高速數(shù)控工具系統(tǒng)RFID自動(dòng)識(shí)別是如何實(shí)現(xiàn)的

1 引言

RFID（Radio Frequency Ident ification，射頻識(shí)別技術(shù)）是一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，在國(guó)外的發(fā)展較早也較快，尤其在美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、瑞典、瑞士、日本、南非，目前均有較為成熟且先進(jìn)的RFID系統(tǒng)。德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)把RFID系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用在了數(shù)控加工中刀具和刀柄的管理。國(guó)內(nèi)的RFID研究主要集中在對(duì)芯片的研究、閱讀器的開發(fā)等方面，在刀具和刀柄的管理中應(yīng)用研究還很少。目前，國(guó)內(nèi)數(shù)控刀具與刀柄的管理還停留在人工、半人工階段，這已經(jīng)成為不少企業(yè)提高管理水平、生產(chǎn)效率的一個(gè)絆腳石，是中國(guó)制造業(yè)與世界接軌的一個(gè)瓶頸。

2 硬件系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)硬件一般由由電子標(biāo)簽、天線、控制器及相應(yīng)的數(shù)據(jù)接口等構(gòu)成（見圖1，圖2）。標(biāo)簽又稱數(shù)據(jù)載體，由耦合元件及芯片組成，記錄刀柄和刀具的相關(guān)信息;天線在標(biāo)簽與控制器之間傳遞射頻信號(hào);

圖1 BALLUFF公司RFID系統(tǒng)硬件構(gòu)成

圖2 OMRON公司RFID系統(tǒng)硬件構(gòu)成

控制器用于讀取或?qū)懭霕?biāo)簽信息的設(shè)備，接收并執(zhí)行上位機(jī)的指令，控制對(duì)應(yīng)的讀寫設(shè)備進(jìn)行讀或?qū)懖僮鳎祷叵鄳?yīng)數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)軟件

管理系統(tǒng)軟件是基于數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件的開發(fā)的數(shù)控工具系統(tǒng)管理系統(tǒng)（見圖3）。通過和RFID系統(tǒng)的串口通訊，間接讀取電子標(biāo)簽內(nèi)的刀具、刀柄數(shù)據(jù)，并據(jù)此完成數(shù)控加工過程中對(duì)刀具的控制。軟件大致分為以下幾個(gè)模塊：權(quán)限管理模塊，讀寫控制模塊，數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊，外部接口模塊，數(shù)據(jù)的平滑與過濾模塊，數(shù)據(jù)路由和整合模塊等。結(jié)合RFID系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)高速數(shù)控工具系統(tǒng)的自動(dòng)識(shí)別與管理。權(quán)限管理模塊，只有有權(quán)限的的人員才能對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行操作，便于企業(yè)的管理。讀寫控制模塊，控制RFID系統(tǒng)完成讀或?qū)?。?shù)據(jù)庫(kù)管理模塊，通過與數(shù)據(jù)庫(kù)的接口完成數(shù)據(jù)添加、刪除、修改、查詢記錄等操作。外部接口模塊，主要實(shí)現(xiàn)該軟件與其他軟硬件之間的數(shù)據(jù)交換，如與企業(yè)的ERP軟件配合使用，便于企業(yè)對(duì)工具的采購(gòu)，維護(hù)，報(bào)廢處理等管理。數(shù)據(jù)的平滑與過濾模塊當(dāng)電子標(biāo)簽被讀寫器錯(cuò)誤的讀取或者重復(fù)讀取產(chǎn)生了冗余的數(shù)據(jù)，管理軟件需要利用一些控制算法來(lái)矯正這些錯(cuò)誤。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾的同時(shí)還可以起到對(duì)大量數(shù)據(jù)緩沖的作用。數(shù)據(jù)路由和整合子模塊控制著數(shù)據(jù)的傳送方向，確定什么數(shù)據(jù)發(fā)送到哪些應(yīng)用程序。在企業(yè)與現(xiàn)有的信息系統(tǒng)整合時(shí)，管理軟件可以提供數(shù)據(jù)路由和整合功能。一般情況下可以批量的、持續(xù)的把數(shù)據(jù)傳送到指定的目標(biāo)。

