二維碼激光標刻技術在鋼管標識溯源中的應用研究

劉榮，李國民

（杭州電子科技大學，浙江杭州310018）

二維碼激光標刻技術在鋼管標識溯源中的應用研究

劉榮，李國民

（杭州電子科技大學，浙江杭州310018）

針對當前鋼管標識與信息溯源追蹤方面存在的不足，二維碼直接標識方法被用于鋼管在庫存管理和生產過程追蹤管理。該方法具有工序簡單，成本低，溯源精確，識別快速等優點。分析了二維碼標刻深度、鋼管直徑、二維碼尺寸與鋼管表面粗糙度等因素對二維碼識別率的影響，并通過試驗，研究了在二維碼標識面受污損、劃傷、銹蝕等表面污損情況下，對于二維碼識別率和效率的影響。該研究為鋼管的全生命周期管理以及逐只跟蹤提供了新的方法和技術，有利于鋼管的庫存效率，實現鋼管生產過程中信息的采集與追蹤。

激光標刻；鋼管標識；Data Matrix二維碼

無縫鋼管具有抗彎扭強度大，斷面系數大、可靠性強等優點，被廣泛應用于石油、汽車、船舶、軍工、電站等行業，如用作為結構件的原材料，油氣輸送管道等，對鋼管的安全性與可靠性有著嚴格的要求。因此在更高層次上就需要對無縫鋼管進行全過程的質量管理，提高鋼管的質量保障。鋼管信息的標識與追溯是實現全過程質量管理的基本條件，目前國內各大無縫鋼管企業對鋼管的信息標識還局限在用人工手寫鋼管信息代碼，用激光在鋼管上標刻數字符號或一維條碼等。這些標識方法受人為因素大，且易出錯。為了實現鋼管的生產、物流、存儲、使用全過程質量管理，提出了一種無縫鋼管的標識方法[1]。

1　鋼管直接激光標刻

直接標識技術（Direct Part Marking，DPM）是在零部件表面上直接標刻上可機器識別的標記[2]。20世紀末，美國國家航空航天局、美國國防部與工業領域的波音、空客等共同研制直接標識技術，經過多年的努力，最終確定以撞擊、電化學腐蝕標識、激光標刻、噴墨標識等作為零部件的主要標識方式。在這幾種標識方法中，激光標刻在標刻速度與標刻質量上具有很大優勢，能較大程度上保證標刻圖像的質量[3]。

被廣泛采用的標識代碼有一維條碼和二維條碼。一維條碼與二位碼相比無法表示漢字或者圖像信息，且數據容量小，識別時無法自動糾錯。二維碼則彌補了一維條碼的以上弊端，因此采用二維碼對鋼管進行標識。二維條碼又分為行排式二維條碼和矩陣式二維條碼兩大類。行排式二維條碼常見的有Code 49，Code 16K，PDF417等。矩陣式二維條碼常見的有Data Matrix，Code One，Maxicode，QR Code等。通過進一步比較以上二維條碼（見表1），Data Matrix二維碼具有以下優點：（1）信息儲存量大；（2）糾錯能力強；（3）能360°全方位識別；（4）打印標識容易；（5）成本相對低廉。綜上可知，Data Matrix矩陣式二維碼具有信息密度大、識別可靠性好、糾錯能力強、成本低廉等優點，較適合在鋼管的信息標識追溯中應用[4]。

表1　常見的二維碼比較

每一個Data Matrix二維碼是由尋邊區（finder pattern）和數據區（date area）組合構成。尋邊區在識別過程中起定位作用，有兩條實線邊和兩條虛線邊組成，不存儲信息。數據區是由黑白方格通過里德-所羅門（Reed-Solomon）交織交叉算法排列的存儲信息的區域，具有良好的糾錯性能[5]。如圖1所示。

圖1　Data Matrix二位碼的圖形結構

鋼管的直接激光標刻試驗及二維碼的識別試驗設備包括激光機、手持式條碼識別設備、旋轉升降裝置、數據處理計算機等。

首先對無縫鋼管的信息進行編碼，通過EZCAD2.8軟件將無縫鋼管的生產廠家、爐號、日期、加工工序、加工參數、質量數據等信息寫入，該軟件將生成具有該鋼管信息的Data Matrix二維碼，然后通過激光機在鋼管管端內壁上形成具有一定深度且永久性的二維碼圖像。這些標刻在鋼管管端內壁上的二維碼圖像經過二維碼識別設備進行掃描和解碼。得到的數據輸送到計算機上保存。鋼管直接標刻工作流程如圖2所示，激光標刻裝置實物圖如圖3所示。

