劉榮，李國(guó)民

（杭州電子科技大學(xué)，浙江杭州310018）

二維碼激光標(biāo)刻技術(shù)在鋼管標(biāo)識(shí)溯源中的應(yīng)用研究

劉榮，李國(guó)民

（杭州電子科技大學(xué)，浙江杭州310018）

針對(duì)當(dāng)前鋼管標(biāo)識(shí)與信息溯源追蹤方面存在的不足，二維碼直接標(biāo)識(shí)方法被用于鋼管在庫存管理和生產(chǎn)過程追蹤管理。該方法具有工序簡(jiǎn)單，成本低，溯源精確，識(shí)別快速等優(yōu)點(diǎn)。分析了二維碼標(biāo)刻深度、鋼管直徑、二維碼尺寸與鋼管表面粗糙度等因素對(duì)二維碼識(shí)別率的影響，并通過試驗(yàn)，研究了在二維碼標(biāo)識(shí)面受污損、劃傷、銹蝕等表面污損情況下，對(duì)于二維碼識(shí)別率和效率的影響。該研究為鋼管的全生命周期管理以及逐只跟蹤提供了新的方法和技術(shù)，有利于鋼管的庫存效率，實(shí)現(xiàn)鋼管生產(chǎn)過程中信息的采集與追蹤。

激光標(biāo)刻；鋼管標(biāo)識(shí)；Data Matrix二維碼

無縫鋼管具有抗彎扭強(qiáng)度大，斷面系數(shù)大、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于石油、汽車、船舶、軍工、電站等行業(yè)，如用作為結(jié)構(gòu)件的原材料，油氣輸送管道等，對(duì)鋼管的安全性與可靠性有著嚴(yán)格的要求。因此在更高層次上就需要對(duì)無縫鋼管進(jìn)行全過程的質(zhì)量管理，提高鋼管的質(zhì)量保障。鋼管信息的標(biāo)識(shí)與追溯是實(shí)現(xiàn)全過程質(zhì)量管理的基本條件，目前國(guó)內(nèi)各大無縫鋼管企業(yè)對(duì)鋼管的信息標(biāo)識(shí)還局限在用人工手寫鋼管信息代碼，用激光在鋼管上標(biāo)刻數(shù)字符號(hào)或一維條碼等。這些標(biāo)識(shí)方法受人為因素大，且易出錯(cuò)。為了實(shí)現(xiàn)鋼管的生產(chǎn)、物流、存儲(chǔ)、使用全過程質(zhì)量管理，提出了一種無縫鋼管的標(biāo)識(shí)方法[1]。

1　鋼管直接激光標(biāo)刻

直接標(biāo)識(shí)技術(shù)（Direct Part Marking，DPM）是在零部件表面上直接標(biāo)刻上可機(jī)器識(shí)別的標(biāo)記[2]。20世紀(jì)末，美國(guó)國(guó)家航空航天局、美國(guó)國(guó)防部與工業(yè)領(lǐng)域的波音、空客等共同研制直接標(biāo)識(shí)技術(shù)，經(jīng)過多年的努力，最終確定以撞擊、電化學(xué)腐蝕標(biāo)識(shí)、激光標(biāo)刻、噴墨標(biāo)識(shí)等作為零部件的主要標(biāo)識(shí)方式。在這幾種標(biāo)識(shí)方法中，激光標(biāo)刻在標(biāo)刻速度與標(biāo)刻質(zhì)量上具有很大優(yōu)勢(shì)，能較大程度上保證標(biāo)刻圖像的質(zhì)量[3]。

被廣泛采用的標(biāo)識(shí)代碼有一維條碼和二維條碼。一維條碼與二位碼相比無法表示漢字或者圖像信息，且數(shù)據(jù)容量小，識(shí)別時(shí)無法自動(dòng)糾錯(cuò)。二維碼則彌補(bǔ)了一維條碼的以上弊端，因此采用二維碼對(duì)鋼管進(jìn)行標(biāo)識(shí)。二維條碼又分為行排式二維條碼和矩陣式二維條碼兩大類。行排式二維條碼常見的有Code 49，Code 16K，PDF417等。矩陣式二維條碼常見的有Data Matrix，Code One，Maxicode，QR Code等。通過進(jìn)一步比較以上二維條碼（見表1），Data Matrix二維碼具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）信息儲(chǔ)存量大；（2）糾錯(cuò)能力強(qiáng)；（3）能360°全方位識(shí)別；（4）打印標(biāo)識(shí)容易；（5）成本相對(duì)低廉。綜上可知，Data Matrix矩陣式二維碼具有信息密度大、識(shí)別可靠性好、糾錯(cuò)能力強(qiáng)、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，較適合在鋼管的信息標(biāo)識(shí)追溯中應(yīng)用[4]。

