ＲFID下零件加工控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)淺析
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摘要:為了解決零件加工效率低和柔性差的問(wèn)題，設(shè)計(jì)基于Rfid的智能加工控制系統(tǒng)。系統(tǒng)由西門(mén)子1500PLC、RFID系統(tǒng)、鉆銑平臺(tái)、氣動(dòng)等幾部分組成。PLC控制器通過(guò)與ABB機(jī)器人、氣動(dòng)、RFID等單元的通信，控制各個(gè)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)或氣缸零件的抓取、運(yùn)輸、加工，并根據(jù)RFID反饋的數(shù)據(jù)信息，選擇相應(yīng)的加工任務(wù)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，該系統(tǒng)能夠順利實(shí)現(xiàn)零件的識(shí)別和柔性加工任務(wù)，生產(chǎn)線運(yùn)行穩(wěn)定可靠，所加工的產(chǎn)品滿足工藝要求，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。
關(guān)鍵詞:PLC;RFID;加工控制系統(tǒng);柔性加工
0引言
工業(yè)4．0是指以信息物理系統(tǒng)CPS(cyberphysicalsystem)為基礎(chǔ)，以生產(chǎn)中的供應(yīng)、制造、銷(xiāo)售信息高度數(shù)據(jù)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為標(biāo)志，最后達(dá)到快速、有效、智能的個(gè)性化產(chǎn)品供應(yīng)［1］。“中國(guó)制造2025”計(jì)劃，旨在完善高端制造業(yè)布局，促使制造業(yè)向智能化、數(shù)字化方向邁進(jìn)。該計(jì)劃將智能制造作為主攻方向，加快生產(chǎn)制造過(guò)程智能化、數(shù)字化、智能物流管理等技術(shù)在生產(chǎn)中的綜合應(yīng)用，促進(jìn)制造工藝的數(shù)字化控制、狀態(tài)信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和自適應(yīng)控制［2］。無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽，具有讀取距離可調(diào)節(jié)、標(biāo)簽數(shù)據(jù)可加密、數(shù)據(jù)可重復(fù)讀寫(xiě)等顯著優(yōu)點(diǎn)，是傳統(tǒng)的條碼識(shí)別所不具備的。同時(shí)，其還可適應(yīng)于惡劣的環(huán)境，抗干擾能力顯著。
1加工控制系統(tǒng)
1．1系統(tǒng)需求分析
1)加工柔性差。在汽車(chē)行業(yè)中，傳統(tǒng)螺紋攻制效率低，且同一批次的待加工零件只能攻制同一型號(hào)的螺紋，耗時(shí)耗力。2)傳統(tǒng)加工控制系統(tǒng)的各單元之間數(shù)據(jù)傳輸困難。由于各單元之間采用的接口存在差異，匹配度低，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸受限。3)加工模塊各單元加工過(guò)程不透明。加工控制系統(tǒng)應(yīng)該及時(shí)、準(zhǔn)確地反饋待加工零件的批次、加工尺寸、加工狀態(tài)、物料消耗。4)傳統(tǒng)加工生產(chǎn)過(guò)程加工量大，數(shù)據(jù)采集不及時(shí)，物料積壓嚴(yán)重，無(wú)法實(shí)現(xiàn)質(zhì)量的可追溯。
1．2加工控制系統(tǒng)的工藝流程
