激光直接標識技術研究及其在航天產品研制中的應用

（上海航天精密機械研究所，上海 201600）

0 引言

直接標識技術（Direct Part Marking，DPM）指直接在物體表面標刻機器可識別的代碼的一種標識工藝技術[1]，常用的直接標識方法有激光標刻、機械點撞擊、化學標刻及噴碼標識等。其中，激光標刻方式由于其操作方便、標刻尺寸及定位控制精度高、標識碼識讀質量好等特點在金屬零件上得到廣泛應用。目前，直接標識技術在制造業中已廣泛應用，美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）制定了一套航空航天零件上直接標刻數據矩陣（Data Matrix，DM）碼的行業規范[2]；海爾通過對每個備件全球唯一標識和每道工序唯一標識，形成了整機全球唯一標識體系，實現精細化生產管理；我國航空工業制定了用于零件標記的數字矩陣碼的質量要求（HB 9132-2007），標準規定了航空工業內使用DM碼進行打點標記、激光標記、電化學蝕刻標記金屬零件的有關規定，以及確保機器正確識讀DM碼的相關要求；另外，激光直接標識技術在刀具管理中普遍應用，解決了原先刀具追蹤中外貼條碼的種種弊端。

當前，我國軍工企業在產品研制生產中普遍存在標識覆蓋率低、數據包構建困難、質量追溯低效等問題，產品標識以及相應的數據管理技術在型號產品研制中尚未全面應用，這一嚴重制約了航天產品全生命周期數據信息資源的進一步開發與利用。為此，通過激光直接標識技術和基于標識的數據管理技術的研究與應用，探索實現航天產品精細化管理和質量問題快速追溯的有效解決方案。

1 直接標識在產品研制中的應用流程

直接標識在產品研制中的應用流程如圖1所示，首先根據零件是否關重件、零件尺寸數量等特征，將零件分為批次和單件管理兩類，并針對不同類型零件建立相應的編碼體系；其次根據編碼體系對零件進行產品標識，賦予每個零件一個編碼；然后依托產品標識進行生產組織管理，包括利用標識關鍵技術保證零件標識在生產過程中有效、延續，以及應用產品標識進行生產過程各類制造數據全面采集；最后利用零件標識建立的強大信息鏈，對生產過程數據進行組織管理形成航天產品數據包，以對質量問題進行追溯和質量持續改進。

圖1 直接標識技術應用流程

2 產品激光直接標識關鍵技術

2.1 零部件唯一編碼技術

編碼是產品信息的承載體，承載了產品圖號、批次、質量特性、生產過程記錄、原材料等產品信息，各產品編碼之間通過承載相同的產品信息進行關聯，組成產品層次結構。零部件唯一編碼技術的核心是明確每個零件標刻什么、標識碼的生成與管理，以及零件與部件編碼如何區分。為了保證零部件編碼的唯一性，將零件編碼分成如干段，中間用分隔符“||”分開；為了方便區分零件和部件編碼，部件實物不作標識，在多個零件裝配組成部件時以其中一個零件產品編碼默認為部件標識，利用技術狀態控制進行零件和部件的區分。

針對航天產品種類多樣、數量龐大的特點，為了減少零件標識帶來的工作量，首先對打標零件進行分類，主要區分各零件是按批次管理還是按單件管理，單件管理零件主要包括關重件、容易發生質量問題零件。結合目前型號產品生產管理現狀，建立的編碼體系如圖2所示，編碼由產品編碼和產品屬性組成，第一段是產品編號，即產品標識碼，供軟件讀取，按單件標識的產品編號取序列碼，不按單件管理的產品編號取路卡號，序列碼和工藝過程卡均由MES自動生成，無含義，序列碼格式為“SN+流水碼”，路卡號格式為“LK+日期+流水碼”。后面各段是有含義的信息，供沒有系統時人工讀取，格式為“屬性名稱：屬性值”，屬性包括編碼、工作令號、序號，序號為人工輸入的產品序號或系統根據規則自動生成。

圖2 某航天產品編碼體系方案

2.2 激光標識工藝優化技術

激光標識工藝優化是在前期初步設計的激光標刻工藝參數的基礎上，結合型號產品實際工況開展模擬環境工藝試驗，綜合考慮標刻質量、打標效率、標刻面積等方面的因素，并對激光標識碼進行表面質量影響和零件力學性能的影響分析，確定較優的激光標刻工藝參數。

