一种用于表面覆膜的包装材料的激光在线打标方法和装置与流程

本发明属于激光打标技术领域，具体涉及一种用于表面覆膜的包装材料的激光在线打标方法和装置。

背景技术：

随着现代人生活水平的提高，对人体自身健康方面的关注越来越多，特别是在快速消费品领域，很多包装材料的内表面都覆有一层透明的保护膜，以阻止直接进入人体口中的食品、药品、饮料和乳制品等与包装材料直接接触，因为未覆膜的包装材料内表面通常会有油墨、油漆和颜料等对人体有害的物质。

另一方面，随着现代科技的高速发展，假冒伪劣商品也越来越猖獗。传统的防伪技术很容易被仿冒，而激光打标技术因为产生的标识是永久性的，不容易被擦除，越来越多的被应用在商品防伪上。同时，很多商品需要对其生产、加工、流通和销售的各个环节进行追溯，也进一步催生了激光打标技术在包装材料上的应用。

对于内表面覆膜的包装材料，采用激光打标技术进行加工时，一种情况是存在将内表面的膜层击穿的问题，另一种情况是存在激光光束无法穿透膜层也不会被膜层吸收的问题。前一种情况会造成透明膜层在一个局部无法起到应有的保护作用，特别是对饮料和乳制品等流体性物质，会造成其与包装材料的有害层直接接触的几率更大，缺点尤为明显。后一种情况会造成激光打标根本无法实现。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种用于表面覆膜的包装材料的激光在线打标方法和装置，使其打标时不破坏包装材料内表面，确保其密封保护功能

本发明采用的技术方案是：一种用于表面覆膜的包装材料激光在线打标的方法，过程为：在工控机中导入待打标的图案，设置激光器的参数，控制激光器产生的激光束作用于包装材料内层的透明薄膜层内部或穿过透明薄膜层作用于有色层内部，使图案打标于包装材料内层的透明薄膜层内部或有色层内部，打标完成后对打标的图案进行检测，将检测的打标不合格的产品剔除。

进一步地，所述透明薄膜层内部或有色层内部的图案的打标深度小于10μm。

根据采用的激光光源的波段的不同，该方法的工作原理有所不同。对于波长小于650nm的激光光源，该方法的工作原理是：通过对伺服电机的精细控制在z方向对升降支架进行精细调节，使得激光束透过材料内表面的透明薄膜层，激光束会聚的焦点在第二层有色层上，有色层吸收到的激光能量密度大于材料破坏的临界值，从而在其表面产生微米量级的破裂层。通过计算机等控制技术调控激光束的能量大小，使其刚好能让第二层有色层的微观性能发生转变但不产生宏观的爆裂层，激光束的作用范围被限制在第二层有色层表面的几个微米之内，没有穿透整个第二层有色层。这样，观察者无论从包装材料正面或者反面垂直材料表面的角度去观察，是无法清晰观察到激光打标后形成的标识图案的。只有当采用强光照射材料表面，或者观察的角度与垂直方向有一定的倾斜后，才能通过第二层有色层表面粗糙度的反差识别出激光打标后的标识图案。

对于波长大于650nm的激光光源，该方法的工作原理是：，激光束大部分被材料表面的第一层透明薄膜层所吸收，激光束未能透过包装材料内表面的透明薄膜层到达第二层有色层。通过对伺服电机的精细控制在z方向对激光打标头的高低进行精细调节，使得激光束会聚的焦点刚好位于包装材料内表面的透明薄膜层内部，透明薄膜层吸收到的激光能量密度大于其破坏的临界值，从而使其表面产生微米量级的破裂层。通过计算机等控制技术调控激光束的能量大小，使其刚好能让第一层透明薄膜层的微观性能发生转变但不造成其爆裂，激光束的作用范围被限制在第一层透明薄膜层表面的几个微米之内，没有穿透整个透明薄膜层。这样，观察者正面或者反面垂直材料表面的角度去观察，是无法清晰观察到激光打标后形成的标识图案的。只有当采用强光照射材料表面，或者观察的角度与垂直方向有一定的倾斜后，才能通过其表面粗糙度的反差识别出激光打标后的标识图案。

