基于RFID的信息集成柔性制造系统设计研究.doc

基于RFID的信息集成柔性制造系统设计研究第4期2011年4月组合机床与自动化加工技术ModularMachineTool&AutomaticManufacturingTechniqueNo.4Apr.2011文章编号:100l一2265(2011)04001405基于RFID的信息集成柔性制造系统设计研究枣李作海,姚锡凡(华南理工大学机械与汽车工程学院,广州510640)摘要:设计基于射频识别(RFID)技术信息集成的小型柔性加工制造系统.通过射频识别技术容易实现各控制子系统的信息集成和交换.将各子系统中所需的关键信息写入射频标签中,射频读写器扫描读取工件上附着的标签.上位机对信息进行处理之后,实时地把控制信息送达各控制子系统.各控制系统的状态信息也可及时反馈到上位机,由上位机把信息写入到标签中,以更新标签中的内容.数控机床的加工代码全部按不同的文件名形式存入代码库中,上位机通过射频读写器读取不同工件上的标签中的信息来决定调用相应的加工代码文件,控制机床加工工件.因此当工件改变时,并不需要对生产线做大范围的调整,实现一定程度上的柔性制造.关键词:柔性制造;射频识别;信息集成中图分类号:TP273文献标识码:ADesignResearchonFlexibleManufacturingSystemBasedonRFIDInformationIntegrationLIZuohai,YAOXifan(DepartmentofMechanicalandAutomobileEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)Abstract:Basedonradiofrequencyidentification(RFID)technology,asmallinformationintegratedneblemanufacturingsystemisdesigned.DifferentcontrolsubsystemsCanbeeasilyintegratedandexchangetheirinformationwithRFID.KeyinformationneedediswrittenintoRFIDtags,andRFIDreadersreadthetagsattachedtotheworkpiecesforinformation.Afterprocessingtheinformation,thehostcomputersendittothecontrolsubsystems.ThestatusinformationofthecontrolsubsystemsCanalsobefedbacktothehostcomputer,andwritethetagsinordertoupdatetheinformation.Processingcodesformachinetoolsaresavedinthecodedatabasewithdifferentfilenames,andthehostcomputercallsconrrespondingfilehainesaftertheRFIDreadersreadthetagsfortheworkpieces.Althoughworkpiecesaredifferent,itisnotrequiredtoadjusttheproductionlinelargely,andacertaindegreeofflexiblemanufacturingisachieved.Keywords:flexiblemanufacturing;RFID;informationintegratedO引言传统的制造执行系统在实施中存在生产过程各环节数据与在制品的实时绑定,实物流和信息流严重脱节,管理人员无法实时监控和管理生产过程.