基于RFID的加工中心刀具信息管理系統(tǒng)的研究*

姜 源 張為民②

（①同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海201804;②同濟(jì)大學(xué)中德學(xué)院，上海 200092）

隨著加工中心的廣泛使用，作為核心制造資源之一的數(shù)控刀具在數(shù)量與種類上急劇增加。同時，刀具的整個生命周期涉及到企業(yè)多個部門，各部門之間通常缺乏統(tǒng)一、高效的刀具信息管理，造成了刀具信息在企業(yè)內(nèi)流通環(huán)節(jié)上的滯后，導(dǎo)致資源的浪費(fèi)與生產(chǎn)的延誤［1］。JIT、ERP、MES 等管理思想均是以最大限度地合理利用資源、減少企業(yè)資源浪費(fèi)、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品服務(wù)質(zhì)量，從而提高企業(yè)的市場競爭力為最終目標(biāo)。它們的出現(xiàn)與應(yīng)用，推進(jìn)了企業(yè)管理信息化的進(jìn)程，但在實(shí)際的工程應(yīng)用中，尤其對于離散型制造企業(yè)，建立有效的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理機(jī)制，是成功實(shí)施上述管理方法的基礎(chǔ)。無線射頻技術(shù)（RFID）是20世紀(jì)90年代興起的一種非接觸式的自動識別技術(shù)，具有閱讀速度快、無磨損、抗污染能力強(qiáng)等特點(diǎn)，因此在數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)監(jiān)控、物流管理上具有廣大的應(yīng)用空間［2］。本文以RFID自動識別技術(shù)為基礎(chǔ)，通過安裝在刀柄處的RFID芯片跟蹤管理刀具在整個使用過程中的實(shí)時信息與狀態(tài)，并在加工中心上實(shí)現(xiàn)刀具信息的輸入與更新。

1 需求分析與系統(tǒng)設(shè)計

1．1 系統(tǒng)需求分析

對于車間生產(chǎn)加工人員，加工中心使用的刀具種類繁多、數(shù)據(jù)量大，每次裝刀都需要手動輸入大量的刀具參數(shù)，效率低且容易引入人工錯誤，增加刀具準(zhǔn)備時間，降低了生產(chǎn)效率。同時，到達(dá)極限壽命的刀具在刃磨、報廢的過程中，由于缺乏有效的標(biāo)識，容易出現(xiàn)錯拿錯用的情況。采用RFID自動識別技術(shù)，將芯片安裝在刀柄位置，這樣刀具信息時刻跟隨著刀具，在刀具整個使用周期的各個環(huán)節(jié)安裝讀寫器，就可以實(shí)現(xiàn)刀具信息的快速顯示與更新，極大地提高了刀具信息管理的效率與準(zhǔn)確性，有利于縮短刀具準(zhǔn)備時間、提高生產(chǎn)效率。

針對加工中心保證刀具正確使用、輔助工藝過程的需求，RFID芯片中存儲的數(shù)據(jù)應(yīng)包含以下3類（如表1所示）:

（1）身份信息:確定刀具的唯一標(biāo)識，貫穿于整個刀具使用過程中，保證正確的刀具出現(xiàn)在正確的位置，避免刀具誤用;

（2）工藝信息:記錄刀具工藝參數(shù)，輔助加工人員完成數(shù)控編程;

（3）管理信息:包含刀具整個使用過程中的壽命信息與狀態(tài)。

表1 RFID芯片中的刀具信息

1．2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于上述分析，面向加工中心的刀具信息管理系統(tǒng)的基本框架結(jié)構(gòu)如圖1所示，共有3個功能:

（1）信息采集:通過在加工中心的裝刀位置布置RFID讀寫頭，在刀具的刀柄或聯(lián)接副上安裝RFID芯片，來實(shí)現(xiàn)裝載刀具時刀具信息的自動采集，并將相關(guān)信息傳輸至后臺刀具信息管理系統(tǒng)，為后續(xù)的操作提供實(shí)時數(shù)據(jù)源。

（2）信息交換:將采集到的刀具信息顯示到機(jī)床控制面板，并將必要的工藝參數(shù)寫入840D數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)變量;在加工換刀時將剩余壽命時間寫入RFID芯片中，實(shí)時更新刀具的壽命信息。

（3）狀態(tài)管理:用于管理刀具全生命周期過程的實(shí)時信息與狀態(tài)，串聯(lián)協(xié)調(diào)整個管理鏈條，實(shí)現(xiàn)物流與信息流的融合，提高整個管理的自動化程度。