一种用于表面覆膜的包装材料的激光在线打标装置，包括支座和设置于支座一侧的操作柜和升降支架，所述操作柜上安装工控机，所述升降支架上安装激光器，所述工控机与激光器电连接，所述支座上安装输送平台，输送平台上放置表面覆膜的包装材料，所述激光器的打标头正对输送平台上方，所述支座上设有检测机构和剔除机构，所述检测机构设置于输送平台上方，所述剔除机构设置于输送平台一侧，所述打标头、检测机构和剔除机构沿输送平台的前进方向依次布置。

进一步地，所述检测机构包括用于提供光照检测的强光光源和用于对打标的图案进行甄别的工业相机。

进一步地，所述包装材料包括依次叠层布置的第一透明薄膜层、有色层和基底层，所述第一透明薄膜层为包装材料的内层。

进一步地，所述第一透明薄膜层包括多层透明薄膜，所述透明薄膜材质为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。

进一步地，所述有色层与基底层之间设有第二透明薄膜层。

进一步地，所述激光器为全固态红外激光器、绿光激光器、紫外激光器、光纤激光器或二氧化碳激光器中的任意一种，所述激光器输出的激光为脉冲激光或连续激光。

更进一步地，所述升降支架包括丝杆、进行粗调的涡轮和进行细调的伺服电机，所述丝杆与涡轮配合连接，所述丝杆与伺服电机之间通过联轴器连接，所述伺服电机与工控机电连接。

本发明在表面覆膜的包装材料上的激光打标方法可以选择在透明膜层表面用激光打标出10微米以下的浅层图案，也可以选择让激光束透过表面透明薄膜层到达包装材料的中间有色层层，在中间层表面用激光打标出10微米以下的浅层图案。这两种方法均不会造成包装材料表面的透明膜层被击穿，密封性能好；打标出的图案因为很浅，用肉眼从垂直材料表面的角度去观察，是无法清晰观察到激光打标后形成的图案的，只有在采用强光照射材料表面，或者观察的角度与垂直方向有一定的倾斜后，才能通过被打标层表面粗糙度的反差识别出激光打标后的图案。而且，被加工的表面均是在包装材料的内表面，在实际的商品包装中，只有拆开包装，才可能寻找到被加工的部位。因此，假冒伪劣的可能性被大大的降低了，商品的可追溯性也更容易通过这种方式实现。

本发明图案打标于透明薄膜层或有色层内部，二维码、批号等防伪识别码永不磨损，包装材料内表面没有损伤，不会破坏原有包装材料的组织层结构及其密封性能。本发明装置集打标、检测、剔除为一体，缩短了后续的操作工序，效率更高，打标二维码、批号等防伪识别码速度快、效果清晰美观、适应各类表面覆膜的包装材料，可以广泛应用于液态食品奶饮品、固态食品、药品、化工产品、生活日用品等行业领域。

附图说明

图1为本发明打标装置的结构示意图。

图2为本发明表面覆膜的包装材料的结构示意图。

图3为本发明打标位置的示意图。

图中：1-第一透明薄膜层，2透明薄膜，3-有色层，4-第二透明薄膜层，5-基底层，6-第三透明薄膜层，7-操作柜、8-工控机、9-激光器、10-打标头、11-升降支架、12-输送平台、13-包装材料、14-光源、15-工业相机，16-检测机构，17-剔除机构，18-支座。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1所示，本发明用于表面覆膜的包装材料的激光在线打标装置包括支座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的两侧或同一侧，所述操作柜7上安装工控机8，所述升降支架11上安装激光器9，所述工控机7与激光器9电连接，所述支座18上安装输送平台12，输送平台12上放置表面覆膜的包装材料13，输送平台12按一定的速度输送表面覆膜的包装材料13，所述激光器9的打标头10正对输送平台12上方，所述支座08上设有检测机构16和剔除机构17，所述检测机构16设置于输送平台12上方，所述剔除机构17设置于输送平台12一侧，所述打标头10、检测机构16和剔除机构17沿输送平台12的前进方向(即图1所示的箭头x方向)依次布置。

工控机8内安装打标控制系统，打标控制系统能实现控制激光器的开关光、激光打标头上的振镜动作、升降支架的精细调节、待打标内容的获取和在线编辑，与输送平台控制系统的通讯，与工业相机的通讯，重要信号的输入和输出等多种功能。

升降支架11是以细导程的丝杆为主体结构，同时配有手动的涡轮和伺服电机，伺服电机与工控机电连接，手动的涡轮能实现粗略调节，伺服电机与丝杆之间通过联轴器相连，可实现电动的精细调节。

