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(yáng)開(kāi)遠(yuǎn)智能精機(jī)有限公司，河南 洛陽(yáng) 471003）

1 前言

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)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(chē)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(dòng)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(hào)，生產(chǎn)工序眾多，操作人員密集，通常采用手工填寫(xiě)生產(chǎn)日志及檢驗(yàn)記錄的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，數(shù)據(jù)不易保存和統(tǒng)計(jì)，更加難以追溯。然而，軸承作為一種精密機(jī)械零件，是機(jī)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(wèn)題，勢(shì)必會(huì)造成比較嚴(yán)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(gè)生命周期，如何在軸承生產(chǎn)的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)監(jiān)控和質(zhì)量追溯，實(shí)時(shí)反饋并保存生產(chǎn)質(zhì)量數(shù)據(jù)，是實(shí)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(yīng)用。

2 二維碼掃描技術(shù)簡(jiǎn)述

二十世紀(jì)八十年代末，二維碼技術(shù)在國(guó)際上開(kāi)始獲得應(yīng)用。國(guó)際自動(dòng)識(shí)別制造商協(xié)會(huì)（AIM）、美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（ANSI）對(duì) PDF417、QR Code、Code 49、Code 16K、Code One 等碼制制定了符號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會(huì)和國(guó)際電工委員會(huì)成立了條碼自動(dòng)識(shí)別技術(shù)委員會(huì)，制定了 QR Code 的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，起草了PDF417、Code 16K、Data Matrix、Maxi Code 等二維碼的 ISO/IEC 標(biāo)準(zhǔn)草案[1]。此外，美、日等國(guó)家生產(chǎn)的二維碼符號(hào)生成設(shè)備、二維碼識(shí)讀設(shè)備等，在各類(lèi)二維碼應(yīng)用系統(tǒng)中得到大量實(shí)踐應(yīng)用。二十世紀(jì)九十年代初，二維碼技術(shù)開(kāi)始走進(jìn)國(guó)內(nèi)，中國(guó)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(xiàng)新技術(shù)逐漸在國(guó)內(nèi)開(kāi)始應(yīng)用，隨著信息科技的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)貿(mào)易的繁榮，深入到各行各業(yè)，在社會(huì)生活中隨處可見(jiàn)。

如今，二維碼技術(shù)不僅廣泛應(yīng)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(jìn)入了工業(yè)制造領(lǐng)域，在產(chǎn)線管理的升級(jí)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(jiàn)類(lèi)型

二維碼，即二維條碼，基于計(jì)算機(jī)內(nèi)部邏輯基礎(chǔ)的 0、1 比特流理論，利用與二進(jìn)制對(duì)應(yīng)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的信息化。通過(guò)掃碼器、攝像頭等光電掃描設(shè)備對(duì)二維碼進(jìn)行識(shí)別，可以讀取二維碼象征的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)提取。二維碼作為一種新興技術(shù)，在市場(chǎng)上得到迅速發(fā)展，其優(yōu)勢(shì)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(gè)非常重要的特點(diǎn)，即追溯性強(qiáng)，可用于產(chǎn)線產(chǎn)品的追蹤和溯源。

從類(lèi)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(shí)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(jìn)行分析，常見(jiàn)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(gè)獨(dú)立的矩形空間內(nèi)利用白色與黑色像素點(diǎn)進(jìn)行布局和排列組合，矩陣內(nèi)黑色的“點(diǎn)”表示二進(jìn)制“1”，白色的“空”表示二進(jìn)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(jì)算機(jī)圖形技術(shù)以及組合變化之上，常見(jiàn)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(biāo)機(jī)（Laser Marking Machine）

激光打標(biāo)技術(shù)，又稱(chēng)為激光雕刻或鐳雕技術(shù)，通過(guò)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(xué)效應(yīng)，產(chǎn)生永久標(biāo)記。激光打標(biāo)技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)緊密結(jié)合，操作人員可以對(duì)打印內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而在物體表面刻印出復(fù)雜多變的圖案，不限于文字或符號(hào)，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(biāo)通過(guò)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(xì)的圖案，對(duì)物體表面產(chǎn)生永久標(biāo)記，具有極佳的防偽特性[3]。激光打印操作簡(jiǎn)便，界面友好，打印機(jī)自帶的上位機(jī)軟件可以按用戶(hù)需要對(duì)文字、符號(hào)、圖案的內(nèi)容和大小進(jìn)行隨意編輯，編輯完成后輸出到打印設(shè)備，打印機(jī)即按照要求在物體表面進(jìn)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(lèi)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(biāo)記方式是采用機(jī)械刻打，僅可打印簡(jiǎn)單的數(shù)字或符號(hào)，標(biāo)記的內(nèi)容極為有限，且堅(jiān)硬的打字頭會(huì)對(duì)軸承表面產(chǎn)生應(yīng)力，造成標(biāo)記局部下沉變形，打印字跡深度深淺不一，難以把控，且機(jī)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(yùn)裝合過(guò)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(jìn)行打印作業(yè)，不僅可以打印常見(jiàn)的軸承編號(hào)，還可以打印更為復(fù)雜的二維碼，不同于機(jī)械刻印，激光打印不會(huì)造成物體表面的變形，不會(huì)在打印位置產(chǎn)生毛刺，印記干凈清晰，極大地提高了標(biāo)記的識(shí)別率。

