1 引言
傳統(tǒng)的制造企業(yè)采用人工管理設備的方式，不僅效率低下而且經(jīng)常由于人為的疏忽造成設備資源的浪費。因此，必須利用計算機技術建立制造車間設備信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)設備的參數(shù)化管理、庫存、采購和壽命控制等信息化管理，保證做到設備資源信息的即時性、共享性、準確性。通過設備管理系統(tǒng)可以提高設備資源的利用率、縮短設備準備時間從而加快生產(chǎn)周期，為企業(yè)創(chuàng)造更多的利潤。
自動識別技術是以計算機技術與信息技術為基礎的一門綜合性應用科學技術，是實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)快速、準確、自動采集的有效手段，包括條形碼技術、射頻識別技術和生物特征識別技術在內(nèi)的技術體系。其主要的目的是快速、準確地獲得生產(chǎn)車間所需的設備信息，以改善傳統(tǒng)制造業(yè)中低效率的管理方式，實現(xiàn)機械制造車間的設備管理的科學化和智能化。本文詳細介紹這幾種識別技術的原理、優(yōu)缺點以及它們的適用范圍。
2 條形碼技術
條碼技術已成為一種成熟的技術.它是將信息用條碼表示，并將條碼信息轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C可自動識讀的數(shù)據(jù)。一個完錐的條碼符號通常都由兩側(cè)的空白區(qū)、起始符、數(shù)據(jù)符、校驗符(可選)、終止符和供人識別字符組成，條碼符號的基本結(jié)構如圖1所示。
圖1 條碼符號的基本結(jié)構
(1)條形碼的編碼規(guī)則
唯一性:同種規(guī)格同種產(chǎn)品對應同一個產(chǎn)品代碼，同種產(chǎn)品不同規(guī)格應對應不同的產(chǎn)品代碼。
永久性:產(chǎn)品代碼一經(jīng)分配，就不再更改，且終身使用。
無含義:為了保證代碼有足夠的容量以適應產(chǎn)品頻繁的更新?lián)Q代的需要，最好采用無含義的順序碼。
(2)條形碼的識別原理
按照一定規(guī)則編譯出來的條形碼轉(zhuǎn)換成有意義的信息，需要經(jīng)歷掃描和譯碼兩個過程。當條形碼掃描器光源發(fā)出的光在條形碼上反射后，反射光照射到條碼掃描器內(nèi)部的光電轉(zhuǎn)換器七，光電轉(zhuǎn)換器根據(jù)強弱不同的反射光信號，轉(zhuǎn)換成相應的電信號。電信號輸出到條碼掃描器的放大電路增強信號之后，再送到整形電路將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。此時所得到的數(shù)據(jù)仍然雜亂，下一步需根據(jù)對應的編碼規(guī)則，將條形符號換成相應的數(shù)字、字符信息。最后，由計算機系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理與管理，物品的詳細信息就得到識別[5一，](見圖2}0
目前，條碼的制作與條碼的識別都有成熟可靠的產(chǎn)品。通常采用條碼技術用于設備、在制品的庫存管理，幫助實現(xiàn)入庫、盤點、借出、歸還等環(huán)節(jié)的管理。
圖2 條碼識讀系統(tǒng)組成
3 射頻識別技術
射頻識別技術(RFID)是利用無線電波或微波能量進行非接觸雙向通信，來實現(xiàn)識別和數(shù)據(jù)交換功能的自動識別系統(tǒng)。一般來說，射頻識別系統(tǒng)包括射頻標簽、讀寫器和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)三部分。其中，射頻標簽由天線和芯片組成，每一個芯片都有唯一的標識碼，一般保存有約定格式的電子數(shù)據(jù);讀寫器是可非接觸地讀取和寫人標簽信息的設備，它通過網(wǎng)絡與計算機系統(tǒng)進行通信，完成對射頻標簽信息的獲取、解碼、識別和數(shù)據(jù)管理;數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)信息的存儲和管理，并可以對標簽進行讀寫控制。
目前定義RFID產(chǎn)品的工作頻率有低頻、高頻和超高頻，不同頻段的RFID產(chǎn)品會有不同的特性。
圖3 RFID的基本模型圖
(1)低頻
RFID技術首先在低頻得到廣泛的應用和推廣。該頻率主要是通過電感禍合的方式進行工作，也就是在讀寫器線圈和感應器線圈間存在著變壓器禍合作用。通過讀寫器交變場的作用在感應器天線中感應的電壓被整流，可作供電電壓使用。
其特性有:工作在低頻的感應器的一般工作頻率為120kHz一134kHz，該頻段的波長大約為2500m;除了金屬材料影響外，一般低頻能夠穿過任意材料的物品而不降低它的讀取距離;該頻率的磁場區(qū)域下降很快，但是能夠產(chǎn)生相對均勻的讀寫區(qū)域;相對于其他頻段的RFID產(chǎn)品，該頻段數(shù)據(jù)傳輸速率比較慢。
(2)高頻
該頻率的感應器不用線圈繞制，可以通過腐蝕活著印刷的方式制作天線。感應器一般通過負載調(diào)制的方式進行工作。也就是通過感應器上的負載電阻的接通和斷開促使讀寫器天線上的電壓發(fā)生變化，實現(xiàn)用遠距離感應器對天線電壓進行振幅調(diào)制。
