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摘要:通過在刀具上安裝RFID電子標簽用于刀具全生命周期的身份識別和信息讀寫，在智能制造數(shù)控機臺等設(shè)備主機上安裝RFID電子標簽讀寫器，作為RFID電子標簽與主要控制系統(tǒng)之間信息交互接口，利用RFID電子標簽作為信息載體實現(xiàn)刀具與主機以及主機與主機之間的信息交互，以實現(xiàn)刀具生命周期的管理。新的解決方案可實現(xiàn)刀具在其生命周期內(nèi)的信息監(jiān)控與存儲管理。刀具整個生命周期一般包括計劃、采購、標識、入庫、借出、裝配、使用、歸還、重磨、報廢等。

一.刀具管理的行業(yè)背景

智能制造數(shù)控機臺已成為機械等行業(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上千把，再加上其配套零部件，總量上萬把，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)格的標準和非標準刀具并存，大量刀具頻繁地在刀具庫房與機臺、機臺設(shè)備之間流動和交換。當前國內(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)驗判斷。由于缺乏刀具，造成很多加工流程停止，機臺操作工需耗費大量時間在查找刀具上。隨著智能制造數(shù)控機臺種類及新產(chǎn)品種類的增加，現(xiàn)有刀具管理方案已不能滿足需求，故引入無線射頻技術(shù)(RFID)。

RFID是20世紀90年代興起的一種非接觸式的自動識別技術(shù)，具有快速掃描、體積小、抗污染能力和耐久性強、可重復使用、穿透性和無屏障閱讀、數(shù)據(jù)記憶容量大安全性強等特點，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。本文以無線射頻技術(shù)為基礎(chǔ)，將RFID芯片安裝在刀具的刀柄上，實現(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

國內(nèi)外從事刀具管理研究的專家開發(fā)出很多刀具管理軟件，但無法滿足刀具管理的全部要求，現(xiàn)有刀具管理存在以下問題：

①無法分析刀具的整個壽命周期的記錄和數(shù)據(jù)，只是在時間點上實現(xiàn)刀具信息的采集與監(jiān)控，無法獲得未加工時的數(shù)據(jù);

②傳統(tǒng)刀具管理缺乏M2M信息交互，無法實現(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，未考慮刀具整個生命周期內(nèi)的成本問題。

為解決上述問題，實現(xiàn)制造業(yè)更加智能化自動化的目標，急需引入新的RFID射頻識別技術(shù)手段來管理刀具信息。在加工過程中，針對刀具在機臺中的使用進行智能化管理，將刀具參數(shù)傳遞給機臺，使刀具加入機臺刀庫，供加工程序進行調(diào)用。刀具加工完成時，將刀具生產(chǎn)時間寫入刀具的RFID中，實現(xiàn)刀具實時信息采集，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)的機器設(shè)備(如智能制造數(shù)控機臺、對刀儀等)及RFID讀寫器進行通訊的基礎(chǔ)上，利用無線射頻技術(shù)、CNC與RFID電子標簽讀寫器采取串口通訊技術(shù)，實現(xiàn)刀具在其生命周期內(nèi)的信息監(jiān)控與存儲管理。刀具整個生命周期一般包括計劃、采購、標識、入庫、借出、裝配、使用、歸還、重磨、報廢等。本文采用上海營信專門為刀具設(shè)計的RFID電子標簽，刀柄如圖1所示，RFID讀寫標簽的時間為500ms。

機臺刀具管理的前提條件是刀具已經(jīng)進行組刀，并通過對刀儀對刀。為了實現(xiàn)刀具相應(yīng)的功能，機臺需要進行刀庫初始化，將刀具加工時間寫入刀柄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，要將天線通過氣動裝置靠近RFID電子標簽。

(1)機臺刀庫初始化

要實現(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)控機臺。為確保在刀具裝入機臺時自動入刀庫，并將刀具參數(shù)從RFID電子標簽讀入到機臺刀庫中，需對機臺刀庫進行初始化操作，具體流程說明如下：

①在機臺有刀具變動時，需要機臺控制刀盤轉(zhuǎn)動一周(見圖)，將所有刀具重新初始化到機臺刀庫;

②對每把刀需要進行如下操作：CNC通過指令驅(qū)動氣缸頂升RFID電子標簽讀頭，氣缸到位后，CNC獲取感應(yīng)開關(guān)狀態(tài)，啟動RFID電子標簽讀寫器工作;氣缸狀態(tài)維持500ms，CNC通過串口通訊驅(qū)動RFID讀寫器對刀柄RFID芯片進行讀取操作;收回氣缸，CNC檢測氣缸磁感應(yīng)開關(guān)到位后，刀具繼續(xù)運轉(zhuǎn);

③需要控制的功能：在CNC操作界面加一個按鈕，每按一次該按鈕刀盤自動旋轉(zhuǎn)一周，確保每次換刀都能轉(zhuǎn)動一周，初始化機臺刀庫;不允許直接將刀安裝到機臺的刀庫刀柄。

(2)刀具生產(chǎn)時間記錄

在卸(組)刀時，會將刀具的生產(chǎn)量(加工時間)寫入到刀具管理系統(tǒng)中。將機臺加工時間寫入刀柄的RFID中的流程如下：

①在機臺卸刀前或組刀后，機臺記錄使用的刀具，旋轉(zhuǎn)刀盤，逐個寫入刀具加工時間;

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

③收回氣缸，CNC檢測氣缸磁感應(yīng)開關(guān)到位后，刀盤繼續(xù)轉(zhuǎn)動。

要保證上述方案操作順利進行，需在CNC操作界面增加一個按鈕，在卸刀前或組刀后，按一次按鈕，使機臺旋轉(zhuǎn)一周，并寫入刀具使用時間，最終完成刀具壽命的控制。在進行方案流程操作時，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

刀具編碼是確定刀具身份唯一性的重要信息，將其寫入RFID，通過刀具編碼來管理每一把刀具。在編寫相應(yīng)程序時，可根據(jù)刀具的規(guī)格型號確定刀具的名義直徑、名義長度及相應(yīng)程序，然后根據(jù)實際情況給予相應(yīng)的直徑補償和長度補償。由于同一把刀具可以安裝在不同的機臺上，同一臺機臺也可以加工不同產(chǎn)品，加工產(chǎn)品時，也可能出現(xiàn)異常情況，故在加工時，需要展示以上加工信息。可通過程序控制，在加工過程動態(tài)展示報表顯示刀具編碼、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、刀具已使用時間等信息。

四.硬件系統(tǒng)構(gòu)成及軟件開發(fā)

硬件由可嵌入刀具的電子標簽(RFID)、天線、RFID讀寫器及相關(guān)數(shù)據(jù)接口構(gòu)成。RFID電子標簽為數(shù)據(jù)載體，由芯片及耦合元件組成，每個RFID電子標簽都具有唯一的電子編碼;RFID電子標簽天線是RFID電子標簽的應(yīng)答器天線，通過通信感應(yīng)來傳遞標簽與控制器之間的無線射頻信號，讀寫器是用來讀取或?qū)懭隦FID電子標簽信息的設(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)運行。系統(tǒng)開發(fā)平臺為微軟公司的Visual Studio2010.NetFramework3.5及以上版本，采用C#開發(fā)，數(shù)據(jù)庫為ORACLE。

系統(tǒng)采用的RFID編碼塊為EEPROM存儲類型，由于一般機臺數(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時更新，為保證存儲數(shù)據(jù)的實時性，在更換刀具時及時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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