（机械制造及其自动化专业论文）基于rfid的刀具自动识别及信息管理系统研究.pdf

国内图书分类号：t p 2 3 工学硕士学位论文 基于r f i d 的刀具自动识别 及信息管理系统研究 硕士研究生：徐雷达 导师：王志刚 申请学位级别：工学硕士 学科、专业： 所在单位： 答辩日期： 授予学位单位： 机械制造及其自动化 机械动力工程学院 2 0 1 2 年3 月 哈尔滨理工大学 c l a s s i f i e di n d e x ：t p 2 3 d i s s e r t a t i o nf o rt h em a s t e rd e g r e ei ne n g i n e e r i n g r e s e a r c ho nc u t t i n gt o o la u t o m a t i c i d e n t i f i c a t i o na n di n f o r m a t i o n m a n a g e m e n ts y s t e m b a s e do nr f i d c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： x ul e i d a w a n gz h i g a n g a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l t y 2m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 0 12 u n i v e r s i t y ： h a r b i nu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于r f i d 的刀具自动识 别及信息管理系统研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士 学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部 分外不包含他人己发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个 人和集体，均在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将由本人承担。 作者签名： 彳禽镪必 日期：h ，p 年；月；1 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于r f i d 的刀具自动识别及信息管理系统研究系本人在哈尔滨理 工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究 成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。 本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈 尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文 的全部或部分内容。 本学位论文属于保密口，在年解密后适用授权书。 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名： 导师签名： 徐礴西 l 2 参叫 日期：w 啤；月j 旧 日期：阳j 诉j 月；日 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 基于r f i d 的刀具自动识别 及信息管理系统研究 摘要 刀具管理作为现代制造企业管理的重要方面，刀具管理直接影响数控机 床能否及时补充需要的刀具，影响到生产节拍。目前，基于r f i d 的刀具管 理系统的研究较少，实际应用更少。本文主要进行了以下几方面研究： 首先，提出了一种基于r f i d 的刀具自动识别与刀具信息管理系统的总 体实现方案，设计制造了安装r f i d 读写设备的运动装置，设计了运动装置 自动控制系统，以b a l l u f f 的r f i d 读写控制器、读写头、电子标 签，f e s t o 的气源处理单元，分别选用n i 6 5 1 5 数据采集卡、研华p c i 1 7 6 1 继 电器输出型数据采集卡及基于单片机开发的继电器输出控制卡搭建了硬件平 台，并用计算机程序实现了该方案。 其次，基于r f i d 环境，提出一种刀具编码方案；分析了刀具数据管理 的三种方式：标签模式，表单模式，数据库模式，本系统综合运用了标签模 式和数据库模式；研究了l a b v i e w 访问数据库的途径，选用l a b v i e ws q l t o c l k i t 应用于本系统刀具信息管理端，实现了刀具入库、刀具出库、权限 管理等功能；本系统数据读取端应用了数控系统数据交换方法，实现了刀具 自动补偿功能；p c 机与r f i d 读写器间的通讯采用数据校验技术，提高了数 据的准确性和通讯的可靠性。 再次，以图形化编程环境l a b v i e w 为平台，结合数据库管理软件 a c c e s s 开发了刀具自动识别与刀具信息管理系统数据写入端、数据读取 端、刀具信息管理端三个软件，实现了刀具自动识别、刀具数据自动补偿、 刀；具寿命管理、刀具查询、操作记录查询、操作记录自动报表等功能，建立 了一种现场调试试验方法并应用于实践。 