二維碼追溯系統(tǒng)在角接觸球軸承生產(chǎn)中的應用

賈秋生，翁世席 ，龐鳳亞，杜宏林，方玉潔

（1.哈爾濱軸承制造有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000；2.洛陽開遠智能精機有限公司，河南 洛陽 471003）

1 前言

近年來，隨著計算機技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大力發(fā)展，精益生產(chǎn)與智慧車間的概念逐漸深入傳統(tǒng)制造業(yè)，傳統(tǒng)的人員密集型產(chǎn)業(yè)逐漸朝著自動化、信息化的現(xiàn)代信息型生產(chǎn)模式改變。軸承制造業(yè)作為傳統(tǒng)的離散型制造行業(yè)，一條產(chǎn)線需要兼顧多種軸承型號，生產(chǎn)工序眾多，操作人員密集，通常采用手工填寫生產(chǎn)日志及檢驗記錄的方式進行數(shù)據(jù)整理，數(shù)據(jù)不易保存和統(tǒng)計，更加難以追溯。然而，軸承作為一種精密機械零件，是機械結(jié)構(gòu)的關(guān)節(jié)，在絕大多數(shù)設(shè)備中占據(jù)舉足輕重的地位，其一旦出現(xiàn)問題，勢必會造成比較嚴重的影響。因此，監(jiān)控和保證軸承質(zhì)量伴隨著軸承的整個生命周期，如何在軸承生產(chǎn)的過程中實現(xiàn)生產(chǎn)監(jiān)控和質(zhì)量追溯，實時反饋并保存生產(chǎn)質(zhì)量數(shù)據(jù)，是實現(xiàn)生產(chǎn)追溯和質(zhì)量追溯的必由之路。

本文以角接觸球軸承的裝配線為載體，旨在探索二維碼追溯系統(tǒng)在軸承制造中的應用。

2 二維碼掃描技術(shù)簡述

二十世紀八十年代末，二維碼技術(shù)在國際上開始獲得應用。國際自動識別制造商協(xié)會（AIM）、美國標準化協(xié)會（ANSI）對 PDF417、QR Code、Code 49、Code 16K、Code One 等碼制制定了符號標準。國際標準技術(shù)委員會和國際電工委員會成立了條碼自動識別技術(shù)委員會，制定了 QR Code 的國際標準，起草了PDF417、Code 16K、Data Matrix、Maxi Code 等二維碼的 ISO/IEC 標準草案[1]。此外，美、日等國家生產(chǎn)的二維碼符號生成設(shè)備、二維碼識讀設(shè)備等，在各類二維碼應用系統(tǒng)中得到大量實踐應用。二十世紀九十年代初，二維碼技術(shù)開始走進國內(nèi)，中國物品編碼中心翻譯和研究了幾種常用的二維碼技術(shù)。二維碼這項新技術(shù)逐漸在國內(nèi)開始應用，隨著信息科技的進步和經(jīng)濟貿(mào)易的繁榮，深入到各行各業(yè)，在社會生活中隨處可見。

如今，二維碼技術(shù)不僅廣泛應用于快遞包裹管理、票據(jù)管理、證件管理、商品管理、支付系統(tǒng)等，更進入了工業(yè)制造領(lǐng)域，在產(chǎn)線管理的升級改造中獲得更大的發(fā)展空間。

2.1 二維碼(2-Dimensional Bar Code)的原理及常見類型

二維碼，即二維條碼，基于計算機內(nèi)部邏輯基礎(chǔ)的 0、1 比特流理論，利用與二進制對應的黑白色圖形及其在二維方向上的排列組合表示不同的信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的信息化。通過掃碼器、攝像頭等光電掃描設(shè)備對二維碼進行識別，可以讀取二維碼象征的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動提取。二維碼作為一種新興技術(shù)，在市場上得到迅速發(fā)展，其優(yōu)勢在于：具有校檢功能，保密性、安全性好；容量大，能夠保存各種信息；成本低，易于推廣等。此外，二維碼還有一個非常重要的特點，即追溯性強，可用于產(chǎn)線產(chǎn)品的追蹤和溯源。

從類型上，二維碼可以分為堆疊式（或行排式）二維碼和矩陣式二維碼兩種。堆疊式（或行排式）二維碼外觀上是由兩行或多行較短的一維條碼堆積而成，與一維碼在編碼和識別方面也頗為相似，但限于多行一維碼的堆積，在譯碼前需要特定的方法進行分析，常見的堆疊式（或行排式）二維碼有 Code 16K、Code 49 等。矩陣式二維碼在一個獨立的矩形空間內(nèi)利用白色與黑色像素點進行布局和排列組合，矩陣內(nèi)黑色的“點”表示二進制“1”，白色的“空”表示二進制“0”，“0”和“1”的排布組成編碼[2]。矩陣式二維碼技術(shù)是一種全新的編碼處理技術(shù)體系，立足于計算機圖形技術(shù)以及組合變化之上，常見的有 QR Code、Data Matrix、Han Xin Code 等。幾種常用的二維碼如圖 1 所示。

