Tracebility mittels 2D-Codes (Vision: 4.0-231)

Quadratisch, praktisch, gut

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Die eindeutige Identifizierung und Rückverfolgbarkeit (Traceability) von Produkten gewinnt immer mehr an Bedeutung. Dieser Trend wird angetrieben durch Richtlinien und Verordnungen sowie durch den Wunsch nach einem möglichst transparenten und automatisierten Produktionsablauf und einer optimalen Logistik. Als vorteilhaft haben sich hier 2D-Codes erwiesen, sie beanspruchen nur wenig Platz und können auch unter schwierigen Bedingungen noch zuverlässig ausgelesen werden.

2D-Codes (Array-Codes) wie der QR , Data Matrix , Maxi und Aztec Codekodieren Informationen im Gegensatz zu 1D-Codes (Barcodes) auch senkrecht zur Hauptausrichtung. Beim Aztec wie beim Maxi Code sind die Module um ein zentrales Muster angeordnet, welches als Ausrichtungsmuster dient. Beim Data Matrix Code dienen L-förmig angeordnete Linien oder Punktreihen zur Lageerkennung. Der QR Code besitzt je nach Version drei oder vier Ausrichtungsmuster. Der Aztec Code ist im Gegensatz zu den anderen genannten 2D-Codes noch nicht durch die ISO-Organisation standardisiert. Der wohl bekannteste 2D-Code im europäischen und amerikanischen Raum ist der Data Matrix Code. In Japan und im asiatischen Raum hat sich neben dem Data Matrix Code auch der QR Code etabliert, da dieser neben numerischen, alphanumerischen und binären Zeichen auch Kanji/Kana-Zeichen codieren kann.

