數(shù)控機(jī)床已成為機(jī)械加工車(chē)間的主流設(shè)備,一般小型數(shù)控加工車(chē)間的刀具配備量多達(dá)上千把,再加上其配套零部件,總量上萬(wàn)把,品種上百種。隨著刀具在數(shù)量和種類上急劇增加,生產(chǎn)車(chē)間各種類型及規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)刀具并存,大量刀具頻繁地在刀具庫(kù)房與機(jī)床、機(jī)床設(shè)備之間流動(dòng)和交換。當(dāng)前國(guó)內(nèi)加工車(chē)間多靠手工方式和紙質(zhì)條碼管理刀具。紙質(zhì)條碼在油污環(huán)境下容易污損,刀具壽命也只能靠經(jīng)驗(yàn)判斷。由于缺乏刀具,造成很多加工流程停止,機(jī)床操作工需耗費(fèi)大量時(shí)間在查找刀具上。隨著數(shù)控機(jī)床種類及新產(chǎn)品種類的增加,現(xiàn)有刀具管理方案已不能滿足需求,故引入無(wú)線射頻技術(shù)(RFID)。
RFID是20世紀(jì)90年代興起的一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù),具有快速掃描、體積小、抗污染能力和耐久性強(qiáng)、可重復(fù)使用、穿透性和無(wú)屏障閱讀、數(shù)據(jù)記憶容量大安全性強(qiáng)等特點(diǎn),因此在生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳遞方面具有巨大的應(yīng)用潛力。本文以無(wú)線射頻技術(shù)為基礎(chǔ),將RFID芯片安裝在刀具的刀柄上,實(shí)現(xiàn)刀具信息的采集與管理,降低綜合生產(chǎn)成本。
1 刀具管理行業(yè)現(xiàn)狀及需求
國(guó)內(nèi)外從事刀具管理研究的專家開(kāi)發(fā)出很多刀具管理軟件,但無(wú)法滿足刀具管理的全部要求,現(xiàn)有刀具管理存在以下問(wèn)題:
①無(wú)法分析刀具的整個(gè)壽命周期的記錄和數(shù)據(jù),只是在時(shí)間點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)刀具信息的采集與監(jiān)控,無(wú)法獲得未加工時(shí)的數(shù)據(jù);
②傳統(tǒng)刀具管理缺乏M2M(Machine to Machine)信息交互,無(wú)法實(shí)現(xiàn)集成化管理;
③現(xiàn)有刀具管理方案以滿足生產(chǎn)需求為目的,未考慮刀具整個(gè)生命周期內(nèi)的成本問(wèn)題。
為解決上述問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)制造業(yè)更加智能化自動(dòng)化的目標(biāo),急需引入新的技術(shù)手段來(lái)管理刀具信息。勁勝精密組件股份有限公司在手機(jī)組件精密加工過(guò)程中,針對(duì)刀具在機(jī)床中的使用進(jìn)行智能化管理,將刀具參數(shù)傳遞給機(jī)床,使刀具加入機(jī)床刀庫(kù),供加工程序進(jìn)行調(diào)用。刀具加工完成時(shí),將刀具生產(chǎn)時(shí)間寫(xiě)入刀具的RFID中,實(shí)現(xiàn)刀具實(shí)時(shí)信息采集,刀具狀態(tài)跟蹤等功能。
2 刀具信息管理系統(tǒng)參數(shù)采集及設(shè)定
