射频识别技术在刀具管理系统中的应用

 随着加工中心在机械制造行业的大规模应用，人们逐渐认识到一个智能、高效、便捷的刀具管理功能可以显著地节约生产成本，提高生产效率。然而，用以保证刀具安全有效运行的数据信息，如刀具几何尺寸、刀具寿命信息、刀具磨损信息等仍然需要事先通过操作员手动输入到数控系统中。这些手工数据输入的工作不但大大降低了生产线的自动化程度， 而且一旦输入错误，不容易被察觉且损失巨大。而基于无线射频技术(RFID) 的刀具识别系统能很好地解决这个问题。

       RFID 是Radio Frequency Identification 的缩写，即射频识别技术，是自动识别技术的一种，利用无线射频方式在阅读器和应答器之间进行非接触双向数据传输，以实现目标识别和数据交换的目的。

       射频识别技术相对于其他自动识别技术具有许多突出的优点：RFID 技术不需要直接接触、工作距离长、适用于恶劣环境、可识别运动目标并能同时识别多个标签、操作快捷便利、装载信息量大、寿命长等。将RFID 技术应用到数控加工生产的刀具管理中，可以提高刀具管理的自动化程度和管理效率，实现精确快速识别、跟踪刀具，并将刀具信息反馈给IPC 的刀具管理系统，执行相应加工动作。

       在将RFID 与刀具管理系统相结合方面，德国巴鲁夫公司（Balluff）颇有经验。巴鲁夫公司通过西门子840D 系统可以方便地进入CNC 控制器和自动跟踪刀具信息。通过系统刀具界面和巴鲁夫刀具识别系统可以取得大量的CNC 数据，如刀具寿命、刀具识别管理、刀具几何偏置量、刀具磨损补偿量以及宏变量等。

       刀具识别使用工业RFID 系统，不仅可以可靠管理刀具提高生产能力，改善质量提高效率，还可以实现完整的配置系统。

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   可靠管理刀具提高生产能力

      巴鲁夫工业RFID 系统正是为此而生的。RFID 系统可以提供完整的刀具参数，数据的存储安全可靠，保证确定的加工过程，提高设备的生产效率。同时，系统能够和所有常规的机床控制器整合，保证灵活、可靠地数据通讯，而且整个系统非接触、无磨损，刀具的参数始终存储在编码块中，方便使用和管理。

       改善质量提高效率

       巴鲁夫工业RFID 系统可以提供分析数据，这些数据对于精确计算成本和产品质量及刀具管理是必不可少的。所有与刀具相关的数据，比如编号、尺寸或刀具寿命信息都可以通过巴鲁夫工业RFID 系统存储起来，绝对可靠，而且所有数据可以随时调用。

图1，巴鲁夫工业RFID 系统

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完整的配置系统

       在现代化的加工中心上，为了保证整个生产过程无错误、高效率，非接触式刀具识别正成为不可或缺的组成部分。坚固的外壳、优良的密封性，巴鲁夫工业RFID 系统采用电感式的工作原理，使之显得格外可靠。

       西门子840D 数控系统刀具管理功能简介

       西门子840D 数控系统的刀具管理功能包括预置的刀具管理基本功能和可选配的刀具管理高级功能。

       ◆刀具管理基本功能

       刀具管理基本功能集成了对刀具和刀具库的一些基本管理功能。这些功能包括装载和卸载刀具、给每个T 号定义特定的刀具边沿号( 最大不能超过12)、输入刀具补偿值、执行寻刀和换刀指令等。

       ◆刀具管理高级功能

       可选的高级功能包括刀具监控功能和刀库管理两大功能。

       其中，刀具监控功能有3 种类型可供选择：切削工件数监控、刀具寿命( 切削时间) 监控和刀具磨损量监控。

       刀库管理功能的主要内容则包括：刀具装载、刀具卸载、刀具定位、寻刀、寻找刀位、以及换刀时的搜索策略的选择等。

       RFID 技术与840D 刀具管理功能的结合

       本项目研究的目的在于将RFID 技术与西门子840D 数控系统的刀具管理高级功能相结合，实现在线刀具数据传输、管理和监控。避免操作人员手动处理大量数据信息时疏忽错漏而对生产造成不必要的时间和金钱上的损失。为进一步实现全生产车间的刀具网络化管理打下坚实的基础。

