Диссертация (Обоснование параметров лазерной маркировки деталей машин и агрегатов для их идентификации и учета)

Федеральное государственное автономное образовательное учреждениевысшего образования«Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого»На правах рукописиГАНЗУЛЕНКО ОКСАНА ЮРЬЕВНАОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЛАЗЕРНОЙ МАРКИРОВКИ ДЕТАЛЕЙМАШИН И АГРЕГАТОВ ДЛЯ ИХ ИДЕНТИФИКАЦИИ И УЧЕТАСпециальность: 05.02.13 – Машины, агрегаты и процессы(полиграфические и упаковочные технологии и оборудование,химическая промышленность) (технические науки)Диссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:доктор технических наук,доцент А.П. ПетковаСанкт-Петербург20172СОДЕРЖАНИЕВведение………………………………………………………………………...5Глава 1 Литературный обзор различных способов маркировкиготовойпродукциидляучетаиидентификации,атакжеприменяемого в этих целях оборудования…………………………………151.1 Анализ применения различных способов маркировки готовойпродукции ……………………………………………………………………….151.2 Анализ применения лазеров для получения цветных изображенийи информационных полей на материалах……………………………………..211.2.1 Физические основы лазерной обработки материала……………...311.2.2 Процессы на поверхности материалов при воздействиилазерного излучения в процесс нанесения маркировки ……………………..331.2.3 Нанесение маркировки на металлические материалы лазером….361.2.4 Лазерная маркировка пластмасс……………………………………381.3 Разновидности штрих-кодовых символик и считывающих оптикоэлектронных приборов (сканеров) для идентификации информацииштрих-кодов……………………………………………………………………..401.3.1 Виды кодировочных символик……………………………………...401.3.2Обзорсканеровдлясчитыванияиидентификациизакодированной информации штрих-кода…………………………………….431.4 Особенности окисления металлических материалов при лазерномвоздействии ……………………………………………………………………..1.5Способыпередачиизображенияпосредством46лазерныхкомплексов………………………………………………………………………521.6 Выводы по первой главе……………………………………………….56Глава 2 Методика проведения исследований……………………………...582.1 Влияние состава обрабатываемой поверхности на цветовыехарактеристики получаемых изображений при маркировке импульснымлазером……………………………………………..............................................5832.2 Химический состав и свойства исследуемых материалов…………..672.3 Оборудование и методики проведения исследований…………….702.4Методикаполученияизображенийнаметаллическихиполимерных материалах………………………………………………………752.5 Методика нанесения контрастных штрих-кодов на поверхностьметаллов и полимеров…………………………………………………………842.6 Методы исследования структуры и свойств пленок, формирующихмаркировочные изображения на металлических материалах………………..2.7 Выводы по второй главе………………………………………………91933 Технологические режимы процесса лазерной маркировки и ихапробация……………………………………………………………………….953.1 Математическая модель формирования цветных символов наметаллической поверхности для расчета технологических режимовмаркировки………………………………………………………………………953.2 Технологические режимы получения цветных изображений наметаллической поверхности и их апробация………………………………….3.3РазработкаалгоритмаработыбазовогоПОдляавтоматизированной обработки и формирования изображения……………..3.4Примерырасчетаиапробациярежимов100105формированияконтрастных изображений штрих-кода на ВТ1-0…………………………….1093.5 Пример расчета и апробация режима формирования одномерногоштрих-кода на циркониевом сплаве…………………………………………...1133.6 Режимы формирования контрастных изображений штрих-кодов наметаллических и полимерных материалах и их апробация………………….1163.7 Выводы по третьей главе………………………………………………122Глава 4 Структурно-фазовый анализ обработанной поверхностиметаллическихматериаловиоценкакачествананесенноймаркировки…………………………………………………………………….4.1 Исследование фазового состава оксидных пленок на поверхности1244замаркированных металлических образцов…………………………………...1244.2 Исследование толщины нанесенных цветных оксидных пленок иих механических свойств……………………………………………………….1284.3 Исследование показателей качества нанесенных маркировочныхизображений……………………………………………………………………..1334.4 Выводы по четвертой главе…………………………………………...140Заключение …………………………………………………………………….141Основные выводы по работе ………………………………………………143Список литературы……………………………………………………………144Приложения…………………………………………………………………….1585ВВЕДЕНИЕАктуальность темы исследования.

В процессе производства деталеймашин и агрегатов в современном машиностроении необходимо наноситьиндивидуальную маркировку для автоматического считывания информации.Такая маркировка деталей и узлов на каждом этапе производства должнаобеспечивать качественную сборку единиц всего технологического процесса.Ранее на производстве наносили на изделия сразу целый комплекс маркировок,включающий такую информацию, как наименование производителя, вариантисполнения, дата изготовления и подтверждение годности детали.

В связи сростом и расширением производства машин и агрегатов повысились требования ккачеству выпускаемой продукции. В связи с этим возникли новые задачи, длярешения которых стало недостаточно использования обычной маркировки.В машиностроении в процессе производства существует разделение узлов иматериалов на категории, которые объединяются по определенным признакам.Так как технологии, применяемые в производстве агрегатов и машин, постоянноразвиваются, в усовершенствованном производственном процессе необходиморазделение схем и деталей на «старые» и «новые» [1].

