ZNACZNIKI: KODY I RFID
Istnieje wiele metod kodowania i zapisu oznaczeń, przy czym wśród nich wyróżnić można trzy grupy. Ze względu na specyficzne cechy metody do nich należące nadają się do konkretnych zastosowań.
KODY KRESKOWE WCIĄŻ POPULARNE
Pierwszą grupę stanowią jednowymiarowe kody kreskowe (paskowe), które stosowane są już od kilku dekad. Oznaczenia te składają się z następujących po sobie czarnych i białych pasków, informacja jest zapisywana w szerokości i kolejności kresek. Szerokość pasków mieści się typowo w przedziale 0,15-1 mm. Na początku i na końcu występują fragmenty składające się z określonej sekwencji kresek, która jest przypisana danemu typowi kodu, na przykład kodowi przeplatanemu 2 z 5, kodowi 39, kodowi 128 albo EAN13. Na ich podstawie jest on rozpoznawany.
Początek jest poprzedzony przerwą (quiet zone), następuje ona też na końcu. Odstępy te muszą pozostać niezadrukowane, żeby można było odróżnić kod od otaczającego tła. Szerokość przerw powinna być w przybliżeniu dziesięciokrotnie większa od najwęższego paska.
W kodzie zapisywana jest też suma kontrolna. Jej porównanie z wartością obliczoną na podstawie odczytu weryfikuje poprawność oznaczenia.
CO JEST ZNACZNIKIEM WYSZUKIWANIA W KODZIE QR?
Kody 2D (matrycowe) pozwalają na zapis większej ilości informacji niż kreskowe. Oznaczenia te składają się z jasnych i ciemnych elementów, zwykle kwadratowych, tworzących mozaikę. Rozmiar pikseli mieści się w zakresie 0,1-0,6 mm (dotyczy długości boku). Podobnie jak w przypadku kodów kreskowych potrzebne są przerwy, wystarczą jednak mniejsze. Dookoła mozaiki zachować należy odstęp o szerokości co najmniej jej pojedynczego elementu. Wzór kodu tworzą pola danych i dodatkowe wskaźniki, ułatwiające zlokalizowanie kodu na obiekcie i jego odczyt.
W przypadku kodów Data Matrix znacznikiem wyszukiwania są przykładowo pary boków: lewy i dolny oraz prawy i górny. Te pierwsze wykonuje się linią ciągłą, a drugie przerywaną. W oznaczeniach kodem QR elementami charakterystycznymi są trzy wielomodułowe kwadraty. W kodzie MaxiCode wzór wyszukiwania przypomina tarczę strzelecką, zaś w Aztec - są nim koncentryczne kwadraty.
Trzecią grupę oznaczeń stanowią standardowe napisy, które są czytelne również dla człowieka.
JAKI KOD BĘDZIE NAJLEPSZY?
Wybierając kod do zapisu informacji, jakie chcemy umieścić na obiekcie, warto wcześniej odpowiedzieć sobie na kilka pytań. Jednym z nich jest to, jak dużo wolnego miejsca jest na obiekcie i jak długie będzie oznaczenie. Jeśli wystarczy miejsca, żeby zmieścić całą informację, można rozważyć naniesienie "zwyczajnych" napisów. Jeżeli natomiast miejsca jest mało, to lepiej, zamiast kodu jednowymiarowego, użyć jednego z kodów 2D. Ich zaletą jest bowiem większa gęstość upakowania danych.
Ważne jest też, na ile prawdopodobne jest zniszczenie albo zabrudzenie oznaczenia. Jeżeli jest to możliwe, warto zastanowić się nad zapisaniem informacji w jednym z kodów dwuwymiarowych ze względu na dane nadmiarowe, jakie jednocześnie są w nich zapisywane. Inaczej, niż w przypadku sumy kontrolnej, która w kodach 1D pozwala sprawdzić wyłącznie poprawność zapisu, dzięki danym nadmiarowym można odtworzyć część utraconych informacji.
W pewnych zastosowaniach, oprócz oznakowań czytelnych maszynowo, wymagane są te zrozumiałe dla człowieka. Przykłady to oznaczenia na produktach spożywczych oraz farmaceutycznych. Wybierając kod, bierze się pod uwagę również m.in. koszt czytnika (patrz tabela).