圖1 常用的二維碼

2.2 激光打標機（Laser Marking Machine）

激光打標技術(shù)，又稱為激光雕刻或鐳雕技術(shù)，通過高能量密度的激光投射在物體表面，引起物體表面物理或化學效應，產(chǎn)生永久標記。激光打標技術(shù)與計算機技術(shù)緊密結(jié)合，操作人員可以對打印內(nèi)容進行設(shè)計，從而在物體表面刻印出復雜多變的圖案，不限于文字或符號，打印內(nèi)容豐富靈活，打印效率高，廣泛適用于各行各業(yè)。作為一種精密的加工技術(shù)，激光打標通過直徑很小的高密度光束與物體表面接觸，可以雕刻出非常精細的圖案，對物體表面產(chǎn)生永久標記，具有極佳的防偽特性[3]。激光打印操作簡便，界面友好，打印機自帶的上位機軟件可以按用戶需要對文字、符號、圖案的內(nèi)容和大小進行隨意編輯，編輯完成后輸出到打印設(shè)備，打印機即按照要求在物體表面進行雕刻，且刻痕深度可控。激光打印技術(shù)具有普適性，金屬制品、塑料制品、木材、陶瓷等各類材料均可采用激光打印。

角接觸球軸承屬于金屬制品，傳統(tǒng)的標記方式是采用機械刻打，僅可打印簡單的數(shù)字或符號，標記的內(nèi)容極為有限，且堅硬的打字頭會對軸承表面產(chǎn)生應力，造成標記局部下沉變形，打印字跡深度深淺不一，難以把控，且機械打字頭造成的沖擊切口不平滑，多有尖銳毛刺，易在軸承零件的搬運裝合過程中造成劃傷等缺陷。采用激光打印技術(shù)在軸承零件表面進行打印作業(yè)，不僅可以打印常見的軸承編號，還可以打印更為復雜的二維碼，不同于機械刻印，激光打印不會造成物體表面的變形，不會在打印位置產(chǎn)生毛刺，印記干凈清晰，極大地提高了標記的識別率。

2.3 二維碼掃描器（2-Dimensional Bar Code Scanner）

對于物體表面鐳雕的二維碼，通常通過掃碼器、攝像頭等光電掃描設(shè)備對二維碼進行采集，采集到的二維碼需要經(jīng)過二維碼定位、分割和解碼三個步驟實現(xiàn)二維碼的識別。首先，二維碼的定位即發(fā)現(xiàn)二維碼，對具有顯著二維碼特征的區(qū)域進行定位，并根據(jù)二維碼的結(jié)構(gòu)特征確定編碼類型。其次，利用閾值理論對定位的圖像進行二值化轉(zhuǎn)換，并進行膨脹運算、邊緣檢測和條碼分割。最后，運用網(wǎng)格將解析出的標準二維碼圖像進行劃分，提取網(wǎng)格上所有交點的圖像像素，并依據(jù)閾值判斷是淺色像素或深色像素。用二進制“1”表示深色像素，“0”表示淺色像素，構(gòu)造一個位圖，從而得到二維碼的原始二進制序列碼，然后對這些數(shù)據(jù)進行糾錯和譯碼，最后根據(jù)條碼的邏輯編碼規(guī)則把這些原始的數(shù)據(jù)位轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)編碼[4]。

常見的二維碼掃描器按其固定方式分為多種，有柜臺式、手持式、無線移動式等，融合了CCD 圖像采集與二維碼定位、解碼、信息轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷喾N技術(shù)。以美國 Zebra 公司出品的Zebra DS3600 型掃描器為例，其可以快速可靠地對幾乎所有直接物件標識進行采集。此外，有線式 DS3608-DP 或無線式 DS3678-DP 能夠采集印在標簽上的二維碼，讀取刻印在金屬制品上的二維碼，足以達到本文用于裝配線的質(zhì)量追溯系統(tǒng)的掃描需求。

3 角接觸球軸承及其裝配線介紹

角接觸球軸承旋轉(zhuǎn)速度高、旋轉(zhuǎn)精度高，能夠承受合成載荷，即分別承受來自徑向和軸向兩個方向同時作用的載荷，是機床主軸的核心配件[5]。國家標準將軸承精度由高到低分為 P2，P4，P5，P6，P0 多個等級。主軸軸承的精度是整臺機床設(shè)備和機械裝備的核心，只有 P4 級別以上的軸承才能滿足機床主軸精度的要求，主軸的精度直接影響了機床加工零件的精度。除了精度之外，角接觸球軸承對軸承游隙的要求也很高，其主要以配對的方式使用，所以必須根據(jù)實際工作特性對軸承進行嚴格配對。因此，角接觸球軸承幾乎是常見軸承里面技術(shù)要求最高的。為確保其極高的轉(zhuǎn)速和長壽命，在軸承生產(chǎn)加工裝配的各個環(huán)節(jié)，都必須嚴格把控。

