數控工具機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並存，大量刀具頻繁地在刀具庫房與工具機、工具機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。紙質條碼在油汙環境下容易汙損，刀具壽命也只能靠經驗判斷。由於缺乏刀具，造成很多加工流程停止，工具機操作工需耗費大量時間在查找刀具上。隨著數控工具機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、抗汙染能力和耐久性強、可重複使用、穿透性和無屏障閱讀、數據記憶容量大安全性強等特點，因此在生產數據採集、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晶片安裝在刀具的刀柄上，實現刀具信息的採集與管理，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體，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採集與監控，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，實現製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，針對刀具在工具機中的使用進行智能化管理，將刀具參數傳遞給工具機，使刀具加入工具機刀庫，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，實現刀具實時信息採集，刀具狀態跟蹤等功能。
2 刀具信息管理系統參數採集及設定
刀具信息管理系統是指在製造單元內的機器設備(如數控工具機、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讀寫器採取串口通訊技術，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、採購、標識、入庫、借出、裝配、使用、歸還、重磨、報廢等。本文採用思谷數位技術有限公司(sygole)設計的刀具，刀柄上裝有RFID標籤，刀柄如圖1所示，RFID讀寫標籤的時間為500ms。
圖1 裝有RFID標籤的刀柄和RFID標籤
工具機刀具管理的前提條件是刀具已經進行組刀，並通過對刀儀對刀。為了實現刀具相應的功能，工具機需要進行刀庫初始化，將刀具加工時間寫入刀柄RFID中。由於高頻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標籤。
(1)工具機刀庫初始化
要實現數控刀具信息的智能化傳輸，首先要依靠數控工具機。為確保在刀具裝入工具機時自動入刀庫，並將刀具參數從RFID標籤讀入到工具機刀庫中，需對工具機刀庫進行初始化操作，具體流程說明如下：
①在工具機有刀具變動時，需要工具機控制刀盤轉動一周(見圖2)，將所有刀具重新初始化到工具機刀庫;
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，氣缸到位後，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晶片進行讀取操作;收回氣缸，CNC檢測氣缸磁感應開關到位後，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，初始化工具機刀庫;不允許直接將刀安裝到工具機的刀庫刀柄。
圖2 轉塔式刀盤
(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。將工具機加工時間寫入刀柄的RFID中的流程如下：
①在工具機卸刀前或組刀後，工具機記錄使用的刀具，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讀寫器並對刀柄RFID晶片進行寫入操作;
③收回氣缸，CNC檢測氣缸磁感應開關到位後，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，在卸刀前或組刀後，按一次按鈕，使工具機旋轉一周，並寫入刀具使用時間，最終完成刀具壽命的控制。在進行方案流程操作時，應注意操作規範。方案流程如圖3所示。
圖3 方案流程
(3)RFID晶片中刀具數據存儲
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，然後根據實際情況給予相應的直徑補償和長度補償。由於同一把刀具可以安裝在不同的工具機上，同一臺工具機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 硬體系統構成及軟體開發
硬體由電子標籤(RFID)、天線、讀寫器及相關數據接口構成(見圖4)。RFID標籤為數據載體，由晶片及耦合元件組成，每個RFID標籤都具有唯一的電子編碼;RFID標籤天線是RFID電子標籤的應答器天線，通過通信感應來傳遞標籤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標籤信息的設備。
圖4 RFID組成
該系統為分布式應用系統，採取C/S模式更利於該系統運行。系統開發平臺為微軟公司的Visual Studio2010.NetFramework3.5及以上版本，採用C#開發，資料庫為ORACLE。
系統採用的RFID編碼塊為EEPROM存儲類型，由於一般工具機數控系統配備COM串行通訊接口，故採用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晶片中的刀具信息，將數控系統NCK變量中的壽命數據寫入RFID晶片。
小結
通過在刀具上安裝RFID標籤用於刀具全生命周期的生命識別和信息讀寫，在數控工具機等設備主機上安裝讀寫器，作為RFID標籤與主要控制系統之間信息交互接口，利用RFID標籤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。
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