二维码追溯系统在角接触球轴承生产中的应用

贾秋生，翁世席 ，庞凤亚，杜宏林，方玉洁

（1.哈尔滨轴承制造有限公司，黑龙江 哈尔滨 150000；2.洛阳开远智能精机有限公司，河南 洛阳 471003）

1 前言

近年来，随着计算机技术与互联网技术的大力发展，精益生产与智慧车间的概念逐渐深入传统制造业，传统的人员密集型产业逐渐朝着自动化、信息化的现代信息型生产模式改变。轴承制造业作为传统的离散型制造行业，一条产线需要兼顾多种轴承型号，生产工序众多，操作人员密集，通常采用手工填写生产日志及检验记录的方式进行数据整理，数据不易保存和统计，更加难以追溯。然而，轴承作为一种精密机械零件，是机械结构的关节，在绝大多数设备中占据举足轻重的地位，其一旦出现问题，势必会造成比较严重的影响。因此，监控和保证轴承质量伴随着轴承的整个生命周期，如何在轴承生产的过程中实现生产监控和质量追溯，实时反馈并保存生产质量数据，是实现生产追溯和质量追溯的必由之路。

本文以角接触球轴承的装配线为载体，旨在探索二维码追溯系统在轴承制造中的应用。

2 二维码扫描技术简述

二十世纪八十年代末，二维码技术在国际上开始获得应用。国际自动识别制造商协会（AIM）、美国标准化协会（ANSI）对 PDF417、QR Code、Code 49、Code 16K、Code One 等码制制定了符号标准。国际标准技术委员会和国际电工委员会成立了条码自动识别技术委员会，制定了 QR Code 的国际标准，起草了PDF417、Code 16K、Data Matrix、Maxi Code 等二维码的 ISO/IEC 标准草案[1]。此外，美、日等国家生产的二维码符号生成设备、二维码识读设备等，在各类二维码应用系统中得到大量实践应用。二十世纪九十年代初，二维码技术开始走进国内，中国物品编码中心翻译和研究了几种常用的二维码技术。二维码这项新技术逐渐在国内开始应用，随着信息科技的进步和经济贸易的繁荣，深入到各行各业，在社会生活中随处可见。

如今，二维码技术不仅广泛应用于快递包裹管理、票据管理、证件管理、商品管理、支付系统等，更进入了工业制造领域，在产线管理的升级改造中获得更大的发展空间。

2.1 二维码(2-Dimensional Bar Code)的原理及常见类型

二维码，即二维条码，基于计算机内部逻辑基础的 0、1 比特流理论，利用与二进制对应的黑白色图形及其在二维方向上的排列组合表示不同的信息，实现数据的信息化。通过扫码器、摄像头等光电扫描设备对二维码进行识别，可以读取二维码象征的数据信息，实现数据的自动提取。二维码作为一种新兴技术，在市场上得到迅速发展，其优势在于：具有校检功能，保密性、安全性好；容量大，能够保存各种信息；成本低，易于推广等。此外，二维码还有一个非常重要的特点，即追溯性强，可用于产线产品的追踪和溯源。

从类型上，二维码可以分为堆叠式（或行排式）二维码和矩阵式二维码两种。堆叠式（或行排式）二维码外观上是由两行或多行较短的一维条码堆积而成，与一维码在编码和识别方面也颇为相似，但限于多行一维码的堆积，在译码前需要特定的方法进行分析，常见的堆叠式（或行排式）二维码有 Code 16K、Code 49 等。矩阵式二维码在一个独立的矩形空间内利用白色与黑色像素点进行布局和排列组合，矩阵内黑色的“点”表示二进制“1”，白色的“空”表示二进制“0”，“0”和“1”的排布组成编码[2]。矩阵式二维码技术是一种全新的编码处理技术体系，立足于计算机图形技术以及组合变化之上，常见的有 QR Code、Data Matrix、Han Xin Code 等。几种常用的二维码如图 1 所示。

