10 aspektów związanych z procesem bezpośredniej identyfikacji znakowanych części

Prowadzenie precyzyjnego procesu identyfikacji znakowanych części  (ang. Direct Part Mark Identification – DPMI) wymaga od producentów:  starannej analizy procesu produkcji, właściwego doboru wykorzystywanych  w nim urządzeń oraz środowiska pracy – tak, żeby było możliwe odczytanie  znaków szczególnych, umieszczanych na produkowanych elementach.
Wielu producentów elementów dyskretnych zapewnia stały nadzór nad jakością swych produktów poprzez tzw. bezpośrednie znakowanie wytwarzanych elementów specjalnymi kodami, które mogą być odczytane maszynowo, a następnie są śledzone w czasie całego cyklu produkcyjnego. Taki proces nazywany jest bezpośrednią identyfikacją znakowanych części.
Prowadzenie szybkiego, dokładnego i wiarygodnego procesu DPMI stanowi nie lada wyzwanie, ponieważ odczyt kodów znakowania może być niekiedy utrudniony, np. ze względu na niski kontrast, zmiany powierzchni znakowanego elementu, jego częściowe zniszczenie w trakcie obróbki oraz niekorzystne warunki środowiskowe. Jeżeli kod staje się nieczytelny, element przestaje być właściwie identyfikowany i obrabiany, a tym samym obniża się wydajność całego zautomatyzowanego procesu obróbki.
Postęp dokonujący się w mocach obliczeniowych cyfrowych procesorów sygnałowych, technologiach czujników obrazu oraz algorytmach dekodowania, pozwolił na stworzenie stosunkowo tanich czytników identyfikacyjnych (ang. ID readers), spełniających wymagania stawiane przez producentów elementów dyskretnych. W niniejszym artykule omówiono 10 najistotniejszych czynników, jakie należy rozważyć, podejmując decyzję o zastosowaniu systemów DPMI w zakładzie produkcyjnym.  
1. Wybór kodu 
Popularny kod ANSI jest szeroko stosowany w aplikacjach DPMI wykorzystywanych  w produkcji elementów z metalu, szkła, ceramiki i plastiku. Ze względu na dużą popularność tego typu kodu dostawcy urządzeń znakujących oraz czytników zainwestowali znaczne środki na cele badawcze i rozwojowe, w celu poprawy funkcjonowania i osiągów sprzętu zgodnego ze standardem ANSI ECC200. Jednakże pomimo tych działań niektóre z czytników wciąż pracują tylko z konkretnymi, firmowymi kodami, charakterystycznymi dla określonego producenta lub ewentualnie z kilkoma schematami kodowymi (symbolika), opracowanymi dla niewielkiej grupy oferowanych produktów. 
W Europie specyfikacja symboli kodu opartego na ANSI ECC200 zawarta jest w opracowanym przez Międzynarodową Organizację Normalizacyjną standardzie ISO/IEC WD 16022.3. Jednak wśród polskich oraz innych europejskich producentów urządzeń kodujących, drukarek oraz czytników kodów powszechnie przyjęto anglojęzyczną nazwę kodu związanego z tą specyfikacją: DataMatrix; powszechnie jest również stosowane nazewnictwo standardu amerykańskiego ANSI ECC200.  
2. Kodowanie danych 
Dwuwymiarowy kod danych (kod matrycowy – ang. data matrix code) oferuje dla aplikacji DPMI liczne korzyści, włączając w to niewielkie rozmiary, wysoką wydajność kodowania danych oraz korekcję błędów – co umożliwia poprawne odczytanie kodu nawet przy jego znacznym stopniu zniszczenia (do 60%). Proces kodowania danych odnosi się bezpośrednio do ilości informacji zapamiętanych w kwadratowej matrycy w czasie jej tworzenia. W standardzie ECC200 dostępne są 24 formy kwadratowe i 6 prostokątnych, dając użytkownikowi swobodę i elastyczność zakodowania w jednym kodzie od 6 do 3116 znaków numerycznych. Inne popularne w Polsce standardy kodów dwuwymiarowych to: PDF-417 oraz MaxiCode. Więcej informacji o standardach kodów jedno- i dwuwymiarowych można znaleźć na stronach: www.autoid.pl/autoid-kody-kreskowe/standardy.html oraz www.maxicode.pl. 
Rozmiar kodu może wpływać na jego czytelność, a jest on determinowany przez: ilość kodowanych danych, rozmiar komórki kodu (ang. cell) oraz chropowatość powierzchni elementu, na której kod będzie umieszczony. Chcąc dostosować się do specyfikacji przemysłowych, rozmiar kodu definiowany jest bezpośrednio na podstawie danych i wymagań dotyczących konkretnej aplikacji. Decyzja  o tym, jakie informacje będą kodowane, zazwyczaj podejmowana jest opierając się na potrzebach końcowego odbiorcy systemu, określone przez niego w projekcie. 