表1　常見的二維碼比較

每一個(gè)Data Matrix二維碼是由尋邊區(qū)（finder pattern）和數(shù)據(jù)區(qū)（date area）組合構(gòu)成。尋邊區(qū)在識(shí)別過程中起定位作用，有兩條實(shí)線邊和兩條虛線邊組成，不存儲(chǔ)信息。數(shù)據(jù)區(qū)是由黑白方格通過里德-所羅門（Reed-Solomon）交織交叉算法排列的存儲(chǔ)信息的區(qū)域，具有良好的糾錯(cuò)性能[5]。如圖1所示。

圖1　Data Matrix二位碼的圖形結(jié)構(gòu)

鋼管的直接激光標(biāo)刻試驗(yàn)及二維碼的識(shí)別試驗(yàn)設(shè)備包括激光機(jī)、手持式條碼識(shí)別設(shè)備、旋轉(zhuǎn)升降裝置、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)等。

首先對(duì)無縫鋼管的信息進(jìn)行編碼，通過EZCAD2.8軟件將無縫鋼管的生產(chǎn)廠家、爐號(hào)、日期、加工工序、加工參數(shù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)等信息寫入，該軟件將生成具有該鋼管信息的Data Matrix二維碼，然后通過激光機(jī)在鋼管管端內(nèi)壁上形成具有一定深度且永久性的二維碼圖像。這些標(biāo)刻在鋼管管端內(nèi)壁上的二維碼圖像經(jīng)過二維碼識(shí)別設(shè)備進(jìn)行掃描和解碼。得到的數(shù)據(jù)輸送到計(jì)算機(jī)上保存。鋼管直接標(biāo)刻工作流程如圖2所示，激光標(biāo)刻裝置實(shí)物圖如圖3所示。

圖2　鋼管直接標(biāo)刻工作流程圖

圖3　激光標(biāo)刻裝置實(shí)物圖

2　二維碼解碼影響因素

二維碼的解碼速度是影響鋼管直接標(biāo)刻二維碼的方法能否在工程上應(yīng)用的關(guān)鍵指標(biāo)，由于鋼管內(nèi)表面具有不同的尺寸形狀，表面顏色和表面粗糙度，以及運(yùn)輸、存儲(chǔ)和使用過程中鋼管上的二維碼會(huì)有被劃傷，污損等情況發(fā)生。這些因素對(duì)于二維碼的解碼速度有著不同程度的影響，因此需要研究不同條件對(duì)二維碼解碼速度的影響[6]。

2.1鋼管管徑

由于平面的二維碼是標(biāo)刻在具有曲率的鋼管管端內(nèi)壁上的，那么在鋼管管端內(nèi)壁上標(biāo)刻的二維碼顯然會(huì)產(chǎn)生拉伸變形，不可避免地會(huì)對(duì)二維碼的識(shí)別準(zhǔn)確度與速度產(chǎn)生一定影響。同樣形狀與大小的二維碼標(biāo)刻在不同直徑鋼管管端內(nèi)壁時(shí)，將會(huì)受到不同程度的拉伸變形。

通過在直徑不同的鋼管管端內(nèi)壁上標(biāo)刻大小形狀相同的二維碼，研究解碼正確性與解碼速度。

由表2和圖4可以看出，鋼管直徑的大小是影響解碼時(shí)間的一大因素，鋼管直徑越大，內(nèi)表面曲率越小，二維碼被拉伸的程度越小，越容易識(shí)別。

表2　鋼管直徑對(duì)解碼時(shí)間的影響

圖4　鋼管直徑對(duì)解碼時(shí)間的影響

2.2二維碼尺寸

通過在相同管徑大小的鋼管管端內(nèi)壁上標(biāo)刻不同尺寸的二維碼，用掃描儀對(duì)二維碼進(jìn)行掃描，研究二維碼尺寸對(duì)解碼時(shí)間的影響。二維碼尺寸對(duì)解碼時(shí)間的影響如表3、圖5所示。

