條碼直接標(biāo)印技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化及其應(yīng)用

宮 磊 張俊忠 唐 亮

（1.中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028；2.中航工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710089）

直接標(biāo)印是指在產(chǎn)品或零部件表面直接進(jìn)行標(biāo)刻，以滿足對(duì)其全壽命周期標(biāo)識(shí)的要求。NASA（美國航空航天局）是最早在零部件上直接標(biāo)印二維條碼符號(hào)的機(jī)構(gòu)之一。在20世紀(jì)80年代中期便采用條碼技術(shù)改善其業(yè)務(wù)模式，基于行業(yè)應(yīng)用開發(fā)和測試了機(jī)器可讀的二維符號(hào)，以適用于非紙基板的標(biāo)識(shí)。經(jīng)過5年的努力，最終提供詳細(xì)證據(jù)證明二維條碼符號(hào)安全可靠，能夠用于大多數(shù)航空材料的標(biāo)識(shí)方面，且不影響部件的性能。NASA分別發(fā)布條碼直接標(biāo)印技術(shù)及其應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)NASA–STD–6002B《在航空航天零部件上應(yīng)用Data Matrix符號(hào)》和技術(shù)手冊(cè)NASA–HDBK–6003A《使用直接零件標(biāo)印方法/技術(shù)在航空航天零部件上應(yīng)用Data Matrix符號(hào)》，被很多有質(zhì)量追溯要求的行業(yè)借鑒參考。

1 條碼直接標(biāo)印標(biāo)準(zhǔn)化

隨著自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的推廣，DPM（產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）技術(shù)正在全球許多企業(yè)包括汽車、電子、航空航天等領(lǐng)域獲得應(yīng)用，如AIAG美國汽車工業(yè)行動(dòng)委員會(huì)B–4《零件標(biāo)識(shí)和跟蹤應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》就采用Data Matrix與直接標(biāo)識(shí)技術(shù)作為零件自動(dòng)識(shí)別的手段，ATA國際航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)的ATA Spec 2000 Chap9《自動(dòng)識(shí)別與數(shù)據(jù)采集》采用了Data Matrix與直接標(biāo)識(shí)技術(shù)作為飛機(jī)零件自動(dòng)識(shí)別的手段，該項(xiàng)技術(shù)在Boeing、Airbus、Rolls–Royce、GE、MTU等企業(yè)也得到應(yīng)用，ISO等國際標(biāo)準(zhǔn)組織也在積極制定條碼直接標(biāo)印相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 條碼直接標(biāo)印制作標(biāo)準(zhǔn)

1.1.1 NASA–STD–6002B

NASA–STD–6002B《在航空航天零部件上應(yīng)用Data Matrix符號(hào)》標(biāo)準(zhǔn)和NASA–HDBK–6003A技術(shù)手冊(cè)，為NASA及其供應(yīng)商在零部件上制作Data Matrix符號(hào)提供指導(dǎo)。該標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)闡述了標(biāo)印方法選擇的影響因素、標(biāo)記方法與環(huán)境耐久性要求（見表1）、標(biāo)記質(zhì)量改進(jìn)措施、標(biāo)記質(zhì)量評(píng)測標(biāo)準(zhǔn)等。標(biāo)準(zhǔn)以大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，初步形成Data Matrix符號(hào)直接零件標(biāo)印的參數(shù)庫，為指導(dǎo)其供應(yīng)商及其下屬單位開展零件直接標(biāo)印奠定基礎(chǔ)。

1.1.2 NASA–HDBK–6003A

為了改善現(xiàn)有標(biāo)印方法，使其用于二維條碼符號(hào)標(biāo)識(shí)，并配合NASA–STD–6002B《使用直接零件標(biāo)印方法/技術(shù)在航空航天零部件上應(yīng)用Data Matrix符號(hào)》標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，NASA–HDBK–6003A技術(shù)手冊(cè)詳細(xì)列舉了直接標(biāo)印方法及其分類，吸納新的標(biāo)記工藝（如打點(diǎn)代替振動(dòng)蝕刻和壓花技術(shù)、激光標(biāo)記取代電弧蝕刻和熱壓等），并對(duì)所有的標(biāo)印方法的原理、適用性和局限性進(jìn)行描述，鼓勵(lì)相關(guān)組織和個(gè)人在合同中引用此標(biāo)準(zhǔn)。