ZNAKOWANIE ETYKIETAMI CZY BEZPOŚREDNIO?
Czytelność i trwałość oznaczeń zależą też od metody znakowania. Można tu wyróżnić dwie główne techniki: pośrednią i bezpośrednią. W pierwszej kod nanosi się na etykietę i dopiero tę mocuje na obiekcie. Etykiety wykonuje się z różnych materiałów, na przykład metali, tworzyw sztucznych, tkanin albo papieru. W znakowaniu pośrednim zastosowanie znalazły też znaczniki RFID (patrz ramka). Druga metoda polega na bezpośrednim znakowaniu (Direct Part Marking, DPM). Wykonuje się je technikami niszczącymi, m.in. przez wybijanie, wycinanie lub odparowanie znaków, albo nieniszczącymi, na przykład przez nadrukowanie kodu.
Do zalet etykietowania zaliczana jest łatwość znakowania i uzyskania, a potem utrzymania, dla danej serii dobrej czytelności (kontrastu) napisów. Zaletą oznaczeń wykonanych metodami DPM jest większa trwałość. Z drugiej strony na czytelność symboli w ogromnym stopniu wpływają właściwości powierzchni, takie jak chropowatość i kolor, materiału, z którego wykonano znakowany obiekt.
W kolejnych rozdziałach opisujemy wybrane techniki znakowania bezpośredniego: laserami, metodą mikroudarową (mikropunktową), przez trawienie oraz drukowanie.
ZNAKOWANIE LASEROWE
Za pomocą znakowarek laserowych wykonuje się napisy trwałe i dobrej jakości. Do ich zalet zalicza się wysoką wydajność, łatwość znakowania powierzchni o nieregularnych kształtach, trudnodostępnych i elementów złożonych w gotowy produkt (metoda bezkontaktowa), czystość obróbki, powtarzalność, szybkość i łatwość automatyzacji. Ważna jest także długa żywotność laserów, która liczona może być w dziesiątkach tysięcy godzin roboczych.
W znakowaniu używa się głównie laserów gazowych, m.in. CO2 i laserów na ciele stałym, na przykład Nd:YAG. Te drugie są uniwersalne, natomiast lasery gazowe CO2 nie sprawdzają się w znakowaniu metali. Główną wadą znakowarek laserowych jest duży koszt zakupu. Oprócz tego, pracując z laserami, powinno się zachować środki ostrożności (patrz ramka). Pod wpływem promieniowania laserowego w materiałach zachodzą różne zjawiska, stąd też różnorodność stosowanych metod znakowania laserami.
MECHANIZMY ZNAKOWANIA LASERAMI
Powlekane metale, jak anodowane aluminium, albo materiały lakierowane, są znakowane przez odparowanie (ablację) tych powłok. Metale, ceramikę i niektóre materiały syntetyczne również można częściowo odparować. Tak powstałe wgłębienia odbarwiają się potem w wyniku reakcji z tlenem z atmosfery. Niektóre metale, na przykład tytan, znakuje się lokalnie podgrzewając je powyżej temperatury ich topnienia.
Z kolei materiały syntetyczne można laserem miejscowo wybielać lub odbarwiać niszcząc lub zmieniając zawarte w nich dodatki, na przykład wypełniacze albo pigmenty. Niektóre tworzywa sztuczne lokalnie się stapia, powodując w tych miejscach odróżniające się od tła spienienia materiału albo jego zwęglenia.
Metale, tworzywa sztuczne i szkło znakuje się także, zmieniając miejscami współczynnik odbicia na ich powierzchni przez jej spienienie. Szkło oraz szkło akrylowe znakuje się, m.in. tworząc w ich strukturze mikropęknięcia.
DWA RODZAJE ZNAKOWAREK - DWIE METODY PRACY
Wyróżnia się dwa podstawowe rodzaje znakowarek laserowych:
- mask marking - na obiekt pada wiązka lasera, która przeszła przez szablon ze wzorem do utrwalenia, wykorzystywane są tu zazwyczaj lasery impulsowe,
- vector marking - wiązka światła laserowego jest nakierowywana przez lustra o zmiennym nachyleniu; wykorzystuje się tu zazwyczaj lasery o działaniu ciągłym.