Pod uwagę należy wziąć również ilość dostępnego miejsca na znakowanym elemencie. Ograniczona przestrzeń może wymagać zastosowania prostej informacji kodowej w postaci tzw. „tabliczki licencyjnej” (ang. license plate), jako podstawowego elementu identyfikującego daną cześć, redukującej ilość kodowanych danych i ostatecznie sam rozmiar kodu. W takim przypadku wszelkie szczegółowe dane dotyczące: producenta, procesu produkcji i historii danego elementu przechowywane są i/lub w razie potrzeby aktualizowane, w scentralizowanej bazie danych, na podstawie sygnału identyfikującego ten element  w procesie produkcji lub też sieci dystrybucyjnej. Jeżeli zaś dostępność przestrzeni na elemencie nie stanowi problemu, użytkownicy mogą wykorzystać duży potencjał pojemności kodu i zakodować znacznie większą ilość danych na elemencie, tworząc w ten sposób przenośną, mobilną, trwale związaną z tym elementem bazę danych.

Fot. 1. Czytniki bezprzewodowe są często wykorzystywane w środowiskach, gdzie przenoszenie produkowanych elementów nie jest zautomatyzowane lub są one znacznych rozmiarów
3. Metody znakowania 
Wybór metody znakowania jest zazwyczaj włączony w proces projektowania danego elementu; ewentualne odstępstwa od ustalonego wcześniej projektu wymagają najczęściej zgody inżyniera-projektanta. Do podstawowych metod stosowanych do wytwarzania symboli kodowych dla aplikacji DPMI – umożliwiających maszynowy, zautomatyzowany odczyt – zalicza się: natrysk punktowy, znakowanie laserowe, znaki wytwarzane metodami elektro-chemicznymi (tzw. kwasoryt) oraz nadruki atramentowe. Najważniejszymi czynnikami decydującymi o wyborze metody znakowania są: średnia długość „życia” elementu, skład materiału,  z jakiego jest on wyprodukowany, podatność na zużycie w danym środowisku oraz wielkość produkcji. Do pozostałych, mniej istotnych czynników zaliczyć można: fakturę powierzchni elementu, ilość danych do zakodowania na każdej z części oraz dostępną przestrzeń i lokalizację oznaczenia na elemencie.  
4. Lokalizacja oznaczenia 
Umiejscowienie znaku kodowego na elemencie może mieć bezpośredni wpływ na jego czytelność. Powinien być on tak umieszczony, by był widoczny podczas całego procesu produkcyjnego i najlepiej, by znajdował się on na płaskiej powierzchni danej części. Powierzchnia wybrana dla znaku kodowego powinna być również łatwo dostępna i widoczna dla czytników kodu. Należy unikać lokalizacji,  w których faktura otaczającej je powierzchni mogłaby potencjalnie niekorzystnie wpływać na widoczność kodu, wprowadzając dodatkowe odbicia światła generowanego przez czytniki kodowe. 
Tam, gdzie tylko jest to możliwe, zaleca się stosowanie tzw. „czystej strefy” wokół znaku kodowego, gdzie nie występują żadne zarysowania, krawędzie czy inne elementy, mogące naruszyć strukturę kodu lub utrudnić jego jednoznaczną interpretację. Jeżeli oznaczenie musi być umieszczone na powierzchni cylindrycznej, szczególną uwagę zwrócić należy na dobór rozmiaru kodu. Krzywizna powierzchni może powodować zniekształcenia kodu oraz utrudniać jego właściwe oświetlenie przy odczycie. Złagodzenie tych niekorzystnych zjawisk wymaga stosowania oznaczeń o rozmiarach nie większych niż 16% długości średnicy łuku cylindra lub też 5% długości obwodu danej powierzchni cylindrycznej.  
5. Czytelność kodu 
Czytelność to parametr określający, jak łatwy lub trudny dla czytnika jest właściwy odczyt kodu. Dostawcy systemów DPMI muszą wykazać, iż oferowane przez nich urządzenia osiągają współczynnik odczytu „six sigma” – poziom jakości odczytu charakteryzujący się liczbą 3, 4 błędnych odczytów na milion prób (więcej o współczynniku „six sigma” na stronie internetowej encyklopedii Wikipedia: en.wikipedia.org/wiki/Six_Sigma). Użytkownik zamierzający zastosować w swoim zakładzie system DPMI musi poznać i zrozumieć wszystkie czynniki mogące mieć wpływ na czytelność kodu. Dobrym punktem wyjścia jest tu zrozumienie zasad projektowania oraz innych zjawisk związanych z symboliką kodów dwuwymiarowych, matrycowych. 
