（上海航天精密機械研究所，上海 201600）

0 引言

直接標(biāo)識技術(shù)（Direct Part Marking，DPM）指直接在物體表面標(biāo)刻機器可識別的代碼的一種標(biāo)識工藝技術(shù)[1]，常用的直接標(biāo)識方法有激光標(biāo)刻、機械點撞擊、化學(xué)標(biāo)刻及噴碼標(biāo)識等。其中，激光標(biāo)刻方式由于其操作方便、標(biāo)刻尺寸及定位控制精度高、標(biāo)識碼識讀質(zhì)量好等特點在金屬零件上得到廣泛應(yīng)用。目前，直接標(biāo)識技術(shù)在制造業(yè)中已廣泛應(yīng)用，美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）制定了一套航空航天零件上直接標(biāo)刻數(shù)據(jù)矩陣（Data Matrix，DM）碼的行業(yè)規(guī)范[2]；海爾通過對每個備件全球唯一標(biāo)識和每道工序唯一標(biāo)識，形成了整機全球唯一標(biāo)識體系，實現(xiàn)精細(xì)化生產(chǎn)管理；我國航空工業(yè)制定了用于零件標(biāo)記的數(shù)字矩陣碼的質(zhì)量要求（HB 9132-2007），標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了航空工業(yè)內(nèi)使用DM碼進(jìn)行打點標(biāo)記、激光標(biāo)記、電化學(xué)蝕刻標(biāo)記金屬零件的有關(guān)規(guī)定，以及確保機器正確識讀DM碼的相關(guān)要求；另外，激光直接標(biāo)識技術(shù)在刀具管理中普遍應(yīng)用，解決了原先刀具追蹤中外貼條碼的種種弊端。

當(dāng)前，我國軍工企業(yè)在產(chǎn)品研制生產(chǎn)中普遍存在標(biāo)識覆蓋率低、數(shù)據(jù)包構(gòu)建困難、質(zhì)量追溯低效等問題，產(chǎn)品標(biāo)識以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)管理技術(shù)在型號產(chǎn)品研制中尚未全面應(yīng)用，這一嚴(yán)重制約了航天產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)信息資源的進(jìn)一步開發(fā)與利用。為此，通過激光直接標(biāo)識技術(shù)和基于標(biāo)識的數(shù)據(jù)管理技術(shù)的研究與應(yīng)用，探索實現(xiàn)航天產(chǎn)品精細(xì)化管理和質(zhì)量問題快速追溯的有效解決方案。

1 直接標(biāo)識在產(chǎn)品研制中的應(yīng)用流程

直接標(biāo)識在產(chǎn)品研制中的應(yīng)用流程如圖1所示，首先根據(jù)零件是否關(guān)重件、零件尺寸數(shù)量等特征，將零件分為批次和單件管理兩類，并針對不同類型零件建立相應(yīng)的編碼體系；其次根據(jù)編碼體系對零件進(jìn)行產(chǎn)品標(biāo)識，賦予每個零件一個編碼；然后依托產(chǎn)品標(biāo)識進(jìn)行生產(chǎn)組織管理，包括利用標(biāo)識關(guān)鍵技術(shù)保證零件標(biāo)識在生產(chǎn)過程中有效、延續(xù)，以及應(yīng)用產(chǎn)品標(biāo)識進(jìn)行生產(chǎn)過程各類制造數(shù)據(jù)全面采集；最后利用零件標(biāo)識建立的強大信息鏈，對生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)進(jìn)行組織管理形成航天產(chǎn)品數(shù)據(jù)包，以對質(zhì)量問題進(jìn)行追溯和質(zhì)量持續(xù)改進(jìn)。

圖1 直接標(biāo)識技術(shù)應(yīng)用流程

2 產(chǎn)品激光直接標(biāo)識關(guān)鍵技術(shù)

2.1 零部件唯一編碼技術(shù)