关键词r f i d ；刀具信息管理；数据库 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 r e s e a r c ho nc u t t i n gt o o la u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o n a n di n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t s y s t e m b a s e do n r f i d a b s t r a c t t o o lm a n a g e m e n ta sa ni m p o r t a n tp a r to fm o d e m m a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e m a n a g e m e n t ，t h ec n cm a c h i n et o o lm a n a g e m e n td i r e c t l ya f f e c t st h es u p p l yo f t h et o o l ，t h ep r o d u c t i o nc y c l e c u r r e n t l y , t h e r ea r ef e ws t u d i e so nt h et o o l m a i l a g e m e n ts y s t e mb a s e do nr f i d ，f e w e ro nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n m a i n l y s t u d yo nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： f i r s t l y , p r o p o s e d am e t h o dt o r e a l i z er f i d b a s e da u t o m a t i ct o o l i d e n t i f i c a t i o na n dt o o li n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m u s i n gb a l l u f fr f i d r e a d e rc o n t r o l l e r , r e a d - w r i t eh e a d ，e l e c t r o n i ct a g ，f e s t o sa i rh a n d l i n gu n i t s j t h r e ef i v e w a ys o l e n o i dv a l v e ，c y l i n d e r , n i 一6 515d a t aa c q u i s i t i o nc a r d ，a d v a n t e c h p c i - 17 61 r e l a yo u t p u td a t aa c q u i s i t i o nc a r da n dm i c r o c o n t r o l l e r b a s e dr e l a y o u t p u tc o n t r o lc a r db i u l d e dt h eh a r d w a r es y s t e m u s i n gac o m p u t e rp r o g r a m i m p l e m e n tt h em e t h o d s e c o n d l y , c o m b i n e dw i t hr f i de n c o d i n gt e c h n o l o g yo ft h et o o l ，at o o l c o d i n gs c h e m eb a s e do ns y s t e m a t i cc l a s s i f i c a t i o no fc o m m o n l yu s e dt o o l si s p r o p o s e da n da p p l i e dt ot h er f i d b a s e da u t o m a t i ct 0 0 1i d e n t i f i c a t i o na n dt o o l i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m ；a n a l y z e d t h et h r e e w a y s o ft o o ld a t a m a n a g e m e n t ：t a gm o d e l ，f o r mm o d e l ，d a t a b a s em o d e lt h es y s t e mi n t e g r a t e dt h e t a gm o d e la n dd a t a b a s em o d e l ；s t u d i e ds e v e r a lw a y st oa c c e s st h ed a t a b a s ei n l a b v i e w l a b v i e ws q lt o o l k i tw a su s e dt oa c c e s st h ed a t a b a s ei nt h i sto o l i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mf o rc u t t i n gt o o ls t o r a g e ，r i g h t sm a n a g e m e n ta n d o t h e rf u n c t i o n s ；s t u d i e dt h ec n cs y s t e md a t ae x c h a n g em e t h o df o rt h es y s t e m d a t ar e a d 。