1.1.3 AIAG B–17

汽車工業(yè)行動(dòng)小組（AIAG）成立自動(dòng)數(shù)據(jù)采集直接零件標(biāo)印工作組，吸納現(xiàn)有汽車工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、非汽車工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、直接零件標(biāo)印供應(yīng)商、識(shí)別技術(shù)供應(yīng)商、標(biāo)簽公司和多方面工業(yè)專家，經(jīng)多方和議達(dá)成一致并形成AIAG B–17《二維條碼符號(hào)直接零件標(biāo)印指南》，為幫助在汽車供應(yīng)鏈上的最終用戶使用最常見的標(biāo)刻方法。AIAG B–17作為AIAG B–4標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)充，提供使用激光、打點(diǎn)、噴墨方法標(biāo)印和識(shí)讀二維QR碼或Data Matrix碼時(shí)的信息，這3種方法作為汽車工業(yè)協(xié)會(huì)組織最為常用的3種標(biāo)印方法，指南中對(duì)每種方法進(jìn)行描述并給出標(biāo)印方法與常用材料的適用性（見表2），對(duì)其標(biāo)刻二維碼的幾何構(gòu)形、識(shí)讀質(zhì)量進(jìn)行分析，供應(yīng)商可根據(jù)其產(chǎn)品的材料、現(xiàn)有設(shè)備等選用標(biāo)刻方法。

表1 服務(wù)、維修和大修環(huán)境零件直接標(biāo)印的耐久性

表2 AIAG B–17中的標(biāo)印方法與材料的適用性

1.1.4 ISO TR 24720

ISO TR 24720《信息技術(shù)—自動(dòng)識(shí)別與數(shù)據(jù)采集技術(shù)—直接零件標(biāo)記指南》技術(shù)報(bào)告綜合了NASA–STD–6002B、NASA–HDBK–6003A、AIAG B–17等標(biāo)準(zhǔn)的很多技術(shù)內(nèi)容，包括零部件及產(chǎn)品表面制作永久性機(jī)讀符號(hào)的標(biāo)印方法過程、標(biāo)印表面準(zhǔn)備、標(biāo)印位置、防護(hù)涂層等和符號(hào)質(zhì)量相關(guān)的因素，并在附錄中詳細(xì)描述了侵入式和非侵入式標(biāo)印方法的工藝過程和控制方法。

1.2 條碼直接標(biāo)印質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

1.2.1 SAE AS 9132

SAE AS 9132《用于零件標(biāo)記Data Matrix符號(hào)的質(zhì)量要求》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了航空行業(yè)內(nèi)使用Data Matrix符號(hào)標(biāo)記金屬零件的有關(guān)質(zhì)量和技術(shù)要求，包含典型標(biāo)印方法（打點(diǎn)標(biāo)記、激光標(biāo)記、電化學(xué)蝕刻標(biāo)記）的過程描述、標(biāo)記參數(shù)、質(zhì)量要求等內(nèi)容。主要根據(jù)標(biāo)印方法的原理，在標(biāo)印工藝過程和對(duì)最終結(jié)果質(zhì)量控制的角度上做出規(guī)定。

1.2.2 ISO/IEC CD 29158

ISO/IEC 15415《信息技術(shù)—自動(dòng)識(shí)別和數(shù)據(jù)采集技術(shù)—二維條碼符號(hào)印制質(zhì)量的檢測》標(biāo)準(zhǔn)定義了印制二維條碼符號(hào)的檢測方法，ISO/IEC CD 29158《信息技術(shù)—自動(dòng)識(shí)別與數(shù)據(jù)采集技術(shù)—直接零件標(biāo)印質(zhì)量指南》則主要描述適用于直接零件標(biāo)印二維條碼符號(hào)質(zhì)量檢測、且與ISO/IEC 15415的不同之處，包括多種光源、增加的質(zhì)量參數(shù)、修改的檢測過程和分級(jí)參數(shù)等。從獲取圖像到等級(jí)判定，主要在以下方面不同：

在圖像對(duì)比度的測量方法不同；

二進(jìn)制圖像獲取方法不同；

新的選擇孔徑的方法；

把不同模塊連接起來的預(yù)處理；

調(diào)制參數(shù)的確定過程不同；

單元對(duì)比度的確定過程不同；

固有圖形污損的計(jì)算過程不同；

引入判定參數(shù)——最小反射率。

1.3 條碼直接標(biāo)印應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)

1.3.1 MIL–STD–130M

MIL–STD–130M《軍用資產(chǎn)標(biāo)識(shí)》是美國國防部物資唯一標(biāo)識(shí)的重要支撐標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范了標(biāo)記內(nèi)容、符號(hào)大小、位置，以及人讀信息和機(jī)讀信息的選擇等，所有供貨商必須聲明其產(chǎn)品標(biāo)識(shí)標(biāo)記需符合此標(biāo)準(zhǔn)。MIL–STD–130M為產(chǎn)品設(shè)計(jì)制定產(chǎn)品標(biāo)識(shí)標(biāo)記的要求提供準(zhǔn)繩，適用于國防部軍用資產(chǎn)的生產(chǎn)、存儲(chǔ)、倉儲(chǔ)和調(diào)配[1]。