a)RFID工作原理RFID工作原理如下:1)RFID閱讀器通過(guò)天線發(fā)射電磁波，并通過(guò)是否有反饋信息來(lái)判斷在磁場(chǎng)范圍內(nèi)是否存在電子標(biāo)簽。2)電子標(biāo)簽到達(dá)閱讀器識(shí)別范圍之后，在電感耦合的作用下電子標(biāo)簽被激活，并對(duì)閱讀器的搜尋作出響應(yīng)。3)閱讀器根據(jù)響應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，判斷標(biāo)簽的數(shù)量。若存在多標(biāo)簽的情況，則進(jìn)行相應(yīng)的防沖突運(yùn)算，首先識(shí)別其中一個(gè)標(biāo)簽，然后再依次處理剩余標(biāo)簽。4)對(duì)識(shí)別的電子標(biāo)簽驗(yàn)證密碼，驗(yàn)證成功后進(jìn)行后續(xù)的操作。其原理如圖1所示。b)加工控制系統(tǒng)工藝流程加工控制系統(tǒng)是集RFID技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人、智能控制、電氣自動(dòng)化于一體的具有自律分散型的智能加工系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。RFID是實(shí)現(xiàn)智能攻制螺紋任務(wù)的核心技術(shù)，即每個(gè)零件都附有電子標(biāo)簽，加工信息都存儲(chǔ)在RFID標(biāo)簽中，利用閱讀器將零件的加工信息反饋給PLC控制器，通過(guò)其控制加工裝置實(shí)現(xiàn)特定的任務(wù)，將零件攻制成直徑和深度各異的螺紋。工藝流程如下:1)智能立體倉(cāng)庫(kù)物料準(zhǔn)備?？偪嘏_(tái)下達(dá)加工任務(wù)后，智能立體倉(cāng)庫(kù)分批準(zhǔn)備貼好標(biāo)簽的物料，等待AGV小車(chē)的搬運(yùn)，并隨后更新物料。2)AGV小車(chē)搬運(yùn)下單物料。AGV開(kāi)始搬運(yùn)物料，將物料送至環(huán)形生產(chǎn)線的上料機(jī)械臂位置，反復(fù)此操作，直至將所有物料搬運(yùn)完成，回到起始位置待機(jī)。3)上料機(jī)械臂將待加工物料放置環(huán)形生產(chǎn)線的托盤(pán)上。4)物料到達(dá)識(shí)別區(qū)。附有電子標(biāo)簽的物料到擋板處后，由擋板將物料頂起，安裝在機(jī)械臂上的閱讀器先對(duì)其進(jìn)行識(shí)別，電子標(biāo)簽被激活后，與閱讀器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。5)閱讀器將數(shù)據(jù)傳至PLC總控單元。6)上料機(jī)械臂將待加工物料送至鉆銑平臺(tái)。不同的物料到達(dá)鉆銑平臺(tái)后，在機(jī)器人的法蘭盤(pán)上安裝有4種不同型號(hào)的絲錐，實(shí)現(xiàn)不同的加工方案。7)重新寫(xiě)入新的數(shù)據(jù)。物料加工完成后，由閱讀器寫(xiě)入新的數(shù)據(jù)信息，作為物料的標(biāo)識(shí)。8)將加工的物料分批送至成品存放區(qū)。其工藝流程如圖3所示。
1．3RFID系統(tǒng)的組成
射頻識(shí)別通過(guò)無(wú)線電波不接觸快速信息交換和存儲(chǔ)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)閱讀器與電子標(biāo)簽之間的數(shù)據(jù)交互，以達(dá)到識(shí)別目標(biāo)任務(wù)的信息采集技術(shù)［3］。RFID系統(tǒng)包括閱讀器、電子標(biāo)簽、天線、應(yīng)用系統(tǒng)四部分，其結(jié)構(gòu)組成如圖4所示。電子標(biāo)簽作為信息源附著在待識(shí)別的目標(biāo)物體上，如托盤(pán)、工件、貨架，用于記錄加工對(duì)象上的數(shù)據(jù)信息。當(dāng)待加工對(duì)象隨生產(chǎn)線移動(dòng)時(shí)，標(biāo)簽的作用就相當(dāng)于攜帶數(shù)據(jù)信息的載體［4］。另外閱讀器具有與外部設(shè)備(計(jì)算機(jī)、PLC、MODEM和終端等)進(jìn)行通信的功能。在這里，選用西門(mén)子1500PLC與閱讀器進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。1．4主要器件選型閱讀器選用CK－F060型號(hào)的標(biāo)簽閱讀器，通過(guò)RS485與PLC進(jìn)行通信。PLC選用西門(mén)子S7－1500PLC中的CPU1517－3PN/DP型號(hào)，鑒于輸入、輸出端口的數(shù)量，還需要配置一塊DI(16×24VDC)型號(hào)的數(shù)字量輸入模塊和一塊DQ(16×24DC)型號(hào)的數(shù)字量輸出模塊即可滿足需求。與傳統(tǒng)的MCGS上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)相比較，在西門(mén)子S7－1500的環(huán)境下，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)選擇西門(mén)子S7－1500自帶的型號(hào)為KTP700BasicPN，像素為800×480的7″顯示屏，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示功能和人機(jī)交互。
