一、 項(xiàng)目背景與挑戰(zhàn)

在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造過(guò)程中，為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的質(zhì)量追溯和生命周期管理，為每個(gè)活塞頂部激光刻印唯一的序列號(hào)（或二維碼、DataMatrix碼）已成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。然而，活塞作為發(fā)動(dòng)機(jī)的核心運(yùn)動(dòng)部件，其工作環(huán)境極其惡劣，對(duì)打標(biāo)和后續(xù)的讀碼追溯提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)：

1. 高溫環(huán)境： 活塞在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)期處于數(shù)百攝氏度的高溫環(huán)境下，普通油墨或淺層標(biāo)記會(huì)因高溫而氧化、脫落或變得模糊不清。

2. 油污與清潔劑： 活塞在裝配線和后續(xù)使用中會(huì)接觸機(jī)油、潤(rùn)滑脂、清洗劑等化學(xué)物質(zhì)，標(biāo)記必須能抵抗腐蝕和污染。

3. 高反光表面： 活塞頂部通常為鋁合金材質(zhì)，經(jīng)過(guò)機(jī)加工后表面光潔度高，對(duì)打標(biāo)和視覺識(shí)別的光源設(shè)計(jì)提出了高要求，極易產(chǎn)生反光干擾。

4. 空間限制與動(dòng)態(tài)打標(biāo)： 生產(chǎn)線節(jié)拍快，需要在狹小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速、精準(zhǔn)的定位、打標(biāo)和驗(yàn)證，且序列號(hào)需為動(dòng)態(tài)可變信息。

5. 永久性與可讀性： 標(biāo)記必須是永久性的，確保在整個(gè)活塞生命周期內(nèi)（包括維修、報(bào)廢階段）清晰可讀。

二、 解決方案概述

本方案提供一套集成了高功率光纖激光打標(biāo)系統(tǒng)、耐環(huán)境工業(yè)視覺系統(tǒng)以及專用圖像處理算法的自動(dòng)化解決方案。該系統(tǒng)能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線的指定工位，自動(dòng)完成對(duì)活塞頂部的序列號(hào)打標(biāo)，并立即進(jìn)行視覺識(shí)別與驗(yàn)證，確保100%的可讀性和準(zhǔn)確性，完全適應(yīng)高溫、油污的生產(chǎn)環(huán)境。

三、 核心系統(tǒng)構(gòu)成與關(guān)鍵技術(shù)

1. 激光打標(biāo)單元

激光器選型： 采用20W-30W脈沖光纖激光器。光纖激光具有電光轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好、體積小巧、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。其“冷加工”特性適合在金屬表面進(jìn)行精細(xì)刻印，通過(guò)控制激光參數(shù)（功率、速度、頻率），可在鋁合金活塞頂部產(chǎn)生對(duì)比度高、邊緣清晰的“深雕”或“淺雕”標(biāo)記，標(biāo)記深度通常為20-50微米，足以耐受高溫氧化和物理磨損。

打標(biāo)頭與場(chǎng)鏡： 選用高質(zhì)量的打標(biāo)頭和適合小范圍精細(xì)打標(biāo)的場(chǎng)鏡，確保打標(biāo)精度達(dá)到0.05mm以上，滿足微小字符和二維碼的刻印需求。

集成與控制： 激光打標(biāo)系統(tǒng)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)（如Profinet、Ethernet/IP）或標(biāo)準(zhǔn)IO與上位PLC集成，接收來(lái)自MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）的序列號(hào)信息，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)打標(biāo)。

2. 機(jī)器視覺識(shí)別單元

這是確保在惡劣環(huán)境下可靠讀碼的關(guān)鍵。

工業(yè)相機(jī)： 選用高分辨率（500萬(wàn)像素以上）的全局快門黑白相機(jī)。黑白相機(jī)對(duì)對(duì)比度更敏感，能更好地捕捉激光打標(biāo)產(chǎn)生的凹凸形貌。

工業(yè)鏡頭： 使用遠(yuǎn)心鏡頭或高質(zhì)量定焦鏡頭，以減少透視誤差，確保圖像邊緣和中心的一致性，提高讀碼穩(wěn)定性。

專用照明系統(tǒng)： 這是克服活塞頂部高反光挑戰(zhàn)的核心。采用低角度環(huán)形光或同軸光。

低角度環(huán)形光： 從側(cè)面照射，使激光標(biāo)記的凹槽產(chǎn)生陰影，形成明暗對(duì)比，而平坦的基體表面反射的光線不進(jìn)入鏡頭，從而極大抑制反光，凸顯標(biāo)記。