編碼是產(chǎn)品信息的承載體，承載了產(chǎn)品圖號、批次、質(zhì)量特性、生產(chǎn)過程記錄、原材料等產(chǎn)品信息，各產(chǎn)品編碼之間通過承載相同的產(chǎn)品信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，組成產(chǎn)品層次結(jié)構(gòu)。零部件唯一編碼技術(shù)的核心是明確每個零件標(biāo)刻什么、標(biāo)識碼的生成與管理，以及零件與部件編碼如何區(qū)分。為了保證零部件編碼的唯一性，將零件編碼分成如干段，中間用分隔符“||”分開；為了方便區(qū)分零件和部件編碼，部件實物不作標(biāo)識，在多個零件裝配組成部件時以其中一個零件產(chǎn)品編碼默認(rèn)為部件標(biāo)識，利用技術(shù)狀態(tài)控制進(jìn)行零件和部件的區(qū)分。

針對航天產(chǎn)品種類多樣、數(shù)量龐大的特點，為了減少零件標(biāo)識帶來的工作量，首先對打標(biāo)零件進(jìn)行分類，主要區(qū)分各零件是按批次管理還是按單件管理，單件管理零件主要包括關(guān)重件、容易發(fā)生質(zhì)量問題零件。結(jié)合目前型號產(chǎn)品生產(chǎn)管理現(xiàn)狀，建立的編碼體系如圖2所示，編碼由產(chǎn)品編碼和產(chǎn)品屬性組成，第一段是產(chǎn)品編號，即產(chǎn)品標(biāo)識碼，供軟件讀取，按單件標(biāo)識的產(chǎn)品編號取序列碼，不按單件管理的產(chǎn)品編號取路卡號，序列碼和工藝過程卡均由MES自動生成，無含義，序列碼格式為“SN+流水碼”，路卡號格式為“LK+日期+流水碼”。后面各段是有含義的信息，供沒有系統(tǒng)時人工讀取，格式為“屬性名稱：屬性值”，屬性包括編碼、工作令號、序號，序號為人工輸入的產(chǎn)品序號或系統(tǒng)根據(jù)規(guī)則自動生成。

圖2 某航天產(chǎn)品編碼體系方案

2.2 激光標(biāo)識工藝優(yōu)化技術(shù)

激光標(biāo)識工藝優(yōu)化是在前期初步設(shè)計的激光標(biāo)刻工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合型號產(chǎn)品實際工況開展模擬環(huán)境工藝試驗，綜合考慮標(biāo)刻質(zhì)量、打標(biāo)效率、標(biāo)刻面積等方面的因素，并對激光標(biāo)識碼進(jìn)行表面質(zhì)量影響和零件力學(xué)性能的影響分析，確定較優(yōu)的激光標(biāo)刻工藝參數(shù)。

針對航天典型零件分析，梳理出其工況包括熱表處理、鹽霧、霉菌，以及表面鍍鋅和陽極化等，需要對實際工況進(jìn)行模擬工藝試驗?？傮w方案如下：第一步，打標(biāo)工藝試驗。針對初步確定的標(biāo)識工藝參數(shù)，綜合考慮零件特征及尺寸，選擇幾種打標(biāo)工藝參數(shù)進(jìn)行激光標(biāo)刻，驗證激光標(biāo)刻二維碼在不同工藝參數(shù)下的可識讀性，對零件標(biāo)識工藝參數(shù)進(jìn)行初步判定；第二步，零件熱表處理試驗。根據(jù)零件實際熱表處理過程，對標(biāo)識零件進(jìn)行對應(yīng)環(huán)境下的熱表處理，并結(jié)合打標(biāo)工藝試驗初步確定了工藝參數(shù)對零件標(biāo)識工藝參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步確定；第三步，鹽霧試驗。針對能夠滿足零件熱表處理試驗的零件進(jìn)一步進(jìn)行模擬真實應(yīng)用環(huán)境，有針對性的選擇部分零件進(jìn)行鹽霧試驗，最終確定合適的零件標(biāo)識工藝參數(shù)；第四步，霉菌試驗；第五步，針對經(jīng)過試驗優(yōu)選的幾組激光標(biāo)刻工藝參數(shù)，進(jìn)行標(biāo)刻面質(zhì)量和力學(xué)性能分析，選出較優(yōu)激光標(biāo)刻工藝參數(shù)。通過激光標(biāo)識工藝優(yōu)化技術(shù)研究，針對特定零件得到典型材料激光標(biāo)刻工藝參數(shù)如表1所示。

