沖壓制件可追溯技術(shù)研究與應(yīng)用

高貴麟 蘇廣川 邰偉彬 楊詠 宋欣哲 孫立亞

（中國第一汽車集團(tuán)有限公司，長春130012）

1 前言

隨著汽車行業(yè)的高速發(fā)展，用戶對汽車鈑金質(zhì)量要求越來越高，產(chǎn)品的可追溯成為質(zhì)量控制環(huán)節(jié)中的一個(gè)關(guān)鍵要素。沖壓件質(zhì)量可追溯問題也一直是沖壓行業(yè)探討的重要課題，沖壓件打碼是實(shí)現(xiàn)沖壓件質(zhì)量可追溯的一項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)。整車出廠時(shí)，鈑金打碼標(biāo)識隨整車一起流通，產(chǎn)品使用中所出現(xiàn)的問題能及時(shí)反饋給主機(jī)廠，是質(zhì)量改進(jìn)的重要依據(jù)。單件打碼是未來質(zhì)量可追溯的趨勢。

目前，國內(nèi)沖壓件普遍采用機(jī)械打碼，即將機(jī)械打碼裝置集成在模具上，隨模具對沖壓件施加壓力，完成零件打碼。機(jī)械打碼結(jié)構(gòu)持續(xù)優(yōu)化，分為可拆卸式批次打碼機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)刻印打碼機(jī)構(gòu)及自動計(jì)數(shù)型打碼機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)從批次到單件打碼，但仍然受制于模具的安裝空間不能滿足所有沖壓件的打碼需求，還存在因故障修理、批次更換占用整線生產(chǎn)時(shí)間的缺點(diǎn)。詳細(xì)介紹了在沖壓線線尾集成的激光打碼技術(shù)，并與射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）、二維碼、機(jī)器人、計(jì)算機(jī)、通信及整線同步控制等綜合集成，規(guī)避了機(jī)械打碼的弊端，實(shí)現(xiàn)沖壓生產(chǎn)從原材料到成品件的全過程身份識別及追溯。

2 機(jī)械打碼

機(jī)械打碼工作原理：打碼機(jī)構(gòu)通過螺釘安裝在沖壓模具上模，打碼標(biāo)識高于模具型面0.3～0.5 mm，沖壓件生產(chǎn)時(shí)，模具閉合到底，打碼結(jié)構(gòu)的凸出部分通過擠壓沖壓鈑金零件表面產(chǎn)生塑性變形，完成生產(chǎn)日期打碼。

常用的機(jī)械打碼機(jī)構(gòu)有拆卸式批次打碼機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)式打碼機(jī)構(gòu)。

2.1 可拆卸式批次打碼機(jī)構(gòu)

2.1.1 結(jié)構(gòu)形式

拆卸式打碼機(jī)構(gòu)由安裝座、凸模、墊片、螺釘、銷釘組成，如圖1 所示。

圖1 拆卸式打碼機(jī)

2.1.2 生產(chǎn)信息標(biāo)記

生產(chǎn)信息使用4 位數(shù)字表示，前2 位為年，后2位為周。如“2036”表示2020 年第36 周生產(chǎn)。2.1.3 周標(biāo)更換方法

在零件生產(chǎn)前，模具上下模打開，生產(chǎn)人員將打碼裝置整體取下，再拆下固定墊板的螺栓，以彈簧銷為支點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)墊板，取出和更換帶有數(shù)字的凸模，重新安裝到模具上，如圖2 所示。

圖2 周標(biāo)凸模更換

該周標(biāo)結(jié)構(gòu)簡單，占用安裝空間小（基本尺寸如圖3 所示），成本較低。

圖3 拆卸式打碼機(jī)構(gòu)基本尺寸

該周標(biāo)缺點(diǎn)如下。

a. 打碼標(biāo)識需要人工操作和在線更換，占用生產(chǎn)時(shí)間5 min/個(gè)，一模四件的產(chǎn)品需要更換4 個(gè)打碼標(biāo)識，雙人操作需要停線約10 min，且打碼機(jī)構(gòu)中的螺釘和字頭較小，更換過程中容易掉落丟失。

b. 打碼標(biāo)識設(shè)置在產(chǎn)品的非功能結(jié)構(gòu)面上，裝車后不能外露，發(fā)罩外板、四門外板等零件通常無法打碼。

c.追溯時(shí)間精度只能到周。

2.2 旋轉(zhuǎn)刻印打碼機(jī)構(gòu)