表3　二維碼尺寸對(duì)解碼時(shí)間的影響

圖5　二維碼尺寸對(duì)解碼時(shí)間的影響

（1）對(duì)于標(biāo)刻面為柱面的二維碼，二維碼的尺寸是影響識(shí)別速度的主要因素，尺寸越大越容易識(shí)別。

（2）當(dāng)二維碼尺寸小于4 mm×4 mm時(shí)，二維碼的解碼速度急劇下降，當(dāng)二維碼的尺寸大于10 mm ×10 mm時(shí)，二維碼的解碼速度提高并不明顯

（3）在大直徑鋼管中，二維碼的尺寸對(duì)解碼時(shí)間的影響并不明顯。

2.3二維碼標(biāo)刻深度

通過調(diào)節(jié)激光標(biāo)刻機(jī)的工作電流可以改變激光機(jī)標(biāo)刻的功率，使得標(biāo)刻在鋼管上的二維碼具有不同的深度。隨著電流增大，標(biāo)刻深度跟著增大的同時(shí)，還伴隨著激光標(biāo)刻機(jī)的能耗急劇上升，因此研究激光標(biāo)刻深度對(duì)解碼時(shí)間的影響，選擇合適的標(biāo)刻電流，對(duì)于激光機(jī)的節(jié)能有著重要的意義。二維碼的標(biāo)刻深度對(duì)解碼性能的影響如表4所示。

表4　二維碼的標(biāo)刻深度對(duì)解碼性能的影響

由圖6可知，當(dāng)激光機(jī)的標(biāo)刻電流在1~3A時(shí)，二維碼的標(biāo)刻深度較為淺顯，用手持式二維碼掃描設(shè)備進(jìn)行采像解碼時(shí)，由于圖像二維碼圖像的清晰度較差，從而產(chǎn)生解碼時(shí)間較高。當(dāng)激光機(jī)的標(biāo)刻電流在8~10 A時(shí)，隨著電流的增加，激光束能量增高，熔化的金屬使二維碼邊緣鈍化，改變了二維碼的空間幾何，導(dǎo)致了二維碼的解碼時(shí)間增高或者無法識(shí)別。激光機(jī)標(biāo)刻電流在3~7 A時(shí)解碼時(shí)間較短，此時(shí)的標(biāo)刻深度較為適宜。二維碼解碼的時(shí)間受激光機(jī)表刻深度影響較大，因此在標(biāo)刻過程中要合理的控制鋼管上二維碼的標(biāo)刻深度，讓二維碼更快更好的被識(shí)別出來。

圖6　二維碼的標(biāo)刻深度對(duì)解碼性能的影響

2.4二維碼污損

由于鋼管在運(yùn)輸、使用、倉儲(chǔ)等過程中，鋼管上的二維碼表面會(huì)受到機(jī)油、塵土的污損，從而二維碼不能完整地呈現(xiàn)出來，將會(huì)對(duì)二維碼的解碼產(chǎn)生很大的影響。通過在鋼管管端內(nèi)壁上標(biāo)刻的二維碼進(jìn)行黑色顏料筆涂抹覆蓋，模擬表面被機(jī)油、塵土污損試驗(yàn)，對(duì)二維碼受到污損后對(duì)解碼性能的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果見表5.

表5　二維碼無損對(duì)解碼性能的影響

由圖7可知，隨著二維碼污損面積的增加，二維碼圖像的不完整度越來越大，而解碼時(shí)間也在增加。雖然解碼時(shí)間增加，但是解碼正確性不變。Data Matrix二維碼在讀碼時(shí)具有強(qiáng)大的糾錯(cuò)能力，因?yàn)樵趯?duì)Data Matrix二維碼進(jìn)行編碼時(shí)加入了采用里德—所羅門（Reed-Solomon）算法的糾錯(cuò)碼[7]。當(dāng)二維碼受到部分少量污損時(shí)，掃描解碼時(shí)能夠通過糾錯(cuò)算法正確識(shí)別。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知當(dāng)污損面積達(dá)到20%~25%時(shí)勉強(qiáng)能識(shí)別，速度較慢，當(dāng)達(dá)到30%以上無法解碼。