刀具信息管理系統(tǒng)是指在制造單元內(nèi)的機(jī)器設(shè)備(如數(shù)控機(jī)床、對(duì)刀儀等)及RFID讀寫(xiě)器進(jìn)行通訊的基礎(chǔ)上,利用無(wú)線射頻技術(shù)、CNC與RFID讀寫(xiě)器采取串口通訊技術(shù),實(shí)現(xiàn)刀具在其生命周期內(nèi)的信息監(jiān)控與存儲(chǔ)管理。刀具整個(gè)生命周期一般包括計(jì)劃、采購(gòu)、標(biāo)識(shí)、入庫(kù)、借出、裝配、使用、歸還、重磨、報(bào)廢等。本文采用思谷數(shù)字技術(shù)有限公司(sygole)設(shè)計(jì)的刀具,刀柄上裝有RFID標(biāo)簽,刀柄如圖1所示,RFID讀寫(xiě)標(biāo)簽的時(shí)間為500ms。
圖1 裝有RFID標(biāo)簽的刀柄和RFID標(biāo)簽
機(jī)床刀具管理的前提條件是刀具已經(jīng)進(jìn)行組刀,并通過(guò)對(duì)刀儀對(duì)刀。為了實(shí)現(xiàn)刀具相應(yīng)的功能,機(jī)床需要進(jìn)行刀庫(kù)初始化,將刀具加工時(shí)間寫(xiě)入刀柄RFID中。由于高頻RFID的讀寫(xiě)距離比較短,所以在讀寫(xiě)刀柄的RFID時(shí),要將天線通過(guò)氣動(dòng)裝置靠近RFID標(biāo)簽。
(1)機(jī)床刀庫(kù)初始化
要實(shí)現(xiàn)數(shù)控刀具信息的智能化傳輸,首先要依靠數(shù)控機(jī)床。為確保在刀具裝入機(jī)床時(shí)自動(dòng)入刀庫(kù),并將刀具參數(shù)從RFID標(biāo)簽讀入到機(jī)床刀庫(kù)中,需對(duì)機(jī)床刀庫(kù)進(jìn)行初始化操作,具體流程說(shuō)明如下:
①在機(jī)床有刀具變動(dòng)時(shí),需要機(jī)床控制刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)一周(見(jiàn)圖2),將所有刀具重新初始化到機(jī)床刀庫(kù);
②對(duì)每把刀需要進(jìn)行如下操作:CNC通過(guò)指令驅(qū)動(dòng)氣缸頂升RFID讀頭,氣缸到位后,CNC獲取感應(yīng)開(kāi)關(guān)狀態(tài),啟動(dòng)RFID讀寫(xiě)器工作;氣缸狀態(tài)維持500ms,CNC通過(guò)串口通訊驅(qū)動(dòng)RFID讀寫(xiě)器對(duì)刀柄RFID芯片進(jìn)行讀取操作;收回氣缸,CNC檢測(cè)氣缸磁感應(yīng)開(kāi)關(guān)到位后,刀具繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn);
③需要控制的功能:在CNC操作界面加一個(gè)按鈕,每按一次該按鈕刀盤(pán)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)一周,確保每次換刀都能轉(zhuǎn)動(dòng)一周,初始化機(jī)床刀庫(kù);不允許直接將刀安裝到機(jī)床的刀庫(kù)刀柄。
圖2 轉(zhuǎn)塔式刀盤(pán)
(2)刀具生產(chǎn)時(shí)間記錄
在卸(組)刀時(shí),會(huì)將刀具的生產(chǎn)量(加工時(shí)間)寫(xiě)入到刀具管理系統(tǒng)中。將機(jī)床加工時(shí)間寫(xiě)入刀柄的RFID中的流程如下:
①在機(jī)床卸刀前或組刀后,機(jī)床記錄使用的刀具,旋轉(zhuǎn)刀盤(pán),逐個(gè)寫(xiě)入刀具加工時(shí)間;
②氣缸狀態(tài)維持500ms,CNC通過(guò)串口通訊驅(qū)動(dòng)RFID讀寫(xiě)器并對(duì)刀柄RFID芯片進(jìn)行寫(xiě)入操作;
③收回氣缸,CNC檢測(cè)氣缸磁感應(yīng)開(kāi)關(guān)到位后,刀盤(pán)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。