同軸光： 光線通過(guò)分光鏡與相機(jī)光路平行，特別適合檢測(cè)光滑表面的劃痕或凹凸，能均勻地照亮標(biāo)記，減少鏡面反射干擾。

防護(hù)措施： 相機(jī)、鏡頭和光源均需安裝在IP67等級(jí)的防護(hù)罩內(nèi)，防止油污、水汽和粉塵的侵入。鏡頭前加裝耐磨的防護(hù)玻璃。

3. 圖像處理與讀碼軟件

魯棒性算法： 視覺軟件（如Cognex VisionPro, Halcon或國(guó)產(chǎn)優(yōu)秀軟件）內(nèi)置強(qiáng)大的圖像預(yù)處理工具（如濾波、形態(tài)學(xué)操作）和先進(jìn)的讀碼算法（如Cognex Hotbars II, DPM讀碼算法）。這些算法專門用于處理因高溫、油污輕微殘留導(dǎo)致的標(biāo)記對(duì)比度下降、模糊等狀況，確保極高的首讀率和識(shí)別率。

自動(dòng)校驗(yàn)與反饋： 打標(biāo)完成后，視覺系統(tǒng)立即觸發(fā)拍照，進(jìn)行OCR（字符識(shí)別）或條碼讀取。系統(tǒng)將讀取到的信息與MES下發(fā)的序列號(hào)進(jìn)行比對(duì)：

成功： 信號(hào)反饋給PLC，活塞流入下一工序。

失敗/無(wú)法識(shí)別： 系統(tǒng)報(bào)警，并可根據(jù)預(yù)設(shè)策略進(jìn)行重試（如重新清潔、調(diào)整光源后再次拍照）或?qū)⒃摴ぜ蕹鲋练敌拚尽?/p>

4. 機(jī)械結(jié)構(gòu)與環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

整個(gè)打標(biāo)工位采用封閉或半封閉設(shè)計(jì)，配備抽風(fēng)除塵裝置，及時(shí)吸走打標(biāo)產(chǎn)生的金屬煙塵，保護(hù)光學(xué)元件和凈化工作環(huán)境。

設(shè)備結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，能抵抗生產(chǎn)線振動(dòng)。

四、 工作流程

1. 上料定位： 活塞由傳送帶或機(jī)器人運(yùn)至打標(biāo)工位，精確定位夾具將其固定。

2. 信息接收： 上位PLC從MES系統(tǒng)獲取該活塞的唯一序列號(hào)，并下發(fā)至激光打標(biāo)系統(tǒng)。

3. 激光打標(biāo)： 激光器根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)，在活塞頂部刻印序列號(hào)/二維碼。

4. 視覺識(shí)別： 打標(biāo)完成瞬間，視覺系統(tǒng)觸發(fā)拍照，采集標(biāo)記圖像。

5. 圖像處理與校驗(yàn)： 視覺軟件對(duì)圖像進(jìn)行處理、識(shí)別，并將結(jié)果與原始信息比對(duì)。

6. 結(jié)果反饋： 將校驗(yàn)結(jié)果（OK/NG）發(fā)送給PLC。OK件放行，NG件報(bào)警處理。

7. 數(shù)據(jù)上傳： 將打標(biāo)成功的信息（活塞SN、時(shí)間、工位號(hào)等）上傳至MES數(shù)據(jù)庫(kù)，完成數(shù)據(jù)綁定。

五、 方案總結(jié)

本方案通過(guò)耐用的激光打標(biāo)技術(shù)、針對(duì)性的光學(xué)設(shè)計(jì)和智能的圖像處理算法三位一體，有效解決了活塞在高溫油污環(huán)境下永久性標(biāo)識(shí)與可靠識(shí)別的行業(yè)難題。它不僅保證了產(chǎn)品質(zhì)量追溯的完整性和可靠性，還實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化與智能化，大大提升了生產(chǎn)效率和質(zhì)量管理水平，是現(xiàn)代化發(fā)動(dòng)機(jī)智能制造生產(chǎn)線中不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。