ＲFID下零件加工控制系统设计浅析

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摘要:为了解决零件加工效率低和柔性差的问题，设计基于Rfid的智能加工控制系统。系统由西门子1500PLC、RFID系统、钻铣平台、气动等几部分组成。PLC控制器通过与ABB机器人、气动、RFID等单元的通信，控制各个机构的驱动电机或气缸零件的抓取、运输、加工，并根据RFID反馈的数据信息，选择相应的加工任务。通过现场测试，该系统能够顺利实现零件的识别和柔性加工任务，生产线运行稳定可靠，所加工的产品满足工艺要求，具有良好的经济效益。

关键词:PLC;RFID;加工控制系统;柔性加工

0引言

工业4．0是指以信息物理系统CPS(cyberphysicalsystem)为基础，以生产中的供应、制造、销售信息高度数据化、网络化、智能化为标志，最后达到快速、有效、智能的个性化产品供应［1］。“中国制造2025”计划，旨在完善高端制造业布局，促使制造业向智能化、数字化方向迈进。该计划将智能制造作为主攻方向，加快生产制造过程智能化、数字化、智能物流管理等技术在生产中的综合应用，促进制造工艺的数字化控制、状态信息实时监测和自适应控制［2］。无线射频识别技术可同时识别多个标签，具有读取距离可调节、标签数据可加密、数据可重复读写等显著优点，是传统的条码识别所不具备的。同时，其还可适应于恶劣的环境，抗干扰能力显著。

1加工控制系统

1．1系统需求分析

1)加工柔性差。在汽车行业中，传统螺纹攻制效率低，且同一批次的待加工零件只能攻制同一型号的螺纹，耗时耗力。2)传统加工控制系统的各单元之间数据传输困难。由于各单元之间采用的接口存在差异，匹配度低，导致数据传输受限。3)加工模块各单元加工过程不透明。加工控制系统应该及时、准确地反馈待加工零件的批次、加工尺寸、加工状态、物料消耗。4)传统加工生产过程加工量大，数据采集不及时，物料积压严重，无法实现质量的可追溯。

1．2加工控制系统的工艺流程

a)RFID工作原理RFID工作原理如下:1)RFID阅读器通过天线发射电磁波，并通过是否有反馈信息来判断在磁场范围内是否存在电子标签。2)电子标签到达阅读器识别范围之后，在电感耦合的作用下电子标签被激活，并对阅读器的搜寻作出响应。3)阅读器根据响应的数据信息，判断标签的数量。若存在多标签的情况，则进行相应的防冲突运算，首先识别其中一个标签，然后再依次处理剩余标签。4)对识别的电子标签验证密码，验证成功后进行后续的操作。其原理如图1所示。b)加工控制系统工艺流程加工控制系统是集RFID技术、工业机器人、智能控制、电气自动化于一体的具有自律分散型的智能加工系统，结构如图2所示。RFID是实现智能攻制螺纹任务的核心技术，即每个零件都附有电子标签，加工信息都存储在RFID标签中，利用阅读器将零件的加工信息反馈给PLC控制器，通过其控制加工装置实现特定的任务，将零件攻制成直径和深度各异的螺纹。工艺流程如下:1)智能立体仓库物料准备。总控台下达加工任务后，智能立体仓库分批准备贴好标签的物料，等待AGV小车的搬运，并随后更新物料。2)AGV小车搬运下单物料。AGV开始搬运物料，将物料送至环形生产线的上料机械臂位置，反复此操作，直至将所有物料搬运完成，回到起始位置待机。3)上料机械臂将待加工物料放置环形生产线的托盘上。4)物料到达识别区。附有电子标签的物料到挡板处后，由挡板将物料顶起，安装在机械臂上的阅读器先对其进行识别，电子标签被激活后，与阅读器进行数据交互。5)阅读器将数据传至PLC总控单元。6)上料机械臂将待加工物料送至钻铣平台。不同的物料到达钻铣平台后，在机器人的法兰盘上安装有4种不同型号的丝锥，实现不同的加工方案。7)重新写入新的数据。物料加工完成后，由阅读器写入新的数据信息，作为物料的标识。8)将加工的物料分批送至成品存放区。其工艺流程如图3所示。