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

對(duì)于物體表面鐳雕的二維碼，通常通過(guò)掃碼器、攝像頭等光電掃描設(shè)備對(duì)二維碼進(jìn)行采集，采集到的二維碼需要經(jīng)過(guò)二維碼定位、分割和解碼三個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)二維碼的識(shí)別。首先，二維碼的定位即發(fā)現(xiàn)二維碼，對(duì)具有顯著二維碼特征的區(qū)域進(jìn)行定位，并根據(jù)二維碼的結(jié)構(gòu)特征確定編碼類(lèi)型。其次，利用閾值理論對(duì)定位的圖像進(jìn)行二值化轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行膨脹運(yùn)算、邊緣檢測(cè)和條碼分割。最后，運(yùn)用網(wǎng)格將解析出的標(biāo)準(zhǔn)二維碼圖像進(jìn)行劃分，提取網(wǎng)格上所有交點(diǎn)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(jìn)制“1”表示深色像素，“0”表示淺色像素，構(gòu)造一個(gè)位圖，從而得到二維碼的原始二進(jìn)制序列碼，然后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯(cuò)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(jiàn)的二維碼掃描器按其固定方式分為多種，有柜臺(tái)式、手持式、無(wú)線移動(dòng)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(guó) Zebra 公司出品的Zebra DS3600 型掃描器為例，其可以快速可靠地對(duì)幾乎所有直接物件標(biāo)識(shí)進(jìn)行采集。此外，有線式 DS3608-DP 或無(wú)線式 DS3678-DP 能夠采集印在標(biāo)簽上的二維碼，讀取刻印在金屬制品上的二維碼，足以達(dá)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(lái)自徑向和軸向兩個(gè)方向同時(shí)作用的載荷，是機(jī)床主軸的核心配件[5]。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)將軸承精度由高到低分為 P2，P4，P5，P6，P0 多個(gè)等級(jí)。主軸軸承的精度是整臺(tái)機(jī)床設(shè)備和機(jī)械裝備的核心，只有 P4 級(jí)別以上的軸承才能滿足機(jī)床主軸精度的要求，主軸的精度直接影響了機(jī)床加工零件的精度。除了精度之外，角接觸球軸承對(duì)軸承游隙的要求也很高，其主要以配對(duì)的方式使用，所以必須根據(jù)實(shí)際工作特性對(duì)軸承進(jìn)行嚴(yán)格配對(duì)。因此，角接觸球軸承幾乎是常見(jiàn)軸承里面技術(shù)要求最高的。為確保其極高的轉(zhuǎn)速和長(zhǎng)壽命，在軸承生產(chǎn)加工裝配的各個(gè)環(huán)節(jié)，都必須嚴(yán)格把控。

常見(jiàn)精密機(jī)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(cè)、內(nèi)/外溝徑檢測(cè)分檔、電加熱、合套、滴油測(cè)接觸角、測(cè)振、測(cè)扭矩、靈活性、清洗、成品軸承內(nèi)外徑檢測(cè)、凸出量檢測(cè)、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(dòng)化程度低。角接觸球軸承的裝配流程見(jiàn)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(fù)雜，加工設(shè)備自動(dòng)化程度各不相同，屬于典型的離散型制造，比車(chē)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(wèn)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(yán)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(chē)間的實(shí)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(kù)管理技術(shù)等多種計(jì)算機(jī)技術(shù)，解決了數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等諸多問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了裝配線生產(chǎn)/設(shè)備/質(zhì)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)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(guò)掃碼追溯的方式對(duì)軸承零件及成品進(jìn)行逐工序追蹤，實(shí)時(shí)采集各個(gè)工序的裝配參數(shù)及檢測(cè)、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(kù)，實(shí)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(kāi)始時(shí)在軸承端面激光打印二維碼，每個(gè)二維碼包含唯一的 ID；

（2）為所有工序配置二維碼掃碼器，對(duì)軸承零件及成品進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)輸入系統(tǒng)，對(duì)工序信息進(jìn)行數(shù)據(jù)化；

（5）以車(chē)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(jìn)行匯總、存儲(chǔ)，將手工、半自動(dòng)化、全自動(dòng)化各種設(shè)備混用的離散型裝配車(chē)間進(jìn)行數(shù)據(jù)化、信息化轉(zhuǎn)化融合，實(shí)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(jìn)入裝配線清洗后，利用激光打標(biāo)機(jī)在軸承套圈基準(zhǔn)端面打印二維碼，為每個(gè)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(hào)、爐號(hào)錄入后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，與軸承 ID 一一對(duì)應(yīng)，在后續(xù)的每一道工序，配備掃碼槍?zhuān)ㄟ^(guò)掃描軸承套圈上的二維碼，將實(shí)時(shí)采集的設(shè)備參數(shù)、加工參數(shù)、操作者與檢測(cè)結(jié)果錄入數(shù)據(jù)庫(kù)，并與二維碼進(jìn)行綁定。成品軸承裝配完畢，通過(guò)綁定的二維碼統(tǒng)計(jì)角接觸球軸承材料、工序、檢驗(yàn)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(jìn)行綁定，形成新的二維碼，打印在軸承內(nèi)外包裝上。客戶(hù)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(tái)設(shè)備、每一個(gè)操作工。同時(shí)，角接觸球軸承裝配生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)，提供車(chē)間需要的各種電子表格，保證產(chǎn)品生產(chǎn)各個(gè)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(chē)間的實(shí)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(kù)管理技術(shù)等多種計(jì)算機(jī)技術(shù)，形成適用于角接觸球軸承離散型裝配車(chē)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(shí)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(yīng)用將極大地提高軸承類(lèi)離散型生產(chǎn)車(chē)間的工業(yè)化、信息化水平，繼而推動(dòng)此類(lèi)傳統(tǒng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，加快我國(guó)快速進(jìn)入工業(yè)現(xiàn)代化的步伐。