Technika mask marking jest szybsza, metoda ta najlepiej sprawdza się w produkcji wielkoseryjnej, gdy nanoszony napis rzadko ulega zmianie. W znakowarkach wektorowych wzór modyfikuje się w programie. Dzięki temu zmiana symbolu do utrwalenia jest prostsza i szybsza niż metodą mask marking. Ta druga wymaga bowiem wykonania nowego szablonu. Znakowarki wektorowe są jednak z reguły droższe w zakupie.
CO WPŁYWA NA JAKOŚĆ ZNAKÓW WYKONANYCH LASEREM?
Oznaczenia laserowe charakteryzują m.in. ich: kontrast, szerokość, głębokość, gładkość krawędzi i obecznakowanieność mikropęknięć. Te ostatnie pogarszają właściwości mechaniczne obiektu znakowania oraz sprzyjają rozwojowi korozji.
Na szerokość znaków w metodzie mask marking mają wpływ wymiary szablonu i jakość układu ogniskującego. Może ona wynosić nawet kilka mikrometrów. W znakowaniu wektorowym zależy ona głównie od średnicy plamki wiązki lasera, która wynosi do kilkuset mikrometrów. Szerokość linii zależy też od: szybkości znakowania, gęstości mocy promieniowania oraz właściwości znakowanej powierzchni.
Na głębokość znaku wpływa natomiast gęstość mocy wiązki, rodzaj powierzchni i czas wypalania. W metodzie mask marking wynosi ona kilka/kilkadziesiąt mikrometrów, a w wektorowej kilkadziesiąt milimetrów. Kontrast poprawia się, zwiększając gęstość mocy wiązki. Ważna jest też ciągłość linii - jeżeli używany jest laser impulsowy, zależy ona od częstości impulsów. Na ciągłość znaków ma ponadto wpływ szybkość znakowania.
METODA MIKROUDAROWA
W metodzie mikroudarowej (dot peen) produkt jest znakowany za pomocą igły z diamentową albo karbidową końcówką. Uderzając w detal, wybija ona na jego powierzchni mikrootworki rozmieszczone gęsto obok siebie. Łącząc się ze sobą, tworzą one linie symboli. Napis jest widoczny dzięki różnicy w sposobie odbijania światła przez otworki i gładkie tło.
ZNAKOWARKI MIKROUDAROWE TO LICZNE ZALETY...
Technika ta ma wiele zalet, m.in. niskie koszty, dużą szybkość i wydajność obróbki. Ruch igły można programować, co ułatwia częste modyfikowanie wzorów oraz automatyzację. Regulując głębokość znaków zmienia się ich widoczność, trwałość lub inne cechy użytkowe. Problemu nie stanowi też znakowanie powierzchni pokrytych powłoką ochronną, chropowatych ani nierównych.
Igła wykonując otworki pojedynczo, nie wywiera zbyt silnego nacisku. Znakowarki mikroudarowe nadają się dzięki temu do znakowania różnych materiałów, od tworzyw sztucznych po metale o różnej twardości (maks. 63 HRC) i części o delikatnej strukturze i ważnych dla bezpieczeństwa (elementów konstrukcyjnych samolotów, silników, itp.).
Znakowarki mikropunktowe produkowane są w wersjach z napędem pneumatycznym i elektromagnetycznym. Pierwsze są tańsze, ale głośno pracują. Wymagają też, poza zasilaniem elektrycznym, doprowadzenia sprężonego powietrza. Elektromagnetyczne są droższe, lecz generują mniej hałasu i dokładniej odwzorowują zadaną głębokość wzoru. W związku z tym, że wymagają tylko jednego źródła zasilania, łatwo je przenieść w inne miejsce.