針對航天典型零件分析，梳理出其工況包括熱表處理、鹽霧、霉菌，以及表面鍍鋅和陽極化等，需要對實際工況進行模擬工藝試驗。總體方案如下：第一步，打標工藝試驗。針對初步確定的標識工藝參數，綜合考慮零件特征及尺寸，選擇幾種打標工藝參數進行激光標刻，驗證激光標刻二維碼在不同工藝參數下的可識讀性，對零件標識工藝參數進行初步判定；第二步，零件熱表處理試驗。根據零件實際熱表處理過程，對標識零件進行對應環境下的熱表處理，并結合打標工藝試驗初步確定了工藝參數對零件標識工藝參數進行進一步確定；第三步，鹽霧試驗。針對能夠滿足零件熱表處理試驗的零件進一步進行模擬真實應用環境，有針對性的選擇部分零件進行鹽霧試驗，最終確定合適的零件標識工藝參數；第四步，霉菌試驗；第五步，針對經過試驗優選的幾組激光標刻工藝參數，進行標刻面質量和力學性能分析，選出較優激光標刻工藝參數。通過激光標識工藝優化技術研究，針對特定零件得到典型材料激光標刻工藝參數如表1所示。

2.3 標識轉移與防護技術

在生產過程中，往往存在一料制多件的情況，機加工序或熱表處理可能將零件表面已有的標識切除或使其失效；另外，在加工、使用、運輸以及存儲的過程中，標刻在材料表面的DM碼往往要遭受各種干擾或惡劣的環境，如磨損、銳器劃痕、腐蝕、油污污染等，這會大大降低DM碼的可讀性和耐久性從而導致產品質量追蹤失效。因此，需對零部件表面的標識碼進行標識轉移和防護，標識轉移與防護技術解決途徑如圖3所示。

表1 典型材料激光標刻工藝參數

圖3 標識轉移與防護技術解決途徑

1）零部件標識防護

零部件標識防護首先確定引起標識碼失效的原因；然后，針對常用的典型材料，一方面研究保護性涂層技術，另一方面研究有增強抗腐性、抗磨損作用的化學微粒成分及配比方案。在零件的使用過程中，進行保護涂層的防護，如清漆涂層、電鍍等工藝增強標識常規的防腐蝕、抗劃傷能力。

針對航天典型零部件采用的標識防護方法主要包括兩種：標刻面防護，零件初次激光標刻后在零件標刻面上涂上一層防銹油，零件加工、使用、存儲過程中采用防油污、塵垢與銹蝕的封存包裝技術將零件及其標識碼保護起來；標識保護層防護，針對容易磨損、被頻繁處理或環境容易損壞的激光標刻DM碼，在碼區表面涂覆一層覆蓋標識碼且涂覆面積至少是碼區1.2倍的清漆。

2）生產過程標識轉移

對于在機加或熱表處理過程后零件表面已有的標識碼將失效甚至被切除的情況，必須事先進行標識轉移。標識別轉移的方法主要包括非加工面轉移、標牌轉移或包裝袋轉移。非加工面轉移是指某加工工序之前在該工序的非加工面標刻一個與已有標識碼字完全相同的碼，保障該工序完成后零件表面仍有一個有效、合法的標識；標牌轉移或包裝袋轉移是指某加工工序之前在將該零件標識碼轉移到某特定標牌或包裝袋表面，該方法主要針對該加工工序對零件的所有外表面都進行加工的情況以及熱表處理的情況。

針對航天典型零件的特點，選用的常用標識轉移方法如圖4所示。為了DPM應用的順利實施，標識轉移按照以下基本原則：標識轉移總次數最少；標識轉移盡量采用本體轉移法；標識面盡量為尺寸較大的平面；標識轉移應避開盡量避開加工裝夾面或裝夾處進行標識。

2.4 失效標識恢復補救技術

圖4 航天典型零件標識轉移方法

在零件生產流轉過程中，受生產環境影響，在長時間的流轉過程中，產品的標識碼由于防護不當會造成標識失效。為了對失效的產品能夠繼續進行有效的追蹤，首先利用物理化學等方法進行恢復，對于無法在物理上進行恢復的失效標識碼，利用產品二維碼的殘余信息、形狀信息、紋理信息等進行恢復補救[3,4]，技術的實現技術途徑如5所示。

