1 引言
傳統(tǒng)的制造企業(yè)采用人工管理設(shè)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(shè)備資源的浪費(fèi)。因此，必須利用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立制造車間設(shè)備信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的參數(shù)化管理、庫(kù)存、采購(gòu)和壽命控制等信息化管理，保證做到設(shè)備資源信息的即時(shí)性、共享性、準(zhǔn)確性。通過設(shè)備管理系統(tǒng)可以提高設(shè)備資源的利用率、縮短設(shè)備準(zhǔn)備時(shí)間從而加快生產(chǎn)周期，為企業(yè)創(chuàng)造更多的利潤(rùn)。
自動(dòng)識(shí)別技術(shù)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)與信息技術(shù)為基礎(chǔ)的一門綜合性應(yīng)用科學(xué)技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)快速、準(zhǔn)確、自動(dòng)采集的有效手段，包括條形碼技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)和生物特征識(shí)別技術(shù)在內(nèi)的技術(shù)體系。其主要的目的是快速、準(zhǔn)確地獲得生產(chǎn)車間所需的設(shè)備信息，以改善傳統(tǒng)制造業(yè)中低效率的管理方式，實(shí)現(xiàn)機(jī)械制造車間的設(shè)備管理的科學(xué)化和智能化。本文詳細(xì)介紹這幾種識(shí)別技術(shù)的原理、優(yōu)缺點(diǎn)以及它們的適用范圍。
2 條形碼技術(shù)
條碼技術(shù)已成為一種成熟的技術(shù).它是將信息用條碼表示，并將條碼信息轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)可自動(dòng)識(shí)讀的數(shù)據(jù)。一個(gè)完錐的條碼符號(hào)通常都由兩側(cè)的空白區(qū)、起始符、數(shù)據(jù)符、校驗(yàn)符(可選)、終止符和供人識(shí)別字符組成，條碼符號(hào)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 條碼符號(hào)的基本結(jié)構(gòu)
(1)條形碼的編碼規(guī)則
唯一性:同種規(guī)格同種產(chǎn)品對(duì)應(yīng)同一個(gè)產(chǎn)品代碼，同種產(chǎn)品不同規(guī)格應(yīng)對(duì)應(yīng)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(yīng)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(shí)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(gè)過程。當(dāng)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(qiáng)弱不同的反射光信號(hào)，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)。電信號(hào)輸出到條碼掃描器的放大電路增強(qiáng)信號(hào)之后，再送到整形電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。此時(shí)所得到的數(shù)據(jù)仍然雜亂，下一步需根據(jù)對(duì)應(yīng)的編碼規(guī)則，將條形符號(hào)換成相應(yīng)的數(shù)字、字符信息。最后，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與管理，物品的詳細(xì)信息就得到識(shí)別[5一，](見圖2}0
目前，條碼的制作與條碼的識(shí)別都有成熟可靠的產(chǎn)品。通常采用條碼技術(shù)用于設(shè)備、在制品的庫(kù)存管理，幫助實(shí)現(xiàn)入庫(kù)、盤點(diǎn)、借出、歸還等環(huán)節(jié)的管理。
圖2 條碼識(shí)讀系統(tǒng)組成
3 射頻識(shí)別技術(shù)
射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)是利用無線電波或微波能量進(jìn)行非接觸雙向通信，來實(shí)現(xiàn)識(shí)別和數(shù)據(jù)交換功能的自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)。一般來說，射頻識(shí)別系統(tǒng)包括射頻標(biāo)簽、讀寫器和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)三部分。其中，射頻標(biāo)簽由天線和芯片組成，每一個(gè)芯片都有唯一的標(biāo)識(shí)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(biāo)簽信息的設(shè)備，它通過網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通信，完成對(duì)射頻標(biāo)簽信息的獲取、解碼、識(shí)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(chǔ)和管理，并可以對(duì)標(biāo)簽進(jìn)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(huì)有不同的特性。
圖3 RFID的基本模型圖
(1)低頻
RFID技術(shù)首先在低頻得到廣泛的應(yīng)用和推廣。該頻率主要是通過電感禍合的方式進(jìn)行工作，也就是在讀寫器線圈和感應(yīng)器線圈間存在著變壓器禍合作用。通過讀寫器交變場(chǎng)的作用在感應(yīng)器天線中感應(yīng)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(yīng)器的一般工作頻率為120kHz一134kHz，該頻段的波長(zhǎng)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(chǎng)區(qū)域下降很快，但是能夠產(chǎn)生相對(duì)均勻的讀寫區(qū)域;相對(duì)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(yīng)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(yīng)器一般通過負(fù)載調(diào)制的方式進(jìn)行工作。也就是通過感應(yīng)器上的負(fù)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(shí)現(xiàn)用遠(yuǎn)距離感應(yīng)器對(duì)天線電壓進(jìn)行振幅調(diào)制。
其特性有:工作頻率為13.56MHz，該頻率的波長(zhǎng)大概為22m ;除了金屬材料外，該頻率的波長(zhǎng)可以穿過大多數(shù)的材料，但是往往會(huì)降低讀取距離。感應(yīng)器需要離開金屬一段距離;感應(yīng)器一般以電子標(biāo)簽的形式;該系統(tǒng)具有防沖撞特性，可以同時(shí)讀取多個(gè)電子標(biāo)簽;數(shù)據(jù)傳輸速率比低頻要快，價(jià)格不貴。
(3)超高頻