检测机构16包括用于提供光照检测的强光光源14和用于对打标的图案进行甄别的工业相机15。

剔除机构17由支撑座、旋转气缸、升降气缸和吸盘组成，旋转气缸和升降气缸与工控机电连接。当检测到不合格的产品时，升降气缸先向下动作，这样吸盘就能接触到包装材料靠吸附力将其吸住，接着升降气缸向上运动。然后，旋转气缸旋转180度将吸附有包装材料的那一头旋转到输送平台的外侧，接着升降气缸向下动作接近废料盒，吸盘退去吸附力，打标不合格的包装材料靠重力的作用回落到废料盒内。

如图2所示，表面覆膜的包装材料13由从内到外的第一透明薄膜层1、有色层3和基底层5紧密贴合构成。其中，第一透明薄膜层1还可进一步由多层厚度更薄的透明薄膜2构成。同样，中间的有色层3和外部的基底层5也可以由多层材料构成。有色层3和基底层5之间也可以再加入一个第二透明薄膜层4。基底层5的外部也可以再加入一个第三透明薄膜层6。

上述第一透明薄膜层1、第二透明薄膜层4和第三透明薄膜层6结构基本相同，第一透明薄膜层1为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种，或者是这些薄膜的层叠构成，其厚度一般在0.2mm以下。

有色层3为颜料层、油漆层、油墨层或金属箔，其厚度一般在1mm以下。

基底层5为纸板、塑料板或金属板，其厚度一般在1-3mm。

激光器9为全固态的红外激光器、绿光激光器、紫外激光器、光纤激光器或二氧化碳激光器中的任意一种，所述激光器输出的激光为脉冲激光或连续激光。

采用上述打标装置实现在表面覆膜的包装材料的内表面激光打标的方法，包括如下步骤：

1)将需要打标的内容导入到工控机中，打标的内容一般为包装材料的生产日期、批号、保质期、条形码和二维码等；

2)手动摇动升降支架上的手轮，粗略调节升降支架，使得激光束经过激光器的打标头后会聚的焦点位置大致在输送平台上的包装材料上；

3)根据激光光源波段的不同，在打标控制系统上输入相应的指令，通过指令控制升降支架上的伺服电机，由其带动升降支架上的激光器的打标头上下精细调节，使得激光束的焦点位置在包装材料的第一层透明薄膜层或有色层上，如图3所示；

对于波长小于650nm的激光光源，控制激光束透过包装材料的第一透明薄膜层，激光束会聚的焦点作用在有色层上的b点，有色层吸收到的激光能量密度大于材料破坏的临界值，从而在其表面产生微米量级的破裂层。通过计算机等控制技术调控激光束的能量大小，使其刚好能让有色层的微观性能发生转变但不产生宏观的爆裂层，激光束的作用范围被限制在有色层表面的10微米之内(即b点与有色层表面3.1之间的垂直距离小于10μm)，没有穿透整个有色层。这样，观察者无论从包装材料正面或者反面垂直材料表面的角度去观察，是无法清晰观察到激光打标后形成的标识图案的。只有当采用强光照射材料表面，或者观察的角度与垂直方向有一定的倾斜后，才能通过有色层表面粗糙度的反差识别出激光打标后的标识图案。

对于波长大于650nm的激光光源，激光束大部分被包装材料的第一透明薄膜层所吸收，激光束会聚的焦点作用在有色层上的a点，激光束未能透过第一透明薄膜层到达有色层，通过调节设备上激光打标头的高低，使得激光束会聚的焦点刚好位于第一透明薄膜层上，第一透明薄膜层吸收到的激光能量密度大于其破坏的临界值，从而在其表面产生微米量级的破裂层。通过计算机等控制技术调控激光束的能量大小，使其刚好能让第一透明薄膜层的微观性能发生转变但不造成其爆裂，激光束的作用范围被限制在第一透明薄膜层表面的10微米之内(即a点与第一透明薄膜层表面1.1之间的垂直距离小于10μm)，没有穿透整个第一透明薄膜层。这样，观察者正面或者反面垂直材料表面的角度去观察，是无法清晰观察到激光打标后形成的标识图案的。只有当采用强光照射材料表面，或者观察的角度与垂直方向有一定的倾斜后，才能通过其表面粗糙度的反差识别出激光打标后的标识图案。