s i d et oa c h i e v ea u t o m a t i ct o o l c o m p e n s a t i o n ；t h eu s i n go fd a t a v a l i d a t i o nt e c h n i q u e si nt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e np ca n dr f i d r e a d e r ， i m p r o v e dt h ea c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yo fc o m m u n i c a t i o n 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 t h i r d l y , u s i n gt h e u n i t e ds t a t e sn a t i o n a li n s t r u m e n t sl a b v l e wa n d m i c r o s o f t sd a t a b a s em a n a g e m e n ts o f t w a r e a c c e s sd e v e l o p e dt h ew r i t i n gs i d e ， t h er e a d i n gs i d ea n dt o o li n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts i d eo ft h et o o la u t o m a t i c i d e n t i f i c a t i o na n dt o o li n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m ，r e a l i z e dt h ef u n c t i o n s s u c ha s ：a u t o m a t i c i d e n t i f i c a t i o n ，a u t o m a t i c t o o l c o m p e n s a t i o n ，t o o l l i f e m a n a g e m e n t ，t o o lq u e r y , q u e r yo p e r a t i n gr e c o r d s ，o p e r a t i o n a l r e c o r d s a u t o m a t i c a l l yr e p o r t s ，e s t a b l i s h e d as i t ed e b u gt e s tm e t h o da n da p p l i e di n p r a c t i c e k e y w o r d s i i d ，t o o li n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t ，d a t a b a s e i h 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 目录 摘要i a b s tr a c t i i 第1 章绪论1 1 ：【课题研究的背景和意义1 1 2r f i d 概述2 1 3 刀具管理系统国内外研究及应用现状2 1 4 基于r f i d 的刀具自动识别及信息管理系统研究现状6 1 4 1 国外研究现状6 1 4 2 国内研究现状7 1 5 本文主要研究内容8 第2 章系统硬件及原理9 2 1 射频识别系统9 2 1 1 标签( t a g ) 9 2 1 2 读写控制器( r e a d w r i t ed e v i c e ) 1 0 2 1 3 天线( a n t e n n a ) 1 0 2 1 4r f i d 技术原理1 1 2 1 5r f i d 技术优势1 2 2 2 读写头运动系统的开发1 3 2 2 1 读写头运动的实现1 3 2 2 2 远动装置的研制1 4 2 2 3 气缸运动控制方案一1 4 2 3 刀具管理系统1 6 2 3 1 刀具分类1 7 2 3 2 刀具编码1 8 2 3 2 刀具管理流程2 0 2 4 本章小结2 1 第3 章系统软件的开发2 2 3 】- 系统开发工具2 3 3 2 系统数据库2 3 i v 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 3 = ；刀具信息写入端软件的开发2 4 3 3 1 刀具信息写入端软件主要功能2 4 3 3 2 用户管理一2 8 3 3 3 获取刀具测量数据一2 9 3 3 4 写入刀具信息3 0 3 4 刀具信息管理端软件的开发3 1 3 4 1 刀具信息管理端软件框架一3 2 3 4 2 信息管理端软件主要功能一3 3 3 5 刀具信息读取端软件的开发3 5 3 5 1 刀具信息读取端软件主要功能概述3 5 3 5 2 与数控系统数据交换和自动补偿的实现3 6 3 6 软件编写中几个关键问题的处理3 7 3 6 1 串行通信技术在本系统中应用3 7 3 6 2 数据校验3 9 3 