激光標刻在汽車零部件方案設計中的應用

楊文超

上汽通用汽車銷售有限公司 上海 202205

經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，汽車產(chǎn)品召回已經(jīng)成為一種成熟的解決汽車產(chǎn)品缺陷的機制，為保護消費者利益和汽車行業(yè)的健康發(fā)展做出了巨大貢獻。汽車制造企業(yè)紛紛認識到關鍵件的可追溯性是產(chǎn)品質(zhì)量保證的關鍵要素。隨著《缺陷汽車產(chǎn)品召回管理規(guī)定》的頒布以及新能源汽車的普及，汽車制造企業(yè)必須積極對待因為各類問題所導致的汽車召回，尤其是安全問題，并在解決問題時盡量降低成本[2]。

為便于進行產(chǎn)品質(zhì)量追溯和市場追溯，一般汽車主機廠需在汽車零部件上刻印產(chǎn)品追溯碼。目前常見的汽車零部件標記方式有模具鑄造、電腐蝕標記、不干膠、機械打刻、氣動標記和激光標刻。若采用傳統(tǒng)的機械劃刻方式，由于工件為高溫合金，強度硬度較高，易造成劃刻頭耗損嚴重。而激光標刻方式，因其獨特的工作原理，其快速、可編程、非接觸的工藝效果好且持久，通常不受生產(chǎn)過程中所需步驟的影響，具有更環(huán)保、高效的特點，并且應用范圍廣，在企業(yè)制造成本控制等方面的優(yōu)勢讓其成為日后市場的主力軍。

激光標刻原理

激光標刻是利用高能量的激光束使材料瞬間熔化甚至汽化，伴隨振動、沖擊等作用，輔以高壓氣吹除熔渣，隨著光束與材料相對高速移動，在材料表面產(chǎn)生具有一定深度的凹槽，從而形成精美的文本、圖案、序列號等信息。激光標刻核心硬件構成如圖1所示。

圖1 激光標刻核心硬件

激光標刻概述

1.流水線應用技術要求

實現(xiàn)零部件的批量全自動上料、定位、打刻、識別及下料作業(yè)；各類零部件綜合生產(chǎn)節(jié)拍（含上下料及輔助時間）≤12s/件；生產(chǎn)時間：1440min/天，產(chǎn)量：5862 件/天，143.64 萬件/年（計算標準：單機開動率 99%，全年工作日 245 天，整體打刻節(jié)拍≤12s/件）；激光打刻要求字符品質(zhì)測定通過字符品質(zhì)分析軟件連續(xù)測定1000 臺份，A 級以上≥99.9%；激光打刻要求在熱處理前后或切削液附著下表面處理后識別率≥99.9%，掃碼讀取時間≤1s。

2.激光標刻優(yōu)勢

傳統(tǒng)機械打刻：需要安裝夾具，夾具結構復雜，體積大，反作用力大；打刻頭存在磨損，劃刻質(zhì)量不一，且耗材費用大；自動化生產(chǎn)過程需要對位、夾緊，動作繁瑣，影響生產(chǎn)節(jié)拍；材料適應性差，接觸加工，無法劃刻高強度鋼。

激光標刻：非接觸加工，無需裝夾，僅需定位，無耗材；標刻速度快，12個字符激光標刻5s內(nèi)完成；標刻字符清晰，標刻深度精確可控;材料適應性好，柔性高，兼容高強鋼、鋁合金等。

高效率、智能化的激光標刻未來將會應用更廣泛。

激光標刻方案設計

針對5類零部件提供5套全自動標刻優(yōu)化策略，包括機器人（伺服移載系統(tǒng)）、視覺識別系統(tǒng)、激光標刻系統(tǒng)、OCR字符識別系統(tǒng)及掃碼異常件收集滑道等。提供視覺系統(tǒng)便于產(chǎn)品上下料及轉(zhuǎn)運定位（僅內(nèi)接頭、外接頭采用視覺識別定位，其他產(chǎn)線采用機械定位），提供OCR字符識別系統(tǒng)，便于劃刻后進行字符劃刻效果比對。

1）外接頭零件方案組成如圖2所示，包括六軸機器人（地樁式）、2D 視覺識別系統(tǒng)、轉(zhuǎn)盤、激光標刻系統(tǒng)、OCR 字符識別掃描系統(tǒng)及掃碼異常件收集滑道。雙工位轉(zhuǎn)盤設計可有效提升生產(chǎn)節(jié)拍。