圖2　鋼管直接標刻工作流程圖

圖3　激光標刻裝置實物圖

2　二維碼解碼影響因素

二維碼的解碼速度是影響鋼管直接標刻二維碼的方法能否在工程上應用的關鍵指標，由于鋼管內表面具有不同的尺寸形狀，表面顏色和表面粗糙度，以及運輸、存儲和使用過程中鋼管上的二維碼會有被劃傷，污損等情況發生。這些因素對于二維碼的解碼速度有著不同程度的影響，因此需要研究不同條件對二維碼解碼速度的影響[6]。

2.1鋼管管徑

由于平面的二維碼是標刻在具有曲率的鋼管管端內壁上的，那么在鋼管管端內壁上標刻的二維碼顯然會產生拉伸變形，不可避免地會對二維碼的識別準確度與速度產生一定影響。同樣形狀與大小的二維碼標刻在不同直徑鋼管管端內壁時，將會受到不同程度的拉伸變形。

通過在直徑不同的鋼管管端內壁上標刻大小形狀相同的二維碼，研究解碼正確性與解碼速度。

由表2和圖4可以看出，鋼管直徑的大小是影響解碼時間的一大因素，鋼管直徑越大，內表面曲率越小，二維碼被拉伸的程度越小，越容易識別。

表2　鋼管直徑對解碼時間的影響

圖4　鋼管直徑對解碼時間的影響

2.2二維碼尺寸

通過在相同管徑大小的鋼管管端內壁上標刻不同尺寸的二維碼，用掃描儀對二維碼進行掃描，研究二維碼尺寸對解碼時間的影響。二維碼尺寸對解碼時間的影響如表3、圖5所示。

表3　二維碼尺寸對解碼時間的影響

圖5　二維碼尺寸對解碼時間的影響

（1）對于標刻面為柱面的二維碼，二維碼的尺寸是影響識別速度的主要因素，尺寸越大越容易識別。

（2）當二維碼尺寸小于4 mm×4 mm時，二維碼的解碼速度急劇下降，當二維碼的尺寸大于10 mm ×10 mm時，二維碼的解碼速度提高并不明顯

（3）在大直徑鋼管中，二維碼的尺寸對解碼時間的影響并不明顯。

2.3二維碼標刻深度

通過調節激光標刻機的工作電流可以改變激光機標刻的功率，使得標刻在鋼管上的二維碼具有不同的深度。隨著電流增大，標刻深度跟著增大的同時，還伴隨著激光標刻機的能耗急劇上升，因此研究激光標刻深度對解碼時間的影響，選擇合適的標刻電流，對于激光機的節能有著重要的意義。二維碼的標刻深度對解碼性能的影響如表4所示。

表4　二維碼的標刻深度對解碼性能的影響

由圖6可知，當激光機的標刻電流在1~3A時，二維碼的標刻深度較為淺顯，用手持式二維碼掃描設備進行采像解碼時，由于圖像二維碼圖像的清晰度較差，從而產生解碼時間較高。當激光機的標刻電流在8~10 A時，隨著電流的增加，激光束能量增高，熔化的金屬使二維碼邊緣鈍化，改變了二維碼的空間幾何，導致了二維碼的解碼時間增高或者無法識別。激光機標刻電流在3~7 A時解碼時間較短，此時的標刻深度較為適宜。二維碼解碼的時間受激光機表刻深度影響較大，因此在標刻過程中要合理的控制鋼管上二維碼的標刻深度，讓二維碼更快更好的被識別出來。

圖6　二維碼的標刻深度對解碼性能的影響

2.4二維碼污損

由于鋼管在運輸、使用、倉儲等過程中，鋼管上的二維碼表面會受到機油、塵土的污損，從而二維碼不能完整地呈現出來，將會對二維碼的解碼產生很大的影響。通過在鋼管管端內壁上標刻的二維碼進行黑色顏料筆涂抹覆蓋，模擬表面被機油、塵土污損試驗，對二維碼受到污損后對解碼性能的影響進行了研究，結果見表5.