7 本章小结3 9 第4 章系统软件现场调试与功畿验证一4 0 4 1 刀具信息管理软件现场调试与功能验证的方法二一4 0 4 2 刀具信息写入端调试与功能验证4 3 4 2 1 调试与功能验证一4 3 4 3 刀具信息读取端调试与功能验证4 4 4 3 1 调试与功能验证一4 4 4 4 刀具信息管理端调试与功能验证4 7 4 4 1 调试与功能验证4 7 4 5 本章小结4 8 结论4 9 参考文献5 0 攻读硕士学位期间发表的学术论文5 3 致谢5 4 附录a ：单片机控制卡源程序5 5 附录b ：l a b v i e w 与数据库连接的实现5 8 附录c ：附图6 2 附录d ：英文缩写对照表6 5 v 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 机械制造业是国民经济和社会发展的物质基础，国民生产总值的重要组成 部分，是国家综合实力的重要标志 1 】。数控刀具与刀柄是现代制造业中较昂贵的 消耗工业品，其品种繁杂，数量巨大，流动性强，使用频率高，其信息繁多， 包括类型、形状、几何尺寸、寿命、刀具磨损等，尤其随着数控加工设备和加 工零件品种的增加，其相应资源信息会越来越庞杂。传统的刀具管理存在刀具 信息分散、刀具补偿数据易错误输入、刀具寿命管理困难及刀具通用性差等问 题。r f d 射频自动识别技术为现代生产管理提供了最新的科学手段。 r f i ) 技术自动化程度高，能快速、准确、实时地采集和处理信息，已经 被公认为本世纪十大重要技术之一，在生产、销售、流通、交通等各个行业有 着广阔的应用前景 2 】。射频识别技术已经成为企业提升自动化管理水平，提高 市场竞争力，与国际接轨的不可缺少的工具和手段。 基于i 江d 技术的应用系统的开发和研究涉及到多个学科、领域，涉及了 集成电路，信息，材料，制造等多个前沿领域，涵盖了计算机学，控制理论， 无线通信技术，微电子技术，数据加密技术和管理科学等学科领域。 目前，国内i 江d 已经广泛应用在供应链管理，交通领域，矿井管理，公 共管理，安全防伪，食品行业，医疗行业和运动休闲中【3 1 。在工业生产中的应 用集中在装配线上零部件的追踪与管理和生产线物料监控；但对信息流、物料 流比较繁杂的生产加工环节应用很少，而这些环节往往具有更大的发展空间， 能为企业节约更多成本。机械加工过程中需要频繁的更换刀具来完成相应的加 工任务，这使刀具管理变得异常繁琐，企业需要花费大量的人力物力来完成这 些加工辅助工作。统计数据显示，刀具费用占产品总成本的2 - 4 ，而刀具管 理的费用占产品总成本的1 5 3 0 ，远远高于刀具本身的费用。r f i d 技术提供 了先进的信息管理手段，能很好地解决刀具管理的问题，此外还能缩短数控加 工中停机时间，提高设备效率。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 2r f i d 概述 r f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，射频识别技术) 是一种非接触式自动 识别技术，能够通过射频信号自动识别目标，获取相关数据。不需要接触，不 需要光学可视。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r f i d 系统【4 】。德国、日本等发 达国家已经把r f i d 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r f i d 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。 1 3 刀具管理系统国内外研究及应用现状 刀具管理是一个系统性问题。刀具管理包括刀具信息管理、刀具分配、刀 具补充、刀具流控制、刀具监测、刀具识别、刀具预调和刀具管理软件等研究 方向。国外也有不少学者就这些方向展开了研究并取得了相应的成果见表1 1 。 刀具信息管理涉及到数据库技术、计算机技术、刀具编码技术等，主要实现刀 具管理的信息化；刀具调度涉及到计算机技术、机器人技术，主要实现刀具搬 运的自动化。管理内容包含了刀具寿命管理、刀具调度策略、刀具库存管理、 刀具成本控制等。从刀具生命周期来看刀具管理还包括：刀具采购、刀具设计 制造、刀具预调、刀具库存控制、加工过程中刀具状态监测、刀具寿命监测、 刀具刃磨、刀具报废处理、刀具优化和改进等方面 5 】。 从企业管理的角度刀具管理作为企业管理的重要部分，包含企业管理、质 量管理、物流管理、刀具技术、制造工程、信息与数据库技术、财务与成本控 制、人力资源管理等多方面工作【6 j 。 由于刀具管理的复杂性许多企业选择采用刀具管理外包。专业的刀具外包 管理公司有：奥地利的t c m 公司，美国的f s s 公司，美国v a l i n i t e 公司，德国 蓝帜公司和国内的上海合创企业公司。 国外刀具管理商用软件主要有：英国c t m s 公司的c y m s ，美国刀具供应 商c i n c i n n a t im i l a c r o n 公司，德国d e e l 公司开发的t o o lm a n a g e r ，德国t d m 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 s y s t e , m sg m b h 公司开发的t d ms y s t e m s ，德国w a l t e r 公司开发的t d mt o o l a s s e m b l y ( 女n 1 1 所示) ，瑞典s a n d v i k 公司成套商用刀具管理软件a u t o t a s ， 美国k e n n a m e t a 公司开发的k a t m s 2 t 1 1 , 1 2 。 