高速数控工具系统RFID自动识别是如何实现的

1 引言

RFID（Radio Frequency Ident ification，射频识别技术）是一种非接触式自动识别技术，在国外的发展较早也较快，尤其在美国、英国、德国、瑞典、瑞士、日本、南非，目前均有较为成熟且先进的RFID系统。德国、日本等发达国家已经把RFID系统广泛地应用在了数控加工中刀具和刀柄的管理。国内的RFID研究主要集中在对芯片的研究、阅读器的开发等方面，在刀具和刀柄的管理中应用研究还很少。目前，国内数控刀具与刀柄的管理还停留在人工、半人工阶段，这已经成为不少企业提高管理水平、生产效率的一个绊脚石，是中国制造业与世界接轨的一个瓶颈。

2 硬件系统构成

系统硬件一般由由电子标签、天线、控制器及相应的数据接口等构成（见图1，图2）。标签又称数据载体，由耦合元件及芯片组成，记录刀柄和刀具的相关信息;天线在标签与控制器之间传递射频信号;

图1 BALLUFF公司RFID系统硬件构成

图2 OMRON公司RFID系统硬件构成

控制器用于读取或写入标签信息的设备，接收并执行上位机的指令，控制对应的读写设备进行读或写操作，返回相应数据。

3 系统软件

管理系统软件是基于数据库管理软件的开发的数控工具系统管理系统（见图3）。通过和RFID系统的串口通讯，间接读取电子标签内的刀具、刀柄数据，并据此完成数控加工过程中对刀具的控制。软件大致分为以下几个模块：权限管理模块，读写控制模块，数据库管理模块，外部接口模块，数据的平滑与过滤模块，数据路由和整合模块等。结合RFID系统最终实现高速数控工具系统的自动识别与管理。权限管理模块，只有有权限的的人员才能对该系统进行操作，便于企业的管理。读写控制模块，控制RFID系统完成读或写。数据库管理模块，通过与数据库的接口完成数据添加、删除、修改、查询记录等操作。外部接口模块，主要实现该软件与其他软硬件之间的数据交换，如与企业的ERP软件配合使用，便于企业对工具的采购，维护，报废处理等管理。数据的平滑与过滤模块当电子标签被读写器错误的读取或者重复读取产生了冗余的数据，管理软件需要利用一些控制算法来矫正这些错误。对数据进行过滤的同时还可以起到对大量数据缓冲的作用。数据路由和整合子模块控制着数据的传送方向，确定什么数据发送到哪些应用程序。在企业与现有的信息系统整合时，管理软件可以提供数据路由和整合功能。一般情况下可以批量的、持续的把数据传送到指定的目标。

管理软件的数据管理模式有三种：直接存入标签模式;表单模式;数据库模式。直接存入标签模式是把刀具与刀柄全部信息按照规定的数据格式存入电子标签，读写的数据量较大，识别速度会受到影响，硬件损耗较大，数据的准确性较其他两种模式也稍低;表单模式是把刀具与刀柄全部信息按照规定的数据格式存入表单，表单中一条记录代表一套刀柄及刀具，标签中只存入标识码，需要刀具刀柄信息时，系统软件利用读出的标识码查询表单并显示。适用于刀柄刀具种类和数量不是很大的中小型加工车间。数据库模式是把刀具与刀柄全部信息连同标识码按照规定的数据格式存入数据库，并按照一定关系捆绑在一起，一条记录与一套刀柄刀具对应，标签中只存入标识码，需要刀具刀柄信息时，系统软件利用读出的标识码查询数据库并显示。数据库模式比表单模式有更强的灵活性，更大的数据容量，易于维护等优点，因此更适用于刀柄刀具种类数量较大的大型加工车间。

表1 三种数据管理模式比较

4 RFID技术原理

RFID技术的基本工作原理（针对无源系统）：读写器通过天线发送一定频率的射频信号，当电子标签进入发射天线工作区域时产生感应电流，电子标签获得能量被激活;电子标签将自身记录的编码信息通过其内置的天线发送出去;系统接收天线接收到从电子标签发送的载波信号，经天线调节器传送到读写器，读写器对接收到的信号进行调制与解码后送给后台应用系统进行相应的处理;应用系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设定作出相应的处理和控制（见图4）。

