如何使用产品追溯 4.0 解决方案来提高产品安全性、合规性和可追踪性

仓库和工厂的实时资产追踪和产品追溯是工业 4.0 和供应链管理的一个重要方面，面向汽车零部件、白色家电、航空航天、运输和电子系统生产。产品追溯尤其重要：它包括位置跟踪和原材料、零部件、子组件和成品的历史和使用情况的记录。除了能支持生产效率和产品质量提升外，产品追溯 4.0 还是产品安全的一个重要方面，包括防止假冒伪劣，支持精确召回，并确保符合监管。

产品追溯 4.0 解决方案依赖于标记每一个单独的零部件，通常在标签上使用一维或二维码或直接标记在零部件上，并主动跟踪整个生产过程中零部件的移动。这可能是一个相当大的挑战。例如，一辆普通的汽车有超过 20,000 个必须追踪的零部件。产品追溯 4.0 的实施可能很复杂。仅仅对每个零部件进行标记是不够的。可考虑使用单一的成像平台来读取条码和目视检查零部件。此外，这些成像仪需要在恶劣的工业环境和可变的照明条件下操作。

为了支持工业 4.0 的产品追溯需求，设计者可以采用工业智能成像仪，它可以读取一维和二维条码进行视觉检测，并有自动对焦功能以提高成像品质。这些智能成像仪包括了先进的解码算法，甚至可以读取损坏的条码。它们采用双前窗结构，以尽量减少冷凝问题，并提供 IP65/67 保护，以确保在恶劣环境中的性能。

本文探讨了产品追溯 4.0 的发展及其能给提升产品安全、产品跟踪和监管合规的方式，回顾了基本条码类型和读取坏条码的重建软件，研究了系统集成问题以及如何选择机械和液体透镜自动聚焦系统，最后介绍了 Omron 的智能工业成像仪以及用于设置条码读取和机器视觉应用的软件开发工具。

产品追溯 4.0 适合用在哪里？

产品追溯 4.0 是工业 4.0 的一个组成部分，但并不是每一个制造业务都是工业 4.0。例如零售和仓储，并不要求产品追溯 4.0。那么，产品追溯 4.0 是如何产生的呢（图 1）？

• 产品追溯 1.0 通常依靠条码来自动识别产品以提高准确性和效率。
• 产品追溯 2.0 在供应链管理中使用了日期和批号。旨在获得更高的质量水平和提升消费信心，并支持有针对性的产品召回。它仍然在零售业中使用。此外，美国食品和药物管理局 (FDA) 规定医疗设备必须使用这种形式的唯一设备标识 (UDI)。其间，国际标准化组织 (ISO) 也开始制定条码质量规范。
• 产品追溯 3.0 的推出标志着追踪单个设备而不是日期和批号的开始。用于塑料和金属零件的直接零件打标 (DPM) 技术是为在恶劣的工业环境中使用而开发的。制定防伪计划的基础是为了确保产品和零部件的真实性。
• 产品追溯 4.0 则是全方位的追溯，包括全面的零件历史和单个零件的几何尺寸和公差 (GD&T)。GD&T 在航空航天和汽车制造等精密制造业中至关重要，它能够根据零件的精确 GD&T 值进行安装，确保了高精度的装配并为高质量系统提供了支持。

图1：产品追溯 4.0 是工业 4.0 的一个组成部分，但并不完全取代前几代。（图片来源：Omron）

条码类型和标准

随着产品追溯变得越来越复杂，条码类型也在不断发展和扩大。今天，有多种常见的条码类型，包括线性、二维（如数据矩阵、二维码和阿兹特克码）和堆叠式线性条码（如 PDF 417、Micro PDF 和复合码）（图 2）。它们可以印在所附标签上或直接标记在零件上。有很多标准，具体包括：

• AIAG B4 – 汽车工业行动小组零部件识别和跟踪
• AS9132 – 航空航天工程师协会，零件标记的数据矩阵质量要求
• EIA 706 – 电子工业协会，元器件标记
• ISO/IEC 16022 – 国际符号学规范
• ISO/IEC 15418 – 符号数据格式语义
• ISO/IEC 15434 – 符号数据格式语法
• ISO/IEC 15415 – 二维打印质量标准
• ISO/IEC 15416:2016 – 一维打印质量标准
• ISO/IEC TR 29158:2011 – 直接零件打标 (DPM) 质量指南
• SPEC 2000 – 航空运输协会，电子商务，包括永久零件 ID
• IUID – 美国国防部，永久和独特项目标识
• UDI – FDA 医疗设备标识

图 2：产品追溯 4.0 可以支持使用各种条码样式。（图片来源：Omron）

条码损坏了怎么办？

条码标记会有变化；它并不完美。即使是印刷良好的条码，在零件制造过程时也会出现损坏或歪斜。零件表面和条码之间缺乏对比，以及工业环境中照明条件变化剧烈，这些都是开发产品追溯 4.0 基础设施时必须解决的挑战。

为了应对在不断变化条件下准确读取各种条码的挑战，Omron 推出了其 X-Mode 算法，这种算法可以读取任何表面上的几乎任何条码，包括闪亮的、有纹理的或弯曲的。使用 X-Mode 可以最大限度地减少所谓的“读不出”，最大限度地减少延迟和停机时间。

X-Mode 使用先进的数字图像处理和像素分析，使扭曲、损坏、印刷不良或歪斜的符号变得可读。对于 DPM 条码，如纸板和其他包装上的喷墨打印代码或反射性金属表面的点状标记，X-Mode 增强了图像的对比度和清晰度，即使在动态环境中也能可靠地读取和解释代码（图 3）。X-Mode 还支持全向解码，增加了可用的安装角度范围，简化了条码读取器的集成。

