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摘要:通過(guò)在刀具上安裝RFID電子標(biāo)簽用于刀具全生命周期的身份識(shí)別和信息讀寫，在智能制造數(shù)控機(jī)臺(tái)等設(shè)備主機(jī)上安裝RFID電子標(biāo)簽讀寫器，作為RFID電子標(biāo)簽與主要控制系統(tǒng)之間信息交互接口，利用RFID電子標(biāo)簽作為信息載體實(shí)現(xiàn)刀具與主機(jī)以及主機(jī)與主機(jī)之間的信息交互，以實(shí)現(xiàn)刀具生命周期的管理。新的解決方案可實(shí)現(xiàn)刀具在其生命周期內(nèi)的信息監(jiān)控與存儲(chǔ)管理。刀具整個(gè)生命周期一般包括計(jì)劃、采購(gòu)、標(biāo)識(shí)、入庫(kù)、借出、裝配、使用、歸還、重磨、報(bào)廢等。

一.刀具管理的行業(yè)背景

智能制造數(shù)控機(jī)臺(tái)已成為機(jī)械等行業(yè)加工車間的主流設(shè)備，一般小型數(shù)控加工車間的刀具配備量多達(dá)上千把，再加上其配套零部件，總量上萬(wàn)把，品種上百種。隨著刀具在數(shù)量和種類上急劇增加，生產(chǎn)車間各種類型及規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)刀具并存，大量刀具頻繁地在刀具庫(kù)房與機(jī)臺(tái)、機(jī)臺(tái)設(shè)備之間流動(dòng)和交換。當(dāng)前國(guó)內(nèi)加工車間多靠手工方式和紙質(zhì)條碼管理刀具。紙質(zhì)條碼在油污環(huán)境下容易污損，刀具壽命也只能靠經(jīng)驗(yàn)判斷。由于缺乏刀具，造成很多加工流程停止，機(jī)臺(tái)操作工需耗費(fèi)大量時(shí)間在查找刀具上。隨著智能制造數(shù)控機(jī)臺(tái)種類及新產(chǎn)品種類的增加，現(xiàn)有刀具管理方案已不能滿足需求，故引入無(wú)線射頻技術(shù)(RFID)。

RFID是20世紀(jì)90年代興起的一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，具有快速掃描、體積小、抗污染能力和耐久性強(qiáng)、可重復(fù)使用、穿透性和無(wú)屏障閱讀、數(shù)據(jù)記憶容量大安全性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此在生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳遞方面具有巨大的應(yīng)用潛力。本文以無(wú)線射頻技術(shù)為基礎(chǔ)，將RFID芯片安裝在刀具的刀柄上，實(shí)現(xiàn)刀具信息的采集與管理，降低綜合生產(chǎn)成本。

二.刀具管理行業(yè)現(xiàn)狀及需求

國(guó)內(nèi)外從事刀具管理研究的專家開(kāi)發(fā)出很多刀具管理軟件，但無(wú)法滿足刀具管理的全部要求，現(xiàn)有刀具管理存在以下問(wèn)題：

①無(wú)法分析刀具的整個(gè)壽命周期的記錄和數(shù)據(jù)，只是在時(shí)間點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)刀具信息的采集與監(jiān)控，無(wú)法獲得未加工時(shí)的數(shù)據(jù);

②傳統(tǒng)刀具管理缺乏M2M信息交互，無(wú)法實(shí)現(xiàn)集成化管理;

③現(xiàn)有刀具管理方案以滿足生產(chǎn)需求為目的，未考慮刀具整個(gè)生命周期內(nèi)的成本問(wèn)題。

為解決上述問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)更加智能化自動(dòng)化的目標(biāo)，急需引入新的RFID射頻識(shí)別技術(shù)手段來(lái)管理刀具信息。在加工過(guò)程中，針對(duì)刀具在機(jī)臺(tái)中的使用進(jìn)行智能化管理，將刀具參數(shù)傳遞給機(jī)臺(tái)，使刀具加入機(jī)臺(tái)刀庫(kù)，供加工程序進(jìn)行調(diào)用。刀具加工完成時(shí)，將刀具生產(chǎn)時(shí)間寫入刀具的RFID中，實(shí)現(xiàn)刀具實(shí)時(shí)信息采集，刀具狀態(tài)跟蹤等功能。