超高頻系統(tǒng)通過電場(chǎng)來傳輸能量。電場(chǎng)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(yuǎn)，無源可達(dá)1Om左右。主要是通過，電容藕合的方式進(jìn)行實(shí)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(zhǎng)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(duì)于高頻的電子標(biāo)簽來說，該頻段的電子標(biāo)簽不需要和金屬分開來;電子標(biāo)簽的天線一般是長(zhǎng)條和標(biāo)簽狀。天線有線性和圓極化兩種設(shè)計(jì)，以滿足不同應(yīng)用的需求。
4 直接標(biāo)識(shí)技術(shù)
直接零件標(biāo)識(shí)(Direct Part Marking, DPM)指直接在物體表面標(biāo)識(shí)可機(jī)器識(shí)別的代碼。在直接標(biāo)識(shí)技術(shù)中，點(diǎn)撞擊、電化學(xué)標(biāo)識(shí)、直接噴碼和激光標(biāo)刻方法獲得了廣泛的研究。
(1)點(diǎn)撞擊
點(diǎn)撞擊是用氣(或電)驅(qū)動(dòng)的鐵筆(筆尖是金剛石或鉆石的)在被標(biāo)識(shí)物表面撞擊形成一定深度的點(diǎn)，這些點(diǎn)構(gòu)成DataMatrix條碼。該方法是目前航空航天領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的一類標(biāo)識(shí)段，但也有一定的局限性，對(duì)較薄的材料(厚度小于0.02inch)、易碎的非金屬材料、標(biāo)識(shí)點(diǎn)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(biāo)識(shí)。
(2)電化學(xué)標(biāo)識(shí)
電化學(xué)標(biāo)識(shí)包括電化學(xué)蝕刻和電化學(xué)著色。電化學(xué)蝕刻是通過電解液和模具獲得條碼形狀，其實(shí)現(xiàn)過程是將刻有條碼形狀的模具固定在被標(biāo)識(shí)物體表面，放在電解液里，被標(biāo)識(shí)物接陽(yáng)極，電解液接陰極，在兩者之間通低電流，將條碼印在被標(biāo)識(shí)物體表面上。電化學(xué)著色與電化學(xué)蝕刻類似，不同的是，電化學(xué)著色采用交流電，而電化學(xué)蝕刻采用直流電。在這種情況下，金屬?zèng)]有被去除，而是被氧化了(著色)。這個(gè)過程能夠產(chǎn)生高質(zhì)量的條碼而不會(huì)破壞被標(biāo)識(shí)物體表面。顏色取決于金屬/電解液組合。電化學(xué)標(biāo)識(shí)方法主要用于關(guān)鍵零部件的標(biāo)識(shí)。
(3)直接噴碼
直接噴碼采用氣體壓力驅(qū)使快干墨水(成細(xì)小的水珠)從打印頭到標(biāo)識(shí)物表面。條碼變形、墨水潑濺、涂污等都會(huì)影響條碼的正確識(shí)別，這些可以通過調(diào)整打印頭到標(biāo)刻面的距離、空氣壓力、墨水配方等進(jìn)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(gè)生命周期，直接噴碼只適用于在制品或中間產(chǎn)品的標(biāo)識(shí)，而不能用于最終產(chǎn)品。
表1 三種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的比較
(4)激光標(biāo)刻
激光標(biāo)刻主要采用可見波長(zhǎng)激光，它是利用激光的熱能使被標(biāo)識(shí)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(biāo)識(shí)表面的相互作用，激光標(biāo)刻在物體表面形成一定深度的條碼，在循環(huán)應(yīng)力作用下可能形成擴(kuò)展裂紋，使零件產(chǎn)生疲勞破壞。另外，激光標(biāo)刻方法目前還缺乏質(zhì)量評(píng)判準(zhǔn)則，對(duì)表面質(zhì)量要求較高產(chǎn)品的應(yīng)用也受到限制。目前，激光直接標(biāo)刻方法在關(guān)鍵零件上的應(yīng)用還處于研究階段。
5 自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
目前，自動(dòng)識(shí)別技術(shù)發(fā)展雖然較快，但主要是向技術(shù)的縱深方向發(fā)展，相信隨著應(yīng)用領(lǐng)域的日益擴(kuò)大以及應(yīng)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(shí)別技術(shù)的組合化應(yīng)用，將幾種技術(shù)集成，以滿足事物多樣性的要求，例如，將激光標(biāo)刻技術(shù)和條形碼技術(shù)結(jié)合起來應(yīng)用于數(shù)控加工中的刀具的自動(dòng)識(shí)別。隨著控制系統(tǒng)鉀能水平的要求越來越高，僅僅依靠測(cè)試技術(shù)已經(jīng)不能滿足需求，應(yīng)重視與控制技術(shù)的緊密結(jié)合。
新的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不斷涌現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)體系日趨成熟。企業(yè)的需求成為標(biāo)準(zhǔn)制定的動(dòng)力，全球已經(jīng)形成標(biāo)準(zhǔn)化組織于企業(yè)共同制定國(guó)際條碼識(shí)別技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的格局。近年來，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO/IEC的專門技術(shù)委員會(huì)發(fā)布了多個(gè)條碼識(shí)別技術(shù)碼制標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。
6 結(jié)語(yǔ)
本文介紹了幾種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)這種在數(shù)字化制造過程中對(duì)設(shè)備進(jìn)行智能管理的方法，闡述了各種識(shí)別方法的原理和優(yōu)缺點(diǎn)及適用場(chǎng)合，對(duì)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)總結(jié)，并且對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。盡管自動(dòng)識(shí)別技術(shù)相關(guān)的研究還處于起步階段.仍存在一些理論和技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)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(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)被突破，自動(dòng)識(shí)別技術(shù)在數(shù)字化制造業(yè)中的應(yīng)用將會(huì)極具前景。
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本文標(biāo)題：數(shù)字化制造業(yè)中的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)及其特點(diǎn)
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