CN107081970B - 利用激光在金属材料表面标记隐形二维码的方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了利用激光在金属材料表面标记隐形二维码的方法及设备，所述设备包括：标记系统，激光器，控制系统，扩束镜，振镜系统，f‑theta透镜，工业相机系统，以及读码系统，其中激光器的激光脉冲宽度为1～100ns；f‑theta透镜镜头的标称焦距不大于160mm。本发明基于创新的激光打标设备，通过控制激光的脉冲宽度、二维码点阵的点直径以及点间距，实现在金属材料上标记出人眼看不到的隐形二维码，并通过工业相机系统与读码系统实现隐形二维码的拍照和读取，从而实现隐形防伪功能。本发明标记方法不会破坏材料表面，无手感且不影响外观，能做到永久标刻，加工过程无污染，无需使用化学药品，成本低廉。

Description

利用激光在金属材料表面标记隐形二维码的方法及设备
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种利用激光在金属材料表面标记隐形二维码的方法及设备。
背景技术
随着消费电子市场需求的变化，包括铝合金在内的金属材料在电子产品上的应用越来越广泛，使激光加工在消费电子产品上标记应用也越来越多，其中比较常见应用就是在产品表面标记二维码进行产品的追溯。现有的激光加工在铝合金表面标记二维码标记的工艺，通常都是破坏材料表面达到标记为白色或者是暗灰色的二维码，此种加工工艺是通过破坏铝合金材料表面，露出铝合金材料的本色或者大能量烧成暗灰色；标记出来的二维码有一定深度，在日常使用过程中容易沾染赃物，难于去除，边缘会有较重毛刺，外观效果较差，且铝合金材料本身光亮平滑，有很强的金属手感，此效果严重影响消费者对产品的手感体验及美的感观度。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供利用激光在金属材料表面标记隐形二维码的方法及设备，从而克服现有技术中的用激光在铝合金表面标记二维码标记的工艺，破坏铝合金材料表面，难于去除，外观效果差、严重影响消费者对产品的手感体验的问题。
本发明的技术方案如下：
一方面，本发明提供了一种利用激光在金属材料表面标记隐形二维码的设备，其包括：
标记系统，用于编辑生成隐形二维码的内容并设定对应的标记参数；
激光器，用于提供光源；所述激光器的激光脉冲宽度为1～100ns；
控制系统，用于控制激光光束的输出方式；
扩束镜，用于将所述激光器发出的激光光束扩大；
振镜系统，用于根据所述标记系统设定的标记参数，将经所述扩束镜扩大后的激光光束在金属材料表面做定位标记；
f-theta透镜，用于使激光光束均匀聚焦至金属材料表面；所述f-theta透镜镜头的标称焦距不大于160mm；
工业相机系统，用于对标记后的隐形二位码进行放大拍照；以及
读码系统，用于读取所述工业相机系统拍摄的隐形二维码。
所述的利用激光在金属材料表面标记隐形二维码的设备，其中，所述设备还包括：
旋转工作台，用于提供标记隐形二维码的打标工位、以及对标记后的隐形二位码进行放大拍照的拍照工位，并通过旋转实现打标工位和拍照工位的切换。
所述的利用激光在金属材料表面标记隐形二维码的设备，其中，所述设备还包括：
二维码数据库系统，用于将所述读码系统读取的隐形二维码数据进行重码判断及存储。
所述的利用激光在金属材料表面标记隐形二维码的设备，其中，所述扩束镜为6～16倍扩束镜；所述振镜系统包括X振镜和Y振镜，所述X振镜和所述Y振镜为10～20mm振镜。
所述的利用激光在金属材料表面标记隐形二维码的设备，其中，所述工业相机系统包括：CCD工业相机，以及为CCD工业相机提供拍照光源的相机光源；所述CCD工业相机的相机和镜头像素为500～2000万；所述相机光源为60～90°的光源。
另一方面，本发明还提供了一种基于以上所述的设备的利用激光在金属材料表面标记隐形二维码的方法，包括：
步骤A、通过标记系统预先编辑生成隐形二维码的内容，并预先设定对应的标记轨迹，以及预先设定将要进行标记的二维码点阵的点间距；