其特性有:工作頻率為13.56MHz，該頻率的波長大概為22m ;除了金屬材料外，該頻率的波長可以穿過大多數(shù)的材料，但是往往會降低讀取距離。感應器需要離開金屬一段距離;感應器一般以電子標簽的形式;該系統(tǒng)具有防沖撞特性，可以同時讀取多個電子標簽;數(shù)據(jù)傳輸速率比低頻要快，價格不貴。
(3)超高頻
超高頻系統(tǒng)通過電場來傳輸能量。電場的能量下降不是很快，但是讀取的區(qū)域不易定義。該頻段讀取距離比較遠，無源可達1Om左右。主要是通過，電容藕合的方式進行實現(xiàn)。
其特性有:在該頻段，歐洲和部分亞洲定義的頻率為868MHz，北美定義的頻段為902一905MHz,在日本建議的頻段為950 - 956MHz。該頻段的波長大概為30cm左右;超高頻頻段的電波不能透過某些介質(zhì)，特別是水、灰塵、霧等懸浮顆粒物資。相對于高頻的電子標簽來說，該頻段的電子標簽不需要和金屬分開來;電子標簽的天線一般是長條和標簽狀。天線有線性和圓極化兩種設計，以滿足不同應用的需求。
4 直接標識技術
直接零件標識(Direct Part Marking, DPM)指直接在物體表面標識可機器識別的代碼。在直接標識技術中，點撞擊、電化學標識、直接噴碼和激光標刻方法獲得了廣泛的研究。
(1)點撞擊
點撞擊是用氣(或電)驅(qū)動的鐵筆(筆尖是金剛石或鉆石的)在被標識物表面撞擊形成一定深度的點，這些點構成DataMatrix條碼。該方法是目前航空航天領域應用最廣泛的一類標識段，但也有一定的局限性，對較薄的材料(厚度小于0.02inch)、易碎的非金屬材料、標識點靠近焊接部位、材料邊緣(在材料厚度的4倍以內(nèi))以及HRG硬度大于54的材料不能采用該方法標識。
(2)電化學標識
電化學標識包括電化學蝕刻和電化學著色。電化學蝕刻是通過電解液和模具獲得條碼形狀，其實現(xiàn)過程是將刻有條碼形狀的模具固定在被標識物體表面，放在電解液里，被標識物接陽極，電解液接陰極，在兩者之間通低電流，將條碼印在被標識物體表面上。電化學著色與電化學蝕刻類似，不同的是，電化學著色采用交流電，而電化學蝕刻采用直流電。在這種情況下，金屬沒有被去除，而是被氧化了(著色)。這個過程能夠產(chǎn)生高質(zhì)量的條碼而不會破壞被標識物體表面。顏色取決于金屬/電解液組合。電化學標識方法主要用于關鍵零部件的標識。
(3)直接噴碼
直接噴碼采用氣體壓力驅(qū)使快干墨水(成細小的水珠)從打印頭到標識物表面。條碼變形、墨水潑濺、涂污等都會影響條碼的正確識別，這些可以通過調(diào)整打印頭到標刻面的距離、空氣壓力、墨水配方等進行糾正。由于直接噴碼是可擦拭的(拇指腹擦拭次數(shù)大于20次)，多數(shù)情況下，如果考慮產(chǎn)品追蹤的整個生命周期，直接噴碼只適用于在制品或中間產(chǎn)品的標識，而不能用于最終產(chǎn)品。
表1 三種自動識別技術的比較
(4)激光標刻
激光標刻主要采用可見波長激光，它是利用激光的熱能使被標識物表面熔化、氣化，形成永久性的甚至與物品同壽命的圖形、文字或條碼。由于激光束與被標識表面的相互作用，激光標刻在物體表面形成一定深度的條碼，在循環(huán)應力作用下可能形成擴展裂紋，使零件產(chǎn)生疲勞破壞。另外，激光標刻方法目前還缺乏質(zhì)量評判準則，對表面質(zhì)量要求較高產(chǎn)品的應用也受到限制。目前，激光直接標刻方法在關鍵零件上的應用還處于研究階段。
5 自動識別技術的發(fā)展趨勢
目前，自動識別技術發(fā)展雖然較快，但主要是向技術的縱深方向發(fā)展，相信隨著應用領域的日益擴大以及應用層次的逐步提高，其廣度方面必然有所發(fā)展。
采用多種識別技術的組合化應用，將幾種技術集成，以滿足事物多樣性的要求，例如，將激光標刻技術和條形碼技術結(jié)合起來應用于數(shù)控加工中的刀具的自動識別。隨著控制系統(tǒng)鉀能水平的要求越來越高，僅僅依靠測試技術已經(jīng)不能滿足需求，應重視與控制技術的緊密結(jié)合。
新的自動識別技術標準不斷涌現(xiàn)，標準體系日趨成熟。企業(yè)的需求成為標準制定的動力，全球已經(jīng)形成標準化組織于企業(yè)共同制定國際條碼識別技術標準的格局。近年來，國際標準化組織ISO/IEC的專門技術委員會發(fā)布了多個條碼識別技術碼制標準、應用標準。
6 結(jié)語
本文介紹了幾種自動識別技術這種在數(shù)字化制造過程中對設備進行智能管理的方法，闡述了各種識別方法的原理和優(yōu)缺點及適用場合，對自動識別技術的研究現(xiàn)狀進行了詳細總結(jié)，并且對其發(fā)展趨勢進行了展望。盡管自動識別技術相關的研究還處于起步階段.仍存在一些理論和技術問題，實現(xiàn)工業(yè)化應用還面臨一些困難，但其優(yōu)越性已經(jīng)體現(xiàn)出來。相信隨著各項關鍵技術被突破，自動識別技術在數(shù)字化制造業(yè)中的應用將會極具前景。
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本文標題：數(shù)字化制造業(yè)中的自動識別技術及其特點
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