發動機、柴油機是汽車最重要的組件，為了提高它們的制造質量，該行業廣泛應用了DPM Data matrix二維碼來進行零件裝配驗證、生產過程控制等等。工業應用中Data matrix二維碼區別于條碼最本質特點就是它的直接零件打碼(Direct Part Marking-DPM )屬性。不同于條碼主要打印于紙質上，Data matrix可以直接打碼于零件上，這為制造過程應用提供了極大的方便 。但是，發動機零件材料的多樣性及不同的加工工序表面處理等，導致工件表面紋理呈現復雜特性，使得讀碼器常常無法讀取Data matrix二維碼。這都涉及讀碼器光源對成像質量的影響。在工程應用中，甚至可以說，讀碼器能否讀取二維碼，80%因素在于是否使用了合理的光源。本文討論發動機制造過程Data matrix二維碼應用的可讀性與光源應用技術，闡述相應的工程解決方法。進一步地，結合Simatic MV420讀碼器及作者多年總結的調試讀碼器準則，通過案例闡述其工程應用。使得讀碼器安裝、調試有了理論指導，降低工程師讀碼器系統應用經驗。 1 光源對讀碼性能影響 1.1亮場光源與暗場光源光源是讀碼器重要的組成部分，它的正確應用對解碼結果有重要作用。發動機生產中應用的讀碼器主要存在兩類光源：亮場光源與暗場光源 。下圖為兩類光源對于零件的照明區域示意，右面為兩類光源照明獲取的圖像。從圖中可以理解，亮場照明是相對于相機與工件垂直線而言較小角度照明物體，而暗場照明則是相對較大角度照明物體。右圖表明對同一零件兩類光源照明形成的圖像，其差異是十分明顯的。

上圖也說明，所謂亮場與暗場光源是相對的，實際應用中常常將讀碼器傾斜工件表面一定角度來獲取好的圖像質量。

1.2 發動機生產線光源對讀碼器二維碼解碼穩定性影響

在發動機生產線，通常存在兩類二維碼打碼機，即激光打碼機及針式打碼機。激光打碼機打碼精度高，質量好相對價格也高。而針式打碼機價格較低，它打印的二維碼常常點和點間隔占有空間大小不一致。圖二為兩類打碼機發動機零件打印的二維碼。

通常，讀碼器獲取的二維碼圖像是光源照射到有紋理的零件表面反射光成像的結果，為了獲取穩定的解碼效果，希望照射的光源光場均勻(可以6-Sigma理論來評價)且突出二維碼而淹沒零件表面紋理。但由于讀碼器光源性能局限及現場安裝空間限制等等因素，使得實際應用中獲取高質量的二維碼圖像面臨困難。

圖三為無錫柴油機生產線的讀碼器二維碼圖像，客戶發現許多碼無法讀取。由于針式二維碼應用亮場光源必須傾斜一定角度安裝，且工作距離限制使得光源僅能照亮讀碼器視場部分區域，這樣當發動機震動等會使碼處于光強不均勻區域，從而讀碼器解碼不穩定。

圖四為同一讀碼器僅光源為暗場光源照明時獲取的二維碼圖像，由于在整個讀碼器視場光場分布均勻，這樣二維碼在任何位置讀碼器都可獲得穩定的解碼性能。

圖五為重汽發動機生產線激光打碼二維碼應用。由于發動機零件表面紋理影響，我們嘗試各種角度都照明也無法獲取理想的二維碼圖像。最終采用激光燒結一個平面，然后在該平面激光打碼，這樣通過改變零件紋理特性獲取好的光反射特性，以提高二維碼圖像對比度，從而使得讀碼器穩定解碼(圖六)。

上述應用說明，讀碼器獲取的二維碼圖像，是光源照射角度、光強及工件表面紋理綜合作用結果。由于發動機各類零件紋理的復雜性，實際二維碼應用會面臨各種問題。而且在線調整完全靠系統集成者經驗而難于掌握。下面我們結合西門子Simatic MV420讀碼器闡明快速安裝、調試讀碼器的方法，降低二維碼工程應用困難。