表5　二維碼無損對解碼性能的影響

由圖7可知，隨著二維碼污損面積的增加，二維碼圖像的不完整度越來越大，而解碼時間也在增加。雖然解碼時間增加，但是解碼正確性不變。Data Matrix二維碼在讀碼時具有強大的糾錯能力，因為在對Data Matrix二維碼進行編碼時加入了采用里德—所羅門（Reed-Solomon）算法的糾錯碼[7]。當二維碼受到部分少量污損時，掃描解碼時能夠通過糾錯算法正確識別。由實驗結果可知當污損面積達到20%~25%時勉強能識別，速度較慢，當達到30%以上無法解碼。

圖7　二維碼無損對解碼性能的影響

2.5二維碼表面銹蝕

鋼管標刻后，由于破壞了鋼管表面處理層，會產生銹蝕反應，需要對二維碼部位進行防銹處理，通過研究生銹表面的二維碼解碼性能，可以得出銹蝕對解碼的影響。將標刻好二維碼的鋼管露天放置一個月后，再研究識別性能。二維碼表面銹蝕對于解碼性能的影響如表6所示。

表6　二維碼表面銹蝕對于解碼性能的影響

通過實驗可以看出，銹蝕對解碼影響不大，直接激光標刻方法在鋼管上形成了一定深度的二維碼，該二維碼與鋼管成為一個整體，耐磨損，耐劃傷，而且一般情況下不會發生破損，能夠有效地適應工廠惡劣環境，識別可靠性高。

綜合以上實驗數據，針對不同管徑的鋼管上標刻二維碼，得出一個較為合理的標刻工藝參數[8]，如表7所示。

表7　不同鋼管直徑的標刻工藝參數

3　結束語

采用激光標刻技術將二維碼應用于鋼管信息管理，在無縫鋼管上直接標刻二維碼，對鋼管進行標識及信息溯源，為鋼管的信息標識提供了嶄新的技術手段，是一項應用創新。本文以試驗為基礎，研究了鋼管管徑、二維碼尺寸、標刻深度、表面污損及銹蝕對二維碼識別的影響，確定出不同鋼管管徑標刻工藝方法。試驗及分析表明，直接標刻技術使鋼管標識與鋼管成為一個整體，能夠適應工作現場惡劣的環境。本文的研究為無縫鋼管的逐只標識及信息溯源提供了比較有價值的分析參考資料，對生產車間的建設具有較為重要的應用價值。

[1]CN-GB.GB/T 19830-2011，石油天然氣工業-油氣井套管或油管用鋼管[S].

[2]劉志，洪梅芳.DPM碼快速定位關鍵技術研究[J].浙江工業大學學報，2016，44（01）：28-33.

[3]Ryschkewitsch M G.Application of Data Matrix Identification Symbols to Aerospace Parts Using Direct Part Marking Meth ods/Techniques，NASA-HDBK-6003B[R].National Aeronautics and Space Administration Approved：06-20-2008 Washington，DC，2013.

[4]徐嘉燁.氣動式二維碼標記系統的研制[D].杭州：浙江大學機械與能源工程學院，2007.

[5]王蘇安，何衛平，張維，等.直接激光標刻和二維條碼技術在刀具標識中的應用研究[J].中國機械工程，2007，18（6）：676-680.

[6]房欣欣，李建美，路長厚，等.金屬表面Data Matrix條碼高光區域的信息重構[J].計算機工程與應用，2016，52（16）：205-209.

[7]On Reed-Solomon Codes[J].Chinese Annals of Mathematics（Series B），2011，12（01）：89-98.

[8]李春玲，路長厚，李建美.基于二維條碼質量的激光直接標刻工藝參量[J].中南大學學報（自然科學版），2015，46（12）：4488-4496.

Applied Research on Direct Two-Dimension Code Laser Marking Technology on Steel Pipes Marking and Tracking

LIU Rong，LI Guo-min
（Hangzhou Dianzi University，Hangzhou Zhejiang 310018，China）

In response to the deficiencies in steel pipe marking and information traceability at present，the direct two-dimension code laser marking technology is used for the inventory management and production process tracking management of steel pipes.The method has the advantages of simple process，low cost，accurate traceability，fast identification etc.This paper analyses the key factors including depth of two-dimension code，diameter of twodimension code，size of two-dimension，and coarseness of steel pipe surface on the identification rate.Furth more，through a lot of experiments，we have studied the effect of two dimension code stain，scratch and rust on code reading and identification.This research offers new method and techniques for the full lifecycle management and one-by-one tracking of steel pipes and puts forth an application innovation which helps improve the inventory efficiency of steel pipes and carry out the information acquisition and tracking during the production process of steel pipes.

laser marking；steel pipes marking；data matrix two dimension code

TP391.41

A

1672-545X（2016）10-0143-04

2016-07-04

劉榮（1972-），男，云南河口人，博士，副教授，研究方向為機械電子控制工程；李國民（1992-），男，安徽阜陽人，碩士研究生，研究方向為機械電子。