步骤B、控制激光器发出脉冲宽度为1～20ns的激光光束，同时控制振镜系统根据所述标记系统预先设定的标记轨迹、以及二维码点阵的点间距运动，进行激光标记二维码；
步骤C、完成标记后，通过工业相机系统对标记后的隐形二位码进行放大拍照；然后通过读码系统读取工业相机系统拍摄的隐形二维码。
所述的利用激光在金属材料表面标记隐形二维码的方法，其中，所述步骤A之前还包括：
将需要进行隐形二维码标记的金属材料表面清洁干净。
所述的利用激光在金属材料表面标记隐形二维码的方法，其中，所述步骤C之后还包括：
将读码系统读取的隐形二维码上传至二维码数据库系统；
将当前上传的隐形二维码与二维码数据库系统中已存储的隐形二维码进行对比分析，判断是否重码，当不重码时，存储当前上传的隐形二维码。
所述的利用激光在金属材料表面标记隐形二维码的方法，其中，所述步骤B还包括：
控制振镜系统运动标记二维码时的标记速度为10～20mm/s。
所述的利用激光在金属材料表面标记隐形二维码的方法，其中，所述步骤A中，预先设定将要进行标记的二维码点阵的点间距为0.14～0.16mm。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种利用激光在金属材料表面标记隐形二维码的方法及设备，本发明基于创新的激光打标设备，通过控制激光脉冲宽度、二维码点阵的点直径以及点间距，实现在金属材料上标记出人眼看不到的隐形二维码，并通过工业相机系统与读码系统实现标记的隐形二维码的拍照和读取，从而实现隐形防伪的功能。本发明标记方法不会破坏金属材料表面，完全没手感且不影响外观，并且能够做到永久标刻，加工过程无污染，无需使用任何辅助化学药品，成本低廉。
附图说明
图1是本发明利用激光在金属材料表面标记隐形二维码的设备较佳实施例的结构示意图。
图2为本发明利用激光在金属材料表面标记隐形二维码的方法较佳实施例的流程图。
图3为本发明激光打标效果的显微效果图(200倍显微镜下拍摄)。
具体实施方式
本发明提供利用激光在金属材料表面标记隐形二维码的方法及设备，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明较佳实施例的利用激光在金属材料表面标记隐形二维码的设备，如图1所示，包括：标记系统1、激光器2、控制系统3、扩束镜4、振镜系统5、f-theta透镜6、工业相机系统、以及读码系统9。
其中所述标记系统用于编辑生成隐形二维码的内容并设定对应的标记参数；所述激光器用于提供光源；所述控制系统用于控制激光光束的输出方式；所述扩束镜用于将所述激光器发出的激光光束扩大；所述振镜系统用于根据所述标记系统设定的标记参数，将经所述扩束镜扩大后的激光光束在金属材料表面做定位标记；激光束经过扩束镜后，再通过f-theta镜聚焦到工作表面，所述f-theta透镜用于使激光光束均匀聚焦至金属材料表面；所述工业相机系统用于对标记后的隐形二位码进行放大拍照；所述读码系统用于读取所述工业相机系统拍摄的隐形二维码。
进一步的，本实施例中，所述控制系统也即是电气控制部，其不仅对激光器提供能量电源，还控制激光光束的输出方式；所述标记系统主要由标记软件构成，用于编辑二维码的内容，自动设置日期跳号等，进行标记。所述读码系统主要由读码软件构成，读码软件也即是视觉软件，用于解码读取内容。
进一步的，本实施例中，本发明所述激光器的激光脉冲宽度为1～100ns。不同的激光器，其脉冲宽度可以在很大范围内变化，而脉冲宽度是保证本发明标记隐形二维码的其中一个重要因素，脉冲宽度越小，激光瞬间能量越高，峰值功率越高，能有效缩短激光在材料表面作用时间，瞬间的单脉冲激光作用在材料表面，才能达到不损伤材料的情况下做出标记。本发明限定激光器的激光脉冲宽度为1～100ns，使激光器能够发出足够小的脉冲，以达到隐形二维码的效果。本发明所述激光器优选为红外光纤激光器，其脉冲波长为1058～1070nm，平均功率为20W。
进一步的，如图1所示，本实施例中，所述设备还包括二维码数据库系统10，其可以为一在线服务器的数据库。所述二维码数据库系统用于将所述读码系统读取的隐形二维码数据进行重码判断、对比纠错及存储，防止打标重码，方便后续制程追溯及售后防伪查询。