图 3：先进的数字成像和像素处理使得 X-Mode 软件能够在挑战性的条件下读码。（图片来源：Omron）

系统集成

真正的产品追溯 4.0 系统需要将多个摄像头集成到一个易于使用和易于管理的系统中。有了这些智能工业成像仪，当需要多个代码的组合输出或代码位置不可预测时，工艺工程师可以使用以太网交换机组合多达 8 个读码器，以支持 360 度读码和产品检测。

工业 4.0 操作中典型的高混制造可以通过自动从多种设置中选择来获得支持，以根据条码尺寸、类型、照明和对比度以及位置使用最佳选项，从而最大化读取率和生产线速度。该系统使用 ISO 标准分级方法对条码质量进行在线监控，如果质量低于用户设定的阈值，就可以触发警报。

这些智能工业成像仪有一个集成的基于网络的条码读取器界面。每台成像仪都可以通过其 IP 地址在任何具有网络功能的设备上安全地访问。开放的协议结构简化了设备集成，消除了设备不兼容的问题。网络集成包括三个用户访问级别。在最高级别的安全和访问方面，用户可以编辑设置，这些设置可以保存在读取器的内部存储器或外部设备上，并转移到其他设备上，以加速新设备的整合并满足不断变化的环境需求。

为了降低整体设备成本，可以用一台设备监控多个读码器的检测状态。标准成像仪需要每个设备有一个显示屏，而这些种智能工业成像仪只需要一个显示屏就可以用于多个设备。这简化了多个成像仪的安装和监控。此外，当有网络监控软件集成到每个智能工业成像仪中时，就能够使用平板电脑或个人电脑对多个成像仪进行远程监控。

自动对焦的选择

自动对焦能力可以大大影响条码读取系统在挑战性环境中的性能。这些智能工业成像仪提供了机械和液体透镜自动对焦的选择。机械式自动对焦是通过一个小型电机实现的。其机械性质意味着它受到磨损和金属疲劳的影响，可能需要每年更换。液体透镜自动对焦通过施加电压改变由油和水组成的内部结构的形状来改变透镜的焦距（图 4）。由于没有机械磨损，液体自动对焦机制的工作寿命可达数年。通过使用液体透镜技术，成像仪可以自动将焦点从 50 毫米 (mm) 调整到 1200 mm，甚至可以读取复杂印刷电路板上的高密度数据矩阵符号。具有这两种类型自动对焦的成像仪在连接后几秒钟内就能读取任何代码，不需要设置。

图 4：机械式自动对焦（左）需要更多的维护，导致比液体透镜自动对焦（右）停机时间的更多。（图片来源：Omron）

智能工业成像仪

Omron MicroHAWK 读码器提供了快速和可靠的操作，具有坚固的超紧凑外壳，双前窗结构有助于避免湿气在窗口内凝结。根据不同的型号，它们会提供 IP65/67 保护等级，以确保在挑战性环境中的性能。图像分辨率从 30 万到 500 万像素不等。这些成像仪有光学、照明和滤光选件，以优化设备，满足特定的操作环境和成像需求。MicroHAWK 的特性包括：

• 以太网/IP、以太网 TCP/IP 和 PROFINET 连接
• 5 至 30V_DC 电源输入，可选择以太网供电 (PoE)
• 800MHz 处理器速度，支持快速图像处理
• 非线性校准 (NLC) 功能通过抵消镜头失真，将测量和定位器性能提高了 20 倍。其输出测量值单位为毫米和像素。

同一设备可以支持每秒 60 帧的条码读取和视觉检查。MicroHAWK 读码器实例器件有：

• V430-F000W12M-SRP，120 万像素的成像仪，带有宽视野的 5.2 mm 焦距镜头，加上标准自动对焦、标准红色外灯以及增强模式成像（图 5）
• V430-F000L12M-SRX，120 万像素成像仪，带 16 mm 窄镜头，自动对焦至 1,160 mm，标准红色外灯，和 X-Mode 成像。

图 5：这个 120 万像素的成像仪有一个 5.2 mm 焦距广角镜头和增强模式成像软件。（图片来源：DigiKey）

高效设置

Omron 的 AutoVISION 软件可以加快 MicroHAWK 成像仪的设置和安装。通过 AutoVISION，用户可以连接和配置设备，并对作业进行编程和监控。AutoVISION 作业可在多个 MicroHAWK 成像仪、软件包、工业系统以及平板电脑和 PC 上灵活操作。它可以在一个系统中集成多达 8 个成像仪。通过 AutoVISION，这些智能成像仪可用于机器视觉检测，如检查零件存在、零件定位、零件计数、颜色检测和进行尺寸测量。实施 AutoVISION 有三步：

• 一键捕获图像
• 指定检查区域，用拖放工具分配输出
• 用运行按钮启动检查过程

AutoVISION 开发软件适合广泛应用。

• 检验和一般机器视觉
• 包装流水线
• 装配工艺
• 缺陷检测

结语

产品追溯 4.0 支持工业 4.0 制造流程和供应链，但并不完全取代其他应用中早期版本追溯规范。高性能成像仪是部署产品追溯 4.0 的一个关键要素。智能工业成像仪具有自动对焦功能，能够在挑战性环境和照明条件下可靠地运行。NLC 软件可将测量精度提高 20 倍，而可用的自动配置软件则可加快高性能追溯系统的部署。