在多样性小批量的生产系统中更表现为柔性化程度不高.RFID技术应用于柔性制造系统中,能够将管理层的生产计划,生产指令等信息及时下达生产现场各工位;又能实时采集和处理现场生产数据并提交至管理层,以便有效地增强生产过程的可视化和数字化管理.柔性制造系统中要求每个子系统根据需要实时反馈状态信息,而射频读写器可以实时对标签进行信息写入,所以RFID技术可提供不断更新的实时数据流.反馈的信息可用来保证工件的准确定位和加工代码的正确调用,实现无纸化生产和减少停机时间以及人为疏忽造成的差错.l基于RFID的信息集成柔性制造系统设计概述收稿日期:20101115:修回日期:20101203$基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2007AAO4Z111);东莞市科技计划项目(201010814015)作者简介:李作海(1984一),男,贵州毕节人,华南理工大学机械与汽车工程学院硕士研究生,主要研方向为数字制造与计算机控制,(Email);姚锡凡(1964一),男,广东廉江人,华南理工大学机械与汽车工程学院教授,博士生导师,主要研究方向为制造业信息化,智能制造,光机电一体化.2011年4月李作海,等:基于RFID的信息集成柔性制造系统设计研究?15?1.1一般柔性制造系统的组成柔性制造系统(FlexibleManufacturingSystem,FMS)是在计算机控制系统作用下,由自动装卸与输送系统将若干台数控机床或加丁中心连接起来而构成的一种适合于多品种,中小批量生产的先进的制造系统.FMS至少是由两台机床,一套物料运输系统和一套计算机控制系统所组成的制造系统,是现代计算机集成制造系统(ComputerManufacturingIntegratedSystem,CMIS)不可缺少的重要制造单元.柔性制造系统各个单元由信息控制系统统一监控,并实现系统信息与外界的实时传送.标准的柔性制造系统结构如图1所示.图1标准柔性制造系统结构图1.2本柔性制造系统的结构该系统的数控加工由C000026型号小型数控铣床和C000056型号小型数控车床组成,负责完成零件的加工任务.机械手为数控车床和铣床提供毛坯的装载和半成品或零件的卸载工作.其中关节型机械手完成数控车床的工件装卸,直角坐标机器手完成数控铣床的工件装卸.工件输送装置完成工件在铣床和车床之间的运输.射频识别部分则是整个制造系统信息集成与交互的核心,实现各个子系统之间信息的流畅交换.系统控制过程由数控子系统,西门子S7200PLC控制子系统,AT89C52单片机子控制系统和上位机决策控制系统完成.直角坐标机械手,工件输送系统由两块PLC控制;六自由度关节型机械手由单片机控制子系统完成控制.系统结构及布局如图2所示.RFID具有数据存储,远距离读取等特性,为柔性制造系统提供了另外一种数据收集途径;实时的采集数据特性,使其十分适合制造系统对数据和控制的实时性要求,远距离读取特性可以实现对加工现场的感知和交互性.通过RFID技术,实现各个单元之间的信息交换和共享.此外,RFID与网络通信技术结合,使计算机接口和网络与PLC,机械手控制器,数控机床控制计算机成功互联.上位机通过射频读写器读取工件标签中的信息,分析处理信息.控制信息从上位机各串口,并口发送至各控制子系统和执行单元.1.直角坐标机械手2.数控铣床3.数控车床4.六自由度机械手5.丝杠组件69.堆放位10/11.行程开关12PLC控制系统13.单片机控制系统14射频识别阅读器图2柔性制造系统平台结构2基于RFID的柔性制造系统平台硬件设计2.1直角坐标机械手系统设计的四自由度机械手实现工件的抓取,上下,前后,左右运动.在PLC的控制下,稳定实现将加工完的工件从铣床上抓取至传输装置上的动作.整个气压传动系统采用静音式空气压缩机集中供气,压缩空气经气动二联件向各分支供气.在每个气缸的进气端都安有单向节流阀,用来控制气缸的运行速度.控制阀采用三位四通阀,方向阀控制方式为电磁控制.由八个控制信号来驱动相应方向上的电磁阀,前后,上下,左右运动气缸共有六个极限位置.机械手结构如图3所示.图3四自由度气动亘角坐标机械手输入控制信号分为硬件形式和软件形式.