...ALE TEŻ PROBLEMY Z JAKOŚCIĄ OZNACZEŃ
Poza kontrastem jakość oznaczeń wykonanych znakowarką mikroudarową charakteryzują: rozmiary otworków, ich przesunięcie względem zadanego położenia i owalność. Jeżeli na przykład otworki w kodzie DataMatrix zachodzą na siebie, to przyczyną tego może być: stępiona końcówka igły wybijającej wzór, za miękki materiał, za duża siła uderzenia, za duża odległość, jaka dzieli wybijak od obiektu znakowania albo za twarde zakończenie igły.
Jeżeli z kolei otwory są za małe, powodem może być zbyt ostra końcówka lub za mała głębokość penetracji materiału. Trudności z odczytaniem kodu mogą też wystąpić, gdy wgłębienia znacząco różnią się rozmiarem. Wśród przyczyn tego defektu mogą być: nadmierne wahania siły uderzającej, niewłaściwie zamocowany obiekt znakowania oraz nierównomierna odległość między nim a końcówką znakującą.
TRAWIENIE I DRUKOWANIE
JAKOŚĆ WYTRAWIANYCH OZNACZEŃ
W znakowarkach elektrochemicznych symbole na powierzchni detalu są wytrawiane. Do zalet tej metody zaliczane są: trwałość oraz dobra jakość znakowania, szybkość oraz niskie koszty. Poza tym nie deformuje ona produktu ani nie osłabia jego struktury - dobierając właściwy elektrolit i odpowiedni czas trawienia, można bowiem nanosić oznaczenia na bardzo małe głębokości, tj. od kilku do kilkuset mikrometrów. W ten sposób można także znakować bardzo twarde metale.
Podstawowe ograniczenie tej metody stanowi możliwość używania znakowarek elektrochemicznych tylko do znakowania materiałów przewodzących prąd elektryczny. Nie da się ich natomiast użyć w przypadku metali pomalowanych, anodowanego aluminium albo powłok fosforanowych. Czytelne znaki można uzyskać, tylko odpowiednio głęboko trawiąc symbole przed nałożeniem powłoki nieprzewodzącej. Materiały, w których bez problemu można wytrawić oznaczenia, to przykładowo: stal, mosiądz, brąz, miedź, chrom, nikiel, kadm, cynk i aluminium.
Jakość znaków wytrawianych przez znakowarki elektrochemiczne można poprawić, m.in. wcześniej polerując i oczyszczając powierzchnię. Ważny jest także dobór elektrolitu i czasu trawienia. Jeżeli ten pierwszy będzie niewłaściwy lub trawienie potrwa za krótko, zbyt mały kontrast między oznaczeniami a tłem uniemożliwi rozczytanie oznaczeń. Po zakończeniu procesu znakowania elektrolit musi być też dokładnie usunięty, tak aby nie rozwinęła się korozja.
ZALETY I WADY DRUKOWANIA
Mniej inwazyjną techniką znakowania jest drukowanie, przy czym w przemyśle najpopularniejszą metodą jest korzystanie z drukarek CIJ (Continous Ink-Jet). W ich przypadku strumień kropli jest wyrzucany z dysz z dużą prędkością, przy czym jest on odchylany w polu elektrycznym tak, aby uformować zadany wzór. Krople, które nie zostaną wykorzystane, z powrotem zasysa się do zasobnika z tuszem. Dla poprawienia czytelności oznaczeń drukowanych dobrze jest tło wcześniej pomalować na kontrastowy kolor.
Wśród zalet metody CIJ wymienia się m.in.: szybkość i możliwość znakowania różnych materiałów, powierzchni o różnych kształtach i teksturach. Najlepiej sprawdza się ona w nanoszeniu wzorów o małych rozmiarach - im większe znaki, tym drukowanie jest wolniejsze. Ponadto, aby utrzymać wymagane właściwości tuszu, trzeba stosować specjalne rozpuszczalniki. Te z czasem odparowują, co zwiększa koszty. Podczas znakowania tusz może się rozmazywać, nadrukowane napisy są relatywnie słabo odporne na ścieranie.
CO I CZYM OZNACZAĆ?
WYBÓR METODY ZNAKOWANIA I ZNAKOWARKI
Wybierając znakowarkę, trzeba wcześniej odpowiedzieć na kilka pytań. Najważniejszym jest to, czy materiały, które najlepiej znakować konkretną metodą, to te, których wystąpienia spodziewamy się w swoim produkcie. Z tym związane są odpowiedzi na kolejne ważne pytania - m.in. czy dana maszyna będzie w ogóle w stanie nanieść oznaczenie i nie uszkodzi albo nie osłabi struktury obiektu znakowania.