表1 1 主要研究方向及代表人物【7 - l o 】 研究方向 代表人物 刀具信息管理b e r a n df a l k e n b u r g ，蛐，l i t t l ee ta l ， e v e r s h e i m 刀具分配 s t e c k ea n dt a l b o t ，k u s i a k ，s a r i na n dc h e n ，c u p p a n ，v e n t u r a e ta 1 刀具补充 b a o ，k o r d y s h ，s h a r ka n de l h e n c e 刀具流控制c r i t ee ta l ，m a r c c a i n ie ta l ，p e r e r aa n dc a r r i e ，h e d l u n de ta l 刀具监测 r u t e u ia n d c u p p i n i ，k i n c a i d ，p o w e u e ta l 刀具识别 k n u t t o n ，q u i a l a n ，k o c h a n ，m u r p h ya n dk a y ，a b a e s ，b r i g i d a 刀具预调 b r u n e t t e ，b e u m a n na n db e c k e r 刀具管理软件 m a s o n ，g a y m a n 这些专业的管理软件各有特长，a u t o t a s 有产品设计、n c 编程，产品规 划，刀具库存管理、刀具预调管理、自定义工具库、统计与报表等功能。t d m s y s t e m s 拥有十几年的刀具管理软件开发经验，可以从零件方面、从库存方面、 从切削参数方面、从刀具寿命等方面对刀具进行全方面的管理，与企业的 e r p , p d m ，c a d c a m 能进行互联，并且与达索公司合作开发，能实现与c a t i a v 5 的三维实体模型互相支持。但是都没有效地解决刀具追踪这一刀具管理中 的一个重要问题。k a t m s 2 从刀具的采购到刀具使用整过程进行管理，并且与 企业管理系统进行集成。t o o lm a n a g e r 在刀具使用情况的监视和刀具使用的规 划以及刀具的跟踪管理方面能够用于各种途径。c y m s 软件分成一系列模块和 不同的终端( 可达到1 6 个) 组成，系统在预调室、供应室、刀具库房等处都配置 相应的终端，并与数据库中心通讯【1 3 】。 亚洲的制造业信息化管理，日本处于领先地位，山崎马扎克、n t ( 女n 图1 2 所示) 、大昭和( 如图1 3 所示) 等公司都有自己的刀具管理系统软件，与自己的 数控机床可以很方便地组网使用。此类的f m s 产品，一般都包含有如下的刀 具管理功能：能实现刀具的库存管理功能；能实现刀具的动态调度并完成刀具 调度的优化；能对刀具的寿命进行管理；能实现系统对刀具的自动识别；能进 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 行刀具的追踪监视，同时能与其它外围设备进行通信。 ：。卿奠晦熙艚“吩l s 哆两煦i 即孵l 。p 哦粤哗然i i t “ 釉，l ib f 。泄i ：蕊i # sc 固譬簿爨i 港墅 确 赫d 雠一 c 1 1 f 堡蛙卫皇l 一 辑 叠墨皇l 一 触曝 曛醴苎 # s 图1 1 瓦尔特公司的t d m 刀具管理软件 f i g 1 1t d m t o o lm a n a g e m e n ts o f t w a r eo fw a l t e r c “i l 定1 ” 图1 2n t 公司刀具预调仪上具有r f i d 识别功能刀具管理的软件 f i g 1 2t d m t o o lm a n a g e m e n ts o f t w a r eo fn t 4 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 舞翼翌孑_ _ 曼翼孽孽紫嘲黼溅霪黼纛：戳+ 黧 勰曩 爨；璧；蔡 囊 轰i 孽| 。；霎l 鬻i 譬；w ：j m ：# jm，o l ? 辩辨释，o 辨 脚鬈礴糯l 盔i 持辨斡黝；蕊瑚黪妇l 嚣拳恕耥_ 1 i * 目群驯t 懈删叮黼f “i l c c j ： 醛 n as 0 r 鲢 ：澎v 嚣! ，0 k i “0 ，o f m 0 l：、：x ，； 讲 a ：丸、 ， 、 s u 0 # l盎lj 毋o ? ( 1 【) 1 嚣h ) l ；3c c “( n “i i l ut i a ： , l 、。j 抟 s ri ：0 0 ；蛾鼓( ；- d 0 1 1 黼d j ； 4c t r ? 褂 f 浦；f m 7r 婚l 辩拜 u 0 0 i j ，#0 ，0 洲黼如 ! bly p | l “q ht 骚lh 0 0 1 l j k t州廿0 1h 0 ” ； e a “f 、b s 【1 ja u pv 蚌毒。矗i 艟“ n 虻d ；? ( 强a h - t ”￥( i f 触u 0 ：i 潜j 3 4 0 9 1 糍：0 ；i 。8 i 辩叠j l ：j i i i i 互 摊i i e r a i l i 】1 0 ：辩 ： 3m ；v l ! ， 螗 fl 州07 矗；t il 晦 j ：0 ，4 姐舯 i ；0 1 w l e xr 箨) xvv 髓一。【 罐0 4 0 0 3 m 二” j 1n l il i l l 愿+ xp 一诤游；l 糌：；孙 “狱二l j j 。 ， 嚣。面! 