條碼直接標印技術標準化及其應用

宮 磊 張俊忠 唐 亮

（1.中航工業綜合技術研究所，北京 100028；2.中航工業第一飛機設計研究院，陜西 西安 710089）

直接標印是指在產品或零部件表面直接進行標刻，以滿足對其全壽命周期標識的要求。NASA（美國航空航天局）是最早在零部件上直接標印二維條碼符號的機構之一。在20世紀80年代中期便采用條碼技術改善其業務模式，基于行業應用開發和測試了機器可讀的二維符號，以適用于非紙基板的標識。經過5年的努力，最終提供詳細證據證明二維條碼符號安全可靠，能夠用于大多數航空材料的標識方面，且不影響部件的性能。NASA分別發布條碼直接標印技術及其應用的標準NASA–STD–6002B《在航空航天零部件上應用Data Matrix符號》和技術手冊NASA–HDBK–6003A《使用直接零件標印方法/技術在航空航天零部件上應用Data Matrix符號》，被很多有質量追溯要求的行業借鑒參考。

1 條碼直接標印標準化

隨著自動識別技術的推廣，DPM（產品數據管理）技術正在全球許多企業包括汽車、電子、航空航天等領域獲得應用，如AIAG美國汽車工業行動委員會B–4《零件標識和跟蹤應用標準》就采用Data Matrix與直接標識技術作為零件自動識別的手段，ATA國際航空運輸協會的ATA Spec 2000 Chap9《自動識別與數據采集》采用了Data Matrix與直接標識技術作為飛機零件自動識別的手段，該項技術在Boeing、Airbus、Rolls–Royce、GE、MTU等企業也得到應用，ISO等國際標準組織也在積極制定條碼直接標印相關標準。

1.1 條碼直接標印制作標準

1.1.1 NASA–STD–6002B

NASA–STD–6002B《在航空航天零部件上應用Data Matrix符號》標準和NASA–HDBK–6003A技術手冊，為NASA及其供應商在零部件上制作Data Matrix符號提供指導。該標準系統闡述了標印方法選擇的影響因素、標記方法與環境耐久性要求（見表1）、標記質量改進措施、標記質量評測標準等。標準以大量的實驗數據為基礎，初步形成Data Matrix符號直接零件標印的參數庫，為指導其供應商及其下屬單位開展零件直接標印奠定基礎。

1.1.2 NASA–HDBK–6003A

為了改善現有標印方法，使其用于二維條碼符號標識，并配合NASA–STD–6002B《使用直接零件標印方法/技術在航空航天零部件上應用Data Matrix符號》標準的實施，NASA–HDBK–6003A技術手冊詳細列舉了直接標印方法及其分類，吸納新的標記工藝（如打點代替振動蝕刻和壓花技術、激光標記取代電弧蝕刻和熱壓等），并對所有的標印方法的原理、適用性和局限性進行描述，鼓勵相關組織和個人在合同中引用此標準。

1.1.3 AIAG B–17

汽車工業行動小組（AIAG）成立自動數據采集直接零件標印工作組，吸納現有汽車工業標準、非汽車工業標準、直接零件標印供應商、識別技術供應商、標簽公司和多方面工業專家，經多方和議達成一致并形成AIAG B–17《二維條碼符號直接零件標印指南》，為幫助在汽車供應鏈上的最終用戶使用最常見的標刻方法。AIAG B–17作為AIAG B–4標準的補充，提供使用激光、打點、噴墨方法標印和識讀二維QR碼或Data Matrix碼時的信息，這3種方法作為汽車工業協會組織最為常用的3種標印方法，指南中對每種方法進行描述并給出標印方法與常用材料的適用性（見表2），對其標刻二維碼的幾何構形、識讀質量進行分析，供應商可根據其產品的材料、現有設備等選用標刻方法。

表1 服務、維修和大修環境零件直接標印的耐久性

表2 AIAG B–17中的標印方法與材料的適用性

1.1.4 ISO TR 24720

ISO TR 24720《信息技術—自動識別與數據采集技術—直接零件標記指南》技術報告綜合了NASA–STD–6002B、NASA–HDBK–6003A、AIAG B–17等標準的很多技術內容，包括零部件及產品表面制作永久性機讀符號的標印方法過程、標印表面準備、標印位置、防護涂層等和符號質量相關的因素，并在附錄中詳細描述了侵入式和非侵入式標印方法的工藝過程和控制方法。

1.2 條碼直接標印質量標準

1.2.1 SAE AS 9132

SAE AS 9132《用于零件標記Data Matrix符號的質量要求》標準規定了航空行業內使用Data Matrix符號標記金屬零件的有關質量和技術要求，包含典型標印方法（打點標記、激光標記、電化學蝕刻標記）的過程描述、標記參數、質量要求等內容。主要根據標印方法的原理，在標印工藝過程和對最終結果質量控制的角度上做出規定。

1.2.2 ISO/IEC CD 29158

ISO/IEC 15415《信息技術—自動識別和數據采集技術—二維條碼符號印制質量的檢測》標準定義了印制二維條碼符號的檢測方法，ISO/IEC CD 29158《信息技術—自動識別與數據采集技術—直接零件標印質量指南》則主要描述適用于直接零件標印二維條碼符號質量檢測、且與ISO/IEC 15415的不同之處，包括多種光源、增加的質量參數、修改的檢測過程和分級參數等。從獲取圖像到等級判定，主要在以下方面不同：