进一步的，如图1所示，本实施例中，所述设备还包括一旋转工作台11。所述旋转工作台用于提供标记隐形二维码的打标工位a、以及对标记后的隐形二位码进行放大拍照的拍照工位b，并通过旋转实现打标工位和拍照工位的切换。所述旋转工作台11上放置金属材料进行双工位旋转打标，一个工位打标，打标完成后旋转至另一工位进行读取，从而提高打标效率。
进一步的，本实施例中，所述振镜系统包括X振镜和Y振镜，由扫描电机和光学反射镜片组合而成，振镜根据标记系统设定的位置及轨迹信息在金属材料表面做出定位标记；其中，本实施所述X振镜和所述Y振镜为10～20mm振镜，例如10mm、14mm、20mm。从经济角度考度，优选采用10mm振镜。
本发明经过大量的测试发现，实现金属材料表面的二位码隐形需要满足三个条件：其一，足够小的激光脉冲宽度，以缩短作用时间，不损伤材料；其二，足够小的二维码点阵的点直径；其三、合适的二维码点阵的点间距，即合适的点密度。
所述二维码点阵的点直径由整套光路系统决定，点直径受激光聚焦后的光斑大小影响，而决定聚焦后光斑大小的因素主要包括：f-theta镜头的标称焦距、扩束后的聚焦前光斑直径、激光器的光束质量因子M2等。其中，所述激光器的光束质量因子M2是激光器的一个重要指标参数，其为常数，且其值越小越好，优选的，本实施例中，M2小于1.3；所述扩束后的聚焦前光斑直径，即激光器出来的光斑经扩束后的光斑直径，聚焦后光斑直径与聚焦前光斑直径成反比，故需要对激光光束进行扩束。
进一步的，本实施例中，所述扩束镜为6～16倍扩束镜；当振镜系统的反射镜片规格为10mm时，由于激光器发出的光斑为1mm左右，当振镜系统的反射镜片规格为10mm时，为了保证振镜片在偏转运动时仍能够完整的接住整个光斑，这个光斑须在7～8mm，否则会出现光斑缺失问题，因此选择6～8倍扩束镜。同理，当振镜系统的反射镜片尺寸(d)为：10mm＜d≤20mm时，例如20mm时，可以采用16倍扩束镜，聚焦前光斑直径扩束16倍，接近16mm，可以保证振镜片在偏转运动时仍能够完整的接住整个光斑。
进一步的，本实施例中，所述f-theta透镜镜头的标称焦距不大于160mm。镜头标称焦距越短，光斑越小，只有光斑足够小，才能达到隐形的功能。当振镜系统的反射镜片规格为10mm时，所述f-theta透镜镜头的标称焦距不大于80mm。当振镜系统的反射镜片规格为10mm，当标称焦距等于或小于80mm时，激光聚焦后的光斑直径接近18μm，此时二维码点阵的点直径才能满足隐形的要求。具体应用时，可以采用80mm标称焦距的镜头，即f-theta-80镜头(F80)，其中80是指镜头的标称焦距，当采用f-theta-80镜头时，二维码点阵的点直径可以满足0.015～0.02mm，如此能够满足光斑足够小，达到隐形效果。当振镜系统的反射镜片尺寸(d)为：10mm＜d≤20mm时，例如20mm时，聚焦前光斑直径能做到扩束16倍，接近16mm，此时可以用F80之外的其他镜头(如F160镜头)来达到点直径为0.015～0.02mm的效果，但是用20mm尺寸振镜时相较10mm振镜成本会增加。因此，基于以上优选采用10mm振镜，所述f-theta透镜镜头又优选为标称焦距不大于80mm，相应的，所述扩束镜又优选为6～8倍扩束镜。
进一步的，如图1所示，本实施例中，所述工业相机系统包括：CCD工业相机7，以及为CCD工业相机7提供拍照光源的相机光源8。其中，所述CCD工业相机7的相机和镜头像素为500～2000万；所述相机光源8为60～90°的环形光源。优选的，具体实施时，从经济角度考度，可以选用500万像素的相机和镜头，如此视野范围是10*10mm左右，分辨率是0.005mm左右，当激光点直径为0.015～0.02mm时，一个点有3～4个像素，这样工业相机的拍摄效果才足够清晰。所述相机光源可以为60°、70°、80°等，优选为70°的环形光源。
本发明利用激光在金属材料表面标记隐形二维码的设备，是一款全新的窄脉宽光纤激光器和一整套高精度的工业相机读取二维码系统的结合。基于以上所述的设备，本发明实施例还提供了一种利用激光在金属材料表面标记隐形二维码的方法，如图2所示，包括：