2.3 標(biāo)識轉(zhuǎn)移與防護(hù)技術(shù)

在生產(chǎn)過程中，往往存在一料制多件的情況，機加工序或熱表處理可能將零件表面已有的標(biāo)識切除或使其失效；另外，在加工、使用、運輸以及存儲的過程中，標(biāo)刻在材料表面的DM碼往往要遭受各種干擾或惡劣的環(huán)境，如磨損、銳器劃痕、腐蝕、油污污染等，這會大大降低DM碼的可讀性和耐久性從而導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量追蹤失效。因此，需對零部件表面的標(biāo)識碼進(jìn)行標(biāo)識轉(zhuǎn)移和防護(hù)，標(biāo)識轉(zhuǎn)移與防護(hù)技術(shù)解決途徑如圖3所示。

表1 典型材料激光標(biāo)刻工藝參數(shù)

圖3 標(biāo)識轉(zhuǎn)移與防護(hù)技術(shù)解決途徑

1）零部件標(biāo)識防護(hù)

零部件標(biāo)識防護(hù)首先確定引起標(biāo)識碼失效的原因；然后，針對常用的典型材料，一方面研究保護(hù)性涂層技術(shù)，另一方面研究有增強抗腐性、抗磨損作用的化學(xué)微粒成分及配比方案。在零件的使用過程中，進(jìn)行保護(hù)涂層的防護(hù)，如清漆涂層、電鍍等工藝增強標(biāo)識常規(guī)的防腐蝕、抗劃傷能力。

針對航天典型零部件采用的標(biāo)識防護(hù)方法主要包括兩種：標(biāo)刻面防護(hù)，零件初次激光標(biāo)刻后在零件標(biāo)刻面上涂上一層防銹油，零件加工、使用、存儲過程中采用防油污、塵垢與銹蝕的封存包裝技術(shù)將零件及其標(biāo)識碼保護(hù)起來；標(biāo)識保護(hù)層防護(hù)，針對容易磨損、被頻繁處理或環(huán)境容易損壞的激光標(biāo)刻DM碼，在碼區(qū)表面涂覆一層覆蓋標(biāo)識碼且涂覆面積至少是碼區(qū)1.2倍的清漆。

2）生產(chǎn)過程標(biāo)識轉(zhuǎn)移

對于在機加或熱表處理過程后零件表面已有的標(biāo)識碼將失效甚至被切除的情況，必須事先進(jìn)行標(biāo)識轉(zhuǎn)移。標(biāo)識別轉(zhuǎn)移的方法主要包括非加工面轉(zhuǎn)移、標(biāo)牌轉(zhuǎn)移或包裝袋轉(zhuǎn)移。非加工面轉(zhuǎn)移是指某加工工序之前在該工序的非加工面標(biāo)刻一個與已有標(biāo)識碼字完全相同的碼，保障該工序完成后零件表面仍有一個有效、合法的標(biāo)識；標(biāo)牌轉(zhuǎn)移或包裝袋轉(zhuǎn)移是指某加工工序之前在將該零件標(biāo)識碼轉(zhuǎn)移到某特定標(biāo)牌或包裝袋表面，該方法主要針對該加工工序?qū)α慵乃型獗砻娑歼M(jìn)行加工的情況以及熱表處理的情況。