圖7　二維碼無損對(duì)解碼性能的影響

2.5二維碼表面銹蝕

鋼管標(biāo)刻后，由于破壞了鋼管表面處理層，會(huì)產(chǎn)生銹蝕反應(yīng)，需要對(duì)二維碼部位進(jìn)行防銹處理，通過研究生銹表面的二維碼解碼性能，可以得出銹蝕對(duì)解碼的影響。將標(biāo)刻好二維碼的鋼管露天放置一個(gè)月后，再研究識(shí)別性能。二維碼表面銹蝕對(duì)于解碼性能的影響如表6所示。

表6　二維碼表面銹蝕對(duì)于解碼性能的影響

通過實(shí)驗(yàn)可以看出，銹蝕對(duì)解碼影響不大，直接激光標(biāo)刻方法在鋼管上形成了一定深度的二維碼，該二維碼與鋼管成為一個(gè)整體，耐磨損，耐劃傷，而且一般情況下不會(huì)發(fā)生破損，能夠有效地適應(yīng)工廠惡劣環(huán)境，識(shí)別可靠性高。

綜合以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，針對(duì)不同管徑的鋼管上標(biāo)刻二維碼，得出一個(gè)較為合理的標(biāo)刻工藝參數(shù)[8]，如表7所示。

表7　不同鋼管直徑的標(biāo)刻工藝參數(shù)

3　結(jié)束語

采用激光標(biāo)刻技術(shù)將二維碼應(yīng)用于鋼管信息管理，在無縫鋼管上直接標(biāo)刻二維碼，對(duì)鋼管進(jìn)行標(biāo)識(shí)及信息溯源，為鋼管的信息標(biāo)識(shí)提供了嶄新的技術(shù)手段，是一項(xiàng)應(yīng)用創(chuàng)新。本文以試驗(yàn)為基礎(chǔ)，研究了鋼管管徑、二維碼尺寸、標(biāo)刻深度、表面污損及銹蝕對(duì)二維碼識(shí)別的影響，確定出不同鋼管管徑標(biāo)刻工藝方法。試驗(yàn)及分析表明，直接標(biāo)刻技術(shù)使鋼管標(biāo)識(shí)與鋼管成為一個(gè)整體，能夠適應(yīng)工作現(xiàn)場(chǎng)惡劣的環(huán)境。本文的研究為無縫鋼管的逐只標(biāo)識(shí)及信息溯源提供了比較有價(jià)值的分析參考資料，對(duì)生產(chǎn)車間的建設(shè)具有較為重要的應(yīng)用價(jià)值。

[1]CN-GB.GB/T 19830-2011，石油天然氣工業(yè)-油氣井套管或油管用鋼管[S].

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Applied Research on Direct Two-Dimension Code Laser Marking Technology on Steel Pipes Marking and Tracking

LIU Rong，LI Guo-min
（Hangzhou Dianzi University，Hangzhou Zhejiang 310018，China）

In response to the deficiencies in steel pipe marking and information traceability at present，the direct two-dimension code laser marking technology is used for the inventory management and production process tracking management of steel pipes.The method has the advantages of simple process，low cost，accurate traceability，fast identification etc.This paper analyses the key factors including depth of two-dimension code，diameter of twodimension code，size of two-dimension，and coarseness of steel pipe surface on the identification rate.Furth more，through a lot of experiments，we have studied the effect of two dimension code stain，scratch and rust on code reading and identification.This research offers new method and techniques for the full lifecycle management and one-by-one tracking of steel pipes and puts forth an application innovation which helps improve the inventory efficiency of steel pipes and carry out the information acquisition and tracking during the production process of steel pipes.

laser marking；steel pipes marking；data matrix two dimension code

TP391.41

A

1672-545X（2016）10-0143-04

2016-07-04

劉榮（1972-），男，云南河口人，博士，副教授，研究方向?yàn)闄C(jī)械電子控制工程；李國(guó)民（1992-），男，安徽阜陽人，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械電子。