图1 常用的二维码

2.2 激光打标机（Laser Marking Machine）

激光打标技术，又称为激光雕刻或镭雕技术，通过高能量密度的激光投射在物体表面，引起物体表面物理或化学效应，产生永久标记。激光打标技术与计算机技术紧密结合，操作人员可以对打印内容进行设计，从而在物体表面刻印出复杂多变的图案，不限于文字或符号，打印内容丰富灵活，打印效率高，广泛适用于各行各业。作为一种精密的加工技术，激光打标通过直径很小的高密度光束与物体表面接触，可以雕刻出非常精细的图案，对物体表面产生永久标记，具有极佳的防伪特性[3]。激光打印操作简便，界面友好，打印机自带的上位机软件可以按用户需要对文字、符号、图案的内容和大小进行随意编辑，编辑完成后输出到打印设备，打印机即按照要求在物体表面进行雕刻，且刻痕深度可控。激光打印技术具有普适性，金属制品、塑料制品、木材、陶瓷等各类材料均可采用激光打印。

角接触球轴承属于金属制品，传统的标记方式是采用机械刻打，仅可打印简单的数字或符号，标记的内容极为有限，且坚硬的打字头会对轴承表面产生应力，造成标记局部下沉变形，打印字迹深度深浅不一，难以把控，且机械打字头造成的冲击切口不平滑，多有尖锐毛刺，易在轴承零件的搬运装合过程中造成划伤等缺陷。采用激光打印技术在轴承零件表面进行打印作业，不仅可以打印常见的轴承编号，还可以打印更为复杂的二维码，不同于机械刻印，激光打印不会造成物体表面的变形，不会在打印位置产生毛刺，印记干净清晰，极大地提高了标记的识别率。

2.3 二维码扫描器（2-Dimensional Bar Code Scanner）

对于物体表面镭雕的二维码，通常通过扫码器、摄像头等光电扫描设备对二维码进行采集，采集到的二维码需要经过二维码定位、分割和解码三个步骤实现二维码的识别。首先，二维码的定位即发现二维码，对具有显著二维码特征的区域进行定位，并根据二维码的结构特征确定编码类型。其次，利用阈值理论对定位的图像进行二值化转换，并进行膨胀运算、边缘检测和条码分割。最后，运用网格将解析出的标准二维码图像进行划分，提取网格上所有交点的图像像素，并依据阈值判断是浅色像素或深色像素。用二进制“1”表示深色像素，“0”表示浅色像素，构造一个位图，从而得到二维码的原始二进制序列码，然后对这些数据进行纠错和译码，最后根据条码的逻辑编码规则把这些原始的数据位转换成数据编码[4]。

常见的二维码扫描器按其固定方式分为多种，有柜台式、手持式、无线移动式等，融合了CCD 图像采集与二维码定位、解码、信息转换与数据传输等多种技术。以美国 Zebra 公司出品的Zebra DS3600 型扫描器为例，其可以快速可靠地对几乎所有直接物件标识进行采集。此外，有线式 DS3608-DP 或无线式 DS3678-DP 能够采集印在标签上的二维码，读取刻印在金属制品上的二维码，足以达到本文用于装配线的质量追溯系统的扫描需求。

3 角接触球轴承及其装配线介绍

角接触球轴承旋转速度高、旋转精度高，能够承受合成载荷，即分别承受来自径向和轴向两个方向同时作用的载荷，是机床主轴的核心配件[5]。国家标准将轴承精度由高到低分为 P2，P4，P5，P6，P0 多个等级。主轴轴承的精度是整台机床设备和机械装备的核心，只有 P4 级别以上的轴承才能满足机床主轴精度的要求，主轴的精度直接影响了机床加工零件的精度。除了精度之外，角接触球轴承对轴承游隙的要求也很高，其主要以配对的方式使用，所以必须根据实际工作特性对轴承进行严格配对。因此，角接触球轴承几乎是常见轴承里面技术要求最高的。为确保其极高的转速和长寿命，在轴承生产加工装配的各个环节，都必须严格把控。

