一種用于表面覆膜的包裝材料的激光在線打標方法和裝置與流程

本發(fā)明屬于激光打標技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于表面覆膜的包裝材料的激光在線打標方法和裝置。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代人生活水平的提高，對人體自身健康方面的關(guān)注越來越多，特別是在快速消費品領(lǐng)域，很多包裝材料的內(nèi)表面都覆有一層透明的保護膜，以阻止直接進入人體口中的食品、藥品、飲料和乳制品等與包裝材料直接接觸，因為未覆膜的包裝材料內(nèi)表面通常會有油墨、油漆和顏料等對人體有害的物質(zhì)。

另一方面，隨著現(xiàn)代科技的高速發(fā)展，假冒偽劣商品也越來越猖獗。傳統(tǒng)的防偽技術(shù)很容易被仿冒，而激光打標技術(shù)因為產(chǎn)生的標識是永久性的，不容易被擦除，越來越多的被應用在商品防偽上。同時，很多商品需要對其生產(chǎn)、加工、流通和銷售的各個環(huán)節(jié)進行追溯，也進一步催生了激光打標技術(shù)在包裝材料上的應用。

對于內(nèi)表面覆膜的包裝材料，采用激光打標技術(shù)進行加工時，一種情況是存在將內(nèi)表面的膜層擊穿的問題，另一種情況是存在激光光束無法穿透膜層也不會被膜層吸收的問題。前一種情況會造成透明膜層在一個局部無法起到應有的保護作用，特別是對飲料和乳制品等流體性物質(zhì)，會造成其與包裝材料的有害層直接接觸的幾率更大，缺點尤為明顯。后一種情況會造成激光打標根本無法實現(xiàn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了解決上述背景技術(shù)存在的不足，提供一種用于表面覆膜的包裝材料的激光在線打標方法和裝置，使其打標時不破壞包裝材料內(nèi)表面，確保其密封保護功能

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種用于表面覆膜的包裝材料激光在線打標的方法，過程為：在工控機中導入待打標的圖案，設(shè)置激光器的參數(shù)，控制激光器產(chǎn)生的激光束作用于包裝材料內(nèi)層的透明薄膜層內(nèi)部或穿過透明薄膜層作用于有色層內(nèi)部，使圖案打標于包裝材料內(nèi)層的透明薄膜層內(nèi)部或有色層內(nèi)部，打標完成后對打標的圖案進行檢測，將檢測的打標不合格的產(chǎn)品剔除。

進一步地，所述透明薄膜層內(nèi)部或有色層內(nèi)部的圖案的打標深度小于10μm。

根據(jù)采用的激光光源的波段的不同，該方法的工作原理有所不同。對于波長小于650nm的激光光源，該方法的工作原理是：通過對伺服電機的精細控制在z方向?qū)ι抵Ъ苓M行精細調(diào)節(jié)，使得激光束透過材料內(nèi)表面的透明薄膜層，激光束會聚的焦點在第二層有色層上，有色層吸收到的激光能量密度大于材料破壞的臨界值，從而在其表面產(chǎn)生微米量級的破裂層。通過計算機等控制技術(shù)調(diào)控激光束的能量大小，使其剛好能讓第二層有色層的微觀性能發(fā)生轉(zhuǎn)變但不產(chǎn)生宏觀的爆裂層，激光束的作用范圍被限制在第二層有色層表面的幾個微米之內(nèi)，沒有穿透整個第二層有色層。這樣，觀察者無論從包裝材料正面或者反面垂直材料表面的角度去觀察，是無法清晰觀察到激光打標后形成的標識圖案的。只有當采用強光照射材料表面，或者觀察的角度與垂直方向有一定的傾斜后，才能通過第二層有色層表面粗糙度的反差識別出激光打標后的標識圖案。

對于波長大于650nm的激光光源，該方法的工作原理是：，激光束大部分被材料表面的第一層透明薄膜層所吸收，激光束未能透過包裝材料內(nèi)表面的透明薄膜層到達第二層有色層。通過對伺服電機的精細控制在z方向?qū)す獯驑祟^的高低進行精細調(diào)節(jié)，使得激光束會聚的焦點剛好位于包裝材料內(nèi)表面的透明薄膜層內(nèi)部，透明薄膜層吸收到的激光能量密度大于其破壞的臨界值，從而使其表面產(chǎn)生微米量級的破裂層。通過計算機等控制技術(shù)調(diào)控激光束的能量大小，使其剛好能讓第一層透明薄膜層的微觀性能發(fā)生轉(zhuǎn)變但不造成其爆裂，激光束的作用范圍被限制在第一層透明薄膜層表面的幾個微米之內(nèi)，沒有穿透整個透明薄膜層。這樣，觀察者正面或者反面垂直材料表面的角度去觀察，是無法清晰觀察到激光打標后形成的標識圖案的。只有當采用強光照射材料表面，或者觀察的角度與垂直方向有一定的傾斜后，才能通過其表面粗糙度的反差識別出激光打標后的標識圖案。