管理軟件的數(shù)據(jù)管理模式有三種：直接存入標(biāo)簽?zāi)Ｊ?表單模式;數(shù)據(jù)庫(kù)模式。直接存入標(biāo)簽?zāi)Ｊ绞前训毒吲c刀柄全部信息按照規(guī)定的數(shù)據(jù)格式存入電子標(biāo)簽，讀寫的數(shù)據(jù)量較大，識(shí)別速度會(huì)受到影響，硬件損耗較大，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性較其他兩種模式也稍低;表單模式是把刀具與刀柄全部信息按照規(guī)定的數(shù)據(jù)格式存入表單，表單中一條記錄代表一套刀柄及刀具，標(biāo)簽中只存入標(biāo)識(shí)碼，需要刀具刀柄信息時(shí)，系統(tǒng)軟件利用讀出的標(biāo)識(shí)碼查詢表單并顯示。適用于刀柄刀具種類和數(shù)量不是很大的中小型加工車間。數(shù)據(jù)庫(kù)模式是把刀具與刀柄全部信息連同標(biāo)識(shí)碼按照規(guī)定的數(shù)據(jù)格式存入數(shù)據(jù)庫(kù)，并按照一定關(guān)系捆綁在一起，一條記錄與一套刀柄刀具對(duì)應(yīng)，標(biāo)簽中只存入標(biāo)識(shí)碼，需要刀具刀柄信息時(shí)，系統(tǒng)軟件利用讀出的標(biāo)識(shí)碼查詢數(shù)據(jù)庫(kù)并顯示。數(shù)據(jù)庫(kù)模式比表單模式有更強(qiáng)的靈活性，更大的數(shù)據(jù)容量，易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，因此更適用于刀柄刀具種類數(shù)量較大的大型加工車間。

表1 三種數(shù)據(jù)管理模式比較

4 RFID技術(shù)原理

RFID技術(shù)的基本工作原理（針對(duì)無(wú)源系統(tǒng)）：讀寫器通過天線發(fā)送一定頻率的射頻信號(hào)，當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入發(fā)射天線工作區(qū)域時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流，電子標(biāo)簽獲得能量被激活;電子標(biāo)簽將自身記錄的編碼信息通過其內(nèi)置的天線發(fā)送出去;系統(tǒng)接收天線接收到從電子標(biāo)簽發(fā)送的載波信號(hào)，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到讀寫器，讀寫器對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制與解碼后送給后臺(tái)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的處理;應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)邏輯運(yùn)算判斷該卡的合法性，針對(duì)不同的設(shè)定作出相應(yīng)的處理和控制（見圖4）。

圖3 管理系統(tǒng)軟件界面

圖4 RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5 研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

RFID技術(shù)最早應(yīng)用可以追溯到二戰(zhàn)中敵我的目標(biāo)識(shí)別，但是由于成本和技術(shù)原因，一直沒有廣泛應(yīng)用。近年來(lái)隨著大規(guī)模集成電路、網(wǎng)絡(luò)通信、信息安全等技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在了交通運(yùn)輸、市場(chǎng)流通、物流、信息、食品、醫(yī)療衛(wèi)生、產(chǎn)品防偽、金融、養(yǎng)老、殘疾事業(yè)、教育文化、智能家電等領(lǐng)域。在歐、美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)成功的應(yīng)用在數(shù)控加工中的工具系統(tǒng)管理，但是國(guó)內(nèi)在數(shù)控加工中應(yīng)用很少。這已經(jīng)成為了中國(guó)制造業(yè)與世界接軌的一個(gè)瓶頸。

目前，國(guó)外主要工具管理系統(tǒng)用RFID硬件生產(chǎn)廠家有BALLUFF公司和OMRON公司，都有多系列的成套的RFID硬件產(chǎn)品及配套軟件。

賓夕法尼亞州立大學(xué)Chen-YangCheng等人提出把RFID技術(shù)應(yīng)用于刀具供應(yīng)鏈管理，硬件選用了BALLUFF的產(chǎn)品，做了大量實(shí)驗(yàn)工作證實(shí)通過RFID技術(shù)與企業(yè)的企業(yè)資源規(guī)劃系統(tǒng)（ERP）、績(jī)效管理系統(tǒng)（QRM）、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）和CNC加工中心集成可以極大地減小工作量、減少手動(dòng)輸入錯(cuò)誤、較少數(shù)據(jù)錄入時(shí)間進(jìn)而減少了數(shù)控設(shè)備停機(jī)時(shí)間。

KELCH、ZULER、NT等對(duì)刀儀與工具系統(tǒng)制造商已經(jīng)成功的把RFID系統(tǒng)集成到了對(duì)刀儀中，但是目前仍然處在應(yīng)用的初級(jí)階段，只具備一些基本的功能，仍然還有很大的開發(fā)空間。

