應(yīng)用RFID的數(shù)控刀具識別系統(tǒng)設(shè)計與試驗

　　引言

　　隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控機床的應(yīng)用日益廣泛。其中，加工中心已經(jīng)逐步成為機械加工車間的主流裝備，加工中心是具有刀庫的數(shù)控設(shè)備，刀庫中預(yù)裝有加工所需的各種刀具。根據(jù)加工需求對加工中心刀庫中的刀具進(jìn)行調(diào)度、換取。換刀的效率、穩(wěn)定性將直接影響到生產(chǎn)能否正常持續(xù)地進(jìn)行下去，其重要性是顯而易見的，識別是換刀工作進(jìn)行的基礎(chǔ)。

　　加工中心換刀識別有兩種：刀位識別和刀具識別。本文研究的基礎(chǔ)是對刀具編碼識別，服務(wù)于刀庫中換刀功能的快速實現(xiàn)?，F(xiàn)有的機床刀具識別方法是在刀具表面貼上條形碼或者對刀具表面進(jìn)行激光標(biāo)刻來進(jìn)行識別。但這些識別方法在實際應(yīng)用中有其缺點，比如：條形碼易脫落，識別條件苛刻;激光標(biāo)刻成本高。

　　本文將無線射頻識別(RFID)技術(shù)應(yīng)用到刀具識別系統(tǒng)中。射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，通過射頻信號自動識別標(biāo)簽并獲取數(shù)據(jù)信息。首先由PC機通過串口與射頻識別模塊通信，將數(shù)控機床刀具的所有幾何尺寸和技術(shù)數(shù)據(jù)寫入電子標(biāo)簽中，如：刀具編號、名稱、參數(shù)及使用壽命等;然后將存儲刀具信息的抗金屬電子標(biāo)簽安裝到對應(yīng)的刀具上，管理人員可隨時通過射頻識別終端對刀庫中的數(shù)控機床刀具信息進(jìn)行查詢，實現(xiàn)對庫存中刀具的有序管理。

　　1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

　　1.1硬件工作平臺

　　本系統(tǒng)硬件工作平臺的結(jié)構(gòu)組成主要包括：刀庫工作系統(tǒng)、射頻識別系統(tǒng)、上位機管理軟件和便攜式微控制器。其中，刀庫系統(tǒng)選用圓形刀盤回轉(zhuǎn)裝置，由步進(jìn)電動機驅(qū)動運行，硬件工作平臺如圖1所示。

　　1.2系統(tǒng)工作原理

　　本系統(tǒng)功能主要由兩方面組成：1)刀具信息管理功能。主要是實現(xiàn)對表面裝有電子標(biāo)簽的數(shù)控機床刀具所含信息在上位機數(shù)據(jù)庫中的查詢、顯示、更新甚至刪除;2)刀庫中刀具的識別功能。主要是實現(xiàn)刀盤中刀具位置的查詢和定位，并且實現(xiàn)對刀庫中隨機存放的刀具的快速選擇，就近空刀位置存放刀具，在液晶顯示器上顯示出工作過程和刀具信息。

　　圖1硬件工作平臺

　　系統(tǒng)功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)是無線射頻識別(RFID)技術(shù)。RFID的基本工作原理是電子標(biāo)簽內(nèi)部存有刀具信息，當(dāng)置于讀寫器天線的射頻工作范圍后，讀寫器向電子標(biāo)簽發(fā)出電磁波(命令、能量、時序)，最后通過天線將電子標(biāo)簽中數(shù)據(jù)回送給讀寫器。讀寫器實現(xiàn)對標(biāo)簽識別碼和內(nèi)存數(shù)據(jù)的讀出或?qū)懭?，并將讀出的數(shù)據(jù)通過串口傳給上位機進(jìn)行分析處理，或與微處理器通信，實現(xiàn)刀庫中刀具識別和定位。

　　2 RFID識別系統(tǒng)設(shè)計

　　2.1 RFID硬件電路設(shè)計

　　MF RC500為非接觸式通信中高集成讀卡系列芯片，集成了在13.56MHz下所有類型的被動式通信方式和協(xié)議。

　　系統(tǒng)電路圖主要包括3個部分：MCU處理器、RC500內(nèi)部電路和外部電路。MCU與RC500為并行連接AD。RC500內(nèi)部電路主要包括發(fā)送部分、數(shù)字部分以及8位并行口。外部電路包括一個低通濾波器、接收電路、天線匹配電路和天線。低通濾波器根據(jù)國際電磁兼容性(Electro Magnetic Compatibility，EMC)條例對發(fā)射波中更高的諧波進(jìn)行濾除，由元件L1和C1。組成。接收電路由元件R1、R2、R3和R4組成。RC500內(nèi)部產(chǎn)生的VMID電勢作為腿腳的輸入電勢，兩者之間連接一個分壓器，在VMID引腳處再接一個對地電容c3提供穩(wěn)定的參考電壓。天線匹配電路由元件C4、C5組成。刀具射頻識別系統(tǒng)主框圖如圖2所示。