2 應用西門子Simatic MV420讀碼器快速實現二維碼應用部署

Simatic MV420是一款性價比極高的二維碼讀碼器，它已經廣泛應用于發動機生產線過程。且Simatic MV420軟件界面設置，充分體現了西門子對工程應用的理解與經驗，使得使用者通過參數變化調整光源照射角度及讀碼器姿態，快速部署二維碼系統而降低應用經驗要求。

圖七Simatic MV420調整界面，中間為實時圖像顯示區域，可以直觀觀察光源照明情況與圖像質量;左邊為讀碼器參數如曝光時間、光強等;右邊為西門子默認配置的 ISO/IEC 16022:2000(即早期AIM規范)二維碼質量參數值，據此可衡量DMx質量好壞。下面著重闡述應用ISO/IEC 16022參數現場調整讀碼器的方法。

一般地，為了達到穩定的讀取二維碼，在讀碼器圖像中DMx 單個點大小(CS)必須大于4或5。另外右邊UEC值表示為了正確解碼而未使用的錯誤校驗值(0-1)，也就是說，該值越大意味著越容易解碼。UEC本來是用于評價DMx本身質量好壞，根據作者多年的工程經驗，可以應用該值指導現場讀碼器安裝與調整。

也就是說，讀碼器現場安裝與調試的準則(賈博士準則)：(1)DMx 單個點大小CS≥4或5;(2)UEC值要盡可能大，至少不應為零;(3)確保讀碼器視場內光線均勻。根據這個準則作者完成了汽車、電子及半導體等多行業二維碼應用項目，工程證明了其正確性。

圖七 中二維碼盡管滿足(1)(2)兩項要求，但視場中光線分布不均勻，當生產線零件定位不準確時會導致讀碼性能下降。下面再通過兩例直觀理解應用上述準則安裝、調整讀碼器的方法。

圖九為Simatic MV420完全滿足上述三點準則的在線安裝、調整例子，視場中零件光線均勻，UED值接近1，CS值大于5　。這樣當工件在視場任何位置，都可保證二維碼被解碼。

圖十 示例盡管DMx各項參數值良好(綠色表示好)，但由于UEC值幾乎為零(紅色表示差，紅色長度代表值的大小)，這樣當零件位置變化時會導致二維碼不可讀取。直觀上我們眼睛也可看出該圖像不好。

為了深刻理解讀碼器的現場調整方法，圖十一給出了作者實施的發動機零件的兩個應用例子，讀者可以分析讀碼器安裝質量如何?

3. 結束語

本文闡述了二維碼讀碼器常用的亮場光源、暗場光源概念，指出了讀碼器二維碼圖像是零件表面紋理、光源照射及材料反光綜合作用的結果。針對發動機零件復雜的表面紋理，通過實際工程案例討論了光源應用方案。進一步地，結合西門子MV420讀碼器及作者總結的讀碼器安裝、調整準則，闡明了現場實施二維碼項目方法。這樣使得安裝、調試讀碼器有了理論指導，降低工程師應用經驗。當然發動機生產線零件材料各異，表面處理與加工導致的復雜工件紋理，仍然需要工程師們總結經驗，深刻理解項目實施過程問題，更好的應用光源原理解決面臨的困難挑戰。本文是作者多年該行業應用經驗總結，錯誤之處歡迎同行指正。作者E- Mail:caichao.jia@siemens.com

參考文獻：

[1] MV440/MV420讀碼器用戶手冊。西門子公司，2011.

[2] Hawkey 1500讀碼器用戶手冊。西門子公司，2010.

[3] 工業機器視覺基礎。 西門子公司， 2005.

[4] 工業機器視覺光源基礎。 西門子公司， 2005.