在圖像對比度的測量方法不同；

二進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處理；

調制參數的確定過程不同；

單元對比度的確定過程不同；

固有圖形污損的計算過程不同；

引入判定參數——最小反射率。

1.3 條碼直接標印應用標準

1.3.1 MIL–STD–130M

MIL–STD–130M《軍用資產標識》是美國國防部物資唯一標識的重要支撐標準，規范了標記內容、符號大小、位置，以及人讀信息和機讀信息的選擇等，所有供貨商必須聲明其產品標識標記需符合此標準。MIL–STD–130M為產品設計制定產品標識標記的要求提供準繩，適用于國防部軍用資產的生產、存儲、倉儲和調配[1]。

1.3.2 ATA Sepc 2000 Chap9

在計算機管理系統數據存儲與進入時，利用自動識別技術代替人手動數據錄入可以方便、快捷實現航空工業數據采集和交互。ATA Sepc 2000 Chap9定義了新的或在用的零部件標準數據及格式，應用于航空工業物料管理過程中自動識別技術；9–5節定義了作為產品永久性附屬的RFID標簽及數據存儲結構；9–6節定義了為達到追溯目的所需要采集的最小的數據量，成為企業內部系統集成、供應商與航空公司、航空公司與維修商以及航空公司之間進行數據交換的基礎。

1.3.3 CEA–802

美國消費電子協會標準CEA–802《產品標記》標準定義了標識產品的最少要求，提供產品標刻機讀碼指南，包括標簽和產品直接標記，并引入了標簽粘結特征和標記持久性測試過程。支持生產過程、庫存、配送、維修等過程的系統自動控制。此標準定義了工業與工業伙伴交付產品時、最終產品交付時和電信工業的條碼數據格式。

2 在航空零部件上應用條碼直接標印

航空零部件種類繁多、性能指標要求嚴格、工作環境復雜多樣，應用零件直接標印在航空零部件上制作條碼需要綜合考慮現有制作工藝、對零部件性能的影響、條碼讀取模式和質量要求等因素，從設計和工藝上選定適合的標印方法和過程參數，并在使用過程中不斷跟蹤和改善標印質量。

2.1 直接零件標印方法的適用性

不同的標印方法其作用原理不同，特點和適用零件狀況不同。2.1.1 打點

在被標識物表面做一定破壞，標識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

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

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識物的相對移動，且是可擦拭的；如果作為永久性標識，最好在墨滴表面做一層防護，并考慮在全壽命中的環境耐用性（如酸洗、鹽霧等）。

2.1.4 電化學

電化學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 標印位置的選擇

考慮到條碼的識讀原理和破壞性標印方法對零部件性能的影響，標印位置的選擇應遵循以下原則：

標印位置不宜過深，應在一個易于標刻和便于識讀的表面；

盡量避免在應力集中區域、受力過大或應變較大的區域做表面標印；

盡量選擇在平面上制作條碼，不宜在弧度過大（柱面或球面）的表面制作標印；

在裝配面、封接面、靠近熱源等部位制作標印，應考慮標印位置對使用性能和條碼易讀性的影響；

盡量避免在高精度、高拋光表面制作標印；

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

考慮到拐角結構對識讀光源的影響，以便掃描儀的識讀。

2.3 條碼符號大小及其相關因素

條碼符號大小與條碼單元格尺寸和所承載的數據量有關；條碼單元格尺寸越大，條碼符號越大，條碼所承載的數據量越大，條碼符號越大。條碼單元格尺寸、數據容量和條碼面積對應的關系見表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、數據容量和條碼符號大小的關系

圖1 表面粗糙度樣板上制作的DataMatrix條碼[3]

2.4 標印工藝及其改善

2.4.1 工藝改善原因與條件

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

● 表面處理導致過度粗糙或光滑；

● 表面不能提供解碼所需的足夠色差；

● 關鍵安全零件不能使用侵入式標記方法；

● 用戶打標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。當在有防護涂層的表面采用侵入式標印時，需要重新制作涂層，防止標印區域及其周圍的腐蝕。

清洗。便于直接標刻。

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

使之粗糙。織紋表面通常用來使表面粗糙以減小表面的反光。反光對識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 結束語

本文總結現有條碼直接標印技術及其標準化的現狀，分析現有條碼直接標印相關的制作標準、質量要求和應用標準等，結合航空零部件的特點總結歸納了航空工業應用條碼直接標印幾個重要因素，供相關設計工藝人員參考。條碼直接標印是一項涉及自動識別、機械加工、表面處理等專業的系統工程，需相關學科的人員協作，在實踐中逐步積累經驗參數和質量數據，從而支持全壽命周期自動數據采集和質量溯源。

[1]宮磊，王丙義等.美國國防部物資唯一標識項目 （IUID）的規劃和實施[J].航空標準化與質量， 2011（2）.

[2]HB 9132–2007 用于零件標記的 DATA MATRIX 碼的質量要求[S].

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