1.3.2 ATA Sepc 2000 Chap9

在計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與進(jìn)入時(shí)，利用自動(dòng)識(shí)別技術(shù)代替人手動(dòng)數(shù)據(jù)錄入可以方便、快捷實(shí)現(xiàn)航空工業(yè)數(shù)據(jù)采集和交互。ATA Sepc 2000 Chap9定義了新的或在用的零部件標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)及格式，應(yīng)用于航空工業(yè)物料管理過程中自動(dòng)識(shí)別技術(shù)；9–5節(jié)定義了作為產(chǎn)品永久性附屬的RFID標(biāo)簽及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)；9–6節(jié)定義了為達(dá)到追溯目的所需要采集的最小的數(shù)據(jù)量，成為企業(yè)內(nèi)部系統(tǒng)集成、供應(yīng)商與航空公司、航空公司與維修商以及航空公司之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的基礎(chǔ)。

1.3.3 CEA–802

美國消費(fèi)電子協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)CEA–802《產(chǎn)品標(biāo)記》標(biāo)準(zhǔn)定義了標(biāo)識(shí)產(chǎn)品的最少要求，提供產(chǎn)品標(biāo)刻機(jī)讀碼指南，包括標(biāo)簽和產(chǎn)品直接標(biāo)記，并引入了標(biāo)簽粘結(jié)特征和標(biāo)記持久性測試過程。支持生產(chǎn)過程、庫存、配送、維修等過程的系統(tǒng)自動(dòng)控制。此標(biāo)準(zhǔn)定義了工業(yè)與工業(yè)伙伴交付產(chǎn)品時(shí)、最終產(chǎn)品交付時(shí)和電信工業(yè)的條碼數(shù)據(jù)格式。

2 在航空零部件上應(yīng)用條碼直接標(biāo)印

航空零部件種類繁多、性能指標(biāo)要求嚴(yán)格、工作環(huán)境復(fù)雜多樣，應(yīng)用零件直接標(biāo)印在航空零部件上制作條碼需要綜合考慮現(xiàn)有制作工藝、對(duì)零部件性能的影響、條碼讀取模式和質(zhì)量要求等因素，從設(shè)計(jì)和工藝上選定適合的標(biāo)印方法和過程參數(shù)，并在使用過程中不斷跟蹤和改善標(biāo)印質(zhì)量。

2.1 直接零件標(biāo)印方法的適用性

不同的標(biāo)印方法其作用原理不同，特點(diǎn)和適用零件狀況不同。2.1.1 打點(diǎn)

在被標(biāo)識(shí)物表面做一定破壞，標(biāo)識(shí)后其抗疲勞性有所增加。該方法要求零件表面硬度不能太高，且可以承受一定沖擊力。

2.1.2 激光

激光標(biāo)刻工藝簡單，標(biāo)刻速度快，標(biāo)印精度高、成本低，適用大部分金屬和非金屬材料。但是對(duì)于表面精度要求高、三防涂層保護(hù)或受力復(fù)雜等情況，需要考慮其對(duì)表面的破壞和熱影響區(qū)[2]（激光束產(chǎn)生集中熱量，對(duì)表面材料金相特性改變）在循環(huán)應(yīng)力作用下激光標(biāo)刻可能形成擴(kuò)展裂紋的影響。

2.1.3 噴墨

噴墨方法簡單方便、不損傷物體表面，但是它需要噴頭和被標(biāo)識(shí)物的相對(duì)移動(dòng)，且是可擦拭的；如果作為永久性標(biāo)識(shí)，最好在墨滴表面做一層防護(hù)，并考慮在全壽命中的環(huán)境耐用性（如酸洗、鹽霧等）。

2.1.4 電化學(xué)