鬻黧爨藤翳蒸蘩蓊曩蓐z _ = 藤 漤鬟誊鬣露囊l 瑟 蹩霆墅黔 躐己鬻i 蹩型 图l 一3 大昭和f a c t o r ym a n a g e r f i g 1 3f a c t o r ym a n a g e rs o f t w a r eo fb i g 表1 - 2 国内主要刀具管理软件 1 4 , 1 5 , 1 6 】 t a b l e1 - 2t h ed o m e s t i cm a i nt o o m a n a g e m e n ts o f t w a r e 软件名称开发单位软件介绍 主题思想是：刀具的管理应全面综合考虑，从 a 【s t m s1 0 北京市机电研究院计划订购、库存管理、在线监控到回收维护等 刀具整个寿命周期入手，对刀具进行全面管理。 c c t m s l 0 四川自贡长征机床厂系统主要包含的功能有：刀具查询、刀具选配、 预调室库存管理及在线刀具管理等 实现了刀具数据库的管理和维护；在刀具管理 s m a r tc r i b 兰光创新方面实行按分类进行管理的策略( 分为贵重刀 具、组合刀具、刀柄、附件等) ；提供刀具的库 存预警功能：实现刀具订货的自动化管理等 实现了刀具数据库的管理和维护；实现了各种 e t m s 上海诺升机械科技报表，如采购、报告、合同等；实现对刀具跟 踪管理以及刀具的库存控制；能完成与企业内 其它管理系统的集成 5 鞠i 一nj 皇 斓一 茸o 一一蓬 * 警r 裕 囤一 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 国内受机械制造业条件和技术的限制，在刀具信息化管理方面研究起步较 晚，大都借鉴国外刀具管理软件的开发模式。国内对于刀具管理的研究大都集 中在某一个或几个方面，按照刀具生命周期的流程系统研究很少，开发出来能 实际应用在生产现场的刀具管理系统更少。国内典型的刀具管理系统研究单位 及其产品见表1 2 。 国内外的刀具管理软件开发商开发出了功能强大的刀具管理系统，能实现 刀具库存管理、刀具状态监控、刀具采购决策、库存报表生成等等功能，但是 大部分管理软件很关键一个问题一刀具追踪没有解决。刀具信息与刀具实体的 一对应关系完全依靠人工来保证，这样就有潜在的危险。s m a r tc r i b 、e t m s 结合了条形码识别技术，实现了刀具的识别，但是条形码又容易受到油污、切 削液等污染而无法读出。因此，结合r f i d 自动识别技术将会很好地解决刀具 追踪的问题，在未来刀具管理中必将发挥重要作用。 1 4 基于r f i d 的刀具自动识别及信息管理系统研究现状 r f i d 技术最早应用可以追溯n - 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 1 7 】。 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。 目前，国外刀具管理系统用r f i d 硬件生产厂家主要有：b a l l u f f 公司、 o n l r o n 公司和s i e m e n s 公司，他们都有多系列的成套的r f i d 硬件产品及配 套软件。 1 4 1 国外研究现状 宾夕法尼亚州立大学c h e n y a n gc h e n g 等人提出把r f i d 技术应用于刀具供 应! 涟管理，硬件选用了b a l l u f f 的产品，做了大量实验工作证实通过i 强d 技 术与企业的企业资源规划系统( e r p ) 、绩效管理系统( q r m ) 、制造执行系统 ( m e s ) 和c n c 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【1 8 】。见表1 2 、表1 3 、表1 4 。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 k e l c h 、z o l l e r 、n t 等对刀仪与工具系统制造商已经成功的把r f i d 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，仍然还有大量的功能待开发。 表1 2 手动输入和基于r f i d 的自动输入实验结果比较l n o 比较内容时间准确率 1 手动输入2 1 分钟9 8 2 基于r f i d 的自动输入0 8 分钟 1 0 0 表1 3 手动输入和基于r f i d 的自动输入实验结果比较2 n o 比较内容时间准确率 1 手动输入3 5 天 9 8 2 基于r f i d 的自动输入0 8 分钟 1 0 0 表1 4 手动输入和基于r f i d 的自动输入实验结果比较3 n o 比较内容时间准确率 1 手动输入2 5 分钟 9 5 2 基于r f i d 的自动输入0 8 分钟 1 0 0 1 4 2 国内研究现状 国内对于r f i d 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r f i d 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 1 9 , 2 0 。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i d e f 方法设计了刀具生命周期信息管理平台，并做出了j 2 e e 模式的 t l m s 。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r f i d 技术， 但也都是简单的应用，并没有真正发挥r f i d 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刀具r f i d 自动识别技术。