常见精密机床主轴用角接触球轴承装配工序包括：零件清洗、内圈壁厚差检测、内/外沟径检测分档、电加热、合套、滴油测接触角、测振、测扭矩、灵活性、清洗、成品轴承内外径检测、凸出量检测、注脂、压盖、匀脂、打角线、淋油、雾化、真空包装、合格证打印、装盒等，工序繁多且自动化程度低。角接触球轴承的装配流程见图 2。

图2 角接触球轴承装配流程图

角接触球轴承装配工序复杂，加工设备自动化程度各不相同，属于典型的离散型制造，比车削、磨削等其它工序更难把控，各工序之间极易形成数据孤岛，仅靠纸质流转单据传递信息，生产数据难以汇总，质量问题不易追溯，存在很大的管理弊端。

4 二维码追溯系统的建立

为了严格把控角接触球轴承的装配质量和装配效率，基于角接触球轴承装配车间的实际生产和管理需求，本文提出了一种全新的生产管理模式，即基于二维码扫描技术的生产追溯系统。二维码追溯系统融合了二维码打印/扫描技术、OPC 数据接口技术、数据库管理技术等多种计算机技术，解决了数据录入、数据采集、数据存储等诸多问题，实现了装配线生产/设备/质量数据的实时采集与追溯。其核心思想是在轴承端面激光打印二维码，通过扫码追溯的方式对轴承零件及成品进行逐工序追踪，实时采集各个工序的装配参数及检测、装配、合套结果，建立起角接触球轴承装配生产数据库，实现产线信息化管理。二维码追溯系统的建立方式如下：

（1）在装配开始时在轴承端面激光打印二维码，每个二维码包含唯一的 ID；

（2）为所有工序配置二维码扫码器，对轴承零件及成品进行实时跟踪；

（3）为装配线各道工序加工设备配置设备数据采集卡，实时采集设备数据与加工结果；

（4）人工作业工序配备工作站，将加工结果实时输入系统，对工序信息进行数据化；

（5）以车间为整体配置数据服务器，将各工序设备、加工数据进行汇总、存储，将手工、半自动化、全自动化各种设备混用的离散型装配车间进行数据化、信息化转化融合，实现真正的产线信息化管理。

在二维码追溯系统的管理下，角接触球轴承进入装配线清洗后，利用激光打标机在轴承套圈基准端面打印二维码，为每个轴承内圈分配唯一的 ID，系统以此为依据，将轴承零件的批次号、炉号录入后台数据库，与轴承 ID 一一对应，在后续的每一道工序，配备扫码枪，通过扫描轴承套圈上的二维码，将实时采集的设备参数、加工参数、操作者与检测结果录入数据库，并与二维码进行绑定。成品轴承装配完毕，通过绑定的二维码统计角接触球轴承材料、工序、检验各方面的信息，提取轴承 ID 及重要轴承参数，与轴承零件上的二维码进行绑定，形成新的二维码，打印在轴承内外包装上。客户只需扫描轴承外包装上的二维码，即可获知轴承各方面的信息，甚至可以追踪到每一道工序、每一台设备、每一个操作工。同时，角接触球轴承装配生产数据库对采集到的数据进行存储、统计，提供车间需要的各种电子表格，保证产品生产各个环节的可追溯性。

5 前景与展望

基于角接触球轴承装配车间的实际生产和管理需求，本文提出了一种全新的生产管理模式，即基于二维码扫描技术的生产追溯系统。系统融合了二维码打印/扫描技术、OPC 数据接口技术、数据库管理技术等多种计算机技术，形成适用于角接触球轴承离散型装配车间使用的质量追溯系统，安全高效地解决了角接触球轴承各工序参差不齐、分散、难以管理追溯的行业弊端，是实现角接触球轴承生产数据化、信息化的有效手段。本系统的应用将极大地提高轴承类离散型生产车间的工业化、信息化水平，继而推动此类传统制造业的转型升级，加快我国快速进入工业现代化的步伐。