　　圖2刀具射頻識別系統(tǒng)主框圖

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　　2.2 RFID下位機軟件設(shè)計

　　軟件系統(tǒng)包括主程序、串口中斷程序和發(fā)射子程序。主程序為順序結(jié)構(gòu)，完成串口、中斷初始化設(shè)置;串口中斷程序接受上位機命令，配置RC500內(nèi)部寄存器;發(fā)射模塊進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)，讀寫器通過防沖突算法分時選擇一個標(biāo)簽進(jìn)行讀取，實現(xiàn)標(biāo)簽的識別，耗時短。這里給出標(biāo)簽識別操作的程序片段，軟件流程如圖3所示。

　　圖3軟件流程

　　標(biāo)簽識別操作的程序片段：

　　2.3上位機軟件設(shè)計

　　上位機通信軟件使用VC++6.0軟件編寫。主要功能是通過申門通信發(fā)送所要執(zhí)行的操作命令，讀取刀具標(biāo)簽信息。以及將讀取的信息進(jìn)行處理，查詢數(shù)據(jù)庫顯示。

　　上位機軟件界而如圖4所示。

　　圖4上位機軟件界面

　　刀具信息管理系統(tǒng)中單位刀具的信息上要由靜態(tài)信息和動態(tài)信息組成。靜態(tài)信息是刀具本身固有的加刀具編號、刀其名稱和兒何參數(shù)等;動態(tài)信息則會隨著刀具的使用而發(fā)生變化，如借還信息、庫存信息等。系統(tǒng)在VC++環(huán)境下使用動態(tài)數(shù)據(jù)對象(ActiveXData Objects ADO)來對數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序進(jìn)行開發(fā)，刀具信息數(shù)據(jù)庫設(shè)計如表1所示。

　　表1 刀具信息數(shù)據(jù)

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　　3系統(tǒng)功能實現(xiàn)

　　3.1隨機快速取刀

　　為了驗證系統(tǒng)功能，設(shè)計了一個具有8刀位(間隔45度)的圓盤回轉(zhuǎn)裝置，隨機存放刀具。RFID系統(tǒng)初始對應(yīng)的刀位設(shè)為識別起點。系統(tǒng)啟動，刀盤從當(dāng)前起點開始隨步進(jìn)電動機控制每轉(zhuǎn)動45度，RFID識別當(dāng)前刀具標(biāo)簽，每次識別的信息傳給微處理器存于刀位信息數(shù)組，數(shù)組包含刀座和刀具對應(yīng)信息。RFID將一圓周識別完后，回到識別起點。此時，微處理器端的鍵盤輸入所需的刀具號，微處理器內(nèi)部算法運行，查找刀位數(shù)組中與輸入刀具號信息匹配的刀位，并計算該刀位與識別起點的角度差(角距)。角距值為n*45度(n=0~7)。再根據(jù)n的取值，判斷電動機如何旋轉(zhuǎn)才能最快到達(dá)目標(biāo)刀具。接著，RFID讀寫器將所對應(yīng)刀具信息的核心參數(shù)在液晶顯示器上顯示。隨后便等待取刀，工作完成后RFID系統(tǒng)將重回識別起點，整個識別過程運轉(zhuǎn)快速簡便。系統(tǒng)換刀流程如圖5所示。

　　圖5換刀流程

　　新刀其存入庫的方式遵循就近空位放置的原則。取刀后，圓盤刀庫8個刀位中將有空刀位。當(dāng)新刀具需存入刀庫時，微處理器查詢該時刻各刀位信息。確定距離當(dāng)而RFID系統(tǒng)位置的最近空刀位，隨后，刀庫轉(zhuǎn)至最近空刀位，等待欣置新刀具。放置過后，RFID重新識別放置新刀具后的刀位信息并存儲，以待下次識別工作的循環(huán)執(zhí)行。新刀人庫后，整個刀位信息數(shù)組無需重置。只修改部分信息即可。

　　3.2實驗結(jié)果

　　系統(tǒng)工作時，圓盤刀庫轉(zhuǎn)速為15r/min，RFID。識別刀具標(biāo)簽時間為0. 25s。系統(tǒng)掃描識別一圓周總時間為6s。接著系統(tǒng)接受需查詢的刀具號對目標(biāo)刀具定位，各刀具所需定位時間T如表2所示，假設(shè)RFID在識別起始點(0號刀位)，刀具識別定位的平均時間為1s。

　　表2 刀具定位時間

　　本識別系統(tǒng)改善了刀庫中刀具識別的功能，使整個識別過程更加有效、穩(wěn)定。對刀具識別的改進(jìn)，使刀具在刀庫中能隨機存放;將射頻識別與查表定位相結(jié)合的方法應(yīng)用于刀具定位中，系統(tǒng)功能執(zhí)行效率更高;電子標(biāo)簽中存有的刀具信息容量更大;單位刀具信息在換刀過程中可實時顯示，使換刀過程實現(xiàn)可視化控制。

　　4結(jié)語

　　無線射頻識別與其他目前應(yīng)用的刀具識別方法比較，電子標(biāo)簽不受現(xiàn)場惡劣環(huán)境的干擾，不怕油、灰塵和臟東西的污染，使用壽命長，自動化程度高。數(shù)控機床刀具射頻識別系統(tǒng)的用途是監(jiān)控刀具和管理刀具，為機械加工準(zhǔn)備好所需刀具，避免了停工等刀現(xiàn)象的產(chǎn)生。

　　本系統(tǒng)中管理與監(jiān)控有機結(jié)合，具有較強的實用性，可提高生產(chǎn)效率和降低管理成本。