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(fā)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(tǒng)。德國、日本等發(fā)達國家已經(jīng)把RFID系統(tǒng)廣泛地應用在了數(shù)控加工中刀具和刀柄的管理。國內(nèi)的RFID研究主要集中在對芯片的研究、閱讀器的開發(fā)等方面，在刀具和刀柄的管理中應用研究還很少。目前，國內(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)效率的一個絆腳石，是中國制造業(yè)與世界接軌的一個瓶頸。
2 硬件系統(tǒng)構成
系統(tǒng)硬件一般由由電子標簽、天線、控制器及相應的數(shù)據(jù)接口等構成(見圖1，圖2)。標簽又稱數(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(tǒng)硬件構成
圖2 OMRON公司RFID系統(tǒng)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(zhí)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(shù)據(jù)。
3 系統(tǒng)軟件
管理系統(tǒng)軟件是基于數(shù)據(jù)庫管理軟件的開發(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(shù)據(jù)庫管理模塊，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。結合RFID系統(tǒng)最終實現(xiàn)高速數(shù)控工具系統(tǒng)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(tǒng)進行操作，便于企業(yè)的管理。讀寫控制模塊，控制RFID系統(tǒng)完成讀或寫。數(shù)據(jù)庫管理模塊，通過與數(shù)據(jù)庫的接口完成數(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)對工具的采購，維護，報廢處理等管理。數(shù)據(jù)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(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矯正這些錯誤。對數(shù)據(jù)進行過濾的同時還可以起到對大量數(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)送到哪些應用程序。在企業(yè)與現(xiàn)有的信息系統(tǒng)整合時，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。
管理軟件的數(shù)據(jù)管理模式有三種:直接存入標簽模式;表單模式;數(shù)據(jù)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(guī)定的數(shù)據(jù)格式存入電子標簽，讀寫的數(shù)據(jù)量較大，識別速度會受到影響，硬件損耗較大，數(shù)據(jù)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(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，標簽中只存入標識碼，需要刀具刀柄信息時，系統(tǒng)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(shù)量不是很大的中小型加工車間。數(shù)據(jù)庫模式是把刀具與刀柄全部信息連同標識碼按照規(guī)定的數(shù)據(jù)格式存入數(shù)據(jù)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(tǒng)軟件利用讀出的標識碼查詢數(shù)據(jù)庫并顯示。數(shù)據(jù)庫模式比表單模式有更強的靈活性，更大的數(shù)據(jù)容量，易于維護等優(yōu)點，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技術原理
RFID技術的基本工作原理(針對無源系統(tǒng)):讀寫器通過天線發(fā)送一定頻率的射頻信號，當電子標簽進入發(fā)射天線工作區(qū)域時產(chǎn)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(nèi)置的天線發(fā)送出去;系統(tǒng)接收天線接收到從電子標簽發(fā)送的載波信號，經(jīng)天線調節(jié)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(tǒng)進行相應的處理;應用系統(tǒng)根據(jù)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(tǒng)軟件界面
圖4 RFID系統(tǒng)結構
5 研究與應用現(xiàn)狀
RFID技術最早應用可以追溯到二戰(zhàn)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(guī)模集成電路、網(wǎng)絡通信、信息安全等技術的發(fā)展，已經(jīng)廣泛應用在了交通運輸、市場流通、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、智能家電等領域。在歐、美、日本等發(fā)達國家已經(jīng)成功的應用在數(shù)控加工中的工具系統(tǒng)管理，但是國內(nèi)在數(shù)控加工中應用很少。這已經(jīng)成為了中國制造業(yè)與世界接軌的一個瓶頸。
目前，國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(chǎn)品，做了大量實驗工作證實通過RFID技術與企業(yè)的企業(yè)資源規(guī)劃系統(tǒng)(ERP)、績效管理系統(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、減少手動輸入錯誤、較少數(shù)據(jù)錄入時間進而減少了數(shù)控設備停機時間。
KELCH、ZULER、NT等對刀儀與工具系統(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(fā)空間。
國內(nèi)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(yè)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(shù)據(jù)存儲量小、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，但也都是簡單的應用，并沒有真正發(fā)揮RFID的潛能，距離實現(xiàn)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(xiàn)狀開始自主開發(fā)高速數(shù)控工具系統(tǒng)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(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，進行了大量實驗，開發(fā)了基于數(shù)據(jù)庫技術的管理系統(tǒng)軟件，并應用于哈爾濱量具刃具集團公司。
6 存在的問題
數(shù)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(shù)據(jù)載體國際標準DIN/ISO 69873規(guī)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(xiàn)場環(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的制造工藝來消除這些因素對于系統(tǒng)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(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式規(guī)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(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)場用電波頻段管理比較混亂，沒有統(tǒng)一要求，選用不當可能對其他行業(yè)或部門的無線電通訊設備產(chǎn)生影響。目前國內(nèi)除了125/134KHz和13.56MHz以外其他頻段都存在此問題，而且作為國家主管部門的無線電委員會也很難協(xié)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(chǎn)化，國內(nèi)幾乎沒有能夠制造規(guī)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(tǒng)的RFID工業(yè)標準亟待解決，規(guī)范RFID在工具系統(tǒng)的應用。加快工具系統(tǒng)管理用(抗金屬)標簽及相關關鍵技術的國產(chǎn)化，為RFID在工具系統(tǒng)管理方面的開發(fā)應用提供平臺，提升我國數(shù)字化制造水平。
工具系統(tǒng)管理中RFID技術較傳統(tǒng)的管理方式識別速度迅速、準確，數(shù)據(jù)安全性高，數(shù)據(jù)更改方便。因此，不久的將來RFID技術必將在工具系統(tǒng)管理中得到廣泛的應用，并朝著網(wǎng)絡化、自動化、無線化的方向發(fā)展，最終實現(xiàn)真正意義上的制造自動化。
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本文標題：高速數(shù)控工具系統(tǒng)RFID自動識別技術綜述
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