Najbardziej uniwersalne pod tym względem są znakowarki laserowe i drukarki atramentowe, pośrodku plasują się znakowarki mikropunktowe, natomiast najwęższy jest zakres zastosowań znakowarek trawiących. Na przykład większość metali, w tym aluminium, miedź, żelazo, stal, złoto i srebro, można oznaczać laserami (na ciele stałym), nadrukowując znaki metodą mikroudarową oraz elektrochemiczną. Spośród tych metod do znakowania na przykład tytanu i magnezu lepiej jednak nie używać znakowarek mikropunktowych.
W przypadku ceramiki, tkanin i drewna najlepiej sprawdzają się lasery (na ciele stałym) i drukarki. Do znakowania szkła dobrze jest użyć znakowarki laserowej (z laserem gazowym) albo drukarki. Na papierze oznaczenia można drukować albo znakować go przy użyciu laserów.
NA CO JESZCZE ZWRÓCIĆ UWAGĘ?
Tworzywa sztuczne, takie jak PUR, PP, PE, PVC i ABS, można oznaczać przy użyciu znakowarek laserowych, drukarek i znakowarek mikroudarowych. Wyjątek stanowi teflon, do znakowania którego preferowane jest wykorzystywanie laserów gazowych.
Jeśli chodzi o elastyczność, rozumianą jako możliwość m.in. znakowania obiektów o skomplikowanych kształtach oraz różne dodatkowe opcje, to największa charakteryzuje znakowarki laserowe, a najmniejsza te do wytrawiania. Ważne cechy tych urządzeń to też szybkość i wydajność, jakość oznaczeń, żywotność, w tym częstość wymiany podzespołów, łatwość i koszty konserwacji.
Na początku najwięcej uwagi poświęca się kosztom początkowym, które wynikają z inwestycji w zakup sprzętu. Są one największe w przypadku znakowarek laserowych, średnie w przypadku drukarek, natomiast małe przy zakupie znakowarek mikroudarowych i elektrochemicznych.
Trzeba też jednak pamiętać o dodatkowych wydatkach, które ujawniają się dopiero z czasem, w trakcie użytkowania tych maszyn. Są to koszty części i materiałów eksploatacyjnych (igieł, tuszy, środków chemicznych) oraz energii zasilającej. Najwięcej tej ostatniej zużywają znakowarki laserowe.
Przykłady produktówREA ScanCheck 3 Alien Technology Marking Master Markem-Imaje SmartLase C |
ODCZYT OZNACZEŃ
Kolejnym obszarem tematycznym jest tworzenie stanowisk do odczytu oznaczeń. Na jakość pozyskiwanych obrazów i rozpoznawanie informacji umieszczonych na obiekcie wpływają różne czynniki - dwa kluczowe to dobór odpowiedniego czytnika i dobór oświetlenia.
JAKI CZYTNIK WYBRAĆ?
Czytniki można sklasyfikować na podstawie rodzaju technologii odczytu i sposobu obsługi. Jeżeli chodzi o to drugie, to podstawową decyzją jest ta dotycząca automatyzacji odczytu. Taką możliwość dają przede wszystkim czytniki stacjonarne, które można podłączyć do systemu sterowania i zsynchronizować z linią produkcyjną. Z kolei skanery ręczne są konieczne, gdy rozmiary i kształty produktów czy położenie na nich oznaczeń obiektów znacząco się od siebie różnią.
Jeżeli chodzi o rodzaj technologii odczytu, to wybierać można pomiędzy skanerami laserowymi, a kamerami. W tych pierwszych promieniowanie laserowe odbija się od skanowanej powierzchni, słabiej od ciemniejszych pól, a mocniej od jaśniejszych. Różnice w natężeniu światła, które dociera do odbiornika, są przetwarzane, a potem dekodowane. Jeżeli odczytywane będą wyłącznie kody 1D, skanery laserowe są zwykle najbardziej opłacalne.