Cechami składającymi się na symbol kodu matrycowego są: cicha strefa, wzorzec rozpoznawczy, wzorzec taktowania oraz obszar danych. Każdy z tych elementów odnosi się do wybranego modułu (komórki) kodu. Wygląd rzeczywistego kodu zależy od metody znakowania. Na przykład kod dwuwymiarowy, matrycowy, wytworzony za pomocą lasera lub drukarki pojawia się najczęściej z ciągłym wzorcem L i modułami kwadratowymi, zaś kody powstałe przez punktowy natrysk lub znaki atramentowe mają „nieciągły wzorzec L” oraz wzorzec danych składający się z modułów okrągłych. 
Wiarygodność i pewność odczytu kodu wymaga wzoru złożonego z modułów jednoznacznie i wyraźnie różniących się w kształtem od innych cech charakterystycznych powierzchni znakowanego elementu. Stawia to szczególnie wysokie wymagania w stosunku do systemów DPMI z powodu wielu odmian, rodzajów znakowanych powierzchni elementów, zmian w ich wyglądzie w trakcie trwania procesu produkcji oraz zmienności parametrów maszyn znakujących. Na przykład nierówności występujące na powierzchniach odlewów pojawią się w obrazie umieszczonego na nich kodu. Jeżeli nierówności te mają rozmiary i/lub kształt porównywalne ze znakiem kodowym, jego czytelność obniża się, gdyż znak kodowy miesza się z otaczającymi je nierównościami, niejako wtapiając się w nie.
6. Weryfikacja 
System weryfikacji umożliwia natychmiastowe wykrycie różnorakich problemów związanych z pracą systemu znakowania, mogących pojawić się na skutek złego zamocowania znakowanego elementu czy też uszkodzenia jednej z maszyn znakujących (np. złamanie końcówki natryskowej lub dobór niewłaściwych ustawień w czasie zmiany elementu). Dodatkowo system weryfikacji kodu może również zapewnić sprzężenie zwrotne dla procesu znakowania, do wykorzystania jako dodatkowy środek zapobiegawczy i kontrolny w utrzymaniu i zarządzaniu całym procesem DPMI. Na przykład element kontrolny może monitorować stan zużycia końcówki natryskowej w maszynie punktowego natrysku, poprzez kontrolę rozmiaru natryskiwanego punktu, i powiadamiać właściwego operatora w momencie zarejestrowania jakiejkolwiek zmiany tegoż parametru.  
7. Rodzaje czytników 
W systemach DPMI stosuje się dziś powszechnie trzy rodzaje czytników (dekoderów): czytniki stacjonarne, zbliżeniowe oraz przenośne (ręczne). 
Czytniki stacjonarne używane są w identyfikacji części przenoszonych lub przesuwanych przez taśmociąg, przenośnik pozycyjny (ang. indexer) lub robota. Ten typ czytników montowany jest w określonej, stałej pozycji tak, że znacznik elementu umieszczony jest frontalnie w stronę czytnika, zaś same elementy przemieszczają się przed czytnikiem  w sposób ciągły lub pozycyjny. Czytnik kodu otrzymuje informację o gotowości danego elementu do odczytu kodu poprzez tzw. element wyzwalający (ang. trigger). Element ten to najczęściej dodatkowy, zewnętrzny czujnik, wykrywający obecność identyfikowanego elementu w odpowiednim miejscu lub też specjalizowany enkoder znający aktualną pozycję tegoż elementu i wysyłający odpowiedni sygnał do czytnika kodu, który uruchamiany jest tylko na czas odczytu znaku kodowego. 
Czytnik zbliżeniowy, podobnie jak wspomniany wyżej czytnik stacjonarny, również najczęściej montowany jest na stałe w jednym miejscu, jednakże w odróżnieniu od poprzednika pracuje w ciągłym cyklu odczytu, automatycznie realizując proces odczytu, gdy tylko identyfikowany element zostanie umieszczony w polu czytnika. Urządzenia tego typu mogą być wykorzystane do szybkiego odczytywania kodów w miejscach, gdzie elementy przenoszone są np. ręcznie. Czytniki zbliżeniowe mogą być montowane zarówno w urządzeniach stacjonarnych, jak i przenośnych. 
Stosowanie czytników przenośnych preferowane jest szczególnie w środowiskach, gdzie przenoszenie czy też przemieszczanie elementów nie jest procesem zautomatyzowanym lub produkowane elementy mają bardzo duże rozmiary. Czytniki tego typu mogą być zarówno urządzeniami zasilanymi przewodowo, jak i bezprzewodowo. Zaletą czytników przewodowych jest niemożność przeniesienia ich  z określonego obszaru, w którym mają one funkcjonować, do innego miejsca. Moduły bezprzewodowe wymagane są w przypadkach, gdy rozmiar identyfikowanego elementu lub też jego pozycja, wymagałyby stosowania bardzo długich, nieporęcznych kabli.  