一種用于表面覆膜的包裝材料的激光在線打標裝置，包括支座和設(shè)置于支座一側(cè)的操作柜和升降支架，所述操作柜上安裝工控機，所述升降支架上安裝激光器，所述工控機與激光器電連接，所述支座上安裝輸送平臺，輸送平臺上放置表面覆膜的包裝材料，所述激光器的打標頭正對輸送平臺上方，所述支座上設(shè)有檢測機構(gòu)和剔除機構(gòu)，所述檢測機構(gòu)設(shè)置于輸送平臺上方，所述剔除機構(gòu)設(shè)置于輸送平臺一側(cè)，所述打標頭、檢測機構(gòu)和剔除機構(gòu)沿輸送平臺的前進方向依次布置。

進一步地，所述檢測機構(gòu)包括用于提供光照檢測的強光光源和用于對打標的圖案進行甄別的工業(yè)相機。

進一步地，所述包裝材料包括依次疊層布置的第一透明薄膜層、有色層和基底層，所述第一透明薄膜層為包裝材料的內(nèi)層。

進一步地，所述第一透明薄膜層包括多層透明薄膜，所述透明薄膜材質(zhì)為eva透明薄膜、pe透明薄膜、pp透明薄膜、pet透明薄膜、pvc透明薄膜、tpr透明薄膜或tpu透明薄膜。

進一步地，所述有色層與基底層之間設(shè)有第二透明薄膜層。

進一步地，所述激光器為全固態(tài)紅外激光器、綠光激光器、紫外激光器、光纖激光器或二氧化碳激光器中的任意一種，所述激光器輸出的激光為脈沖激光或連續(xù)激光。

更進一步地，所述升降支架包括絲桿、進行粗調(diào)的渦輪和進行細調(diào)的伺服電機，所述絲桿與渦輪配合連接，所述絲桿與伺服電機之間通過聯(lián)軸器連接，所述伺服電機與工控機電連接。

本發(fā)明在表面覆膜的包裝材料上的激光打標方法可以選擇在透明膜層表面用激光打標出10微米以下的淺層圖案，也可以選擇讓激光束透過表面透明薄膜層到達包裝材料的中間有色層層，在中間層表面用激光打標出10微米以下的淺層圖案。這兩種方法均不會造成包裝材料表面的透明膜層被擊穿，密封性能好；打標出的圖案因為很淺，用肉眼從垂直材料表面的角度去觀察，是無法清晰觀察到激光打標后形成的圖案的，只有在采用強光照射材料表面，或者觀察的角度與垂直方向有一定的傾斜后，才能通過被打標層表面粗糙度的反差識別出激光打標后的圖案。而且，被加工的表面均是在包裝材料的內(nèi)表面，在實際的商品包裝中，只有拆開包裝，才可能尋找到被加工的部位。因此，假冒偽劣的可能性被大大的降低了，商品的可追溯性也更容易通過這種方式實現(xiàn)。

本發(fā)明圖案打標于透明薄膜層或有色層內(nèi)部，二維碼、批號等防偽識別碼永不磨損，包裝材料內(nèi)表面沒有損傷，不會破壞原有包裝材料的組織層結(jié)構(gòu)及其密封性能。本發(fā)明裝置集打標、檢測、剔除為一體，縮短了后續(xù)的操作工序，效率更高，打標二維碼、批號等防偽識別碼速度快、效果清晰美觀、適應各類表面覆膜的包裝材料，可以廣泛應用于液態(tài)食品奶飲品、固態(tài)食品、藥品、化工產(chǎn)品、生活日用品等行業(yè)領(lǐng)域。

附圖說明

圖1為本發(fā)明打標裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明表面覆膜的包裝材料的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明打標位置的示意圖。