1．3 刀具管理流程

刀具的整個生命周期，通常包括計劃、采購、標(biāo)識入庫、借出、裝配、使用、歸還、重磨、報廢等過程［3］。企業(yè)內(nèi)多個部門參與其中，如采購部門、庫存管理部門、工藝部門、加工部門、對刀及維修部門等。面向加工中心的刀具信息管理系統(tǒng)的刀具流通過程如圖2所示。

2 設(shè)備通訊與數(shù)據(jù)傳輸

本系統(tǒng)采用BALLUFF BIS C系列RFID產(chǎn)品，編碼塊采用EEPROM存儲類型，最多可存儲511字節(jié)數(shù)據(jù)，支持的通訊接口類型RS232、RS422/485、20 mA/TTY［4］?？紤]到目前機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)與 PC一般配有COM串行通訊接口，因此采用RS232作為設(shè)配之間的通訊協(xié)議。

2．1 RFID通訊編程

根據(jù)需求初始化設(shè)置RFID處理器，確定通訊串口及其參數(shù)，如波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗(yàn)及輸入/輸出功能。然后編寫通訊報文，從而通過處理器將芯片內(nèi)的數(shù)據(jù)讀取COM通訊串口。例如，

R 0050 0010 V

其中，“R”為頭命令，“0050”代表從芯片的第50個存儲位置開始讀取數(shù)據(jù)，“0010”代表讀取10字節(jié)的數(shù)據(jù)，最后的“V”是該命令的BCC校驗(yàn)碼。RFID常用處理器操作命令如表2所示。

表2 RFID處理器操作命令

2．2MSComm控件通訊編程

不管是向RFID處理器發(fā)送通訊報文還是將處理器返回的數(shù)據(jù)讀取到系統(tǒng)界面，都需要借助COM串口通訊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。在 VB開發(fā)環(huán)境中，通過MSComm控件可以方便地實(shí)現(xiàn)與控制COM串口通訊。

首先要根據(jù)RIFD處理器的設(shè)置初始化COM口，使PC設(shè)備管理器中的 COM口、RFID處理器、MSComm控件中設(shè)置的波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗(yàn)等參數(shù)保持一致，否則無法實(shí)現(xiàn)串口通訊。

讀取COM口數(shù)據(jù)模塊采用MSComm控件提供的事件驅(qū)動方式，即在通訊過程中出現(xiàn)收發(fā)數(shù)據(jù)或產(chǎn)生錯誤時，觸發(fā)OnComm事件，繼而判斷CommEvent屬性值確定事件類型，根據(jù)事件類型做出響應(yīng)。COM口接受數(shù)據(jù)的代碼如下:

2．3 DDE機(jī)床通訊編程

西門子840D數(shù)控系統(tǒng)帶有刀具管理功能，集成了對刀具與刀庫的許多管理功能，包括刀具數(shù)據(jù)與刀庫數(shù)據(jù)的顯示與管理，如刀具壽命、刀具磨損與刀具補(bǔ)償?shù)龋?］。這些數(shù)據(jù)按照不同的類型存儲在NCK各區(qū)域中，使用VB TextBox控件通過DDE鏈接可以實(shí)現(xiàn)對這些變量的讀寫操作，將從RFID芯片讀取出的工藝信息快速寫入相應(yīng)的NCK變量中，提高工藝信息輸入的準(zhǔn)確性與效率。例如，將12號刀位刀具的長度補(bǔ)償寫入NCK刀具名變量中的代碼如下:

其中，LengthCompen為顯示刀具長度補(bǔ)償?shù)腡ext-Box控件名稱，LinkItem項(xiàng)中輸入需要寫入NCK變量的參數(shù)路徑，LinkMode項(xiàng)中的2代表手動模式，Link-Poke代表DDE會話中客戶端要求服務(wù)器寫入數(shù)據(jù)。

2．4 刀具壽命更新

西門子840D數(shù)控系統(tǒng)具有刀具壽命監(jiān)控功能，可以自動記錄刀具加工時間，當(dāng)?shù)毒邔?shí)際壽命小于預(yù)設(shè)限制壽命時，刀具狀態(tài)變?yōu)椤安豢捎谩?，在下次加工時數(shù)控系統(tǒng)自動搜索替代刀具，被換下的刀具則進(jìn)入刃磨、報廢環(huán)節(jié)。為了保證RFID芯片數(shù)據(jù)的實(shí)時性，在數(shù)控系統(tǒng)換刀時應(yīng)更新RFID芯片中的刀具壽命信息，將數(shù)控系統(tǒng)NCK變量中的壽命數(shù)據(jù)寫入RFID芯片［6］。本系統(tǒng)自動檢測與換刀有關(guān)的PLC數(shù)據(jù)塊，作為更新刀具壽命的觸發(fā)信號。換刀時的PLC數(shù)據(jù)塊狀態(tài)與芯片更新節(jié)拍如表3。