三.刀具信息管理系統(tǒng)作業(yè)流程

刀具信息管理系統(tǒng)是指在制造單元內(nèi)的機(jī)器設(shè)備(如智能制造數(shù)控機(jī)臺(tái)、對(duì)刀儀等)及RFID讀寫器進(jìn)行通訊的基礎(chǔ)上，利用無(wú)線射頻技術(shù)、CNC與RFID電子標(biāo)簽讀寫器采取串口通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)刀具在其生命周期內(nèi)的信息監(jiān)控與存儲(chǔ)管理。刀具整個(gè)生命周期一般包括計(jì)劃、采購(gòu)、標(biāo)識(shí)、入庫(kù)、借出、裝配、使用、歸還、重磨、報(bào)廢等。本文采用上海營(yíng)信專門為刀具設(shè)計(jì)的RFID電子標(biāo)簽，刀柄如圖1所示，RFID讀寫標(biāo)簽的時(shí)間為500ms。

機(jī)臺(tái)刀具管理的前提條件是刀具已經(jīng)進(jìn)行組刀，并通過(guò)對(duì)刀儀對(duì)刀。為了實(shí)現(xiàn)刀具相應(yīng)的功能，機(jī)臺(tái)需要進(jìn)行刀庫(kù)初始化，將刀具加工時(shí)間寫入刀柄RFID中。由于高頻RFID的讀寫距離比較短，所以在讀寫刀柄的RFID時(shí)，要將天線通過(guò)氣動(dòng)裝置靠近RFID電子標(biāo)簽。

(1)機(jī)臺(tái)刀庫(kù)初始化

要實(shí)現(xiàn)數(shù)控刀具信息的智能化傳輸，首先要依靠智能制造數(shù)控機(jī)臺(tái)。為確保在刀具裝入機(jī)臺(tái)時(shí)自動(dòng)入刀庫(kù)，并將刀具參數(shù)從RFID電子標(biāo)簽讀入到機(jī)臺(tái)刀庫(kù)中，需對(duì)機(jī)臺(tái)刀庫(kù)進(jìn)行初始化操作，具體流程說(shuō)明如下：

①在機(jī)臺(tái)有刀具變動(dòng)時(shí)，需要機(jī)臺(tái)控制刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)一周(見(jiàn)圖)，將所有刀具重新初始化到機(jī)臺(tái)刀庫(kù);

②對(duì)每把刀需要進(jìn)行如下操作：CNC通過(guò)指令驅(qū)動(dòng)氣缸頂升RFID電子標(biāo)簽讀頭，氣缸到位后，CNC獲取感應(yīng)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，啟動(dòng)RFID電子標(biāo)簽讀寫器工作;氣缸狀態(tài)維持500ms，CNC通過(guò)串口通訊驅(qū)動(dòng)RFID讀寫器對(duì)刀柄RFID芯片進(jìn)行讀取操作;收回氣缸，CNC檢測(cè)氣缸磁感應(yīng)開(kāi)關(guān)到位后，刀具繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn);

③需要控制的功能：在CNC操作界面加一個(gè)按鈕，每按一次該按鈕刀盤自動(dòng)旋轉(zhuǎn)一周，確保每次換刀都能轉(zhuǎn)動(dòng)一周，初始化機(jī)臺(tái)刀庫(kù);不允許直接將刀安裝到機(jī)臺(tái)的刀庫(kù)刀柄。