圖2 外接頭零件方案組成

2）內(nèi)接頭零件方案組成如圖3所示，包括六軸機器人（地樁式）、2D 視覺識別系統(tǒng)、轉(zhuǎn)盤、激光標刻系統(tǒng)、OCR 字符識別掃描系統(tǒng)及掃碼異常件收集滑道。雙工位轉(zhuǎn)盤設計可有效提升生產(chǎn)節(jié)拍。

3）星形套零件方案組成如圖4所示，包括伺服移載機構、2D視覺識別系統(tǒng)、激光標刻系統(tǒng)、OCR 字符識別掃描系統(tǒng)及掃碼異常件收集滑道。

圖4 星形套零件方案組成

4）十字軸零件方案組成如圖5所示，包括伺服移載機構、2D視覺識別系統(tǒng)、轉(zhuǎn)盤、激光劃刻系統(tǒng)、OCR 字符識別掃描系統(tǒng)及掃碼異常件收集滑道。

圖5 十字軸零件方案組成

5）驅(qū)動軸零件方案組成如圖6所示，驅(qū)動軸進入工作位，由提升機構將產(chǎn)品舉升，將產(chǎn)品上下夾持、端面夾持后，進行標刻。

圖6 驅(qū)動軸零件方案組成

6）異常件放置滑道設計如圖7所示。異常件放置滑道由支架、滑道、輥筒、檢測傳感器組成，異常件由滑道異常件放料區(qū)放入，自動滑入異常件存放區(qū)，檢測傳感器1用于檢測滑道內(nèi)有無異常件。

圖7 異常件放置滑道

激光標刻單元局部設計

1）內(nèi)接頭標刻示例如圖8所示。

圖8 激光標刻單元（內(nèi)球頭標刻）

2）外接頭示例如圖9所示。

圖9 激光標刻單元（外接頭標刻）

激光標刻工藝驗證

激光標刻工藝參數(shù)見表1。方案采用激光平均功率（一個重復周期內(nèi)單位時間所輸出的激光能量，是脈沖能量和脈沖頻率的乘積，激光功率越高，激光能量越強）80W和20W組合；對應激光頻率（每秒鐘激光光斑的個數(shù),在相同的平均功率下，激光頻率越大，則每個光斑的能量越大）分別是70kHz和90kHz；掃描速度（掃描速度取決于振鏡X、Y軸的擺動速度）分別為2000mm/s和3000mm/s；標刻區(qū)域3mm×12mm；標刻遍數(shù)（標刻遍數(shù)取決于標刻深度）分別為6遍和1遍；CT時間（Cycle time，整個標刻節(jié)拍）統(tǒng)一為4.6s，場鏡型號為F160（160代表場鏡焦距160mm）。

表1 激光標刻工藝參數(shù)

五套激光標刻系統(tǒng)均采用以上激光標刻工藝參數(shù)，先使用80W高功率清理基材表面污染物并加深標刻深度，再增加20W低功率標刻使得字符表面更清晰，兩次標刻總時長不超過5s，滿足標刻節(jié)拍要求。

內(nèi)接頭標刻工件外表面實驗驗證如圖10所示，效果如圖11和圖12所示。機器人抓取工件軸部旋轉(zhuǎn)90°臥式置于轉(zhuǎn)盤上料點，2D視覺相機拍照并反饋工件槽向信息進行夾裝定位。雙工位轉(zhuǎn)盤夾緊限位后，旋轉(zhuǎn)至標刻點進行激光標刻。同時機器人抓取新工件放置于轉(zhuǎn)盤另一工位進行視覺定位并等待標刻。OCR掃描系統(tǒng)完成字符掃描識別，并將結果傳遞給機器人。若掃描結果異常，機器人將NG件放置到異常件收集滑道。

圖10 內(nèi)接頭標刻工件外表面

圖11 激光標刻效果

圖12 激光標刻后OCR字符識別

結語

本文對激光標刻技術及相關參數(shù)進行了分析和研究，提供了5套零件的可落地優(yōu)化標刻及策略。并且實驗驗證，展示效果，大大提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了企業(yè)成本。

激光刻印的自動化程度將來會更高，可實現(xiàn)主機廠和零部件供應商標記信息數(shù)據(jù)庫的建立和云端無縫鏈接。并且產(chǎn)線上的激光標刻應用以后同樣會運用到汽車售后市場中，實現(xiàn)快速標刻，全生命周期跟蹤。如發(fā)動機的缸印號，通過手持式激光標刻，同時通過OCR字符識別上傳云端，供車管所等單位調(diào)取，實現(xiàn)異地變更，不再沿用當前新舊發(fā)動機必須同時到登記地車管所進行變更，信息時代勢必選擇信息化管理更強大的體系來替代落后的體系。