Fot. 2. Czytniki stacjonarne wykorzystuje się w identyfikacji elementów, które są przenoszonelub przemieszczane automatycznie przez taśmociągi, przenośniki pozycyjne lub roboty
8. Wybór czytnika 
Jednoznaczny i poprawny odczyt kodu ma zasadnicze znaczenie w procesie identyfikacji; fakt ten determinuje wybór rodzaju czytników tak, by były one odporne na jak największy zakres możliwych zniekształceń kodów identyfikacyjnych. 
Podstawą do wstępnych testów i określenia współczynnika odczytu dla danego typu czytników może być zbiór próbnych elementów, reprezentujący jak największy zakres oznaczeń o różnej jakości. Zaleca się jednakże przeprowadzenie również bardziej szczegółowych testów pilotażowych, tak by w trakcie podejmowania ostatecznych decyzji dysponować jak największym zasobem zebranych statystyk i analiz. 
Czytnik, prócz poprawnego odczytu kodu, powinien również szybko wydawać informacje o efektach przeprowadzonej identyfikacji. Chociaż głównym celem stosowania automatycznych czytników i urządzeń identyfikacyjnych jest eliminacja błędów dokładności odczytu danych, to jednak precyzyjne algorytmy nie powinny spowalniać samego procesu produkcji czy też działania urządzeń automatyki.
9. Łączność, komunikacja 
W przypadku systemów DPMI opartych w swej budowie na czytnikach stacjonarnych, wyniki odczytu są zwykle wysyłane do systemu zarządzającego procesem produkcji lub bazy danych poprzez sieć przemysłową, dlatego też powinny być one wyposażone w odpowiednie złącza do komunikacji szeregowej oraz sieciowej. Komunikacja szeregowa stosowana jest zwykle w przypadkach, gdy odczytane dane lub też wynik identyfikacji elementu są sygnałami „lokalnymi”, wykorzystywanymi bezpośrednio przez znajdujące się w pobliżu urządzenia automatyki czy kontroli. Komunikacja sieciowa zaś umożliwia czytnikom przesłanie odczytanych danych do oddalonych komputerów PC oraz określonych baz danych w przedsiębiorstwie. 
Ostatecznie, wraz ze wzrostem liczby stosowanych czytników i urządzeń identyfikacyjnych w procesach przemysłowych, ważne staje się posiadanie zcentralizowanego systemu – w celu zarządzania tymi czytnikami. Z pomocą przychodzi tu możliwość zdalnego sterowania i zarządzania systemem identyfikacji i śledzenia elementów poprzez sieć, z dowolnego miejsca w fabryce jak i poza nią. 
Wybór metody komunikacji i łączności  w przypadku zastosowania czytników przenośnych zależy od tego, czy są one urządzeniami przewodowymi czy też bezprzewodowymi. W przypadku tych pierwszych często wyniki odczytów przesyłane są w postaci tzw. „wciśnięć klawiszy”, czyli sygnałów danych naśladujących wciśnięcie określonych klawiszy klawiatury komputerowej, co sprawia, iż dane w tej postaci są wyjątkowo łatwe do interpretacji w komputerach klasy PC. Inna możliwość to przesłanie danych standardowym interfejsem RS-232. Czytniki bezprzewodowe do łączności z komputerem bazowym lub innymi urządzeniami kontrolnymi czy sterującymi wykorzystują popularne technologie komunikacji bezprzewodowej, takie jak np. Bluetooth. 
10. Wybór dostawcy 
Dostawca powinien zapewnić niezbędną fachową pomoc oraz wykazać się potwierdzonymi kwalifikacjami, dotyczącymi wykonawstwa systemów DPMI, jak również zagwarantować prawidłowość wykonania zrealizowanej przez siebie instalacji. Globalna sieć wyspecjalizowanych biur pomaga inwestorom i użytkownikom uzyskać niezbędną pomoc zarówno przed, jak i po zakupie systemu DPMI. Ma to szczególne znaczenie zwłaszcza w przypadkach, gdy system zamawiany i konfigurowany jest w jednym miejscu, a następnie przetransportowany i użytkowany w drugim. Nie bez znaczenia jest również fakt, by dostawca legitymował się właściwymi referencjami oraz stabilnością finansową swojej firmy.  
Justin Testa jest wiceprezesem działu produktów identyfikacyjnych w firmie Cognex Corporation, www.cognex.pl.  
Artykuł pod redakcją Andrzeja Ożadowicza