應(yīng)用RFID的數(shù)控刀具識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用日益廣泛。其中，加工中心已經(jīng)逐步成為機(jī)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(duì)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(shí)別是換刀工作進(jìn)行的基礎(chǔ)。

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

本文將無線射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)應(yīng)用到刀具識(shí)別系統(tǒng)中。射頻識(shí)別是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別標(biāo)簽并獲取數(shù)據(jù)信息。首先由PC機(jī)通過串口與射頻識(shí)別模塊通信，將數(shù)控機(jī)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(hào)、名稱、參數(shù)及使用壽命等;然后將存儲(chǔ)刀具信息的抗金屬電子標(biāo)簽安裝到對(duì)應(yīng)的刀具上，管理人員可隨時(shí)通過射頻識(shí)別終端對(duì)刀庫中的數(shù)控機(jī)床刀具信息進(jìn)行查詢，實(shí)現(xiàn)對(duì)庫存中刀具的有序管理。

1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1硬件工作平臺(tái)

本系統(tǒng)硬件工作平臺(tái)的結(jié)構(gòu)組成主要包括：刀庫工作系統(tǒng)、射頻識(shí)別系統(tǒng)、上位機(jī)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，硬件工作平臺(tái)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(shí)現(xiàn)對(duì)表面裝有電子標(biāo)簽的數(shù)控機(jī)床刀具所含信息在上位機(jī)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(shí)別功能。主要是實(shí)現(xiàn)刀盤中刀具位置的查詢和定位，并且實(shí)現(xiàn)對(duì)刀庫中隨機(jī)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。

系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)是無線射頻識(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽識(shí)別碼和內(nèi)存數(shù)據(jù)的讀出或?qū)懭耍⒆x出的數(shù)據(jù)通過串口傳給上位機(jī)進(jìn)行分析處理，或與微處理器通信，實(shí)現(xiàn)刀庫中刀具識(shí)別和定位。

2 RFID識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 RFID硬件電路設(shè)計(jì)

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(dòng)式通信方式和協(xié)議。

系統(tǒng)電路圖主要包括3個(gè)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(gè)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(duì)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(shì)作為腿腳的輸入電勢(shì)，兩者之間連接一個(gè)分壓器，在VMID引腳處再接一個(gè)對(duì)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(shí)別系統(tǒng)主框圖如圖2所示。

圖2刀具射頻識(shí)別系統(tǒng)主框圖

2.2 RFID下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

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?yàn)轫樞蚪Y(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(jī)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(shí)選擇一個(gè)標(biāo)簽進(jìn)行讀取，實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽的識(shí)別，耗時(shí)短。這里給出標(biāo)簽識(shí)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(shí)別操作的程序片段：

2.3上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)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。

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(dòng)態(tài)信息組成。靜態(tài)信息是刀具本身固有的加刀具編號(hào)、刀其名稱和兒何參數(shù)等;動(dòng)態(tài)信息則會(huì)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(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)象(ActiveXData Objects ADO)來對(duì)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序進(jìn)行開發(fā)。

3系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

3.1隨機(jī)快速取刀

為了驗(yàn)證系統(tǒng)功能，設(shè)計(jì)了一個(gè)具有8刀位(間隔45度)的圓盤回轉(zhuǎn)裝置，隨機(jī)存放刀具。RFID系統(tǒng)初始對(duì)應(yīng)的刀位設(shè)為識(shí)別起點(diǎn)。系統(tǒng)啟動(dòng)，刀盤從當(dāng)前起點(diǎn)開始隨步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制每轉(zhuǎn)動(dòng)45度，RFID識(shí)別當(dāng)前刀具標(biāo)簽，每次識(shí)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(duì)應(yīng)信息。RFID將一圓周識(shí)別完后，回到識(shí)別起點(diǎn)。此時(shí)，微處理器端的鍵盤輸入所需的刀具號(hào)，微處理器內(nèi)部算法運(yùn)行，查找刀位數(shù)組中與輸入刀具號(hào)信息匹配的刀位，并計(jì)算該刀位與識(shí)別起點(diǎn)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(dòng)機(jī)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(duì)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(shí)別起點(diǎn)，整個(gè)識(shí)別過程運(yùn)轉(zhuǎn)快速簡便。系統(tǒng)換刀流程如圖所示。

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(gè)刀位中將有空刀位。當(dāng)新刀具需存入刀庫時(shí)，微處理器查詢?cè)摃r(shí)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(shí)別放置新刀具后的刀位信息并存儲(chǔ)，以待下次識(shí)別工作的循環(huán)執(zhí)行。新刀人庫后，整個(gè)刀位信息數(shù)組無需重置。只修改部分信息即可。

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)工作時(shí)，圓盤刀庫轉(zhuǎn)速為15r/min，RFID.識(shí)別刀具標(biāo)簽時(shí)間為0. 25s.系統(tǒng)掃描識(shí)別一圓周總時(shí)間為6s.接著系統(tǒng)接受需查詢的刀具號(hào)對(duì)目標(biāo)刀具定位，假設(shè)RFID在識(shí)別起始點(diǎn)(0號(hào)刀位)，刀具識(shí)別定位的平均時(shí)間為1s.

本識(shí)別系統(tǒng)改善了刀庫中刀具識(shí)別的功能，使整個(gè)識(shí)別過程更加有效、穩(wěn)定。對(duì)刀具識(shí)別的改進(jìn)，使刀具在刀庫中能隨機(jī)存放;將射頻識(shí)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(shí)時(shí)顯示，使換刀過程實(shí)現(xiàn)可視化控制。

4結(jié)語

無線射頻識(shí)別與其他目前應(yīng)用的刀具識(shí)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(dòng)化程度高。數(shù)控機(jī)床刀具射頻識(shí)別系統(tǒng)的用途是監(jiān)控刀具和管理刀具，為機(jī)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(jī)結(jié)合，具有較強(qiáng)的實(shí)用性，可提高生產(chǎn)效率和降低管理成本。