激光標刻在汽車零部件方案設計中的應用

楊文超

上汽通用汽車銷售有限公司 上海 202205

經過數十年的發展，汽車產品召回已經成為一種成熟的解決汽車產品缺陷的機制，為保護消費者利益和汽車行業的健康發展做出了巨大貢獻。汽車制造企業紛紛認識到關鍵件的可追溯性是產品質量保證的關鍵要素。隨著《缺陷汽車產品召回管理規定》的頒布以及新能源汽車的普及，汽車制造企業必須積極對待因為各類問題所導致的汽車召回，尤其是安全問題，并在解決問題時盡量降低成本[2]。

為便于進行產品質量追溯和市場追溯，一般汽車主機廠需在汽車零部件上刻印產品追溯碼。目前常見的汽車零部件標記方式有模具鑄造、電腐蝕標記、不干膠、機械打刻、氣動標記和激光標刻。若采用傳統的機械劃刻方式，由于工件為高溫合金，強度硬度較高，易造成劃刻頭耗損嚴重。而激光標刻方式，因其獨特的工作原理，其快速、可編程、非接觸的工藝效果好且持久，通常不受生產過程中所需步驟的影響，具有更環保、高效的特點，并且應用范圍廣，在企業制造成本控制等方面的優勢讓其成為日后市場的主力軍。

激光標刻原理

激光標刻是利用高能量的激光束使材料瞬間熔化甚至汽化，伴隨振動、沖擊等作用，輔以高壓氣吹除熔渣，隨著光束與材料相對高速移動，在材料表面產生具有一定深度的凹槽，從而形成精美的文本、圖案、序列號等信息。激光標刻核心硬件構成如圖1所示。

圖1 激光標刻核心硬件

激光標刻概述

1.流水線應用技術要求

實現零部件的批量全自動上料、定位、打刻、識別及下料作業；各類零部件綜合生產節拍（含上下料及輔助時間）≤12s/件；生產時間：1440min/天，產量：5862 件/天，143.64 萬件/年（計算標準：單機開動率 99%，全年工作日 245 天，整體打刻節拍≤12s/件）；激光打刻要求字符品質測定通過字符品質分析軟件連續測定1000 臺份，A 級以上≥99.9%；激光打刻要求在熱處理前后或切削液附著下表面處理后識別率≥99.9%，掃碼讀取時間≤1s。

2.激光標刻優勢

傳統機械打刻：需要安裝夾具，夾具結構復雜，體積大，反作用力大；打刻頭存在磨損，劃刻質量不一，且耗材費用大；自動化生產過程需要對位、夾緊，動作繁瑣，影響生產節拍；材料適應性差，接觸加工，無法劃刻高強度鋼。

激光標刻：非接觸加工，無需裝夾，僅需定位，無耗材；標刻速度快，12個字符激光標刻5s內完成；標刻字符清晰，標刻深度精確可控;材料適應性好，柔性高，兼容高強鋼、鋁合金等。

高效率、智能化的激光標刻未來將會應用更廣泛。

激光標刻方案設計

針對5類零部件提供5套全自動標刻優化策略，包括機器人（伺服移載系統）、視覺識別系統、激光標刻系統、OCR字符識別系統及掃碼異常件收集滑道等。提供視覺系統便于產品上下料及轉運定位（僅內接頭、外接頭采用視覺識別定位，其他產線采用機械定位），提供OCR字符識別系統，便于劃刻后進行字符劃刻效果比對。

1）外接頭零件方案組成如圖2所示，包括六軸機器人（地樁式）、2D 視覺識別系統、轉盤、激光標刻系統、OCR 字符識別掃描系統及掃碼異常件收集滑道。雙工位轉盤設計可有效提升生產節拍。

圖2 外接頭零件方案組成

2）內接頭零件方案組成如圖3所示，包括六軸機器人（地樁式）、2D 視覺識別系統、轉盤、激光標刻系統、OCR 字符識別掃描系統及掃碼異常件收集滑道。雙工位轉盤設計可有效提升生產節拍。

3）星形套零件方案組成如圖4所示，包括伺服移載機構、2D視覺識別系統、激光標刻系統、OCR 字符識別掃描系統及掃碼異常件收集滑道。

圖4 星形套零件方案組成

4）十字軸零件方案組成如圖5所示，包括伺服移載機構、2D視覺識別系統、轉盤、激光劃刻系統、OCR 字符識別掃描系統及掃碼異常件收集滑道。

圖5 十字軸零件方案組成

5）驅動軸零件方案組成如圖6所示，驅動軸進入工作位，由提升機構將產品舉升，將產品上下夾持、端面夾持后，進行標刻。

圖6 驅動軸零件方案組成

6）異常件放置滑道設計如圖7所示。異常件放置滑道由支架、滑道、輥筒、檢測傳感器組成，異常件由滑道異常件放料區放入，自動滑入異常件存放區，檢測傳感器1用于檢測滑道內有無異常件。

圖7 異常件放置滑道

激光標刻單元局部設計

1）內接頭標刻示例如圖8所示。

圖8 激光標刻單元（內球頭標刻）

2）外接頭示例如圖9所示。

圖9 激光標刻單元（外接頭標刻）

激光標刻工藝驗證

激光標刻工藝參數見表1。方案采用激光平均功率（一個重復周期內單位時間所輸出的激光能量，是脈沖能量和脈沖頻率的乘積，激光功率越高，激光能量越強）80W和20W組合；對應激光頻率（每秒鐘激光光斑的個數,在相同的平均功率下，激光頻率越大，則每個光斑的能量越大）分別是70kHz和90kHz；掃描速度（掃描速度取決于振鏡X、Y軸的擺動速度）分別為2000mm/s和3000mm/s；標刻區域3mm×12mm；標刻遍數（標刻遍數取決于標刻深度）分別為6遍和1遍；CT時間（Cycle time，整個標刻節拍）統一為4.6s，場鏡型號為F160（160代表場鏡焦距160mm）。

表1 激光標刻工藝參數

五套激光標刻系統均采用以上激光標刻工藝參數，先使用80W高功率清理基材表面污染物并加深標刻深度，再增加20W低功率標刻使得字符表面更清晰，兩次標刻總時長不超過5s，滿足標刻節拍要求。

內接頭標刻工件外表面實驗驗證如圖10所示，效果如圖11和圖12所示。機器人抓取工件軸部旋轉90°臥式置于轉盤上料點，2D視覺相機拍照并反饋工件槽向信息進行夾裝定位。雙工位轉盤夾緊限位后，旋轉至標刻點進行激光標刻。同時機器人抓取新工件放置于轉盤另一工位進行視覺定位并等待標刻。OCR掃描系統完成字符掃描識別，并將結果傳遞給機器人。若掃描結果異常，機器人將NG件放置到異常件收集滑道。

圖10 內接頭標刻工件外表面

圖11 激光標刻效果

圖12 激光標刻后OCR字符識別

結語

本文對激光標刻技術及相關參數進行了分析和研究，提供了5套零件的可落地優化標刻及策略。并且實驗驗證，展示效果，大大提高了生產效率，節約了企業成本。

激光刻印的自動化程度將來會更高，可實現主機廠和零部件供應商標記信息數據庫的建立和云端無縫鏈接。并且產線上的激光標刻應用以后同樣會運用到汽車售后市場中，實現快速標刻，全生命周期跟蹤。如發動機的缸印號，通過手持式激光標刻，同時通過OCR字符識別上傳云端，供車管所等單位調取，實現異地變更，不再沿用當前新舊發動機必須同時到登記地車管所進行變更，信息時代勢必選擇信息化管理更強大的體系來替代落后的體系。