針對航天典型零件的特點，選用的常用標(biāo)識轉(zhuǎn)移方法如圖4所示。為了DPM應(yīng)用的順利實施，標(biāo)識轉(zhuǎn)移按照以下基本原則：標(biāo)識轉(zhuǎn)移總次數(shù)最少；標(biāo)識轉(zhuǎn)移盡量采用本體轉(zhuǎn)移法；標(biāo)識面盡量為尺寸較大的平面；標(biāo)識轉(zhuǎn)移應(yīng)避開盡量避開加工裝夾面或裝夾處進(jìn)行標(biāo)識。

2.4 失效標(biāo)識恢復(fù)補救技術(shù)

圖4 航天典型零件標(biāo)識轉(zhuǎn)移方法

在零件生產(chǎn)流轉(zhuǎn)過程中，受生產(chǎn)環(huán)境影響，在長時間的流轉(zhuǎn)過程中，產(chǎn)品的標(biāo)識碼由于防護(hù)不當(dāng)會造成標(biāo)識失效。為了對失效的產(chǎn)品能夠繼續(xù)進(jìn)行有效的追蹤，首先利用物理化學(xué)等方法進(jìn)行恢復(fù)，對于無法在物理上進(jìn)行恢復(fù)的失效標(biāo)識碼，利用產(chǎn)品二維碼的殘余信息、形狀信息、紋理信息等進(jìn)行恢復(fù)補救[3,4]，技術(shù)的實現(xiàn)技術(shù)途徑如5所示。

針對數(shù)據(jù)生產(chǎn)過程引起的可逆失效，采用除油污、除銹蝕、除塵垢等物理方法，使已經(jīng)失效或?qū)⒁У亩S碼恢復(fù)為可識讀的對象；針對標(biāo)識碼本身物理信息由磨損、腐蝕等引起的不可逆失效，基于多源信息融合通過多傳感器采集標(biāo)識碼的殘余二維碼信息、檢驗信息、歷史加工信息與當(dāng)前加工狀態(tài)信息，對零件的形狀特征如長、寬、面積比、紋理特征以及殘余標(biāo)識碼信息進(jìn)行多信息融合，將融合信息與數(shù)據(jù)庫模板進(jìn)行比對，從數(shù)據(jù)庫中得到識別的最佳匹配結(jié)果，給出可信度最大的待識別零件的標(biāo)識碼信息。通過多源信息融合處理對于質(zhì)量較好的零件產(chǎn)品，失效標(biāo)識的正確率達(dá)到95%以上。

圖5 失效標(biāo)識碼恢復(fù)補救技術(shù)途徑

3 基于標(biāo)識的制造過程全周期管理

3.1 基于標(biāo)識的航天產(chǎn)品數(shù)據(jù)包構(gòu)建

航天型號產(chǎn)品數(shù)據(jù)包是航天型號產(chǎn)品在設(shè)計、制造、檢驗、交付等研制生產(chǎn)環(huán)節(jié)中形成的有關(guān)質(zhì)量與可靠性的各類文件、記錄等信息的集合[5]。航天產(chǎn)品數(shù)據(jù)包是所構(gòu)建的一棵針對某一型號的、以枚/發(fā)為單位的信息樹，通過研究航天產(chǎn)品數(shù)據(jù)包管理技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)包自動生成，支撐質(zhì)量問題快速追溯。

