隨著現(xiàn)代制造技術的不斷發(fā)展，數控機床的應用日益廣泛。其中，加工中心已經逐步成為機械加工車間的主流裝備，加工中心是具有刀庫的數控設備，刀庫中預裝有加工所需的各種刀具。根據加工需求對加工中心刀庫中的刀具進行調度、換取。換刀的效率、穩(wěn)定性將直接影響到生產能否正常持續(xù)地進行下去，其重要性是顯而易見的，識別是換刀工作進行的基礎。

加工中心換刀識別有兩種：刀位識別和刀具識別。本文研究的基礎是對刀具編碼識別，服務于刀庫中換刀功能的快速實現(xiàn)。現(xiàn)有的機床刀具識別方法是在刀具表面貼上條形碼或者對刀具表面進行激光標刻來進行識別。但這些識別方法在實際應用中有其缺點，比如：條形碼易脫落，識別條件苛刻;激光標刻成本高。

本文將無線射頻識別(RFID)技術應用到刀具識別系統(tǒng)中。射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術，通過射頻信號自動識別標簽并獲取數據信息。首先由PC機通過串口與射頻識別模塊通信，將數控機床刀具的所有幾何尺寸和技術數據寫入電子標簽中，如：刀具編號、名稱、參數及使用壽命等;然后將存儲刀具信息的抗金屬電子標簽安裝到對應的刀具上，管理人員可隨時通過射頻識別終端對刀庫中的數控機床刀具信息進行查詢，實現(xiàn)對庫存中刀具的有序管理。

1系統(tǒng)總體方案設計

1.1硬件工作平臺

本系統(tǒng)硬件工作平臺的結構組成主要包括：刀庫工作系統(tǒng)、射頻識別系統(tǒng)、上位機管理軟件和便攜式微控制器。其中，刀庫系統(tǒng)選用圓形刀盤回轉裝置，由步進電動機驅動運行，硬件工作平臺如圖1所示。

1.2系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)功能主要由兩方面組成：1)刀具信息管理功能。主要是實現(xiàn)對表面裝有電子標簽的數控機床刀具所含信息在上位機數據庫中的查詢、顯示、更新甚至刪除;2)刀庫中刀具的識別功能。主要是實現(xiàn)刀盤中刀具位置的查詢和定位，并且實現(xiàn)對刀庫中隨機存放的刀具的快速選擇，就近空刀位置存放刀具，在液晶顯示器上顯示出工作過程和刀具信息。

系統(tǒng)功能實現(xiàn)的基礎是無線射頻識別(RFID)技術。RFID的基本工作原理是電子標簽內部存有刀具信息，當置于讀寫器天線的射頻工作范圍后，讀寫器向電子標簽發(fā)出電磁波(命令、能量、時序)，最后通過天線將電子標簽中數據回送給讀寫器。讀寫器實現(xiàn)對標簽識別碼和內存數據的讀出或寫人，并將讀出的數據通過串口傳給上位機進行分析處理，或與微處理器通信，實現(xiàn)刀庫中刀具識別和定位。

2 RFID識別系統(tǒng)設計

2.1 RFID硬件電路設計

MF RC500為非接觸式通信中高集成讀卡系列芯片，集成了在13.56MHz下所有類型的被動式通信方式和協(xié)議。

系統(tǒng)電路圖主要包括3個部分：MCU處理器、RC500內部電路和外部電路。MCU與RC500為并行連接AD.RC500內部電路主要包括發(fā)送部分、數字部分以及8位并行口。外部電路包括一個低通濾波器、接收電路、天線匹配電路和天線。低通濾波器根據國際電磁兼容性(Electro Magnetic Compatibility，EMC)條例對發(fā)射波中更高的諧波進行濾除，由元件L1和C1.組成。接收電路由元件R1、R2、R3和R4組成。RC500內部產生的VMID電勢作為腿腳的輸入電勢，兩者之間連接一個分壓器，在VMID引腳處再接一個對地電容c3提供穩(wěn)定的參考電壓。天線匹配電路由元件C4、C5組成。刀具射頻識別系統(tǒng)主框圖如圖2所示。