圖中：1-第一透明薄膜層，2透明薄膜，3-有色層，4-第二透明薄膜層，5-基底層，6-第三透明薄膜層，7-操作柜、8-工控機、9-激光器、10-打標頭、11-升降支架、12-輸送平臺、13-包裝材料、14-光源、15-工業(yè)相機，16-檢測機構(gòu)，17-剔除機構(gòu)，18-支座。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明，便于清楚地了解本發(fā)明，但它們不對本發(fā)明構(gòu)成限定。

如圖1所示，本發(fā)明用于表面覆膜的包裝材料的激光在線打標裝置包括支座18、操作柜7和升降支架11，操作柜7和升降支架11位于支座18的兩側(cè)或同一側(cè)，所述操作柜7上安裝工控機8，所述升降支架11上安裝激光器9，所述工控機7與激光器9電連接，所述支座18上安裝輸送平臺12，輸送平臺12上放置表面覆膜的包裝材料13，輸送平臺12按一定的速度輸送表面覆膜的包裝材料13，所述激光器9的打標頭10正對輸送平臺12上方，所述支座08上設(shè)有檢測機構(gòu)16和剔除機構(gòu)17，所述檢測機構(gòu)16設(shè)置于輸送平臺12上方，所述剔除機構(gòu)17設(shè)置于輸送平臺12一側(cè)，所述打標頭10、檢測機構(gòu)16和剔除機構(gòu)17沿輸送平臺12的前進方向(即圖1所示的箭頭x方向)依次布置。

工控機8內(nèi)安裝打標控制系統(tǒng)，打標控制系統(tǒng)能實現(xiàn)控制激光器的開關(guān)光、激光打標頭上的振鏡動作、升降支架的精細調(diào)節(jié)、待打標內(nèi)容的獲取和在線編輯，與輸送平臺控制系統(tǒng)的通訊，與工業(yè)相機的通訊，重要信號的輸入和輸出等多種功能。

升降支架11是以細導程的絲桿為主體結(jié)構(gòu)，同時配有手動的渦輪和伺服電機，伺服電機與工控機電連接，手動的渦輪能實現(xiàn)粗略調(diào)節(jié)，伺服電機與絲桿之間通過聯(lián)軸器相連，可實現(xiàn)電動的精細調(diào)節(jié)。

檢測機構(gòu)16包括用于提供光照檢測的強光光源14和用于對打標的圖案進行甄別的工業(yè)相機15。

剔除機構(gòu)17由支撐座、旋轉(zhuǎn)氣缸、升降氣缸和吸盤組成，旋轉(zhuǎn)氣缸和升降氣缸與工控機電連接。當檢測到不合格的產(chǎn)品時，升降氣缸先向下動作，這樣吸盤就能接觸到包裝材料靠吸附力將其吸住，接著升降氣缸向上運動。然后，旋轉(zhuǎn)氣缸旋轉(zhuǎn)180度將吸附有包裝材料的那一頭旋轉(zhuǎn)到輸送平臺的外側(cè)，接著升降氣缸向下動作接近廢料盒，吸盤退去吸附力，打標不合格的包裝材料靠重力的作用回落到廢料盒內(nèi)。

如圖2所示，表面覆膜的包裝材料13由從內(nèi)到外的第一透明薄膜層1、有色層3和基底層5緊密貼合構(gòu)成。其中，第一透明薄膜層1還可進一步由多層厚度更薄的透明薄膜2構(gòu)成。同樣，中間的有色層3和外部的基底層5也可以由多層材料構(gòu)成。有色層3和基底層5之間也可以再加入一個第二透明薄膜層4。基底層5的外部也可以再加入一個第三透明薄膜層6。

上述第一透明薄膜層1、第二透明薄膜層4和第三透明薄膜層6結(jié)構(gòu)基本相同，第一透明薄膜層1為eva透明薄膜、pe透明薄膜、pp透明薄膜、pet透明薄膜、pvc透明薄膜、tpr透明薄膜或tpu透明薄膜中的任意一種，或者是這些薄膜的層疊構(gòu)成，其厚度一般在0.2mm以下。