2.2.1 結(jié)構(gòu)形式

旋轉(zhuǎn)刻印打碼機(jī)構(gòu)由字輪、止鎖按鈕、主軸、安裝座、墊片、螺釘?shù)冉M成，如圖4 所示。

2.2.2 生產(chǎn)信息標(biāo)記

生產(chǎn)信息使用4 位數(shù)字表示，前2 位為年，后2位為周，與拆卸式打碼機(jī)構(gòu)含義相同。

2.2.3 周標(biāo)更換方法

在零件生產(chǎn)前，模具上下模打開，生產(chǎn)人員需雙手同時(shí)按下止鎖按鈕，然后撥動輪片調(diào)整到當(dāng)前生產(chǎn)日期，再雙手按下止鎖按鈕，鎖住輪片。

該周標(biāo)更換操作簡單，不需要拆卸，在線調(diào)整生產(chǎn)日期時(shí)間不超過1 min，減少了生產(chǎn)線停機(jī)。

該周標(biāo)缺點(diǎn)如下：

a.占用空間大，如圖5 所示。由于翼子板等零件模具安裝空間不足，無法使用該結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)件；

b.字輪為易耗品，損壞時(shí)需要整片更換，更換成本高；

c. 打碼標(biāo)識設(shè)置在產(chǎn)品的非功能結(jié)構(gòu)面上，裝車后不能外露，發(fā)罩外板、四門外板等零件通常無法打碼；

d.追溯時(shí)間精度只能到周。

2.3 自動計(jì)數(shù)型打碼機(jī)構(gòu)

2.3.1 結(jié)構(gòu)形式及工作原理

旋轉(zhuǎn)刻印打碼機(jī)構(gòu)由刻印組件（字輪、主軸、安裝座）、撥動組件（棘爪、驅(qū)動彈簧、襯套、撥動轉(zhuǎn)軸）、底座組件（復(fù)位彈簧、底板、墊片、護(hù)板、螺釘）3 部分組成，如圖6 所示。零件生產(chǎn)時(shí)，打碼機(jī)構(gòu)隨模具上模向下運(yùn)動，支架頂端首先接觸下模，帶動棘爪移動，壓縮到底后，刻印組件完成刻印，同時(shí)棘爪移動到字輪側(cè)面下一個(gè)分度槽中。模具上模向上運(yùn)動，打碼結(jié)構(gòu)上復(fù)位彈簧推動撥動組件恢復(fù)壓縮前狀態(tài)，撥動組件撥動字輪旋轉(zhuǎn)至少一個(gè)刻印分度，完成自動生產(chǎn)計(jì)數(shù)。

圖6 自動計(jì)數(shù)型打碼機(jī)構(gòu)

2.3.2 生產(chǎn)信息標(biāo)記

生產(chǎn)信息使用7 位數(shù)字表示，前2 位為周，后5位為生產(chǎn)數(shù)量。如“3614586”表示36 周生產(chǎn)的第14 586 個(gè)零件。

2.3.3 周標(biāo)更換方法

在零件生產(chǎn)前，模具上下模打開，生產(chǎn)人員手動調(diào)整第1、2 片字輪至當(dāng)前生產(chǎn)日期，后5 位字輪自動計(jì)數(shù)不需要調(diào)整。其優(yōu)點(diǎn)如下。

a. 周標(biāo)更換操作簡單，不需要拆卸，在線更換時(shí)間低于1 min，減少了生產(chǎn)線停機(jī)；

b.追溯時(shí)間可精確打碼到零件。

該周標(biāo)缺點(diǎn)如下：

c.占用空間大，如圖7 所示。由于翼子板等多種零件模具安裝空間不足，無法使用該結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)件；

圖7 自動計(jì)數(shù)型打碼機(jī)構(gòu)基本尺寸

d.打碼機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高；

e. 打碼標(biāo)識設(shè)置在產(chǎn)品的非功能結(jié)構(gòu)面上，裝車后不能外露，發(fā)罩外板、四門外板等零件通常無法打碼。

3 激光打碼

高速沖壓線激光打碼技術(shù)是集成激光技術(shù)、RFID、二維碼、機(jī)器人、計(jì)算機(jī)、通信及整線同步控制的綜合技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)沖壓生產(chǎn)從原材料到成品件的全過程識別及追溯。不同制件的打碼信息伴隨模具信息自動匹配并與生產(chǎn)線聯(lián)動，消除了模具打碼換標(biāo)的在線或離線等待時(shí)間，打碼追溯時(shí)間可以精確到零件且打碼范圍更廣，同時(shí)滿足不同時(shí)期、不同車型制件的唯一性標(biāo)志需求。