4)在打标控制系统上编辑好打标所需要的激光器功率、激光器频率、打标速度和开关光延时等工艺参数；

5)输送平台上的传感器检测到输送过来的包装材料，触发激光器出光和激光打标头上的振镜动作，完成在线打标；

6)打标完成的包装材料通过输送平台传送到光源和工业相机所在的位置，在强光照射下由工业相机对打标的图案进行甄别，如合格，包装材料输送到下一道工序；如不合格，工业相机对打标控制系统输出信息，由打标控制系统给紧挨着工业相机的剔除机构发出指令，将不合格的包装材料从输送平台上剔除。

按照图1所示的设备结构示意图连接好设备后。打标控制系统通过数据连接线与打标控制系统的硬件相连，打标控制系统的硬件再与激光器和打标头相连，打标控制系统接收到输送平台上的传感器发送过来的触发信号之后，控制激光器开关光和打标头上的振镜动作，实现所需要的图案的打标，下面以两种包装材料为例具体说明打标过程。

实例一：乳制品包装盒打标。

乳制品包装盒从内到外依次由pe透明薄膜、pe透明薄膜、铝箔、pe透明薄膜、纸板和pe透明薄膜共6层构成。本实例实现在表面的两层pe透明薄膜上在线打标出每一张包装盒的生产日期和批号，其步骤如下：

1)需打标的生产日期和批号通过相应的接口传送给工控机，工控机将其导入到打标控制系统的软件中；

2)手动摇动升降支架上的手轮，粗略调节升降支架，使得激光束经过激光打标头后会聚的焦点位置大致在输送平台上表面覆膜的乳制品包装盒上；

3)选择的激光器为波长在9.3-10.6微米的二氧化碳激光器，在打标控制系统上输入相应的指令，通过指令控制升降支架上的伺服电机，由其带动升降支架上的激光打标头上下精细调节，使得激光束的焦点位置刚好在乳制品包装盒的第一层pe透明薄膜上；

4)在打标控制系统的软件上选择激光重复频率为50khz,开激光延时为50μs,关激光延时为30μs，跳转延时为30μs，振镜扫描速度为4500mm/s，跳转速度为9000mm/s；

5)输送平台上的传感器检测到输送过来的乳制品包装盒，触发激光器出光和激光打标头上的振镜动作，完成在线打标；

6)打标完成的乳制品包装盒通过输送平台传送到强光光源和工业相机所在的位置，在强光照射下由工业相机对打标的图案进行甄别，短时间内测试了100张乳制品包装盒，全部合格。

在实际的产品中，该乳制品包装盒打标有生产日期和批号的那一面在包装盒的内表面的，打标的深度在10微米以下，打标出来的内容用肉眼不容易识别，只有在强光的照射下才能通过其表面粗糙度的反差识别出来，所以能很好的起到防伪和追溯的作用。

实例二：食品包装盖打标。

食品包装盖从内到外依次由pet透明薄膜、油漆层和铝板共3层构成。本实例实现在中间的油漆层上在线打标出每一片食品包装盖的生产日期和批号，其步骤如下：

1)需打标的生产日期和批号通过相应的接口传送给工控机，工控机将其导入到打标控制系统的软件中；

2)手动摇动升降支架上的手轮，粗略调节升降支架，使得激光束经过激光打标头后会聚的焦点位置大致在输送平台上表面覆膜的包装材料上；

3)选择的激光器为波长在355nm的紫外激光器，在打标控制系统上输入相应的指令，通过指令控制升降支架上的伺服电机，由其带动升降支架上的激光打标头上下精细调节，使得激光束的焦点位置刚好在食品包装盖的中间油漆层上；

4)在打标控制系统的软件上选择激光重复频率为20khz,开激光延时为80μs,关激光延时为120μs，跳转延时为50μs，振镜扫描速度为7000mm/s，跳转速度为10000mm/s；

5)输送平台上的传感器检测到输送过来的表面覆膜的包装材料，触发激光器出光和激光打标头上的振镜动作，完成在线打标；

6)打标完成的食品包装盖通过输送平台传送到强光光源和工业相机所在的位置，在强光照射下由工业相机对打标的图案进行甄别，短时间内测试了200片食品包装盖，全部合格。

在实际的产品中，该食品包装盖打标有生产日期和批号的那一面是朝着食品包装罐内部的，打标深度在10微米以下，只有在开启该食品包装盖的情况下，采用强光照射才能通过其表面粗糙度的反差识别出来，用肉眼是不容易识别的，所以能很好的起到防伪和追溯的作用。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。