1．3RFID系统的组成

射频识别通过无线电波不接触快速信息交换和存储技术，实现阅读器与电子标签之间的数据交互，以达到识别目标任务的信息采集技术［3］。RFID系统包括阅读器、电子标签、天线、应用系统四部分，其结构组成如图4所示。电子标签作为信息源附着在待识别的目标物体上，如托盘、工件、货架，用于记录加工对象上的数据信息。当待加工对象随生产线移动时，标签的作用就相当于携带数据信息的载体［4］。另外阅读器具有与外部设备(计算机、PLC、MODEM和终端等)进行通信的功能。在这里，选用西门子1500PLC与阅读器进行通信，实现数据交互。1．4主要器件选型阅读器选用CK－F060型号的标签阅读器，通过RS485与PLC进行通信。PLC选用西门子S7－1500PLC中的CPU1517－3PN/DP型号，鉴于输入、输出端口的数量，还需要配置一块DI(16×24VDC)型号的数字量输入模块和一块DQ(16×24DC)型号的数字量输出模块即可满足需求。与传统的MCGS上位机监控系统相比较，在西门子S7－1500的环境下，上位机监控系统选择西门子S7－1500自带的型号为KTP700BasicPN，像素为800×480的7″显示屏，以实现数据的显示功能和人机交互。

2系统设计

2．1RFID标签地址分配

UID数据区的数据由厂家设置，可读不可写，其地址范围为0×0004－0×0007，一共占有8个Byte的长度。在电子标签中，读写存储区通过块(Block)的方式来存储数据，例如0×000C－0×000D这两个地址都属于块1(Block1)。用户可用于读写操作的是用户数据寄存器，其地址为0×000A－0×0041。数据地址分配如表1所示。RFID标签到达读取位置后，发送报文:0203000B000435F8，PLC收到RFID发送的信息后，发送指令控制阅读器读取电子标签中数据信息，将读取到的数据信息存入寄存器，返回给PLC。向标签中写入数据，发送报文:0210000B00010201721B，PLC将数据写入电子标签，写入后若要查看数据是否写入成功，重发报文:0203000B000435F8即可。数据块和控制位的关系如表2所示，用户数据区为只读状态，不能重新写入新数据。由于需要向加工完毕之后的零件重新写入数据，这里就不再将相应位设置成只读状态。

2．2RFID数据采集

1)RFID工艺流程RFID阅读器固定在ABB工业机器人上，物料到达后，由机械臂带动阅读器读取数据。在钻铣平台上的机械臂法兰盘上装有4种不同类型的丝锥，由于螺纹要攻制成不同的直径和深度，按照加工任务不同，执行不同的操作。加工完成后，阅读器对成品重新写入数据，为成品分类做准备。其工艺流程如图5所示。2)人机接口系统在识别过程中，HMI人机界面可以直观地监视整个状态。其采用开放式、标准化硬件和软件接口，能够满足用户的人机界面需求［5］。当待加工零件随生产线到达读取位置后，自动在显示框内显示对应的加工数据信息，将该信息发送至PLC控制单元，PLC按照显示的数据自动下发对应的加工任务，同时点亮绿色(图6中黑色)指示灯，实现数据可视化。人机监视界面如图6所示。

3结语

本文通过对加工控制系统的设计，解决了螺纹攻制过程中效率和柔性差的问题，改变了传统的加工方式，提高了零件加工的柔性度和效率，实现了对产品的追本溯源，并在统计和复查等方面带来更多便捷［6］。该加工控制系统通过测试，能够顺利完成零件的自动识别与加工任务，加工的零件满足工艺要求［7］，具有良好的经济效益。

作者:王先月 潘松峰 刘镔震 赵相博 伊永琪 单位:青岛大学自动化学院