在生產(chǎn)過程中，基于零件標(biāo)識對各工序的工藝信息進(jìn)行采集，通過產(chǎn)品激光標(biāo)識建立的強大信息鏈，從PDM、ERP、MES和質(zhì)量管理系統(tǒng)中自動地抓取與此產(chǎn)品相關(guān)的各類數(shù)據(jù)，并按PBOM結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織與管理，形成產(chǎn)品數(shù)據(jù)包。產(chǎn)品數(shù)據(jù)包在邏輯上利用數(shù)據(jù)關(guān)系的整合與關(guān)聯(lián)，形成邏輯上的單一數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)包所需的具體數(shù)據(jù)來自多個異構(gòu)系統(tǒng)，設(shè)計信息和工藝信息來自于數(shù)字化設(shè)計管理平臺（PDM、CAPP），制造信息、檢驗信息來自于數(shù)字化制造管理平臺（ERP、MES）。數(shù)據(jù)包信息樹的生成是在PBOM的基礎(chǔ)上，以每枚/發(fā)導(dǎo)彈的編號（標(biāo)識）為出發(fā)點線索，向下遞歸到部件配套表，由部件配套表再遞歸到子部件配套表，直至到組成子部件的所有零件。數(shù)據(jù)包自動提取方案如圖6所示。

圖6 產(chǎn)品數(shù)據(jù)包生成方案

3.2 基于數(shù)據(jù)包的質(zhì)量快速追溯

在產(chǎn)品數(shù)據(jù)包生成過程中，可以將虛擬BOM（PBOM）和實物BOM進(jìn)行信息自動比對，實現(xiàn)數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)的一致性校驗（系統(tǒng)界面如圖7所示），避免裝配過程錯裝、漏裝等問題；同時，按照軍工產(chǎn)品型號研制要求，為每個產(chǎn)品生成一個產(chǎn)品數(shù)據(jù)包，通過在異構(gòu)系統(tǒng)中提取工藝、生產(chǎn)過程、測試、質(zhì)量檢驗等數(shù)據(jù)，并以PBOM為基礎(chǔ)形成數(shù)據(jù)包的導(dǎo)航主結(jié)構(gòu)，在數(shù)據(jù)之間增加一定的鏈接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的導(dǎo)航瀏覽（系統(tǒng)界面如圖8所示）。通過所生成的航天產(chǎn)品數(shù)據(jù)包可實現(xiàn)數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)的比對與搜索，結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)文檔化，數(shù)據(jù)包導(dǎo)航結(jié)構(gòu)生成等功能。

圖7 數(shù)據(jù)比對與一致性校驗頁面

圖8 數(shù)據(jù)包生成界面

同時，基于產(chǎn)品數(shù)據(jù)包和零件激光標(biāo)識，利用遞歸算法，可快速查詢與零部件相對應(yīng)的原材料信息、入庫檢查記錄（如入庫時間、供應(yīng)商信息等），以及研制過程中的各類生產(chǎn)制造與檢驗信息，包括產(chǎn)品設(shè)計階段產(chǎn)生的設(shè)計數(shù)據(jù)信息、工藝設(shè)計階段產(chǎn)生的工藝信息、零件制造階段和裝配階段的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)和質(zhì)量檢驗階段的檢驗記錄信息等。通過為每個產(chǎn)品形成一個數(shù)據(jù)包，實現(xiàn)根據(jù)產(chǎn)品標(biāo)識進(jìn)行信息追溯查詢，質(zhì)量問題追溯時間縮短98%以上。

4 結(jié)束語

通過激光直接標(biāo)識工藝、標(biāo)識轉(zhuǎn)移與防護(hù)、失效標(biāo)識恢復(fù)補救等關(guān)鍵技術(shù)，為激光直接標(biāo)識技術(shù)在航天產(chǎn)品研制中的應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)；通過標(biāo)識技術(shù)和數(shù)據(jù)管理技術(shù)應(yīng)用，將零部件制造全過程信息通過唯一標(biāo)識構(gòu)成完整的數(shù)據(jù)鏈，并利用集成產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進(jìn)行了有效管理。借助產(chǎn)品唯一標(biāo)識建立的信息鏈，可滿足多型號、變批次航天產(chǎn)品全生命周期管理需求，為實現(xiàn)產(chǎn)品研制精細(xì)化質(zhì)量管理和質(zhì)量信息快速追溯的有效手段。