步骤S100、通过标记系统预先编辑生成隐形二维码的内容，并预先设定对应的标记轨迹，以及预先设定将要进行标记的二维码点阵的点间距。
步骤S200、控制激光器发出脉冲宽度为1～20ns的激光光束，同时控制振镜系统根据所述标记系统预先设定的标记轨迹、以及二维码点阵的点间距运动，进行激光标记二维码。
所述步骤S200也即是激光打标二维码，具体实施时，首先设置相应的激光打标参数，然后对金属材料表面进行激光打标，在表面形成隐形二维码；控制激光器发出脉冲宽度为1～20ns的激光光束也即是采用窄脉宽激光模式进行打标。其中更优选采用1～10ns的激光光束，例如3ns、5ns、10ns等，均可以很好的达到有效缩短激光在材料表面作用时间，在不损伤材料的情况下做出标记。
步骤S300、完成标记后，通过工业相机系统对标记后的隐形二位码进行放大拍照；然后通过读码系统读取工业相机系统拍摄的隐形二维码。
所述步骤S300也即是相机拍摄和软件读取的过程，具体实施时，相机拍摄时，首先设置相应的相机参数和光源参数，然后对已打标完成的隐形二维码进行拍照；软件读取时，首先设置相应的视觉软件参数，然后对拍摄的图片进行分析解码读取隐形二维码内容。
由以上可知，实现金属材料表面的二位码隐形，除需要足够小的二维码点阵的点直径之外，还需要满足足够小的激光脉冲宽度和合适的二维码点阵的点间距。所述激光脉冲宽度由激光器本身特性以及控制系统对发射脉冲的控制决定。而所述二维码点阵的点间距由标记系统(标记软件)预先设置，再由控制振镜运动来控制合适的点间距，具体的，首先点间距是设置到标记软件，标记软件再下传至控制系统，控制系统最后控制振镜运动来控制点间距。
所述步骤S100中，预先设定将要进行标记的二维码点阵的点间距为0.14～0.16mm。当二维码点阵的点间距太小即点密度高时，肉眼很容易观察到；而当点间距过大即点密度稀疏时，肉眼看不到，但是CCD工业相机也无法识别出来，经过大量的创造性的实验发现，当点间距在0.14～0.16mm时肉眼看不到，但是工业相机CCD能清晰拍到。只有同时满足以上合适的点直径和点间距，才能达到肉眼看不到，工业相机CCD可以识别的效果。只有同时满足以上合适的脉冲宽度、合适的点直径以及和合适的点间距时，才能满足即不损伤材料又能达到二维码隐形的效果。
优选的，本实施例中，所述步骤S100之前还包括：将需要进行隐形二维码标记的金属材料表面清洁干净，擦拭表面以保证金属材料的表面洁净度，然后对洁净的金属材料表面进行激光打标，将更有利于在表面形成隐形二维码。
进一步的，本实施例中，所述步骤S300之后还包括：
S400、将读码系统读取的隐形二维码上传至二维码数据库系统；并将当前上传的隐形二维码与二维码数据库系统中已存储的隐形二维码进行对比分析，判断是否重码，当不重码时，存储当前上传的隐形二维码。
所述S400也即是进行追溯防伪的过程，具体实施时，首先把读取的二维码内容上传至在线服务器的数据库，然后对比数据库数据防止重码，最后存储不重码的隐形二维码，从而方便后续制程读取追溯以及售后的防伪。
优选的，所述步骤S200还包括：
S240、控制振镜系统运动标记二维码时的标记速度为10～20mm/s。其中，所述标记速度为预先通过标记系统(标记软件)设定的，预先在标记软件中设定好标记速度，标记软件再下传至控制系统，控制系统再根据标记软件设定的标记速度数据控制振镜运动。本发明优选10～20mm/s的低速标记，如此能使激光单脉冲作用下，每个构成二维码点阵的点均匀饱满，保证每个点效果一致性，能提高读码率，减少误码。
进一步的，本实施例中，所述金属材料可以为多种金属材料，例如碳钢、铝合金等，其中优选为铝合金。铝合金表面标记隐形二维码后，肉眼无法看出，而通过CCD工业相机可以进行放大拍照，然后进行读取二维码，放大拍照的图片可参见图3所示。本发明标记后的铝合金表面，肉眼无法直接看到二维码，但是通过CCD工业相机能准确读取二维码信息，从而达到了隐形可追溯的功能。
本发明是一种全新的激光加工工艺，实现隐形防伪的新功能，整个标记过程不会伤到产品表面，肉眼无法观察到，完全没有手感，完全不影响材料外观的美观；做到永久标刻，加工过程无污染，无需使用任何辅助化学药品，成本低廉；并能上传储存二维码信息内容至数据库，防止重码方便后续追溯及售后防伪等。