软件形式是上位机通过串口向PLC发送启动信息,PLC反馈确认启动信息给上位机,上位机再根据程序当前的运行状况,把映射控制机械手相应关节的控制信息发送给PLC.PLC对获取的信息进行分析处理,根据代码的映射规则调用相应的控制子程序.在子程序中提取出时间信息,执行相应的控制语句,控制?16?组合机床与自动化加工技术第4期机械手完成相应关节运动.PLC的I/O端口分配为:10.0和10.1对应硬件启动和停止,I1.0用于复位;Q0.0至QO.7用于控制气缸的前后,上下,左右运行以及手指的张开和合拢;Q1.o指示运行结束.2.2六自由度机械手在物料抓取机械手控制系统中,采用AT89C52单片机进行控制,通过RS232实时与上位机进行通讯.机械手各个关节的运动时间通过读取射频标签中的信息获得,并且通过串口通信发送至单片机控制子系统.在完成相应的动作之后,及时把信息反馈到上位机,并将信息写入标签中以更新其内容.信息作为决策系统做出控制的依据.因此机械手的控制系统可以方便地集成到整个柔性制造的分布式控制系统中.2.2.1结构分析与设计本系统中采用的六自由度关节型机械手,末端手爪可以灵活进行调整.结构紧凑,占地面积小,工作空间大,适用于实现车床上工件的抓取动作.为了实现机械手的稳定性,要求各关节都必须具备自锁能力,在抓取过程中突然断电的情况下机械手能保持原状态.机械手关节传动装置采用蜗轮蜗杆结构,保证了机械手的自锁性.基本上能模仿人手臂的运动,依次分为腰关节,肩关节,臂关节,肘关节,腕关节,第六个关节实现机械手的抓取动作.其三维效果如图4所示.图4关节型机械手结构2.2.2机械手驱动系统与控制系统通过五个驱动电机来分别驱动五个关节.要达到柔性制造系统实时调整,机械手要求具备一定的自治性,且能实时地与整个柔性制造系统进行通信,以确定何时以什么样的工作方式来完成工件抓取动作.机械手采用了VEXTA公司的PMM33AH型五相步进电机作为原动件以及相应的驱动块.该控制子系统分为步进电机驱动模块,机械手位置控制模块,通讯模块以及射频识别信息集成模块.控制系统设计总框图如图5所示.射频识别阅读I系统步进电】【控制机驱动上位机PcI:=:器电路图s机械手控制系统总框图2.3丝杠传送装置工件传输子系统是基于滚珠丝杠的传输装置,滚珠丝杆副是由丝杠,螺母,滚珠等零件构成的机械元件,它将旋转运动变为直线运动,滚珠丝杠摩擦远小于传统滑动丝杠,广泛用于各种工业设备,精密仪器中.丝杠的传动位置通过左右两个行程开关,以输入的方式通知PLC停止或启动电机.传送装置的电气控制系统采用H桥正反转电路.2.4数控机床数控机床控制子系统的结构如图6所示.该数控机床是通过并口数据线接口与计算机的并口相连,通过插补算法得到的各轴脉冲序列通过计算机并口发送到数控箱,数控系统通过脉冲序列信号驱动对应轴电机运行,实现对工件的加工.轴限y轴限Z轴限位开关位开关位开关图6数控机床电气结构图2.5射频读写器本系统中信息集成部分的硬件是普诺玛集团自主研发的PRR8250系列13.56MHzRFID工业控制读写器.具有运动中识别,多目标识别,一次最多可读写多个数据块等功能;支持TagitHFI或其他兼容ISO15693标准电子标签;标签存储容量为256字节,分为64块每块4字节来存储数据.能防冲撞读写3张标签;感应距离12em.具备ISO和扫描两种读写模式;通过RS232与上位机通讯等特性.3基于RFID的柔性制造系统平台软件设计3.1直角坐标机械手控制程序用S7.200PLC作为气动机械手的控制,并且通过其通信功能上位机可以实现实时地与PLC通信,控制PLC执行相应的子程序.也可以通过串口获取PLC反馈上来的信息,为通过RFID技术实现信息集成提供了可能.通过将各个工件装夹及搬运2011年4月李作海,等:基于RFID的信息集成柔性制造系统设计研究?17?需要的时间信息写入射频标签中,工件到达不同的工位时通过相应的射频阅读器读取附着于工件上的标签中的信息,获得机械手每个关节的运行时间,从而可以实现精确的定位控制.