表3 PLC數(shù)據(jù)塊狀態(tài)

3 OEM開發(fā)與系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)例

3．1 OEM開發(fā)軟件簡介

OEM開發(fā)軟件是西門子公司專門為制造商或第三方開發(fā)者提供的進(jìn)行二次開發(fā)的軟件，采用標(biāo)準(zhǔn)的程序語言與接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，嵌入SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)二次開發(fā)的功能。OEM軟件包的主要功能有［7］:

（1）人機(jī)界面上各種軟件的定義;

（2）NCU中各種變量與參數(shù)的訪問;

（3）R參數(shù)訪問;

（4）PLC中各種變量的訪問;

（5）NCU中文件的管理;

（6）MMC中文件的管理。

表4 OEM嵌入文件

二次開發(fā)采用Visual Basic設(shè)計人機(jī)界面、編寫功能代碼，使用Visual C++編寫軟鍵文本，并創(chuàng)建動態(tài)鏈接庫DLL，使用寫字板編寫初始化配置與順序控制文件，然后將特定文件拷貝到數(shù)控系統(tǒng)硬盤指定位置，并修改部分系統(tǒng)文件，重啟數(shù)控系統(tǒng)完成嵌入。嵌入文件及其位置、作用如表4所示。

3．2 系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)例

使用OEM開發(fā)并嵌入SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)后運(yùn)行二次開發(fā)程序，實(shí)現(xiàn)機(jī)床級刀具信息的顯示，保障了派發(fā)刀具能夠正確到達(dá)指定工作地點(diǎn)，輔助機(jī)床操作人員進(jìn)行生產(chǎn)加工，提高了信息集成與自動化程度，系統(tǒng)運(yùn)行如圖3所示。

4 結(jié)語

本文針對加工中心刀具信息管理的需求與RFID技術(shù)的特點(diǎn)，采用RFID芯片存儲刀具工藝信息與管理信息，實(shí)現(xiàn)刀具信息的顯示與快速輸入，降低了刀具準(zhǔn)備時間與出錯率。在此基礎(chǔ)上可以繼續(xù)開發(fā)車間級、企業(yè)級刀具管理應(yīng)用程序，形成一套完整的基于RFID的刀具管理系統(tǒng)系統(tǒng)。其特點(diǎn)是充分利用RFID自動識別技術(shù)的特點(diǎn)，彌補(bǔ)刀具管理過程中各部門信息交換滯后、物流與信息流異步的問題。

系統(tǒng)開發(fā)不僅僅是程序代碼的編寫，更依賴于企業(yè)內(nèi)部規(guī)則與標(biāo)準(zhǔn)的制定。要充分發(fā)揮刀具管理系統(tǒng)的作用，必須建立符合企業(yè)自身情況的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)與業(yè)務(wù)流程。例如，刀具的編碼規(guī)則，以及本文提到的類似“工作位置”的任務(wù)目標(biāo)規(guī)則等。

［1］胡偉，謝小柱，黃平，等．面向全生命周期的刀具管理系統(tǒng)研究［J］．工具技術(shù)，2008，42（3）:48－51．

［2］倪霖．基于RFID的汽車生產(chǎn)線信息集成模式及關(guān)鍵技術(shù)的研究［D］．重慶:重慶大學(xué)，2010．

［3］蔡三發(fā)，趙琳，黃志明．基于流程的制造企業(yè)刀具管理模式分析［J］．上海管理科學(xué)，2008（1）:58－60．

［4］Balluff GmBH．Electronic identification systems BIS processor BIS C－6_0 RS 232．Manual［Z］，2004．

［5］Siemens．SINUMERIK 840D/840Di/810D SIMODRIVE 611 digital調(diào)整表．Manual［Z］，2001，9．

［6］蔣帆宇，張為民．基于射頻技術(shù)的刀具自動識別系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)［J］．機(jī)電一體化，2011，（5）:59－61．

［7］吳艷花．基于VB下西門子840D數(shù)控系統(tǒng)界面的二次開發(fā)［D］．蘭州:蘭州理工大學(xué)，2005．