常見精密機床主軸用角接觸球軸承裝配工序包括：零件清洗、內(nèi)圈壁厚差檢測、內(nèi)/外溝徑檢測分檔、電加熱、合套、滴油測接觸角、測振、測扭矩、靈活性、清洗、成品軸承內(nèi)外徑檢測、凸出量檢測、注脂、壓蓋、勻脂、打角線、淋油、霧化、真空包裝、合格證打印、裝盒等，工序繁多且自動化程度低。角接觸球軸承的裝配流程見圖 2。

圖2 角接觸球軸承裝配流程圖

角接觸球軸承裝配工序復雜，加工設(shè)備自動化程度各不相同，屬于典型的離散型制造，比車削、磨削等其它工序更難把控，各工序之間極易形成數(shù)據(jù)孤島，僅靠紙質(zhì)流轉(zhuǎn)單據(jù)傳遞信息，生產(chǎn)數(shù)據(jù)難以匯總，質(zhì)量問題不易追溯，存在很大的管理弊端。

4 二維碼追溯系統(tǒng)的建立

為了嚴格把控角接觸球軸承的裝配質(zhì)量和裝配效率，基于角接觸球軸承裝配車間的實際生產(chǎn)和管理需求，本文提出了一種全新的生產(chǎn)管理模式，即基于二維碼掃描技術(shù)的生產(chǎn)追溯系統(tǒng)。二維碼追溯系統(tǒng)融合了二維碼打印/掃描技術(shù)、OPC 數(shù)據(jù)接口技術(shù)、數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)等多種計算機技術(shù)，解決了數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲等諸多問題，實現(xiàn)了裝配線生產(chǎn)/設(shè)備/質(zhì)量數(shù)據(jù)的實時采集與追溯。其核心思想是在軸承端面激光打印二維碼，通過掃碼追溯的方式對軸承零件及成品進行逐工序追蹤，實時采集各個工序的裝配參數(shù)及檢測、裝配、合套結(jié)果，建立起角接觸球軸承裝配生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)產(chǎn)線信息化管理。二維碼追溯系統(tǒng)的建立方式如下：

（1）在裝配開始時在軸承端面激光打印二維碼，每個二維碼包含唯一的 ID；

（2）為所有工序配置二維碼掃碼器，對軸承零件及成品進行實時跟蹤；

（3）為裝配線各道工序加工設(shè)備配置設(shè)備數(shù)據(jù)采集卡，實時采集設(shè)備數(shù)據(jù)與加工結(jié)果；

（4）人工作業(yè)工序配備工作站，將加工結(jié)果實時輸入系統(tǒng)，對工序信息進行數(shù)據(jù)化；

（5）以車間為整體配置數(shù)據(jù)服務(wù)器，將各工序設(shè)備、加工數(shù)據(jù)進行匯總、存儲，將手工、半自動化、全自動化各種設(shè)備混用的離散型裝配車間進行數(shù)據(jù)化、信息化轉(zhuǎn)化融合，實現(xiàn)真正的產(chǎn)線信息化管理。

在二維碼追溯系統(tǒng)的管理下，角接觸球軸承進入裝配線清洗后，利用激光打標機在軸承套圈基準端面打印二維碼，為每個軸承內(nèi)圈分配唯一的 ID，系統(tǒng)以此為依據(jù)，將軸承零件的批次號、爐號錄入后臺數(shù)據(jù)庫，與軸承 ID 一一對應，在后續(xù)的每一道工序，配備掃碼槍，通過掃描軸承套圈上的二維碼，將實時采集的設(shè)備參數(shù)、加工參數(shù)、操作者與檢測結(jié)果錄入數(shù)據(jù)庫，并與二維碼進行綁定。成品軸承裝配完畢，通過綁定的二維碼統(tǒng)計角接觸球軸承材料、工序、檢驗各方面的信息，提取軸承 ID 及重要軸承參數(shù)，與軸承零件上的二維碼進行綁定，形成新的二維碼，打印在軸承內(nèi)外包裝上。客戶只需掃描軸承外包裝上的二維碼，即可獲知軸承各方面的信息，甚至可以追蹤到每一道工序、每一臺設(shè)備、每一個操作工。同時，角接觸球軸承裝配生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫對采集到的數(shù)據(jù)進行存儲、統(tǒng)計，提供車間需要的各種電子表格，保證產(chǎn)品生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)的可追溯性。

5 前景與展望

基于角接觸球軸承裝配車間的實際生產(chǎn)和管理需求，本文提出了一種全新的生產(chǎn)管理模式，即基于二維碼掃描技術(shù)的生產(chǎn)追溯系統(tǒng)。系統(tǒng)融合了二維碼打印/掃描技術(shù)、OPC 數(shù)據(jù)接口技術(shù)、數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)等多種計算機技術(shù)，形成適用于角接觸球軸承離散型裝配車間使用的質(zhì)量追溯系統(tǒng)，安全高效地解決了角接觸球軸承各工序參差不齊、分散、難以管理追溯的行業(yè)弊端，是實現(xiàn)角接觸球軸承生產(chǎn)數(shù)據(jù)化、信息化的有效手段。本系統(tǒng)的應用將極大地提高軸承類離散型生產(chǎn)車間的工業(yè)化、信息化水平，繼而推動此類傳統(tǒng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，加快我國快速進入工業(yè)現(xiàn)代化的步伐。