(2)刀具生產(chǎn)時(shí)間記錄

在卸(組)刀時(shí)，會(huì)將刀具的生產(chǎn)量(加工時(shí)間)寫入到刀具管理系統(tǒng)中。將機(jī)臺(tái)加工時(shí)間寫入刀柄的RFID中的流程如下：

①在機(jī)臺(tái)卸刀前或組刀后，機(jī)臺(tái)記錄使用的刀具，旋轉(zhuǎn)刀盤，逐個(gè)寫入刀具加工時(shí)間;

②氣缸狀態(tài)維持500ms，CNC通過(guò)串口通訊驅(qū)動(dòng)RFID讀寫器并對(duì)刀柄RFID芯片進(jìn)行寫入操作;

③收回氣缸，CNC檢測(cè)氣缸磁感應(yīng)開(kāi)關(guān)到位后，刀盤繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。

要保證上述方案操作順利進(jìn)行，需在CNC操作界面增加一個(gè)按鈕，在卸刀前或組刀后，按一次按鈕，使機(jī)臺(tái)旋轉(zhuǎn)一周，并寫入刀具使用時(shí)間，最終完成刀具壽命的控制。在進(jìn)行方案流程操作時(shí)，應(yīng)注意操作規(guī)范。方案流程如圖3所示。

(3)RFID芯片中刀具數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

刀具編碼是確定刀具身份唯一性的重要信息，將其寫入RFID，通過(guò)刀具編碼來(lái)管理每一把刀具。在編寫相應(yīng)程序時(shí)，可根據(jù)刀具的規(guī)格型號(hào)確定刀具的名義直徑、名義長(zhǎng)度及相應(yīng)程序，然后根據(jù)實(shí)際情況給予相應(yīng)的直徑補(bǔ)償和長(zhǎng)度補(bǔ)償。由于同一把刀具可以安裝在不同的機(jī)臺(tái)上，同一臺(tái)機(jī)臺(tái)也可以加工不同產(chǎn)品，加工產(chǎn)品時(shí)，也可能出現(xiàn)異常情況，故在加工時(shí)，需要展示以上加工信息�？赏ㄟ^(guò)程序控制，在加工過(guò)程動(dòng)態(tài)展示報(bào)表顯示刀具編碼、加工產(chǎn)品、產(chǎn)品數(shù)量、異常信息等以及RFID記錄中的刀具編碼、刀具壽命、刀具已使用時(shí)間等信息。

四.硬件系統(tǒng)構(gòu)成及軟件開(kāi)發(fā)

硬件由可嵌入刀具的電子標(biāo)簽(RFID)、天線、RFID讀寫器及相關(guān)數(shù)據(jù)接口構(gòu)成。RFID電子標(biāo)簽為數(shù)據(jù)載體，由芯片及耦合元件組成，每個(gè)RFID電子標(biāo)簽都具有唯一的電子編碼;RFID電子標(biāo)簽天線是RFID電子標(biāo)簽的應(yīng)答器天線，通過(guò)通信感應(yīng)來(lái)傳遞標(biāo)簽與控制器之間的無(wú)線射頻信號(hào)，讀寫器是用來(lái)讀取或?qū)懭隦FID電子標(biāo)簽信息的設(shè)備。

該系統(tǒng)為分布式應(yīng)用系統(tǒng)，采取C/S模式更利于該系統(tǒng)運(yùn)行。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)為微軟公司的Visual Studio2010.NetFramework3.5及以上版本，采用C#開(kāi)發(fā)，數(shù)據(jù)庫(kù)為ORACLE。

系統(tǒng)采用的RFID編碼塊為EEPROM存儲(chǔ)類型，由于一般機(jī)臺(tái)數(shù)控系統(tǒng)配備COM串行通訊接口，故采用RS232通訊協(xié)議。刀具使用壽命需要實(shí)時(shí)更新，為保證存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，在更換刀具時(shí)及時(shí)更新芯片中的刀具信息，將數(shù)控系統(tǒng)NCK變量中的壽命數(shù)據(jù)寫入RFID芯片。

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