國(guó)內(nèi)對(duì)于RFID技術(shù)在刀具管理中應(yīng)用研究較少，實(shí)際應(yīng)用的案例也不多見。北京理工大學(xué)提出了一種基于RFID技術(shù)的工具生命周期管理與控制的方法，并與大昭和公司合作進(jìn)行了許多應(yīng)用研究工作。湖北汽車工業(yè)學(xué)院盛精等與西安理工大學(xué)方亞東等研究了基于條形碼的刀具生命周期信息管理平臺(tái)，應(yīng)用IDEF方法設(shè)計(jì)了刀具生命周期信息管理平臺(tái)，并做出了J2EE模式的TLMS。但是條形碼有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量小、易受油污污染而影響讀取等局限。大眾、通用、日產(chǎn)等汽車制造商在數(shù)控刀具管理中大多采用了RFID技術(shù)，但也都是簡(jiǎn)單的應(yīng)用，并沒有真正發(fā)揮RFID的潛能，距離實(shí)現(xiàn)刀具管理的自動(dòng)化還有一定差距。目前，哈爾濱量具刃具集團(tuán)公司、上海工具廠等單位立足我國(guó)現(xiàn)狀開始自主開發(fā)高速數(shù)控工具系統(tǒng)RFID自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。

哈爾濱理工大學(xué)王志剛、徐雷達(dá)等人基于BALLUFF和OMRON的RFID硬件平臺(tái)研究了現(xiàn)代生產(chǎn)過程數(shù)控工具系統(tǒng)和數(shù)控刀具的管理方法，進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，開發(fā)了基于數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的管理系統(tǒng)軟件，并應(yīng)用于哈爾濱量具刃具集團(tuán)公司。

6 存在的問題

數(shù)控加工刀具與刀柄的管理中應(yīng)用的RFID技術(shù)存在問題有：

（1）安裝尺寸的限制，該安裝尺寸是由工具和夾具用數(shù)據(jù)載體國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)DIN/ISO 69873規(guī)定的，不能改動(dòng)，在如此小的空間集成天線、IC芯片、存儲(chǔ)單元在技術(shù)上有一定難度;

（2）現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，電磁干擾、切削液腐蝕、油漬污染等都需要采取相應(yīng)的制造工藝來(lái)消除這些因素對(duì)于系統(tǒng)的影響;

（3）缺乏相關(guān)空中接口的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，各廠家之間的硬件互換性不強(qiáng)，沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式規(guī)定，給基層技術(shù)人員的使用帶來(lái)很大不便;

（4）讀寫距離短，一般的讀寫器讀寫距離在毫米級(jí)，機(jī)械部分故障會(huì)很容易影響讀寫，甚至?xí)p壞讀寫器和標(biāo)簽;

（5）成本昂貴，這也是很多企業(yè)沒有采用RFID系統(tǒng)的根本原因。

（6）頻段不統(tǒng)一，目前工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)用電波頻段管理比較混亂，沒有統(tǒng)一要求，選用不當(dāng)可能對(duì)其他行業(yè)或部門的無(wú)線電通訊設(shè)備產(chǎn)生影響。目前國(guó)內(nèi)除了125/134KHz和13.56MHz以外其他頻段都存在此問題，而且作為國(guó)家主管部門的無(wú)線電委員會(huì)也很難協(xié)調(diào)。另外，RFID技術(shù)使用的頻率不具有國(guó)際性，不利于國(guó)際合作與技術(shù)交流。

（7）超小型抗金屬電子標(biāo)簽制造技術(shù)沒有國(guó)產(chǎn)化，國(guó)內(nèi)幾乎沒有能夠制造規(guī)格為φ10mm*4.5mm的抗金屬標(biāo)簽的廠家。

7 結(jié)語(yǔ)

符合中國(guó)國(guó)情的工具系統(tǒng)的RFID工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)亟待解決，規(guī)范RFID在工具系統(tǒng)的應(yīng)用。加快工具系統(tǒng)管理用（抗金屬）標(biāo)簽及相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化，為RFID在工具系統(tǒng)管理方面的開發(fā)應(yīng)用提供平臺(tái)，提升我國(guó)數(shù)字化制造水平。

工具系統(tǒng)管理中RFID技術(shù)較傳統(tǒng)的管理方式識(shí)別速度迅速、準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)安全性高，數(shù)據(jù)更改方便。因此，不久的將來(lái)RFID技術(shù)必將在工具系統(tǒng)管理中得到廣泛的應(yīng)用，并朝著網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化、無(wú)線化的方向發(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)真正意義上的制造自動(dòng)化。

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