有色層3為顏料層、油漆層、油墨層或金屬箔，其厚度一般在1mm以下。

基底層5為紙板、塑料板或金屬板，其厚度一般在1-3mm。

激光器9為全固態(tài)的紅外激光器、綠光激光器、紫外激光器、光纖激光器或二氧化碳激光器中的任意一種，所述激光器輸出的激光為脈沖激光或連續(xù)激光。

采用上述打標裝置實現(xiàn)在表面覆膜的包裝材料的內(nèi)表面激光打標的方法，包括如下步驟：

1)將需要打標的內(nèi)容導入到工控機中，打標的內(nèi)容一般為包裝材料的生產(chǎn)日期、批號、保質(zhì)期、條形碼和二維碼等；

2)手動搖動升降支架上的手輪，粗略調(diào)節(jié)升降支架，使得激光束經(jīng)過激光器的打標頭后會聚的焦點位置大致在輸送平臺上的包裝材料上；

3)根據(jù)激光光源波段的不同，在打標控制系統(tǒng)上輸入相應的指令，通過指令控制升降支架上的伺服電機，由其帶動升降支架上的激光器的打標頭上下精細調(diào)節(jié)，使得激光束的焦點位置在包裝材料的第一層透明薄膜層或有色層上，如圖3所示；

對于波長小于650nm的激光光源，控制激光束透過包裝材料的第一透明薄膜層，激光束會聚的焦點作用在有色層上的b點，有色層吸收到的激光能量密度大于材料破壞的臨界值，從而在其表面產(chǎn)生微米量級的破裂層。通過計算機等控制技術(shù)調(diào)控激光束的能量大小，使其剛好能讓有色層的微觀性能發(fā)生轉(zhuǎn)變但不產(chǎn)生宏觀的爆裂層，激光束的作用范圍被限制在有色層表面的10微米之內(nèi)(即b點與有色層表面3.1之間的垂直距離小于10μm)，沒有穿透整個有色層。這樣，觀察者無論從包裝材料正面或者反面垂直材料表面的角度去觀察，是無法清晰觀察到激光打標后形成的標識圖案的。只有當采用強光照射材料表面，或者觀察的角度與垂直方向有一定的傾斜后，才能通過有色層表面粗糙度的反差識別出激光打標后的標識圖案。

對于波長大于650nm的激光光源，激光束大部分被包裝材料的第一透明薄膜層所吸收，激光束會聚的焦點作用在有色層上的a點，激光束未能透過第一透明薄膜層到達有色層，通過調(diào)節(jié)設(shè)備上激光打標頭的高低，使得激光束會聚的焦點剛好位于第一透明薄膜層上，第一透明薄膜層吸收到的激光能量密度大于其破壞的臨界值，從而在其表面產(chǎn)生微米量級的破裂層。通過計算機等控制技術(shù)調(diào)控激光束的能量大小，使其剛好能讓第一透明薄膜層的微觀性能發(fā)生轉(zhuǎn)變但不造成其爆裂，激光束的作用范圍被限制在第一透明薄膜層表面的10微米之內(nèi)(即a點與第一透明薄膜層表面1.1之間的垂直距離小于10μm)，沒有穿透整個第一透明薄膜層。這樣，觀察者正面或者反面垂直材料表面的角度去觀察，是無法清晰觀察到激光打標后形成的標識圖案的。只有當采用強光照射材料表面，或者觀察的角度與垂直方向有一定的傾斜后，才能通過其表面粗糙度的反差識別出激光打標后的標識圖案。

4)在打標控制系統(tǒng)上編輯好打標所需要的激光器功率、激光器頻率、打標速度和開關(guān)光延時等工藝參數(shù)；

5)輸送平臺上的傳感器檢測到輸送過來的包裝材料，觸發(fā)激光器出光和激光打標頭上的振鏡動作，完成在線打標；

6)打標完成的包裝材料通過輸送平臺傳送到光源和工業(yè)相機所在的位置，在強光照射下由工業(yè)相機對打標的圖案進行甄別，如合格，包裝材料輸送到下一道工序；如不合格，工業(yè)相機對打標控制系統(tǒng)輸出信息，由打標控制系統(tǒng)給緊挨著工業(yè)相機的剔除機構(gòu)發(fā)出指令，將不合格的包裝材料從輸送平臺上剔除。

按照圖1所示的設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖連接好設(shè)備后。打標控制系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)連接線與打標控制系統(tǒng)的硬件相連，打標控制系統(tǒng)的硬件再與激光器和打標頭相連，打標控制系統(tǒng)接收到輸送平臺上的傳感器發(fā)送過來的觸發(fā)信號之后，控制激光器開關(guān)光和打標頭上的振鏡動作，實現(xiàn)所需要的圖案的打標，下面以兩種包裝材料為例具體說明打標過程。