При этом маркировка даетвозможность сохранять данные о деталях в течение всего срока их эксплуатации,в том числе и гарантийного, а также получать самые точные сведения о вариантеприменения запасных частей и материалов в конечном изделии. Процессмаркировки деталей требует высокой точности и оперативности, которые должныпозволить получить качественный продукт малыми затратами.Важнымэлементомвпромышленномпроизводствеявляетсяидентификация изделий.

На производимую продукцию должна наноситьсяинформация, необходимая как для ее отслеживания в процессе производства, таки для корректного использования в период эксплуатации. Для идентификацииизделия на него наносится его наименование и технические данные, логотипизготовителя или фирменный знак производства, сопутствующая информация овремени изготовления продукции, даты и пр. Особенно ответственно нужно6подбиратьспособмаркировкиизделий,подвергающихсявоздействиюагрессивных сред в процессе эксплуатации, к которым относятся детали машин иагрегатов, работающие, как правило, в тяжелых условиях, подвергающиесявысоким нагрузкам, а также воздействию внешней и рабочей среды.Таким образом, маркировка деталей машин и агрегатов для их учета иидентификации–этоважныеоперациитехнологическогопроцессамашиностроительного производства, входящие в обязательный цикл работыпроизводственного участка предприятия.

Если в торговле и логистике вполнедостаточно использовать этикетки на бумажных носителях со всей необходимойинформацией на упаковке товара, которая легко считывается с помощью сканераштрих-кодов или терминала сбора данных, то в тяжелой промышленности попроизводству машин и агрегатов невозможно обойтись без надежной икачественной маркировки, наносимой непосредственно на поверхности деталей,которые в последствии будут использоваться в составе различных конструкций иузлов и зачастую должны сохраняться в течение всего срока службы агрегата.Однойизосновныхфункциймаркировкидеталейсовременногомашиностроения является правильное применение деталей при конвейернойсборке в более жестких пространственных и временных рамках.

А при обработкемаркировочной информации требуется быстрое получение ответа о возможностиустановки определенного узла. При этом важно, чтобы при обработке данныхбыли исключены ошибки. При таких требованиях к производственному процессуважно максимально устранить человеческий фактор, то есть полностьюавтоматизировать данный процесс.Наличие в настоящее время на рынке готовой продукции большого объемаконтрафакта (поддельной продукции) обязывает производителей усиленноразрабатывать новые средства и технологии, обеспечивающие однозначнуюидентификацию оригинальной продукции.

Используемые в настоящее времяспособы защиты и идентификации готовой продукции, такие как голограммы,штрих-коды, микронадписи и др. не позволяют кардинальным образом решитьданную проблему, т.к. они наносятся на промежуточные носители информации7(бумага, пластик и др.), а не непосредственно на само изделие. Соответственноони могут быть относительно легко подделаны и утеряны при эксплуатацииизделий.

В тех же случаях, когда метки наносятся на само изделие, применяемыеметоды достаточно сильно деформируют поверхность деталей (метод «питов»,метод «лазерной насечки») и, самое главное, не позволяют записать большойобъем информации об изделии [2-5].Нанесениештриховыхкодов,впервуюочередь,двухмерныхвысокоплотных штрих-кодов прямо на изделия, позволяет решать еще однуважную задачу – размещать на самом изделии нужную информацию схарактеристикой условий его изготовления и эксплуатации.Традиционные методы маркировки не позволяют наносить хорошоразличимые и долговечные штрих-коды на промышленные изделия, в своюочередь процесс лазерной маркировки может обеспечить качественное нанесениеи долгосрочное хранение маркировочной информации на поверхности изделий.Специфика маркировки посредством специальных лазерных маркировочныхкомплексов заключается в том, что лазерный луч обладает определенным рядомсвойств и при его воздействии на вещество происходит модификацияповерхности материалов с минимальным термическим влиянием на ихповерхность.

Это позволяет получить стойкую и хорошо различимую маркировку,не повреждая поверхность. Изменяя мощность используемого лазера, возможносоздаватьуникальныеизображения,обеспечиваямаксимальнуючеткостьизображения за счет изменения химических, физических и оптических свойствповерхности обрабатываемого материала.Маркировка, нанесенная в процессе обработки лазером, будет устойчива квнешним воздействиям, не потускнеет со временем, ее возможно нанести даже натруднодоступные части изделий. Благодаря широкой вариативности настроеклазерной установки при помощи лазерного воздействия на изделия можетнаноситься информация, которая изменяется с заданной периодичностью.Возможность получать многоцветные изображение в процессе лазернойобработкиметаллическихматериалов–этонаиболеесовременныйи8технологичный подход, обладающий исключительно высокой вариантностьюпараметров процесса, так как характеристиками лазерного луча легко управлять,и возможно достаточно точно дозировать и регулировать энергию излучения, атакжедругиепараметрылазернойустановки.Благодаряминимальномутермическому воздействию на их поверхность и возможности подборатехнологических параметров для формирования качественного нанесения штрихкодов можно маркировать пластиковые, металлические, деревянные и другиеизделия.