要保證上述方案操作順利進(jìn)行,需在CNC操作界面增加一個(gè)按鈕,在卸刀前或組刀后,按一次按鈕,使機(jī)床旋轉(zhuǎn)一周,并寫(xiě)入刀具使用時(shí)間,最終完成刀具壽命的控制。在進(jìn)行方案流程操作時(shí),應(yīng)注意操作規(guī)范。方案流程如圖3所示。
圖3 方案流程
(3)RFID芯片中刀具數(shù)據(jù)存儲(chǔ)
刀具編碼是確定刀具身份唯一性的重要信息,將其寫(xiě)入RFID,通過(guò)刀具編碼來(lái)管理每一把刀具。在編寫(xiě)相應(yīng)程序時(shí),可根據(jù)刀具的規(guī)格型號(hào)確定刀具的名義直徑、名義長(zhǎng)度及相應(yīng)程序,然后根據(jù)實(shí)際情況給予相應(yīng)的直徑補(bǔ)償和長(zhǎng)度補(bǔ)償。由于同一把刀具可以安裝在不同的機(jī)床上,同一臺(tái)機(jī)床也可以加工不同產(chǎn)品,加工產(chǎn)品時(shí),也可能出現(xiàn)異常情況,故在加工時(shí),需要展示以上加工信息。可通過(guò)程序控制,在加工過(guò)程動(dòng)態(tài)展示報(bào)表顯示刀具編碼、加工產(chǎn)品、產(chǎn)品數(shù)量、異常信息等以及RFID記錄中的刀具編碼、刀具壽命、刀具已使用時(shí)間等信息。
3 硬件系統(tǒng)構(gòu)成及軟件開(kāi)發(fā)
硬件由電子標(biāo)簽(RFID)、天線、讀寫(xiě)器及相關(guān)數(shù)據(jù)接口構(gòu)成(見(jiàn)圖4)。RFID標(biāo)簽為數(shù)據(jù)載體,由芯片及耦合元件組成,每個(gè)RFID標(biāo)簽都具有唯一的電子編碼;RFID標(biāo)簽天線是RFID電子標(biāo)簽的應(yīng)答器天線,通過(guò)通信感應(yīng)來(lái)傳遞標(biāo)簽與控制器之間的無(wú)線射頻信號(hào),讀寫(xiě)器是用來(lái)讀取或?qū)懭隦FID標(biāo)簽信息的設(shè)備。
圖4 RFID組成
該系統(tǒng)為分布式應(yīng)用系統(tǒng),采取C/S模式更利于該系統(tǒng)運(yùn)行。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)為微軟公司的Visual Studio2010.Netframework3.5及以上版本,采用C#開(kāi)發(fā),數(shù)據(jù)庫(kù)為ORACLE。
系統(tǒng)采用的RFID編碼塊為EEPROM存儲(chǔ)類型,由于一般機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)配備COM串行通訊接口,故采用RS232通訊協(xié)議。刀具使用壽命需要實(shí)時(shí)更新,為保證存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性,在更換刀具時(shí)及時(shí)更新芯片中的刀具信息,將數(shù)控系統(tǒng)NCK變量中的壽命數(shù)據(jù)寫(xiě)入RFID芯片。
小結(jié)
通過(guò)在刀具上安裝RFID標(biāo)簽用于刀具全生命周期的生命識(shí)別和信息讀寫(xiě),在數(shù)控機(jī)床等設(shè)備主機(jī)上安裝讀寫(xiě)器,作為RFID標(biāo)簽與主要控制系統(tǒng)之間信息交互接口,利用RFID標(biāo)簽作為信息載體實(shí)現(xiàn)刀具與主機(jī)以及主機(jī)與主機(jī)之間的信息交互,以實(shí)現(xiàn)刀具壽命的預(yù)測(cè)。新的解決方案可實(shí)現(xiàn)刀具全生命管理,降低刀具庫(kù)存20%,降低刀具成本10%,減少準(zhǔn)備時(shí)間15%,提升設(shè)備效率10%,縮短交期10%,降低綜合成本15%以上。