Hohe Informationsdichte – geringer Platzbedarf
Ein großer Vorteil des 2D-Codes gegenüber dem 1D-Code ist der verhältnismäßig kleine Platzbedarf pro Anzahl Zeichen. So lassen sich auf kleinstem Raum eine Vielzahl von Informationen hinterlegen. Mit dem Data Matrix Code 144×144 ECC 200 kann man beispielsweise bis zu 1558 Bytes, mithin 3116 Ziffern oder 2335 ASCII-Zeichen kodieren. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Code robust gegen Störungen ist, da die Informationen redundant im Code enthalten sind. Durch die verwendete Reed-Solomon-Fehlerkorrektur (Error Checking and Corection Code kurz ECC) können bis zu 25 % der Fehler in den einzelnen Elementen automatisch korrigiert werden, wenn beispielsweise Teile des Codes überdeckt oder zerstört wurden. Der große Vorteil der 1D-Codes ist die weite Verbreitung und somit die Marktdominanz in vielen Bereichen. Hier ist ein Umrüsten auf die neuere Technologie oft aus wirtschaftlichen Gründen nicht möglich. Allerdings erschließen sich zunehmend neue Applikationsfelder durch die 2D-Code-Technology, welche mit 1D-Code Verfahren nicht möglich sind.
Gängige Verfahren zur Herstellung von 2D-Codes sind neben allen üblichen Druckverfahren, das Lasermarkieren sowie genagelte und gestanzte Codes. Gedruckte Codes eignen sich für Etiketten und Verpackungen, welche nicht mechanisch und thermisch beansprucht werden. Auf Metallteilen wie einem Motorblock oder Kurbelwellen müssen verschleißfeste Codes aufgebracht werden. Hier kommen genagelte oder gelaserte Codes zum Einsatz. Ein Vorteil von genagelten Codes ist, dass nachfolgende Beschichtungsverfahren den Code nach wie vor lesbar erhalten. Nachteilig ist, dass die Oberfläche durch die Prägung mechanisch verformt wird, was nicht immer erwünscht und möglich ist. Bei einer Lasermarkierung erzielt man bei vielen Materialien durch die Bestrahlung der Oberfläche mit dem Laser einen Farbumschlag. Der 2D-Code wird so nur in den äußersten Schichten der Oberfläche aufgebracht. Somit lassen sich beispielsweise auch dünne Folien mit einem kontrastreichen 2D-Code versehen. Gestanzte Codes eignen sich besonders für Metallbleche oder Folien. Beim Stanzen werden die einzelnen Module des 2D-Codes herausgetrennt.
Für das Lesen von Data Matrix und QR Codes im automatisierten Produktionsprozess bietet Panasonic zwei Lösungen an, den Code Reader PD50 und das Bildverarbeitungssystem P400S. Für Applikationen, bei denen es ausschließlich um das sichere Lesen geht, eignet sich der stationäre 2D-Code-Leser PD50. Der PD50 ist ein Sensor, bei dem Beleuchtung, Objektiv und Auswerteelektronik in einem nach IP67 klassifizierten Gehäuse aus eloxiertem Aluminium integriert sind. Mit der internen Beleuchtung wird der 2D-Code optimal ausgeleuchtet. Über zwei Pilotstrahlen lässt sich bei der Montage leicht der optimale Arbeitsabstand finden. Die RS232-Schnittstelle ermöglicht die Ausgabe des dekodierten Ergebnisses an eine SPS, eine Bedieneinheit oder einen PC. Die digitale Schnittstelle dient zum Triggern des Sensor (wenn sich dieser nicht im Autotrigger Modus befindet), sowie der Status-Abfrage. Die USB-Schnittselle ermöglicht einen Zugriff mit der PC-Software PDTool auf die Hardware. Die Software dient zum Einstellen der Prüfparameter, als Backup-Programm und zum Aufzeichnen der Ergebnisse. Bei entsprechender Einstellung der Prüfparameter können gespiegelte, invertierte oder beliebig rotierte Data Matrix oder QR Codes gelesen werden. Dabei werden genagelte und gelaserte Codes sehr sicher erkannt. Sollen neben dem Decodieren zusätzliche Erkennungs- oder Prüfaufgaben durchgeführt werden, bietet sich der Imagechecker P400S an.
Praktische Tipps und Tricks für 2D Code- Applikationen
Beim Einrichten des Markiergerätes ist es von großem Vorteil, wenn man den markierten Code im Zusammenspiel mit einem Lesegerät optimieren kann. Zum Lesen des 2D-Codes muss ein zweidimensionales Bild aufgenommen werden. Hier kann die Auswertung nicht mehr wie bei einem Barcode basierend auf den Informationen einer Zeile erfolgen. Aus diesem Grund sind bei den meisten 2D-Code-Lesegeräten Flächenbildsensoren integriert. Da ein Kamerasystem in der Regel eine andere optische Empfindlichkeit hat wie das menschliche Auge, ist unbedingt zu untersuchen, wie der markierte Code mit der verwendeten Beleuchtung zu erkennen ist. So ist es beispielsweise bei runden Objekten von Vorteil, die Codegröße so zu wählen, dass möglichst wenig Verzerrungen im Code entstehen.
Ist zum Beispiel auf einem Zylinder entlang der radialen Fläche ein 2D-Code aufgebracht und der Sensor senkrecht zur Achse des Zylinders montiert, so tritt ein starker Reflex durch die integrierte Beleuchtung in der Mitte des Codes auf. Verkippt man den Sensorkopf, so entsteht ein guter Kontrast zwischen den Modulen und dem Hintergrund. Der Code erscheint nun verzerrt und kann von einem 2D-Code-Reader ohne Bildentzerrung nicht korrekt gelesen werden. Um dies zu unterbinden empfiehlt es sich einen rechteckigen Code entlang der Zylinderachse zu markieren. Hierdurch wird die Verzerrung minimiert und der Code kann zuverlässig dekodiert werden.
Bei ebenen, stark reflektierenden Flächen kann es von Vorteil sein, das Lesegerät zu verkippen um direkte Spiegelung der oft integrierten Beleuchtung zu vermeiden. Ebenso kann es bei genagelten oder gelaserten Codes durch eine zu schwache Markierung geschehen, dass die Module des 2D Codes überstrahlt werden. Der Kontrast zwischen dem Modul und dem Hintergrund ist zu schwach. In diesem Fall ist es hilfreich, die Markierung zu verstärken, damit eine stabile Dekodierung mit dem Lesegerät möglich ist. Ein Vorteil dabei ist, dass eine stärkere Markierung eine höhere Intensität der Beleuchtung zulässt wodurch eine stabilere Erkennung des Codes ermöglicht wird.
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eA-INFO-TIPP
Der Data Matrix Code enthält redundante Daten, sodass durch die verwendete Reed-Solomon-Fehlerkorrektur Fehler in den einzelnen Elementen automatisch korrigiert werden können. Wie dieses Korrekturverfahren mathematisch funktioniert, erklärt ein Tutorial unter:
www-math.upb.de/~mathkit/Inhalte/MatheCD/i30.html

Der Data Matrix Code enthält redundante Daten, sodass durch die verwendete Reed-Solomon-Fehlerkorrektur (ECC 200) bis zu 25 % der Fehler in den einzelnen Elementen automatisch korrigiert werden können. Wie dieses Korrekturverfahren mathematisch funktioniert, erklärt ein kurzes Tutorial.
Weitere technische Details und Angaben zu dem Code-Reader PD50 und dem Bildverarbeitungssystem P400S finden Sie auf der Homepage von Panasonic Electric Works.

praxis plus
2D-Codes wie der Data Matrix Code zeichnen sich durch einen geringen Platzbedarf und eine automatische Fehlerkorrektur aus, die ein sicheres Auslesen auch bei Verschmutzungen und Beschädigungen erlaubt. Die Codes können per Druckverfahren, Lasermarkieren, Nageln und Stanzen aufgebracht werden. Zum Auslesen können entweder spezielle 2D-Lesegeräte oder Bildverarbeitungssysteme eingesetzt werden.
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