1 引言
RFID(Radio Frequency Ident ification，射頻識別技術)是一種非接觸式自動識別技術，在國外的發展較早也較快，尤其在美國、英國、德國、瑞典、瑞士、日本、南非，目前均有較為成熟且先進的RFID系統。德國、日本等發達國家已經把RFID系統廣泛地應用在了數控加工中刀具和刀柄的管理。國內的RFID研究主要集中在對芯片的研究、閱讀器的開發等方面，在刀具和刀柄的管理中應用研究還很少。目前，國內數控刀具與刀柄的管理還停留在人工、半人工階段，這已經成為不少企業提高管理水平、生產效率的一個絆腳石，是中國制造業與世界接軌的一個瓶頸。
2 硬件系統構成
系統硬件一般由由電子標簽、天線、控制器及相應的數據接口等構成(見圖1，圖2)。標簽又稱數據載體，由耦合元件及芯片組成，記錄刀柄和刀具的相關信息;天線在標簽與控制器之間傳遞射頻信號;
圖1 BALLUFF公司RFID系統硬件構成
圖2 OMRON公司RFID系統硬件構成
控制器用于讀取或寫入標簽信息的設備，接收并執行上位機的指令，控制對應的讀寫設備進行讀或寫操作，返回相應數據。
3 系統軟件
管理系統軟件是基于數據庫管理軟件的開發的數控工具系統管理系統(見圖3)。通過和RFID系統的串口通訊，間接讀取電子標簽內的刀具、刀柄數據，并據此完成數控加工過程中對刀具的控制。軟件大致分為以下幾個模塊:權限管理模塊，讀寫控制模塊，數據庫管理模塊，外部接口模塊，數據的平滑與過濾模塊，數據路由和整合模塊等。結合RFID系統最終實現高速數控工具系統的自動識別與管理。權限管理模塊，只有有權限的的人員才能對該系統進行操作，便于企業的管理。讀寫控制模塊，控制RFID系統完成讀或寫。數據庫管理模塊，通過與數據庫的接口完成數據添加、刪除、修改、查詢記錄等操作。外部接口模塊，主要實現該軟件與其他軟硬件之間的數據交換，如與企業的ERP軟件配合使用，便于企業對工具的采購，維護，報廢處理等管理。數據的平滑與過濾模塊當電子標簽被讀寫器錯誤的讀取或者重復讀取產生了冗余的數據，管理軟件需要利用一些控制算法來矯正這些錯誤。對數據進行過濾的同時還可以起到對大量數據緩沖的作用。數據路由和整合子模塊控制著數據的傳送方向，確定什么數據發送到哪些應用程序。在企業與現有的信息系統整合時，管理軟件可以提供數據路由和整合功能。一般情況下可以批量的、持續的把數據傳送到指定的目標。
管理軟件的數據管理模式有三種:直接存入標簽模式;表單模式;數據庫模式。直接存入標簽模式是把刀具與刀柄全部信息按照規定的數據格式存入電子標簽，讀寫的數據量較大，識別速度會受到影響，硬件損耗較大，數據的準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定的數據格式存入表單，表單中一條記錄代表一套刀柄及刀具，標簽中只存入標識碼，需要刀具刀柄信息時，系統軟件利用讀出的標識碼查詢表單并顯示。適用于刀柄刀具種類和數量不是很大的中小型加工車間。數據庫模式是把刀具與刀柄全部信息連同標識碼按照規定的數據格式存入數據庫，并按照一定關系捆綁在一起，一條記錄與一套刀柄刀具對應，標簽中只存入標識碼，需要刀具刀柄信息時，系統軟件利用讀出的標識碼查詢數據庫并顯示。數據庫模式比表單模式有更強的靈活性，更大的數據容量，易于維護等優點，因此更適用于刀柄刀具種類數量較大的大型加工車間。
表1 三種數據管理模式比較
4 RFID技術原理
RFID技術的基本工作原理(針對無源系統):讀寫器通過天線發送一定頻率的射頻信號，當電子標簽進入發射天線工作區域時產生感應電流，電子標簽獲得能量被激活;電子標簽將自身記錄的編碼信息通過其內置的天線發送出去;系統接收天線接收到從電子標簽發送的載波信號，經天線調節器傳送到讀寫器，讀寫器對接收到的信號進行調制與解碼后送給后臺應用系統進行相應的處理;應用系統根據邏輯運算判斷該卡的合法性，針對不同的設定作出相應的處理和控制(見圖4)。
圖3 管理系統軟件界面
圖4 RFID系統結構
5 研究與應用現狀
RFID技術最早應用可以追溯到二戰中敵我的目標識別，但是由于成本和技術原因，一直沒有廣泛應用。近年來隨著大規模集成電路、網絡通信、信息安全等技術的發展，已經廣泛應用在了交通運輸、市場流通、物流、信息、食品、醫療衛生、產品防偽、金融、養老、殘疾事業、教育文化、智能家電等領域。在歐、美、日本等發達國家已經成功的應用在數控加工中的工具系統管理，但是國內在數控加工中應用很少。這已經成為了中國制造業與世界接軌的一個瓶頸。