實例一：乳制品包裝盒打標。

乳制品包裝盒從內(nèi)到外依次由pe透明薄膜、pe透明薄膜、鋁箔、pe透明薄膜、紙板和pe透明薄膜共6層構(gòu)成。本實例實現(xiàn)在表面的兩層pe透明薄膜上在線打標出每一張包裝盒的生產(chǎn)日期和批號，其步驟如下：

1)需打標的生產(chǎn)日期和批號通過相應的接口傳送給工控機，工控機將其導入到打標控制系統(tǒng)的軟件中；

2)手動搖動升降支架上的手輪，粗略調(diào)節(jié)升降支架，使得激光束經(jīng)過激光打標頭后會聚的焦點位置大致在輸送平臺上表面覆膜的乳制品包裝盒上；

3)選擇的激光器為波長在9.3-10.6微米的二氧化碳激光器，在打標控制系統(tǒng)上輸入相應的指令，通過指令控制升降支架上的伺服電機，由其帶動升降支架上的激光打標頭上下精細調(diào)節(jié)，使得激光束的焦點位置剛好在乳制品包裝盒的第一層pe透明薄膜上；

4)在打標控制系統(tǒng)的軟件上選擇激光重復頻率為50khz,開激光延時為50μs,關(guān)激光延時為30μs，跳轉(zhuǎn)延時為30μs，振鏡掃描速度為4500mm/s，跳轉(zhuǎn)速度為9000mm/s；

5)輸送平臺上的傳感器檢測到輸送過來的乳制品包裝盒，觸發(fā)激光器出光和激光打標頭上的振鏡動作，完成在線打標；

6)打標完成的乳制品包裝盒通過輸送平臺傳送到強光光源和工業(yè)相機所在的位置，在強光照射下由工業(yè)相機對打標的圖案進行甄別，短時間內(nèi)測試了100張乳制品包裝盒，全部合格。

在實際的產(chǎn)品中，該乳制品包裝盒打標有生產(chǎn)日期和批號的那一面在包裝盒的內(nèi)表面的，打標的深度在10微米以下，打標出來的內(nèi)容用肉眼不容易識別，只有在強光的照射下才能通過其表面粗糙度的反差識別出來，所以能很好的起到防偽和追溯的作用。

實例二：食品包裝蓋打標。

食品包裝蓋從內(nèi)到外依次由pet透明薄膜、油漆層和鋁板共3層構(gòu)成。本實例實現(xiàn)在中間的油漆層上在線打標出每一片食品包裝蓋的生產(chǎn)日期和批號，其步驟如下：

1)需打標的生產(chǎn)日期和批號通過相應的接口傳送給工控機，工控機將其導入到打標控制系統(tǒng)的軟件中；

2)手動搖動升降支架上的手輪，粗略調(diào)節(jié)升降支架，使得激光束經(jīng)過激光打標頭后會聚的焦點位置大致在輸送平臺上表面覆膜的包裝材料上；

3)選擇的激光器為波長在355nm的紫外激光器，在打標控制系統(tǒng)上輸入相應的指令，通過指令控制升降支架上的伺服電機，由其帶動升降支架上的激光打標頭上下精細調(diào)節(jié)，使得激光束的焦點位置剛好在食品包裝蓋的中間油漆層上；

4)在打標控制系統(tǒng)的軟件上選擇激光重復頻率為20khz,開激光延時為80μs,關(guān)激光延時為120μs，跳轉(zhuǎn)延時為50μs，振鏡掃描速度為7000mm/s，跳轉(zhuǎn)速度為10000mm/s；

5)輸送平臺上的傳感器檢測到輸送過來的表面覆膜的包裝材料，觸發(fā)激光器出光和激光打標頭上的振鏡動作，完成在線打標；

6)打標完成的食品包裝蓋通過輸送平臺傳送到強光光源和工業(yè)相機所在的位置，在強光照射下由工業(yè)相機對打標的圖案進行甄別，短時間內(nèi)測試了200片食品包裝蓋，全部合格。

在實際的產(chǎn)品中，該食品包裝蓋打標有生產(chǎn)日期和批號的那一面是朝著食品包裝罐內(nèi)部的，打標深度在10微米以下，只有在開啟該食品包裝蓋的情況下，采用強光照射才能通過其表面粗糙度的反差識別出來，用肉眼是不容易識別的，所以能很好的起到防偽和追溯的作用。

本說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。