       ◆激活840D 刀具管理高级功能

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   西门子840D 数控系统的刀具管理高级功能是1 个选项，因此需要事先激活该选项功能。由于刀具管理高级功能需要占用到一部分内存，因此需要在系统里面预留相应的内存。

       ◆刀库的建立和PLC 的调整

       通过参数的设定，系统只是为刀具管理高级功能预留了相应的空间，但对于刀库的特征( 比如刀库的类型，实际刀座的数量，虚拟刀座的数量等) 需要通过对刀库管理系统变量来定义。一般来说需要对参数进行编辑，当这些系统参数正确定义以后， 在刀库管理显示画面里就可以看见刀库的情况了，可以依照操作说明书来建立新刀具。

       ◆ RFID 芯片中存储的刀具数据

       在RFID 芯片中存储的信息通常包括刀具编码、刀具状态、刀具的T 号、刀具尺寸数据以及刀具寿命数据等。本项目选取的RFID 芯片为巴鲁夫公司生产的BIS C—122—04 ／ L 型编码块，其每个区可存储32 字节的数据。在本项目中，该芯片存储的数据如表1 所示。

表1 RFID 芯片中存储的数据
 

  ◆读写RFID 芯片中的数据

       利用RFID 读写器处理输入的相对应命令，通过选定的读写探头，可以读写RFID 芯片中的数据信息。本项目选用的RFID 读写器型号为巴鲁夫公司生产的BIS—C—600，通过RS232 接口与数控系统进行通讯；读写探头型号为BIS—C—300 系列， 该探头的有效读写距离为0-3 mm。

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   BIS—C—500 读写器所使用的命令均由1 个头命令所引导。与数据读写相关的头命令参见表2。

表2 RFID 读写器的头命令
 

  下面以“L”命令为例，说明这些头命令的具体使用方法。假设需要通过2 号读写头读取1 个大小为“字节的芯片中由第50 个地址位开始的10 字节的数据，则需输入以下命令：L 0050 0010 20 J7。

       其中，数字0050 代表由第50 个地址位开始读取数据； 0010 代表读取数据的大小为10 个字节；2 代表使用2 号读写头； 最后一个数字0 代表所读取的芯片大小为64 字节；字母J 代表的是该命令的BCC 编码值。

       ◆基于RFID 技术的刀具识别与管理系统实例

       该刀具识别与管理系统的具体工作流程如图2 所示

图2，系统工作流程图

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  使用刀具前，需先在对刀仪上进行对刀，将对刀仪输出的刀补参数值和设定好的刀具寿命信息通过手持读写器写入刀具RFID 芯片中。刀具装载人数控机床时， 点击软件中的“ReadFromChip”键， 通过自动装刀位或者手动装刀位处的读写头，将RFID 中的信息显示在软件屏幕的对应项目栏中，如图3 所示。如若信息有错误，可以直接在软件界面中进行修改。修改完成确无误后，点击“WriteToNCK” 键，即可将这些信息写入相对应的系统变量中。

       当每把刀具的信息都输入完毕后，即可进行加工工作。加工时的选刀、换刀、刀具监控等工作均由840D 数控系统自带的刀具管理高级功能来实现。在加工过程中，软件持续扫描PLC 数据块的值变化情况，根据其值的变化自动进行相对应的读写操作，更新所用刀具的实时寿命信息。

       结语

       综上所述，将RFID 技术与西门子840D 刀具管理功能相结合，可以有效地进行刀具自动识别和管理，极大地提升了生产效率、降低了次品率、节约了生产成本、提高了生产企业的利润。在本文的基础上．该系统还可进一步完善，例如可建立一个刀具数据库．进行库存管理；通过计算机进行数据维护，自动更新需使用刀具的RFID 芯片数据；并可在全生产线上跟踪每把刀具的具体使用情况等。通过这些措施，必将会进一步提高企业的生产自动化水平。