另一方面,PLC通过串口向上位机传送运行状态信息,以便于上位机通过反馈上来的信息做出下一步的控制决策.通过读取标签中属于直角坐标机械手部分的信息,获取各关节运行时间,以实现各关节的连续动作;机械手在自动运行状态下可连续地完成工件的抓取动作,然后回到初始位置.根据系统要求,PLC控制程序流程如图7所示.3.2六自由度机械手控制程序在机械手动作脉冲模块中设定机械手各关节的脉冲个数,确定机械手各关节的位移,速度及起步时的加速度.单片机需要控制腰关节,肩关节,臂关节,肘关节,腕关节共五个步进电机动作,驱动机械手抓取工件.由于机床和传送装置的位置相对是固定不变的,因此可以通过单步测试完成整个抓取动作中各个关节的运动时间,将时间信息一次全部写入射频标签中.当阅读器扫描读取标签时,便能一次获取机械手运动的所有时间参数,通过串口通信将时间信息发送给单片机控制子系统.整个运行过程需要完成单片机和上位机之间的通信,实现信息之间的交互.最后单片机控制机械手完成一次完整的工件抓取动作,以实现将传送装置上的工件搬运到车床上.完成抓取之后机械手自动返回初始待机位置.控制程序设计流程如图8所示.图7直角坐标机械程序流程图图8六自由厦机械手程序流程图3.3数控机床驱动程序及机床加工系统开发本系统中的两台数控机床通过PC机并口发出控制信号驱动机床运动.为了实现从计算机并口发送控制信号,引入了名为WinIO的一个插件.该插件包含四个文件:Winlo.dll,WinIo.1ib,WinIo.sys,WinlO.vxd.其中主要通过函数InstallWinIoDriver()实现注册WinIO插件,函数InitializeWinlo()实现启动WinIO插件,函数SetPortVal()用于设置并口发送信号,函数ShutdownWinIo()用于关闭WinIO插件.并口信号达到一定的占空比时,机床响应执行.通过实验测得所选用的两种机床加工进给时的信号,高电平持续l0微秒,低电平持续240微秒.并口通过不同的信号量来实现高低位的转换.对于不同的机床,不同轴的驱动电机控制信号不同.铣床三轴及车床两轴的驱动信号如表1所示.为了在信号发送程序中获得微秒级的定时,需要有十分精确的定时工具.通过以下两个函数来获得微秒级的延时程序.QueryPefformanceFrequency(),QueryPerformanceCounter().前者获取当前计算机内部计时器的时钟频率,后者是一个精确计数器.在需要严格计时的程序段执行前和执行之后分别调用?l8?组合机床与自动化加工技术第4期QueryPerformanceCounter(),利用两次获得的计数之差除时钟频率,就可以计算出该段程序执行的精确时间.从而可以得到微秒级延时程序,实现信号占空比.表1机床驱动信号量(端口号为十六进制,信号为十进制)电机正转电机反转轴端口高位低位辅助高位低位辅助铣床x0x378,0x37A74l06O76lO68铣床Y0x378648O0l6铣床Z0x378,0x37A8048OO车床x0x37843424l4O车床YOx378584226lO数控机床的加工控制主要是通过集成实验室完成的开放式数控系统基础上完成的.该数控系统包含五个模块:词法分析模块,语法分析模块,代码生成模块,加工信息生成模块和机床驱动信号模块.前四部分构成了一个可用于仿真的虚拟机床.通过增加驱动信号发生模块,使得系统成为了一个可以运行的真实数控系统.本系统在原数控系统中加入射频识别技术,把映射控制机床的NC代码文件名的信息写入标签.系统上位机通过读写器读取标签中的信息后,通过映射规则从标准NC代码库中调用相关NC代码文件.代码文件导入到开放式数控系统中,对其进行词法,语法分析.合格的NC代码将生成加工信息,在具体插补算法的控制下实现虚拟加工,进一步在信号发生模块的辅助下实现对机床的实际控制.3.4射频读写器控制程序及界面设计使用VC6.0开发射频读写器控制系统需要用到prmConnect.dll,prr8152.dll两个动态连接库文件.