電化學(xué)方法將在零件的表面形成一層幾乎沒有深度的暗色氧化。該方法需要預(yù)先制作模板，且制作前零部件必須清潔，無腐蝕或銹蝕。

2.2 標(biāo)印位置的選擇

考慮到條碼的識(shí)讀原理和破壞性標(biāo)印方法對(duì)零部件性能的影響，標(biāo)印位置的選擇應(yīng)遵循以下原則：

標(biāo)印位置不宜過深，應(yīng)在一個(gè)易于標(biāo)刻和便于識(shí)讀的表面；

盡量避免在應(yīng)力集中區(qū)域、受力過大或應(yīng)變較大的區(qū)域做表面標(biāo)??；

盡量選擇在平面上制作條碼，不宜在弧度過大（柱面或球面）的表面制作標(biāo)??；

在裝配面、封接面、靠近熱源等部位制作標(biāo)印，應(yīng)考慮標(biāo)印位置對(duì)使用性能和條碼易讀性的影響；

盡量避免在高精度、高拋光表面制作標(biāo)?。?/p>

避免直接接觸空氣流的位置，如飛機(jī)翅膀邊緣，直升機(jī)螺旋槳，渦輪葉片的外部等[3]；

考慮到拐角結(jié)構(gòu)對(duì)識(shí)讀光源的影響，以便掃描儀的識(shí)讀。

2.3 條碼符號(hào)大小及其相關(guān)因素

條碼符號(hào)大小與條碼單元格尺寸和所承載的數(shù)據(jù)量有關(guān)；條碼單元格尺寸越大，條碼符號(hào)越大，條碼所承載的數(shù)據(jù)量越大，條碼符號(hào)越大。條碼單元格尺寸、數(shù)據(jù)容量和條碼面積對(duì)應(yīng)的關(guān)系見表3。

除此之外，粗糙的表面需要單元格足夠大才容易識(shí)讀，即表面越粗糙條碼面積越大，見圖1。

表3 條碼單元格尺寸、數(shù)據(jù)容量和條碼符號(hào)大小的關(guān)系

圖1 表面粗糙度樣板上制作的DataMatrix條碼[3]

2.4 標(biāo)印工藝及其改善

2.4.1 工藝改善原因與條件

條碼直接標(biāo)印的識(shí)讀主要與標(biāo)印精度、點(diǎn)空反差、位置因素等相關(guān)，因此經(jīng)常使用表面清洗、陽極化處理、表面粗糙等方法處理。有以下情況時(shí)可以使用一些工藝方法增加條碼的可識(shí)讀性。

● 表面處理導(dǎo)致過度粗糙或光滑；

● 表面不能提供解碼所需的足夠色差；

● 關(guān)鍵安全零件不能使用侵入式標(biāo)記方法；

● 用戶打標(biāo)方法不適用的原材料。

2.4.2 工藝改善措施

增加條碼可讀性和耐久性的工藝措施[3]有：

表面涂漆/變色處理。當(dāng)在有防護(hù)涂層的表面采用侵入式標(biāo)印時(shí)，需要重新制作涂層，防止標(biāo)印區(qū)域及其周圍的腐蝕。

清洗。便于直接標(biāo)刻。

加工。機(jī)械加工通常被用來降低表面粗糙度到6.3 um。識(shí)讀測試表明，當(dāng)使用較小的矩陣符號(hào)（4.23到12.7 mm）時(shí)，表面粗糙度大于6.3um的表面產(chǎn)生陰影影響手持識(shí)讀器的識(shí)讀。

使之粗糙?？椉y表面通常用來使表面粗糙以減小表面的反光。反光對(duì)識(shí)讀器成像和解碼非常有影響。表面粗糙度一般大于0.2 um。

3 結(jié)束語

本文總結(jié)現(xiàn)有條碼直接標(biāo)印技術(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)化的現(xiàn)狀，分析現(xiàn)有條碼直接標(biāo)印相關(guān)的制作標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量要求和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)等，結(jié)合航空零部件的特點(diǎn)總結(jié)歸納了航空工業(yè)應(yīng)用條碼直接標(biāo)印幾個(gè)重要因素，供相關(guān)設(shè)計(jì)工藝人員參考。條碼直接標(biāo)印是一項(xiàng)涉及自動(dòng)識(shí)別、機(jī)械加工、表面處理等專業(yè)的系統(tǒng)工程，需相關(guān)學(xué)科的人員協(xié)作，在實(shí)踐中逐步積累經(jīng)驗(yàn)參數(shù)和質(zhì)量數(shù)據(jù)，從而支持全壽命周期自動(dòng)數(shù)據(jù)采集和質(zhì)量溯源。

[1]宮磊，王丙義等.美國國防部物資唯一標(biāo)識(shí)項(xiàng)目 （IUID）的規(guī)劃和實(shí)施[J].航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量， 2011（2）.

[2]HB 9132–2007 用于零件標(biāo)記的 DATA MATRIX 碼的質(zhì)量要求[S].

[3]NASA–STD–6002B APPLYING DATA MATRIX IDENTIFICATION SYMBOLS ON AEROSPACE PARTS[S].