统或部件的移动,这主要得益于快速的光学系统中的聚焦模块,见图2b。这使得可以实现快速的聚焦长度的调整。结合两个扫描振镜在X方向和XY方向的扫描,提供了快速的定位聚焦激光在XYZ位置的定位,而不需要对点的尺寸和形状进行改变。

SmartMap 3D – 系统整合了硬件、软件和3D机器视觉

对3D打标来说,另外一个关键的元素就是在可视化选择( Visual Laser Marker (VLM))激光中用户友好的软件选择。VLM可以自动地决定聚焦模块和扫描发射镜片依据特定工件进行移动。基于相干40多年的在激光打标应用经验,该软件定义工件表面,然后储存起来用以每一工作类型的需要。用户只需要对工件表面利用直觉GUI控制。这一打标的细节可以利用两个常用的3D表面地图类型来生成和储存。大多数直觉的办法称之为投影地图,此时的打标被定定义为一系列矢量上的点,同固定的相对的的视觉点相对应。对于常用的固体,如球形、圆锥形和立方体,VLM均可以创建出UV地图来。在这里,打标是基于一系列的被定义的2D平面分割的角坐标系来实现的。这就使得利用现有的打标文件如pdf和dxf文件均科适用,同时支撑柔性的内容,如QR代码、Barcode代码和相关的打标软件。不同的算法地图分割成工件表面真实的xyz 坐标系。对于特殊复杂的工件表面或图形,更复杂的用户则可以输入CAD数据软件和进行在VLM中进行编辑。大多数商业化的CAD 平台均会提供这一输入格式。

3D视觉可以使得VLM能够同时提供完全的精确的预览要打标的部件所将呈现的形态。并且帮助放置图形、以错误色来视觉化剪切角,甚至设置机器轴的移动,所有这些均在预览窗口完成。

该 SmartMap 3D打标系统的第三个部件是硬件,机器视觉线性相机,可以在打标之前扫描部件的每一部分。这是两个不同的波长来适应任何可以打标材料的反射和颜色。整合视觉部件可以允许智能打标软件来探测打标前部件的形状和方位,一个三维的点云。这些结果同储存的特定物体的CAD模型文件来对比。对匹配度进行打分,以百分制来评价。GUI则选择性的显示相机图片的匹配程度。这可以最小限度的满足可以接受的这一打标参数的选择。可以替代的,基于GUI预览,操作者可以决定是否需要开始打标或调整工件的位置和方向以保证得到好的匹配度。点云可以转换CAD表面和直接在VLM中应用,这样在没有CAD模型进行对比的时候也可以使用。这样就可以使得打标不需要进行精确的定位和固定。

智能系统可以使用不同的工件放置而不需要移动激光或工件,这是因为该系统考虑了几个不同的重要的参数,包括投影变形、剪切角和顶角以及3D表面取向。

Projection distortion.投影变形: 由于激光束在整个打标的过程中源于一个固定点,扫描系统必须可以校正形状的畸变以使得在打标过程中可能发生的其他情况,见图3。这一类型的变形校正在过去广泛的应用于比较简单的形状的打标上,如倾斜平面和圆柱体等。但是,对于任意的、自由的3D形状的表面就会变得比较困难。现在,升级后的VLM软件可以排除这一挑战,这时候的校正是自动完成的。图4为这一软件有效性的演示。

图3 当在一个非法线入射角到曲线的表面时打标的投影变形

Clipping angle.剪切角 ,传统的2D打标按特定方式 安置以使得激光束能够经常在垂直于(±10°C)工件表面的附近对齐 ,即接近 法线入射方向。然而,在3D打标的时候,激光可以在任意角度进行,显著偏离法线的方向进行打标。偏离的最大角度取决于工件表面的吸收情况和反射情况,这叫剪切角。这一操作依据每一具体的工作来确定以使得每一激光打标或者打标机器来适应不同的打标材料。

图4 应用SmartMap 3D打标系统,部件的CAD模型 在软件中进一步的提高改善,用户对打标的部件进行定位。

Figure 4.图解:最终结果显示,变形的校正是非常必须的,以在目标物体上实现正确的打标形状

Apex angle. 顶角:这个定义了激光打标在XY轴的体积极限。这一点在采用 f-theta棱镜的焦平面进行标印光定系时是非常重要的。在安装的时候,系统或者子系统中,VLM中会储存这些信息。它会自动地排除错误,任何一个操作者都可以在突破打印物理极限地条件下实现打印。

小结

激光打标所提供的独特的优势是可以在几乎任何材料上制造数字、符号、logo和其他图形 。直到现在,大多数激光打标均受限于平面或者简单的形状。在自由形状表面进行特定用途的打标是非常复杂和成本比较高昂的。这一困境现在得到了彻底的改变。先进的智能3D打标系统,SmartMap 3D,只需要简单的按一下按钮即可自动完成,解锁用于工业中的汽车、消费电子、(家用) 电器和其他场合中的打标应用。

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