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 5 本文主要研究内容 课题来源于国家“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项课题“高速 数控机床用高精度、智能化新型工具系统( 2 0 0 9 z x 0 4 0 1 2 0 1 1 ) ”，以哈尔滨量具 刃具集团数控刀具生产车间和和东风日产发动缸体生产线应用为背景，主要研 究数控刀具分类、数控刀具编码、刀具寿命管理、刀具管理流程、刀具库存管 理、r f i d 硬件系统的、数控机床利用r f i d 技术传递的刀具数据实现刀具自动 补偿，开发了刀具管理系统综合软件。主要研究内容如下： ( 1 ) 概述了刀具管理的国内外研究与应用现状，分析了目前刀具管理存在 的问题。重点研究了东风日产发动机缸体生产线和哈量集团数控刀具生产车间 刀兵管理现状和需求。 ( 2 ) 提出了一种基于r f i d 的刀具自动识别与刀具信息管理系统的总体实 现方案。根据现有的刀具预调仪，设计制造了安装r f i d 读写设备的运动装 置，设计了运动装置自动控制系统，以b a l l u f f 的r f i d 读写控制器、读写 头、电子标签，德国f e s t o 公司的气源处理单元、三位五通电磁换向阀、气 缸、分别选用n i 6 5 1 5 数据采集卡、研华p c i 1 7 6 1 继电器输出型数据采集卡及 基于单片机开发的继电器输出控制卡搭建了硬件平台，并用计算机程序实现了该 方案。 ( 3 ) 基于r f i d 环境，提出一种刀具编码方案；分析了刀具数据管理的三 种方式：标签模式，表单模式，数据库模式，本系统综合运用了标签模式和数 据库模式；研究了l a b v i e w 访问数据库的途径，选用l a b v l e ws q lt o o l k i t 应用于本系统刀具信息管理端，实现了刀具入库、刀具出库、权限管理等功 能；本系统数据读取端应用了数控系统数据交换方法，实现了刀具自动补偿功 能；p c 机与r f i d 读写器间的通讯采用数据校验技术，提高了数据的准确性 和通讯的可靠性。 ( 4 ) 以图形化编程环境l a b v i e w 为开发平台，结合a c c e s s 编写了刀具 自动识别与刀具信息管理系统数据写入端、数据读取端、刀具信息管理端三个 软件，实现了刀具自动识别、刀具数据自动补偿、刀具寿命管理、刀具查询、 操作记录查询、操作记录自动报表等功能，建立了一种现场调试试验方法。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章系统硬件及原理 2 1 射频识别系统 射频识别系统硬件一般由由标签、天线、控制器及相应的数据接口等构成 ( 见图2 1 、图2 2 ) 。标签又称数据载体，由耦合元件及芯片组成，记录刀具系 统的相关信息；天线在标签与控制器之间传递射频信号；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。 d 宣t ao m 巧 r 。8 d ，w ”t eh e 甜! 黧! 塑! i一h舟 奢霹辫- 嘲蠖：旃一l；基 r 唾|i 警 l 一一一 0 一纛熙秘- 螋曦一 8 3 2m 两涵 ”醚 嚣 4 聪；譬_ 嘲_ 嘲 稿嘲_ 群_ 柱蝴黼囊群舅_ 图2 1b a l l u f f 公司r f i d 系统硬件构成 f i g 2 1h a r d w a r ec o m p o s eo fb a l l u f f r f i ds y s t e m ；“4 i 戛蚕_ ：一。 。ji ：碧嚣：娶| 。k 。l 恻岬 芏釜口t ； i 一，i ! 一瓣翥i5 兰 ； i ”“”一 l 曼j ； 蒜譬；二一絮；* 1 。 。毒。“i l 一l 一一一l = = = = = = = = = = l 一o 图2 - 2o m r o n 公司r f i d 系统硬件构成 f i g 2 2h a r d w a r ec o m p o s eo fo m r o n r f i d s y s t e m 2 1 1 标签( t a g ) 标签，又称射频标签、电子标签( e l e c t r o n i cr a g ) 、智能标签( s m a r tl a b e l ) 、 数据载体( d a t ac a r r i e r ) 、载码体，由耦合元件和芯片组成，耦合元件可以感应 天线发出的一定频率携带信息的电磁波信号，无源的电子标签能利用该电磁波 的能量激活内部电路完成解码、读写、编码等工作；无源的电子标签直接利 用电池提供的电能工作具有较远的识别距离较大的存储容量【2 1 1 。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 1 2 读写控制器( r e a d w r i t ed e v i c e ) 渎写控制器，又称阅读器，是计算机与电子标签连接的桥梁。负责写入和 读取标签内的数据。其频率决定了射频识别系统工作的频段。主要完成阅读器 与电子标签之间的通信功能；阅读器与计算机之间的通信功能；对阅读器与电 子标签之间传输的数据进行编码、解码，加密、解密( 如图2 3 所示) ；本系统选 用b a l u f f 公司的b i s c 6 0 0 0 0 7 6 5 0 0 0 1 d l 读写控制器、b i s c 3 0 0 0 5 读写头 ( 天线) 、