針對數據生產過程引起的可逆失效，采用除油污、除銹蝕、除塵垢等物理方法，使已經失效或將要失效的二維碼恢復為可識讀的對象；針對標識碼本身物理信息由磨損、腐蝕等引起的不可逆失效，基于多源信息融合通過多傳感器采集標識碼的殘余二維碼信息、檢驗信息、歷史加工信息與當前加工狀態信息，對零件的形狀特征如長、寬、面積比、紋理特征以及殘余標識碼信息進行多信息融合，將融合信息與數據庫模板進行比對，從數據庫中得到識別的最佳匹配結果，給出可信度最大的待識別零件的標識碼信息。通過多源信息融合處理對于質量較好的零件產品，失效標識的正確率達到95%以上。

圖5 失效標識碼恢復補救技術途徑

3 基于標識的制造過程全周期管理

3.1 基于標識的航天產品數據包構建

航天型號產品數據包是航天型號產品在設計、制造、檢驗、交付等研制生產環節中形成的有關質量與可靠性的各類文件、記錄等信息的集合[5]。航天產品數據包是所構建的一棵針對某一型號的、以枚/發為單位的信息樹，通過研究航天產品數據包管理技術，實現數據包自動生成，支撐質量問題快速追溯。

在生產過程中，基于零件標識對各工序的工藝信息進行采集，通過產品激光標識建立的強大信息鏈，從PDM、ERP、MES和質量管理系統中自動地抓取與此產品相關的各類數據，并按PBOM結構進行組織與管理，形成產品數據包。產品數據包在邏輯上利用數據關系的整合與關聯，形成邏輯上的單一數據源，數據包所需的具體數據來自多個異構系統，設計信息和工藝信息來自于數字化設計管理平臺（PDM、CAPP），制造信息、檢驗信息來自于數字化制造管理平臺（ERP、MES）。數據包信息樹的生成是在PBOM的基礎上，以每枚/發導彈的編號（標識）為出發點線索，向下遞歸到部件配套表，由部件配套表再遞歸到子部件配套表，直至到組成子部件的所有零件。數據包自動提取方案如圖6所示。

圖6 產品數據包生成方案

3.2 基于數據包的質量快速追溯

在產品數據包生成過程中，可以將虛擬BOM（PBOM）和實物BOM進行信息自動比對，實現數據包數據的一致性校驗（系統界面如圖7所示），避免裝配過程錯裝、漏裝等問題；同時，按照軍工產品型號研制要求，為每個產品生成一個產品數據包，通過在異構系統中提取工藝、生產過程、測試、質量檢驗等數據，并以PBOM為基礎形成數據包的導航主結構，在數據之間增加一定的鏈接，實現數據包的導航瀏覽（系統界面如圖8所示）。通過所生成的航天產品數據包可實現數據包數據的比對與搜索，結構化數據文檔化，數據包導航結構生成等功能。

圖7 數據比對與一致性校驗頁面

圖8 數據包生成界面

同時，基于產品數據包和零件激光標識，利用遞歸算法，可快速查詢與零部件相對應的原材料信息、入庫檢查記錄（如入庫時間、供應商信息等），以及研制過程中的各類生產制造與檢驗信息，包括產品設計階段產生的設計數據信息、工藝設計階段產生的工藝信息、零件制造階段和裝配階段的生產過程數據和質量檢驗階段的檢驗記錄信息等。通過為每個產品形成一個數據包，實現根據產品標識進行信息追溯查詢，質量問題追溯時間縮短98%以上。

4 結束語

通過激光直接標識工藝、標識轉移與防護、失效標識恢復補救等關鍵技術，為激光直接標識技術在航天產品研制中的應用奠定了堅實基礎；通過標識技術和數據管理技術應用，將零部件制造全過程信息通過唯一標識構成完整的數據鏈，并利用集成產品數據管理系統進行了有效管理。借助產品唯一標識建立的信息鏈，可滿足多型號、變批次航天產品全生命周期管理需求，為實現產品研制精細化質量管理和質量信息快速追溯的有效手段。