智能化机床刀具管理可借助RFID技术

 RFID是20世纪90年代兴起的一种非接触式的自动识别技术，具有快速扫描、体积小、抗污染能力和耐久性强、可重复使用、穿透性和无屏障阅读、数据记忆容量大安全性强等特点，因此在生产数据采集、监控、数据传递方面具有巨大的应用潜力。当前国内加工车间多靠手工方式和纸质条码管理刀具。纸质条码在油污环境下容易污损，刀具寿命也只能靠经验判断。由于缺乏刀具，造成很多加工流程停止，机床操作工需耗费大量时间在查找刀具上。

随着刀具在数量和种类上急剧增加，生产车间各种类型及规格的标准和非标准刀具并存，大量刀具频繁地在刀具库房与机床、机床设备之间流动和交换。随着、、数控机床种类及新产品种类的增加，现有刀具管理方案已不能满足需求，故引入无线射频技术(RFID)。数控机床已成为机械加工车间的主流设备，一般小型数控加工车间的刀具配备量多达上千把，再加上其配套零部件，总量上万把，品种上百种。本文以无线射频技术为基础，将RFID芯片安装在刀具的刀柄上，实现刀具信息的采集与管理，降低综合生产成本。

1 刀具管理行业现状及需求

国内外从事刀具管理研究的专家开发出很多刀具管理软件，但无法满足刀具管理的全部要求，现有刀具管理存在以下问题：

①无法分析刀具的整个寿命周期的记录和数据，只是在时间点上实现刀具信息的采集与监控，无法获得未加工时的数据;

②传统刀具管理缺乏M2M(Machine to Machine)信息交互，无法实现集成化管理;

③现有刀具管理方案以满足生产需求为目的，未考虑刀具整个生命周期内的成本问题。

为解决上述问题，实现制造业更加智能化自动化的目标，急需引入新的技术手段来管理刀具信息。劲胜精密组件股份有限公司在手机组件精密加工过程中，针对刀具在机床中的使用进行智能化管理，将刀具参数传递给机床，使刀具加入机床刀库，供加工程序进行调用。刀具加工完成时，将刀具生产时间写入刀具的RFID中，实现刀具实时信息采集，刀具状态跟踪等功能。

2 刀具信息管理系统参数采集及设定

刀具信息管理系统是指在制造单元内的机器设备(如数控机床、对刀仪等)及RFID读写器进行通讯的基础上，利用无线射频技术、CNC与RFID读写器采取串口通讯技术，实现刀具在其生命周期内的信息监控与存储管理。刀具整个生命周期一般包括计划、采购、标识、入库、借出、装配、使用、归还、重磨、报废等。本文采用思谷数字技术有限公司(sygole)设计的刀具，刀柄上装有RFID标签，刀柄如图1所示，RFID读写标签的时间为500ms。

图1 装有RFID标签的刀柄和RFID标签

机床刀具管理的前提条件是刀具已经进行组刀，并通过对刀仪对刀。为了实现刀具相应的功能，机床需要进行刀库初始化，将刀具加工时间写入刀柄RFID中。由于高频RFID的读写距离比较短，所以在读写刀柄的RFID时，要将天线通过气动装置靠近RFID标签。

(1)机床刀库初始化

要实现数控刀具信息的智能化传输，首先要依靠数控机床。为确保在刀具装入机床时自动入刀库，并将刀具参数从RFID标签读入到机床刀库中，需对机床刀库进行初始化操作，具体流程说明如下：

①在机床有刀具变动时，需要机床控制刀盘转动一周(见图2)，将所有刀具重新初始化到机床刀库;

②对每把刀需要进行如下操作：CNC通过指令驱动气缸顶升RFID读头，气缸到位后，CNC获取感应开关状态，启动RFID读写器工作;气缸状态维持500ms，CNC通过串口通讯驱动RFID读写器对刀柄RFID芯片进行读取操作;收回气缸，CNC检测气缸磁感应开关到位后，刀具继续运转;

③需要控制的功能：在CNC操作界面加一个按钮，每按一次该按钮刀盘自动旋转一周，确保每次换刀都能转动一周，初始化机床刀库;不允许直接将刀安装到机床的刀库刀柄。

(2)刀具生产时间记录

在卸(组)刀时，会将刀具的生产量(加工时间)写入到刀具管理系统中。将机床加工时间写入刀柄的RFID中的流程如下：

①在机床卸刀前或组刀后，机床记录使用的刀具，旋转刀盘，逐个写入刀具加工时间;

②气缸状态维持500ms，CNC通过串口通讯驱动RFID读写器并对刀柄RFID芯片进行写入操作;

③收回气缸，CNC检测气缸磁感应开关到位后，刀盘继续转动。

要保证上述方案操作顺利进行，需在CNC操作界面增加一个按钮，在卸刀前或组刀后，按一次按钮，使机床旋转一周，并写入刀具使用时间，最终完成刀具寿命的控制。在进行方案流程操作时，应注意操作规范。方案流程如图3所示。

(3)RFID芯片中刀具数据存储

刀具编码是确定刀具身份唯一性的重要信息，将其写入RFID，通过刀具编码来管理每一把刀具。在编写相应程序时，可根据刀具的规格型号确定刀具的名义直径、名义长度及相应程序，然后根据实际情况给予相应的直径补偿和长度补偿。由于同一把刀具可以安装在不同的机床上，同一台机床也可以加工不同产品，加工产品时，也可能出现异常情况，故在加工时，需要展示以上加工信息。可通过程序控制，在加工过程动态展示报表显示刀具编码、加工产品、产品数量、异常信息等以及RFID记录中的刀具编码、刀具寿命、刀具已使用时间等信息。

3 硬件系统构成及软件开发

通过在刀具上安装RFID标签用于刀具全生命周期的生命识别和信息读写，在数控机床等设备主机上安装读写器，作为RFID标签与主要控制系统之间信息交互接口，利用RFID标签作为信息载体实现刀具与主机以及主机与主机之间的信息交互，以实现刀具寿命的预测。新的解决方案可实现刀具全生命管理，降低刀具库存20%，降低刀具成本10%，减少准备时间15%，提升设备效率10%，缩短交期10%，降低综合成本15%以上。

硬件由电子标签(RFID)、天线、读写器及相关数据接口构成(见图4)。RFID标签为数据载体，由芯片及耦合元件组成，每个RFID标签都具有唯一的电子编码;RFID标签天线是RFID电子标签的应答器天线，通过通信感应来传递标签与控制器之间的无线射频信号，读写器是用来读取或写入RFID标签信息的设备。

该系统为分布式应用系统，采取C/S模式更利于该系统运行。系统开发平台为微软公司的Visual Studio2010.NetFramework3.5及以上版本，采用C#开发，数据库为ORACLE。系统采用的RFID编码块为EEPROM存储类型，由于一般机床数控系统配备COM串行通讯接口，故采用RS232通讯协议。刀具使用寿命需要实时更新，为保证存储数据的实时性，在更换刀具时及时更新芯片中的刀具信息，将数控系统NCK变量中的寿命数据写入RFID芯片。