综上，本发明提供了一种利用激光在金属材料表面标记隐形二维码的方法及设备，本发明基于创新的激光打标设备，通过控制激光脉冲宽度、二维码点阵的点直径以及点间距，实现在金属材料上标记出人眼看不到的隐形二维码，并通过工业相机系统与读码系统实现标记的隐形二维码的拍照和读取，从而实现隐形防伪的功能。本发明标记方法不会破坏金属材料表面，完全没手感且不影响外观，并且能够做到永久标刻，加工过程无污染，无需使用任何辅助化学药品，成本低廉。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种利用激光在金属材料表面标记隐形二维码的设备，其特征在于，包括：
标记系统，用于编辑生成隐形二维码的内容并设定对应的标记参数；所述设定对应的标记参数包括预先设定隐形二维码点阵的点间距；
激光器，用于提供光源；所述激光器的激光脉冲宽度为1～100ns；所述激光器为红外光纤激光器；
控制系统，用于控制激光光束的输出方式；
扩束镜，用于将所述激光器发出的激光光束扩大；
振镜系统，用于根据所述标记系统设定的标记参数，将经所述扩束镜扩大后的激光光束在金属材料表面做定位标记；
f-theta透镜，用于使激光光束均匀聚焦至金属材料表面；所述f-theta透镜镜头的标称焦距不大于160mm；
工业相机系统，用于对标记后的隐形二位码进行放大拍照；以及
读码系统，用于读取所述工业相机系统拍摄的隐形二维码；
所述扩束镜为6～16倍扩束镜；所述振镜系统包括X振镜和Y振镜，所述X振镜和所述Y振镜为10～20mm振镜；
所述工业相机系统包括：CCD工业相机，以及为CCD工业相机提供拍照光源的相机光源；所述CCD工业相机的相机和镜头像素为500～2000万；所述相机光源为60～90°的光源；
其中，所述标记系统预先设置隐形二维码点阵的点间距，所述控制系统控制振镜系统运动来控制点间距的大小；
所述隐形二维码是由二维码点阵的点直径以及合适的二维码点阵的点间距构成的点阵组成的二维码，其中，所述点直径受激光聚焦后的光斑大小影响。
2.根据权利要求1所述的利用激光在金属材料表面标记隐形二维码的设备，其特征在于，所述设备还包括：
旋转工作台，用于提供标记隐形二维码的打标工位、以及对标记后的隐形二位码进行放大拍照的拍照工位，并通过旋转实现打标工位和拍照工位的切换。
3.根据权利要求1所述的利用激光在金属材料表面标记隐形二维码的设备，其特征在于，所述设备还包括：
二维码数据库系统，用于将所述读码系统读取的隐形二维码数据进行重码判断及存储。
4.一种基于权利要求1所述的设备的利用激光在金属材料表面标记隐形二维码的方法，其特征在于，包括：
步骤A、通过标记系统预先编辑生成隐形二维码的内容，并预先设定对应的标记轨迹，以及预先设定将要进行标记的二维码点阵的点间距；预先设定将要进行标记的二维码点阵的点间距为0.14～0.16mm；
步骤B、控制激光器发出脉冲宽度为1～20ns的激光光束，同时控制振镜系统根据所述标记系统预先设定的标记轨迹、以及二维码点阵的点间距运动，进行激光标记二维码；
步骤C、完成标记后，通过工业相机系统对标记后的隐形二位码进行放大拍照；然后通过读码系统读取工业相机系统拍摄的隐形二维码。
5.根据权利要求4所述的利用激光在金属材料表面标记隐形二维码的方法，其特征在于，所述步骤A之前还包括：
将需要进行隐形二维码标记的金属材料表面清洁干净。
6.根据权利要求4所述的利用激光在金属材料表面标记隐形二维码的方法，其特征在于，所述步骤C之后还包括：
将读码系统读取的隐形二维码上传至二维码数据库系统；
将当前上传的隐形二维码与二维码数据库系统中已存储的隐形二维码进行对比分析，判断是否重码，当不重码时，存储当前上传的隐形二维码。
7.根据权利要求4所述的利用激光在金属材料表面标记隐形二维码的方法，其特征在于，所述步骤B还包括：
控制振镜系统运动标记二维码时的标记速度为10～20mm/s。
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