數控機床已成為機械加工車間的主流設備，一般小型數控加工車間的刀具配備量多達上千把，再加上其配套零部件，總量上萬把，品種上百種。隨著刀具在數量和種類上急劇增加，生產車間各種類型及規格的標準和非標準刀具并存，大量刀具頻繁地在刀具庫房與機床、機床設備之間流動和交換。當前國內加工車間多靠手工方式和紙質條碼管理刀具。紙質條碼在油污環境下容易污損，刀具壽命也只能靠經驗判斷。由于缺乏刀具，造成很多加工流程停止，機床操作工需耗費大量時間在查找刀具上。隨著數控機床種類及新產品種類的增加，現有刀具管理方案已不能滿足需求，故引入無線射頻技術(RFID)。

RFID是20世紀90年代興起的一種非接觸式的自動識別技術，具有快速掃描、體積小、抗污染能力和耐久性強、可重復使用、穿透性和無屏障閱讀、數據記憶容量大安全性強等特點，因此在生產數據采集、監控、數據傳遞方面具有巨大的應用潛力。本文以無線射頻技術為基礎，將RFID芯片安裝在刀具的刀柄上，實現刀具信息的采集與管理，降低綜合生產成本。

1 刀具管理行業現狀及需求

國內外從事刀具管理研究的專家開發出很多刀具管理軟件，但無法滿足刀具管理的全部要求，現有刀具管理存在以下問題：

①無法分析刀具的整個壽命周期的記錄和數據，只是在時間點上實現刀具信息的采集與監控，無法獲得未加工時的數據;

②傳統刀具管理缺乏M2M(Machine to Machine)信息交互，無法實現集成化管理;

③現有刀具管理方案以滿足生產需求為目的，未考慮刀具整個生命周期內的成本問題。

為解決上述問題，實現制造業更加智能化自動化的目標，急需引入新的技術手段來管理刀具信息。勁勝精密組件股份有限公司在手機組件精密加工過程中，針對刀具在機床中的使用進行智能化管理，將刀具參數傳遞給機床，使刀具加入機床刀庫，供加工程序進行調用。刀具加工完成時，將刀具生產時間寫入刀具的RFID中，實現刀具實時信息采集，刀具狀態跟蹤等功能。

2 刀具信息管理系統參數采集及設定

刀具信息管理系統是指在制造單元內的機器設備(如數控機床、對刀儀等)及RFID讀寫器進行通訊的基礎上，利用無線射頻技術、CNC與RFID讀寫器采取串口通訊技術，實現刀具在其生命周期內的信息監控與存儲管理。刀具整個生命周期一般包括計劃、采購、標識、入庫、借出、裝配、使用、歸還、重磨、報廢等。本文采用思谷數字技術有限公司(sygole)設計的刀具，刀柄上裝有RFID標簽，刀柄如圖1所示，RFID讀寫標簽的時間為500ms。


機床刀具管理的前提條件是刀具已經進行組刀，并通過對刀儀對刀。為了實現刀具相應的功能，機床需要進行刀庫初始化，將刀具加工時間寫入刀柄RFID中。由于高頻RFID的讀寫距離比較短，所以在讀寫刀柄的RFID時，要將天線通過氣動裝置靠近RFID標簽。

(1)機床刀庫初始化

要實現數控刀具信息的智能化傳輸，首先要依靠數控機床。為確保在刀具裝入機床時自動入刀庫，并將刀具參數從RFID標簽讀入到機床刀庫中，需對機床刀庫進行初始化操作，具體流程說明如下：

①在機床有刀具變動時，需要機床控制刀盤轉動一周(見圖2)，將所有刀具重新初始化到機床刀庫;

②對每把刀需要進行如下操作：CNC通過指令驅動氣缸頂升RFID讀頭，氣缸到位后，CNC獲取感應開關狀態，啟動RFID讀寫器工作;氣缸狀態維持500ms，CNC通過串口通訊驅動RFID讀寫器對刀柄RFID芯片進行讀取操作;收回氣缸，CNC檢測氣缸磁感應開關到位后，刀具繼續運轉;

③需要控制的功能：在CNC操作界面加一個按鈕，每按一次該按鈕刀盤自動旋轉一周，確保每次換刀都能轉動一周，初始化機床刀庫;不允許直接將刀安裝到機床的刀庫刀柄。


(2)刀具生產時間記錄

在卸(組)刀時，會將刀具的生產量(加工時間)寫入到刀具管理系統中。將機床加工時間寫入刀柄的RFID中的流程如下：

①在機床卸刀前或組刀后，機床記錄使用的刀具，旋轉刀盤，逐個寫入刀具加工時間;

②氣缸狀態維持500ms，CNC通過串口通訊驅動RFID讀寫器并對刀柄RFID芯片進行寫入操作;

③收回氣缸，CNC檢測氣缸磁感應開關到位后，刀盤繼續轉動。

要保證上述方案操作順利進行，需在CNC操作界面增加一個按鈕，在卸刀前或組刀后，按一次按鈕，使機床旋轉一周，并寫入刀具使用時間，最終完成刀具壽命的控制。在進行方案流程操作時，應注意操作規范。方案流程如圖3所示。


(3)RFID芯片中刀具數據存儲

刀具編碼是確定刀具身份唯一性的重要信息，將其寫入RFID，通過刀具編碼來管理每一把刀具。在編寫相應程序時，可根據刀具的規格型號確定刀具的名義直徑、名義長度及相應程序，然后根據實際情況給予相應的直徑補償和長度補償。由于同一把刀具可以安裝在不同的機床上，同一臺機床也可以加工不同產品，加工產品時，也可能出現異常情況，故在加工時，需要展示以上加工信息。可通過程序控制，在加工過程動態展示報表顯示刀具編碼、加工產品、產品數量、異常信息等以及RFID記錄中的刀具編碼、刀具壽命、刀具已使用時間等信息。

3 硬件系統構成及軟件開發

硬件由電子標簽(RFID)、天線、讀寫器及相關數據接口構成(見圖4)。RFID標簽為數據載體，由芯片及耦合元件組成，每個RFID標簽都具有唯一的電子編碼;RFID標簽天線是RFID電子標簽的應答器天線，通過通信感應來傳遞標簽與控制器之間的無線射頻信號，讀寫器是用來讀取或寫入RFID標簽信息的設備。

該系統為分布式應用系統，采取C/S模式更利于該系統運行。系統開發平臺為微軟公司的Visual Studio2010.NetFramework3.5及以上版本，采用C#開發，數據庫為ORACLE。

系統采用的RFID編碼塊為EEPROM存儲類型，由于一般機床數控系統配備COM串行通訊接口，故采用RS232通訊協議。刀具使用壽命需要實時更新，為保證存儲數據的實時性，在更換刀具時及時更新芯片中的刀具信息，將數控系統NCK變量中的壽命數據寫入RFID芯片。

小結

通過在刀具上安裝RFID標簽用于刀具全生命周期的生命識別和信息讀寫，在數控機床等設備主機上安裝讀寫器，作為RFID標簽與主要控制系統之間信息交互接口，利用RFID標簽作為信息載體實現刀具與主機以及主機與主機之間的信息交互，以實現刀具壽命的預測。新的解決方案可實現刀具全生命管理，降低刀具庫存20%，降低刀具成本10%，減少準備時間15%，提升設備效率10%，縮短交期10%，降低綜合成本15%以上。