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的智能化刀具信息管理研究詳解

數(shù)控機(jī)床已成為機(jī)械加工車間的主流設(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房與機(jī)床、機(jī)床設(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)床操作工需耗費(fèi)大量時(shí)間在查找刀具上。隨著數(shù)控機(jī)床種類及新產(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(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。

1 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(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，無法獲得未加工時(shí)的數(shù)據(jù);

②傳統(tǒng)刀具管理缺乏M2M（Machine to Machine）信息交互，無法實(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)的成本問題。

為解決上述問題，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)更加智能化自動(dòng)化的目標(biāo)，急需引入新的技術(shù)手段來管理刀具信息。勁勝精密組件股份有限公司在手機(jī)組件精密加工過程中，針對(duì)刀具在機(jī)床中的使用進(jìn)行智能化管理，將刀具參數(shù)傳遞給機(jī)床，使刀具加入機(jī)床刀庫，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。

2 刀具信息管理系統(tǒng)參數(shù)采集及設(shè)定

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（如數(shù)控機(jī)床、對(duì)刀儀等）及RFID讀寫器進(jìn)行通訊的基礎(chǔ)上，利用無線射頻技術(shù)、CNC與RFID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、借出、裝配、使用、歸還、重磨、報(bào)廢等。本文采用思谷數(shù)字技術(shù)有限公司（sygole）設(shè)計(jì)的刀具，刀柄上裝有RFID標(biāo)簽，刀柄如圖1所示，RFID讀寫標(biāo)簽的時(shí)間為500ms。

機(jī)床刀具管理的前提條件是刀具已經(jīng)進(jìn)行組刀，并通過對(duì)刀儀對(duì)刀。為了實(shí)現(xiàn)刀具相應(yīng)的功能，機(jī)床需要進(jìn)行刀庫初始化，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)，要將天線通過氣動(dòng)裝置靠近RFID標(biāo)簽。

（1）機(jī)床刀庫初始化

要實(shí)現(xiàn)數(shù)控刀具信息的智能化傳輸，首先要依靠數(shù)控機(jī)床。為確保在刀具裝入機(jī)床時(shí)自動(dòng)入刀庫，并將刀具參數(shù)從RFID標(biāo)簽讀入到機(jī)床刀庫中，需對(duì)機(jī)床刀庫進(jìn)行初始化操作，具體流程說明如下：

①在機(jī)床有刀具變動(dòng)時(shí)，需要機(jī)床控制刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)一周（見圖2），將所有刀具重新初始化到機(jī)床刀庫;

②對(duì)每把刀需要進(jìn)行如下操作：CNC通過指令驅(qū)動(dòng)氣缸頂升RFID讀頭，氣缸到位后，CNC獲取感應(yīng)開關(guān)狀態(tài)，啟動(dòng)RFID讀寫器工作;氣缸狀態(tài)維持500ms，CNC通過串口通訊驅(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)床刀庫;不允許直接將刀安裝到機(jī)床的刀庫刀柄。

（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)床加工時(shí)間寫入刀柄的RFID中的流程如下：

①在機(jī)床卸刀前或組刀后，機(jī)床記錄使用的刀具，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)床旋轉(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，通過刀具編碼來管理每一把刀具。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)床上，同一臺(tái)機(jī)床也可以加工不同產(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^程序控制，在加工過程動(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。

3 硬件系統(tǒng)構(gòu)成及軟件開發(fā)

硬件由電子標(biāo)簽（RFID）、天線、讀寫器及相關(guān)數(shù)據(jù)接口構(gòu)成（見圖4）。RFID標(biāo)簽為數(shù)據(jù)載體，由芯片及耦合元件組成，每個(gè)RFID標(biāo)簽都具有唯一的電子編碼;RFID標(biāo)簽天線是RFID電子標(biāo)簽的應(yīng)答器天線，通過通信感應(yīng)來傳遞標(biāo)簽與控制器之間的無線射頻信號(hào)，讀寫器是用來讀取或?qū)懭隦FID標(biāo)簽信息的設(shè)備。

小結(jié)

通過在刀具上安裝RFID標(biāo)簽用于刀具全生命周期的生命識(shí)別和信息讀寫，在數(shù)控機(jī)床等設(shè)備主機(jī)上安裝讀寫器，作為RFID標(biāo)簽與主要控制系統(tǒng)之間信息交互接口，利用RFID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)刀具壽命的預(yù)測(cè)。新的解決方案可實(shí)現(xiàn)刀具全生命管理，降低刀具庫存20%，降低刀具成本10%，減少準(zhǔn)備時(shí)間15%，提升設(shè)備效率10%，縮短交期10%，降低綜合成本15%以上。