目前，國外主要工具管理系統用RFID硬件生產廠家有BALLUFF公司和OMRON公司，都有多系列的成套的RFID硬件產品及配套軟件。
賓夕法尼亞州立大學Chen-YangCheng等人提出把RFID技術應用于刀具供應鏈管理，硬件選用了BALLUFF的產品，做了大量實驗工作證實通過RFID技術與企業的企業資源規劃系統(ERP)、績效管理系統(QRM)、制造執行系統(MES)和CNC加工中心集成可以極大地減小工作量、減少手動輸入錯誤、較少數據錄入時間進而減少了數控設備停機時間。
KELCH、ZULER、NT等對刀儀與工具系統制造商已經成功的把RFID系統集成到了對刀儀中，但是目前仍然處在應用的初級階段，只具備一些基本的功能，仍然還有很大的開發空間。
國內對于RFID技術在刀具管理中應用研究較少，實際應用的案例也不多見。北京理工大學提出了一種基于RFID技術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行了許多應用研究工作。湖北汽車工業學院盛精等與西安理工大學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，應用IDEF方法設計了刀具生命周期信息管理平臺，并做出了J2EE模式的TLMS。但是條形碼有數據存儲量小、易受油污污染而影響讀取等局限。大眾、通用、日產等汽車制造商在數控刀具管理中大多采用了RFID技術，但也都是簡單的應用，并沒有真正發揮RFID的潛能，距離實現刀具管理的自動化還有一定差距。目前，哈爾濱量具刃具集團公司、上海工具廠等單位立足我國現狀開始自主開發高速數控工具系統RFID自動識別技術。
哈爾濱理工大學王志剛、徐雷達等人基于BALLUFF和OMRON的RFID硬件平臺研究了現代生產過程數控工具系統和數控刀具的管理方法，進行了大量實驗，開發了基于數據庫技術的管理系統軟件，并應用于哈爾濱量具刃具集團公司。
6 存在的問題
數控加工刀具與刀柄的管理中應用的RFID技術存在問題有:
(1)安裝尺寸的限制，該安裝尺寸是由工具和夾具用數據載體國際標準DIN/ISO 69873規定的，不能改動，在如此小的空間集成天線、IC芯片、存儲單元在技術上有一定難度;
(2)現場環境惡劣，電磁干擾、切削液腐蝕、油漬污染等都需要采取相應的制造工藝來消除這些因素對于系統的影響;
(3)缺乏相關空中接口的國際標準，各廠家之間的硬件互換性不強，沒有統一的數據格式規定，給基層技術人員的使用帶來很大不便;
(4)讀寫距離短，一般的讀寫器讀寫距離在毫米級，機械部分故障會很容易影響讀寫，甚至會損壞讀寫器和標簽;
(5)成本昂貴，這也是很多企業沒有采用RFID系統的根本原因。
(6)頻段不統一，目前工業現場用電波頻段管理比較混亂，沒有統一要求，選用不當可能對其他行業或部門的無線電通訊設備產生影響。目前國內除了125/134KHz和13.56MHz以外其他頻段都存在此問題，而且作為國家主管部門的無線電委員會也很難協調。另外，RFID技術使用的頻率不具有國際性，不利于國際合作與技術交流。
(7)超小型抗金屬電子標簽制造技術沒有國產化，國內幾乎沒有能夠制造規格為φ10mm*4.5mm的抗金屬標簽的廠家。
7 結語
符合中國國情的工具系統的RFID工業標準亟待解決，規范RFID在工具系統的應用。加快工具系統管理用(抗金屬)標簽及相關關鍵技術的國產化，為RFID在工具系統管理方面的開發應用提供平臺，提升我國數字化制造水平。
工具系統管理中RFID技術較傳統的管理方式識別速度迅速、準確，數據安全性高，數據更改方便。因此，不久的將來RFID技術必將在工具系統管理中得到廣泛的應用，并朝著網絡化、自動化、無線化的方向發展，最終實現真正意義上的制造自動化。
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本文標題：高速數控工具系統RFID自動識別技術綜述
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