3.1 結(jié)構(gòu)形式及工作原理

激光打碼機(jī)構(gòu)包括沖壓線的下件機(jī)器人、穿梭車、分揀機(jī)器人和線尾皮帶，還包括待打碼的沖壓件、機(jī)械臂和激光打碼器[1]，如圖8 所示。首先打碼系統(tǒng)提取沖壓線生產(chǎn)信息計(jì)算機(jī)器人打碼位置，然后根據(jù)運(yùn)算出二維碼信息在用戶所有鈑金產(chǎn)品下表面用激光打碼機(jī)打刻二維碼；同時(shí)智能視覺系統(tǒng)掃描前一步驟打刻的二維碼，讀取信息并與源數(shù)據(jù)對比確認(rèn)信息準(zhǔn)確性；二維碼讀碼完畢后打碼系統(tǒng)向沖壓線反饋完成信號，工件可進(jìn)入下一道工序，同時(shí)將讀取的二維碼信息回傳至制造運(yùn)營管理系統(tǒng)（Manufacturing Operation Man?agement，MOM），與采集的沖壓生產(chǎn)數(shù)據(jù)綁定。

圖8 沖壓件在線激光打碼裝備及布置

3.2 二維碼信息

3.2.1 二維碼信息內(nèi)容

二維碼信息包括沖壓車間、配方號、生產(chǎn)日期、批次號，由打碼系統(tǒng)生成，打刻矩陣式二維碼（Data Matrix，DM），各信息位數(shù)及二維碼內(nèi)容示例如下。

A-001-20200309-0123：A 為確定值，指某工廠沖壓車間；001 為沖壓線當(dāng)前生產(chǎn)配方號，由打碼設(shè)備自沖壓線提取，同時(shí)打碼機(jī)器人根據(jù)此配方號自動調(diào)整已設(shè)定好的角度、距離；20200309 為生產(chǎn)時(shí)間；0123 為生產(chǎn)順序號）。

3.2.2 二維碼大小

打碼系統(tǒng)需滿足以下3種大小的二維碼打刻要求：9.6 mm×9.6 mm；15 mm×15 mm；20 mm×20 mm，如圖9 所示。

圖9 沖壓件激光二維碼

3.3 設(shè)備選型

身份識別系統(tǒng)主要組件采用KUKA 6 軸工業(yè)機(jī)器人，光纖激光打碼機(jī)采用Videojet 7510，二維碼識別裝置采用MV 系列工業(yè)智能相機(jī)，識別系統(tǒng)采用ID5000 智能讀碼器。

3.4 節(jié)拍計(jì)算

二維碼打刻打刻時(shí)間控制要求小于800 ms，其它可通過機(jī)器人軌跡設(shè)定及優(yōu)化滿足沖壓線15 次/min 節(jié)拍要求。

3.5 打碼質(zhì)量控制

由于激光打碼成熟可靠性且具有掃碼確認(rèn)功能，可確保掃碼質(zhì)量的閉環(huán)管理。

3.6 適用范圍

激光打碼應(yīng)用范圍可覆蓋汽車主機(jī)廠內(nèi)制沖壓件，包括側(cè)圍、翼子板、門內(nèi)/外板、發(fā)罩、后蓋、頂蓋等。

3.7 運(yùn)行維護(hù)

激光打碼系統(tǒng)維修簡單方便。通過針對電柜、打碼系統(tǒng)的檢測和執(zhí)行元件的接線情況、電氣柜內(nèi)潔凈狀態(tài)、電纜有無損壞等實(shí)施定期常規(guī)性點(diǎn)檢即可保證裝置的正常運(yùn)行。

4 信息傳遞

沖壓件質(zhì)量可追溯信息向上游可以和板料信息綁定，向下游可以通過焊接時(shí)掃碼綁定，進(jìn)而與整車信息綁定，達(dá)成全鏈條身份信息的唯一性跟蹤管理。

5 結(jié)束語

通過針對沖壓件機(jī)械打碼和激光打碼的結(jié)構(gòu)、原理及實(shí)際應(yīng)用問題總結(jié)分析，可以實(shí)現(xiàn)沖壓單件打碼，并通過與焊接白車身掃碼信息進(jìn)一步綁定，打通信息傳遞通道，保證打碼信息的唯一性，從而實(shí)現(xiàn)針對沖壓單件質(zhì)量問題可追溯。同時(shí)通過把質(zhì)量可追溯相關(guān)信息與沖壓領(lǐng)域中控系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，形成制件全生命周期的質(zhì)量檔案信息庫，為持續(xù)改善及標(biāo)準(zhǔn)建立提供數(shù)據(jù)支持。