KAMERA OBRAZOWA CZY LINIJKOWA?
W przypadku kodów 2D i "zwykłych" napisów warto rozważyć wdrożenie systemu wizyjnego. Obrazy zarejestrowane przez kamerę są przetwarzane i dekodowane w specjalnym oprogramowaniu. Naturalnie możliwe jest również zastosowanie czujników wizyjnych.
Istotne też jest, czy produkty znakowano metodą pośrednią, czy bezpośrednio. Jeśli oznaczenia umieszczono na etykietach bardziej prawdopodobne jest, że uzyskano duży kontrast oraz lepszą jakość niż w przypadku kodów naniesionych wprost na obiekcie. Dlatego te drugie częściej wymagają inwestycji w system wizyjny.
Jeśli obiekty skanowania mogą się czasem przemieszczać, lepiej wybrać system wizyjny oparty na kamerze matrycowej (obrazowej, matrix, area-scan), w przypadku obiektów będących cały czas w ruchu typowo efektywniejsze są kamery linijkowe (line-scan). Te ostatnie są wrażliwsze na wibracje na stanowisku (stosuje się tu specjalne wytłumienia, aby zniwelować ich negatywny wpływ na jakość odczytu).
Ważne parametry czytnika to również pole odczytu (reading field) oraz głębia ostrości (depth of field). Należy je dobrać tak, aby niezależnie od zmienności położenia oznaczenia i odległości pomiędzy czytnikiem a obiektem, znaki można było poprawnie odczytywać.
NIE OŚWIETLAJ ZIELONEGO CZERWONYM!
Równie ważną kwestią jak wybór czytnika jest właściwe oświetlenie obiektu. Istotna jest zarówno barwa światła, jego natężenie, jak i sposób zamontowania jego źródła.
Jeżeli chodzi o barwę, to zasadniczą kwestią jest to, czy czytnik został wyposażony w filtr, który tłumi wybrane długości fal. Jeśli nie, to w zasadzie w zakresie koloru nie ma ograniczeń poza specyfiką obiektu. Przykładowo czerwone światło nie sprawdzi się w odczycie oznaczeń w tym kolorze, ani czarnych na zielonym tle. Zielone światło natomiast jest odpowiednie w przypadku obiektów o odblaskowej powierzchni. Białe z kolei jest najbardziej uniwersalne.
Natężenie światła musi być dostosowane do odblaskowości powierzchni. Duże powinno być w przypadku matowych albo jeżeli oświetlenie zewnętrzne jest bardzo intensywne lub często się zmienia. Odblaskowe powierzchnie najlepiej jest oświetlać światłem rozproszonym. Wpływ światła zewnętrznego z kolei można zniwelować przez zacienianie obiektów inspekcji lub specjalne filtry.
OGRANICZENIA OŚWIETLACZY KOPUŁOWYCH
W zależności od tego, jak promienie odbite od obiektu układają się względem osi optycznej kamery, rozróżnia się dwie konfiguracje. W pierwszej (rys. 2a) większość jest równoległa i pada wprost na detektor. Dzięki temu kamera rejestruje obraz elementów, które są prostopadłe do jej osi. Pozostałe są zaciemnione.
Układ ten jest popularniejszy niż drugi (rys. 2b), w którym większość promieni odbitych nie jest prostopadła do osi optycznej kamery. Wyjątek to te odbite od krawędzi, które padają wprost na czujnik. W efekcie w oku kamery brzegi są widoczne, natomiast tło jest ciemne. Układ ten sprawdza się zwłaszcza w odczytywaniu symboli, które wykonano znakowarkami mikroudarowymi.
Jak wynika z rysunku 2 obie konfiguracje można zrealizować, wykorzystując oświetlacze pierścieniowe, odpowiednio dobierając średnicę pierścienia oraz jego odległość od obiektu. Podobnie jest w przypadku oświetlenia punktowego (rys. 3). Oświetlacze kopułowe (rys. 4) z kolei zapewniają światło rozproszone. Trudno ich jednak używać na zautomatyzowanych liniach i w przypadku obiektów różniących się kształtem lub rozmiarem.
Monika Jaworowska