两个文件提供了对于读写器进行连接以及进行读写标签等相关操作所需要的函数.例如:函数OpenConnect(intnComType,charParam)可以实现读写器与上位机的连接,返回通讯句柄;函数WriteCon-nect(1onghHandle,BYTE$byBuffer,intnSize,constcharstrToIP=NULL,intnToPort=0,BOOLbBroadcast=FALSE)实现从通讯连接发送数据等函数.控制程序包括读写器与上位机的连接设置,射频标签数据块的读出与写入,数据库连接和写入加工计划表,加工控制信息写入与显示等.界面中的网络连接部分,主要是为了实现连接不同读写器的上位机之间的通信,形成整个加工信息控制网络.界面设计如图9所示.图9射频读写器控制界面3.5基于射频识别的加工代码调用系统通过运行订单管理程序,在调度管理系统中选用混合单亲遗传算法优化FT86加工问题,生成一个如图10所示机床加工计划表,并保存于数据库中.启动射频读写器的数据库连接功能,将该加工计划表写入标签的指定位置.同时建立该加工计划表与NC代码程序文件的映射关系.例如表中的6.01表示6号零件的第1工序需要在1号机床上加工,可以将该加工工序所需要的NC代码文件按文件名1601保存在统一的代码库中.而写入标签的加工计划表通过各种变换,最终写入标签的内容也是1601.第一个1表示加工工件的机床号,6表示零件号,0l表示加工工序.当标签在相应的工位上被射频读写器扫描读取到信息时,上位机决策系统就会调用文件名为1601的NC代码文件,对其进行词法,语法分析.合格的NC代码将生成加工信息,在具体插补算法的控制下实现虚拟加工,进一步在信号发生模块的辅助下实现对机床的实际控制.图10数据库中的机床加工计划表(下转第23页)2011年4月杜劲,等:夹杂物对FGH95粉末高温合金切削加工力学特性的影响?23?FGH95粉末高温合金时,由于合金中高硬度的夹杂的存在,恶化刀尖的工作条件,加剧了刀具切削刃的硬质点磨损.(3)夹杂在切削加工过程中由于受到剪应力的作用而与基体材料脱离的条件为:1,由于界面解离脱开引起夹杂粒子弹性能释放至少应等于形成内表面所需的能量.2,当界面强度等于裂纹萌生时的应力临界值,则界面开裂.只要满足其中任何一个条件,则夹杂就会与基体材料脱离,产生裂纹.当夹杂在切削过程中受到的剪应力小于此临界应力时,夹杂就会被切削刃剪断.参考文献1GUOW,WuJ,ZHANGFeta1.Microstructure,PropertiesandHeatmentProcessofPowderMetrallurgySuperalloyFGH95.Journalofironandsteelresearch,internationalJ,2006,13(5):6568.2张义文,上官永恒.粉末高温合金的研究与发展J.粉末冶金工业,2004,14(6):3042.3国为民,宋璞生,吴剑涛,等.粉末高温合金的研制与展望J.粉末冶金工业,1999,9(2):916.4邹金文,汪武祥.粉末高温合金研究进展与应用J.航空材料,2006,26(3):244250.5陈焕铭,胡本芙,张义文,等.飞机涡轮盘用镍基粉末高温合金研究进展J.材料导报,2002,16(11):17一l9.6汪武祥,毛健,呼和,等.热等静压FGH95粉末涡轮盘J.材料工程,1999(12):3943.7章守华,胡本芙,李慧莹,等.镍基粉末高温合金FGH95的组织和性能J.北京科技大学,1993,15(1):18.8邹金文,汪武祥.粉末高温合金中夹杂物特性及其质量控制J.粉末冶金技术,2001,19(1):711.9张莹,张义文,宋璞生,等.镍基粉末高温合金中的夹杂物J.钢铁研究,2003,15(6):7176.10国为民,吴剑涛,张凤戈,等.不同成型工艺条件下FGH95粉末高温合金中夹杂物对材料力学性能的影响J.中国材料科学技术与设备,2006(2):4547.11张丽娜,张麦仓,李晓,等.粉末高温合金中非金属夹杂物问题的研究进展Jj.兵器