图3 管理系统软件界面

图4 RFID系统结构

5 研究与应用现状

RFID技术最早应用可以追溯到二战中敌我的目标识别，但是由于成本和技术原因，一直没有广泛应用。近年来随着大规模集成电路、网络通信、信息安全等技术的发展，已经广泛应用在了交通运输、市场流通、物流、信息、食品、医疗卫生、产品防伪、金融、养老、残疾事业、教育文化、智能家电等领域。在欧、美、日本等发达国家已经成功的应用在数控加工中的工具系统管理，但是国内在数控加工中应用很少。这已经成为了中国制造业与世界接轨的一个瓶颈。

目前，国外主要工具管理系统用RFID硬件生产厂家有BALLUFF公司和OMRON公司，都有多系列的成套的RFID硬件产品及配套软件。

宾夕法尼亚州立大学Chen-YangCheng等人提出把RFID技术应用于刀具供应链管理，硬件选用了BALLUFF的产品，做了大量实验工作证实通过RFID技术与企业的企业资源规划系统（ERP）、绩效管理系统（QRM）、制造执行系统（MES）和CNC加工中心集成可以极大地减小工作量、减少手动输入错误、较少数据录入时间进而减少了数控设备停机时间。

KELCH、ZULER、NT等对刀仪与工具系统制造商已经成功的把RFID系统集成到了对刀仪中，但是目前仍然处在应用的初级阶段，只具备一些基本的功能，仍然还有很大的开发空间。

国内对于RFID技术在刀具管理中应用研究较少，实际应用的案例也不多见。北京理工大学提出了一种基于RFID技术的工具生命周期管理与控制的方法，并与大昭和公司合作进行了许多应用研究工作。湖北汽车工业学院盛精等与西安理工大学方亚东等研究了基于条形码的刀具生命周期信息管理平台，应用IDEF方法设计了刀具生命周期信息管理平台，并做出了J2EE模式的TLMS。但是条形码有数据存储量小、易受油污污染而影响读取等局限。大众、通用、日产等汽车制造商在数控刀具管理中大多采用了RFID技术，但也都是简单的应用，并没有真正发挥RFID的潜能，距离实现刀具管理的自动化还有一定差距。目前，哈尔滨量具刃具集团公司、上海工具厂等单位立足我国现状开始自主开发高速数控工具系统RFID自动识别技术。

哈尔滨理工大学王志刚、徐雷达等人基于BALLUFF和OMRON的RFID硬件平台研究了现代生产过程数控工具系统和数控刀具的管理方法，进行了大量实验，开发了基于数据库技术的管理系统软件，并应用于哈尔滨量具刃具集团公司。

6 存在的问题

数控加工刀具与刀柄的管理中应用的RFID技术存在问题有：

（1）安装尺寸的限制，该安装尺寸是由工具和夹具用数据载体国际标准DIN/ISO 69873规定的，不能改动，在如此小的空间集成天线、IC芯片、存储单元在技术上有一定难度;

（2）现场环境恶劣，电磁干扰、切削液腐蚀、油渍污染等都需要采取相应的制造工艺来消除这些因素对于系统的影响;

（3）缺乏相关空中接口的国际标准，各厂家之间的硬件互换性不强，没有统一的数据格式规定，给基层技术人员的使用带来很大不便;

（4）读写距离短，一般的读写器读写距离在毫米级，机械部分故障会很容易影响读写，甚至会损坏读写器和标签;

（5）成本昂贵，这也是很多企业没有采用RFID系统的根本原因。

（6）频段不统一，目前工业现场用电波频段管理比较混乱，没有统一要求，选用不当可能对其他行业或部门的无线电通讯设备产生影响。目前国内除了125/134KHz和13.56MHz以外其他频段都存在此问题，而且作为国家主管部门的无线电委员会也很难协调。另外，RFID技术使用的频率不具有国际性，不利于国际合作与技术交流。

（7）超小型抗金属电子标签制造技术没有国产化，国内几乎没有能够制造规格为φ10mm*4.5mm的抗金属标签的厂家。

7 结语

符合中国国情的工具系统的RFID工业标准亟待解决，规范RFID在工具系统的应用。加快工具系统管理用（抗金属）标签及相关关键技术的国产化，为RFID在工具系统管理方面的开发应用提供平台，提升我国数字化制造水平。

工具系统管理中RFID技术较传统的管理方式识别速度迅速、准确，数据安全性高，数据更改方便。因此，不久的将来RFID技术必将在工具系统管理中得到广泛的应用，并朝着网络化、自动化、无线化的方向发展，最终实现真正意义上的制造自动化。

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