圖2刀具射頻識別系統(tǒng)主框圖

2.2 RFID下位機軟件設計

軟件系統(tǒng)包括主程序、串口中斷程序和發(fā)射子程序。主程序為順序結構，完成串口、中斷初始化設置;串口中斷程序接受上位機命令，配置RC500內部寄存器;發(fā)射模塊進入發(fā)射狀態(tài)，讀寫器通過防沖突算法分時選擇一個標簽進行讀取，實現(xiàn)標簽的識別，耗時短。這里給出標簽識別操作的程序片段，軟件流程如圖3所示。

圖3軟件流程

標簽識別操作的程序片段：

2.3上位機軟件設計

上位機通信軟件使用VC++6.0軟件編寫。主要功能是通過申門通信發(fā)送所要執(zhí)行的操作命令，讀取刀具標簽信息。以及將讀取的信息進行處理，查詢數據庫顯示。

刀具信息管理系統(tǒng)中單位刀具的信息上要由靜態(tài)信息和動態(tài)信息組成。靜態(tài)信息是刀具本身固有的加刀具編號、刀其名稱和兒何參數等;動態(tài)信息則會隨著刀具的使用而發(fā)生變化，如借還信息、庫存信息等。系統(tǒng)在VC++環(huán)境下使用動態(tài)數據對象(ActiveXData Objects ADO)來對數據庫應用程序進行開發(fā)。

3系統(tǒng)功能實現(xiàn)

3.1隨機快速取刀

為了驗證系統(tǒng)功能，設計了一個具有8刀位(間隔45度)的圓盤回轉裝置，隨機存放刀具。RFID系統(tǒng)初始對應的刀位設為識別起點。系統(tǒng)啟動，刀盤從當前起點開始隨步進電動機控制每轉動45度，RFID識別當前刀具標簽，每次識別的信息傳給微處理器存于刀位信息數組，數組包含刀座和刀具對應信息。RFID將一圓周識別完后，回到識別起點。此時，微處理器端的鍵盤輸入所需的刀具號，微處理器內部算法運行，查找刀位數組中與輸入刀具號信息匹配的刀位，并計算該刀位與識別起點的角度差(角距)。角距值為n*45度(n=0~7)。再根據n的取值，判斷電動機如何旋轉才能最快到達目標刀具。接著，RFID讀寫器將所對應刀具信息的核心參數在液晶顯示器上顯示。隨后便等待取刀，工作完成后RFID系統(tǒng)將重回識別起點，整個識別過程運轉快速簡便。系統(tǒng)換刀流程如圖所示。

換刀流程

新刀其存入庫的方式遵循就近空位放置的原則。取刀后，圓盤刀庫8個刀位中將有空刀位。當新刀具需存入刀庫時，微處理器查詢該時刻各刀位信息。確定距離當而RFID系統(tǒng)位置的最近空刀位，隨后，刀庫轉至最近空刀位，等待欣置新刀具。放置過后，RFID重新識別放置新刀具后的刀位信息并存儲，以待下次識別工作的循環(huán)執(zhí)行。新刀人庫后，整個刀位信息數組無需重置。只修改部分信息即可。

3.2實驗結果

系統(tǒng)工作時，圓盤刀庫轉速為15r/min，RFID.識別刀具標簽時間為0. 25s.系統(tǒng)掃描識別一圓周總時間為6s.接著系統(tǒng)接受需查詢的刀具號對目標刀具定位，假設RFID在識別起始點(0號刀位)，刀具識別定位的平均時間為1s.

本識別系統(tǒng)改善了刀庫中刀具識別的功能，使整個識別過程更加有效、穩(wěn)定。對刀具識別的改進，使刀具在刀庫中能隨機存放;將射頻識別與查表定位相結合的方法應用于刀具定位中，系統(tǒng)功能執(zhí)行效率更高;電子標簽中存有的刀具信息容量更大;單位刀具信息在換刀過程中可實時顯示，使換刀過程實現(xiàn)可視化控制。

4結語

無線射頻識別與其他目前應用的刀具識別方法比較，電子標簽不受現(xiàn)場惡劣環(huán)境的干擾，不怕油、灰塵和臟東西的污染，使用壽命長，自動化程度高。數控機床刀具射頻識別系統(tǒng)的用途是監(jiān)控刀具和管理刀具，為機械加工準備好所需刀具，避免了停工等刀現(xiàn)象的產生。

本系統(tǒng)中管理與監(jiān)控有機結合，具有較強的實用性，可提高生產效率和降低管理成本。