1 引言

    RFID(Radio Frequency Ident ification，射頻識別技術(shù))是一種非接觸式自動識別技術(shù)，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(jìn)的RFID系統(tǒng)。德國、日本等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)把RFID系統(tǒng)廣泛地應(yīng)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(yīng)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(gòu)成

    系統(tǒng)硬件一般由由電子標(biāo)簽、天線、控制器及相應(yīng)的數(shù)據(jù)接口等構(gòu)成(見圖1，圖2)。標(biāo)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(guān)信息;天線在標(biāo)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(gòu)成

    圖2 OMRON公司RFID系統(tǒng)硬件構(gòu)成

    控制器用于讀取或?qū)懭霕?biāo)簽信息的設(shè)備，接收并執(zhí)行上位機(jī)的指令，控制對應(yīng)的讀寫設(shè)備進(jìn)行讀或?qū)懖僮鳎�返回相�?yīng)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(biāo)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(quán)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(jié)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(quán)限管理模塊，只有有權(quán)限的的人員才能對該系統(tǒng)進(jìn)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?qū)憽��?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(hù)，報廢處理等管理。數(shù)據(jù)的平滑與過濾模塊當(dāng)電子標(biāo)簽被讀寫器錯誤的讀取或者重復(fù)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(jìn)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(yīng)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(biāo)。

    管理軟件的數(shù)據(jù)管理模式有三種:直接存入標(biāo)簽?zāi)Ｊ?表單模式;數(shù)據(jù)庫模式。直接存入標(biāo)簽?zāi)Ｊ绞前训毒吲c刀柄全部信息按照規(guī)定的數(shù)據(jù)格式存入電子標(biāo)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(zhǔn)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(biāo)簽中只存入標(biāo)識碼，需要刀具刀柄信息時，系統(tǒng)軟件利用讀出的標(biāo)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(biāo)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(guān)系捆綁在一起，一條記錄與一套刀柄刀具對應(yīng)，標(biāo)簽中只存入標(biāo)識碼，需要刀具刀柄信息時，系統(tǒng)軟件利用讀出的標(biāo)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(qiáng)的靈活性，更大的數(shù)據(jù)容量，易于維護(hù)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(shù)原理

    RFID技術(shù)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(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入發(fā)射天線工作區(qū)域時產(chǎn)生感應(yīng)電流，電子標(biāo)簽獲得能量被激活;電子標(biāo)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(biāo)簽發(fā)送的載波信號，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到讀寫器，讀寫器對接收到的信號進(jìn)行調(diào)制與解碼后送給后臺應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的處理;應(yīng)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(shè)定作出相應(yīng)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(jié)構(gòu)

5 研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

    RFID技術(shù)最早應(yīng)用可以追溯到二戰(zhàn)中敵我的目標(biāo)識別，但是由于成本和技術(shù)原因，一直沒有廣泛應(yīng)用。近年來隨著大規(guī)模集成電路、網(wǎng)絡(luò)通信、信息安全等技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)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(lǐng)域。在歐、美、日本等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)成功的應(yīng)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(yīng)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(xué)Chen-YangCheng等人提出把RFID技術(shù)應(yīng)用于刀具供應(yīng)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(shù)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(jìn)而減少了數(shù)控設(shè)備停機(jī)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(yīng)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(shù)在刀具管理中應(yīng)用研究較少，實際應(yīng)用的案例也不多見。北京理工大學(xué)提出了一種基于RFID技術(shù)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(jìn)行了許多應(yīng)用研究工作。湖北汽車工業(yè)學(xué)院盛精等與西安理工大學(xué)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(yīng)用IDEF方法設(shè)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(shù)，但也都是簡單的應(yīng)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(tuán)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(shù)。

    哈爾濱理工大學(xué)王志剛、徐雷達(dá)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(jìn)行了大量實驗，開發(fā)了基于數(shù)據(jù)庫技術(shù)的管理系統(tǒng)軟件，并應(yīng)用于哈爾濱量具刃具集團(tuán)公司。

6 存在的問題

    數(shù)控加工刀具與刀柄的管理中應(yīng)用的RFID技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)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(shù)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(yīng)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(guān)空中接口的國際標(biāo)準(zhǔn)，各廠家之間的硬件互換性不強(qiáng)，沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式規(guī)定，給基層技術(shù)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(jī)械部分故障會很容易影響讀寫，甚至?xí)�損壞讀寫器和標(biāo)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(dāng)可能對其他行業(yè)或部門的無線電通訊設(shè)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(diào)。另外，RFID技術(shù)使用的頻率不具有國際性，不利于國際合作與技術(shù)交流。

    (7)超小型抗金屬電子標(biāo)簽制造技術(shù)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(biāo)簽的廠家。

7 結(jié)語

    符合中國國情的工具系統(tǒng)的RFID工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)亟待解決，規(guī)范RFID在工具系統(tǒng)的應(yīng)用。加快工具系統(tǒng)管理用(抗金屬)標(biāo)簽及相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的國產(chǎn)化，為RFID在工具系統(tǒng)管理方面的開發(fā)應(yīng)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(shù)較傳統(tǒng)的管理方式識別速度迅速、準(zhǔn)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(shù)必將在工具系統(tǒng)管理中得到廣泛的應(yīng)用，并朝著網(wǎng)絡(luò)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(biāo)題：高速數(shù)控工具系統(tǒng)RFID自動識別技術(shù)綜述

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