2．1RFID標(biāo)簽地址分配
UID數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)由廠家設(shè)置，可讀不可寫(xiě)，其地址范圍為0×0004－0×0007，一共占有8個(gè)Byte的長(zhǎng)度。在電子標(biāo)簽中，讀寫(xiě)存儲(chǔ)區(qū)通過(guò)塊(Block)的方式來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，例如0×000C－0×000D這兩個(gè)地址都屬于塊1(Block1)。用戶可用于讀寫(xiě)操作的是用戶數(shù)據(jù)寄存器，其地址為0×000A－0×0041。數(shù)據(jù)地址分配如表1所示。RFID標(biāo)簽到達(dá)讀取位置后，發(fā)送報(bào)文:0203000B000435F8，PLC收到RFID發(fā)送的信息后，發(fā)送指令控制閱讀器讀取電子標(biāo)簽中數(shù)據(jù)信息，將讀取到的數(shù)據(jù)信息存入寄存器，返回給PLC。向標(biāo)簽中寫(xiě)入數(shù)據(jù)，發(fā)送報(bào)文:0210000B00010201721B，PLC將數(shù)據(jù)寫(xiě)入電子標(biāo)簽，寫(xiě)入后若要查看數(shù)據(jù)是否寫(xiě)入成功，重發(fā)報(bào)文:0203000B000435F8即可。數(shù)據(jù)塊和控制位的關(guān)系如表2所示，用戶數(shù)據(jù)區(qū)為只讀狀態(tài)，不能重新寫(xiě)入新數(shù)據(jù)。由于需要向加工完畢之后的零件重新寫(xiě)入數(shù)據(jù)，這里就不再將相應(yīng)位設(shè)置成只讀狀態(tài)。
2．2RFID數(shù)據(jù)采集
1)RFID工藝流程RFID閱讀器固定在ABB工業(yè)機(jī)器人上，物料到達(dá)后，由機(jī)械臂帶動(dòng)閱讀器讀取數(shù)據(jù)。在鉆銑平臺(tái)上的機(jī)械臂法蘭盤(pán)上裝有4種不同類(lèi)型的絲錐，由于螺紋要攻制成不同的直徑和深度，按照加工任務(wù)不同，執(zhí)行不同的操作。加工完成后，閱讀器對(duì)成品重新寫(xiě)入數(shù)據(jù)，為成品分類(lèi)做準(zhǔn)備。其工藝流程如圖5所示。2)人機(jī)接口系統(tǒng)在識(shí)別過(guò)程中，HMI人機(jī)界面可以直觀地監(jiān)視整個(gè)狀態(tài)。其采用開(kāi)放式、標(biāo)準(zhǔn)化硬件和軟件接口，能夠滿足用戶的人機(jī)界面需求［5］。當(dāng)待加工零件隨生產(chǎn)線到達(dá)讀取位置后，自動(dòng)在顯示框內(nèi)顯示對(duì)應(yīng)的加工數(shù)據(jù)信息，將該信息發(fā)送至PLC控制單元，PLC按照顯示的數(shù)據(jù)自動(dòng)下發(fā)對(duì)應(yīng)的加工任務(wù)，同時(shí)點(diǎn)亮綠色(圖6中黑色)指示燈，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化。人機(jī)監(jiān)視界面如圖6所示。
3結(jié)語(yǔ)
本文通過(guò)對(duì)加工控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，解決了螺紋攻制過(guò)程中效率和柔性差的問(wèn)題，改變了傳統(tǒng)的加工方式，提高了零件加工的柔性度和效率，實(shí)現(xiàn)了對(duì)產(chǎn)品的追本溯源，并在統(tǒng)計(jì)和復(fù)查等方面帶來(lái)更多便捷［6］。該加工控制系統(tǒng)通過(guò)測(cè)試，能夠順利完成零件的自動(dòng)識(shí)別與加工任務(wù)，加工的零件滿足工藝要求［7］，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。
作者:王先月 潘松峰 劉鑌震 趙相博 伊永琪 單位:青島大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院