ＲFID下零件加工控制系統(tǒng)設(shè)計淺析
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摘要:為了解決零件加工效率低和柔性差的問題，設(shè)計基于Rfid的智能加工控制系統(tǒng)。系統(tǒng)由西門子1500PLC、RFID系統(tǒng)、鉆銑平臺、氣動等幾部分組成。PLC控制器通過與ABB機器人、氣動、RFID等單元的通信，控制各個機構(gòu)的驅(qū)動電機或氣缸零件的抓取、運輸、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)。通過現(xiàn)場測試，該系統(tǒng)能夠順利實現(xiàn)零件的識別和柔性加工任務(wù)，生產(chǎn)線運行穩(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、銷售信息高度數(shù)據(jù)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為標志，最后達到快速、有效、智能的個性化產(chǎn)品供應(yīng)［1］。“中國制造2025”計劃，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。該計劃將智能制造作為主攻方向，加快生產(chǎn)制造過程智能化、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，促進制造工藝的數(shù)字化控制、狀態(tài)信息實時監(jiān)測和自適應(yīng)控制［2］。無線射頻識別技術(shù)可同時識別多個標簽，具有讀取距離可調(diào)節(jié)、標簽數(shù)據(jù)可加密、數(shù)據(jù)可重復(fù)讀寫等顯著優(yōu)點，是傳統(tǒng)的條碼識別所不具備的。同時，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的螺紋，耗時耗力。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程不透明。加工控制系統(tǒng)應(yīng)該及時、準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)過程加工量大，數(shù)據(jù)采集不及時，物料積壓嚴重，無法實現(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閱讀器通過天線發(fā)射電磁波，并通過是否有反饋信息來判斷在磁場范圍內(nèi)是否存在電子標簽。2)電子標簽到達閱讀器識別范圍之后，在電感耦合的作用下電子標簽被激活，并對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，判斷標簽的數(shù)量。若存在多標簽的情況，則進行相應(yīng)的防沖突運算，首先識別其中一個標簽，然后再依次處理剩余標簽。4)對識別的電子標簽驗證密碼，驗證成功后進行后續(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)機器人、智能控制、電氣自動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是實現(xiàn)智能攻制螺紋任務(wù)的核心技術(shù)，即每個零件都附有電子標簽，加工信息都存儲在RFID標簽中，利用閱讀器將零件的加工信息反饋給PLC控制器，通過其控制加工裝置實現(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)智能立體倉庫物料準備?？偪嘏_下達加工任務(wù)后，智能立體倉庫分批準備貼好標簽的物料，等待AGV小車的搬運，并隨后更新物料。2)AGV小車搬運下單物料。AGV開始搬運物料，將物料送至環(huán)形生產(chǎn)線的上料機械臂位置，反復(fù)此操作，直至將所有物料搬運完成，回到起始位置待機。3)上料機械臂將待加工物料放置環(huán)形生產(chǎn)線的托盤上。4)物料到達識別區(qū)。附有電子標簽的物料到擋板處后，由擋板將物料頂起，安裝在機械臂上的閱讀器先對其進行識別，電子標簽被激活后，與閱讀器進行數(shù)據(jù)交互。5)閱讀器將數(shù)據(jù)傳至PLC總控單元。6)上料機械臂將待加工物料送至鉆銑平臺。不同的物料到達鉆銑平臺后，在機器人的法蘭盤上安裝有4種不同型號的絲錐，實現(xiàn)不同的加工方案。7)重新寫入新的數(shù)據(jù)。物料加工完成后，由閱讀器寫入新的數(shù)據(jù)信息，作為物料的標識。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
射頻識別通過無線電波不接觸快速信息交換和存儲技術(shù)，實現(xiàn)閱讀器與電子標簽之間的數(shù)據(jù)交互，以達到識別目標任務(wù)的信息采集技術(shù)［3］。RFID系統(tǒng)包括閱讀器、電子標簽、天線、應(yīng)用系統(tǒng)四部分，其結(jié)構(gòu)組成如圖4所示。電子標簽作為信息源附著在待識別的目標物體上，如托盤、工件、貨架，用于記錄加工對象上的數(shù)據(jù)信息。當待加工對象隨生產(chǎn)線移動時，標簽的作用就相當于攜帶數(shù)據(jù)信息的載體［4］。另外閱讀器具有與外部設(shè)備(計算機、PLC、MODEM和終端等)進行通信的功能。在這里，選用西門子1500PLC與閱讀器進行通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。1．4主要器件選型閱讀器選用CK－F060型號的標簽閱讀器，通過RS485與PLC進行通信。PLC選用西門子S7－1500PLC中的CPU1517－3PN/DP型號，鑒于輸入、輸出端口的數(shù)量，還需要配置一塊DI(16×24VDC)型號的數(shù)字量輸入模塊和一塊DQ(16×24DC)型號的數(shù)字量輸出模塊即可滿足需求。與傳統(tǒng)的MCGS上位機監(jiān)控系統(tǒng)相比較，在西門子S7－1500的環(huán)境下，上位機監(jiān)控系統(tǒng)選擇西門子S7－1500自帶的型號為KTP700BasicPN，像素為800×480的7″顯示屏，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示功能和人機交互。
2．1RFID標簽地址分配
UID數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)由廠家設(shè)置，可讀不可寫，其地址范圍為0×0004－0×0007，一共占有8個Byte的長度。在電子標簽中，讀寫存儲區(qū)通過塊(Block)的方式來存儲數(shù)據(jù)，例如0×000C－0×000D這兩個地址都屬于塊1(Block1)。用戶可用于讀寫操作的是用戶數(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標簽到達讀取位置后，發(fā)送報文: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。向標簽中寫入數(shù)據(jù)，發(fā)送報文:0210000B00010201721B，PLC將數(shù)據(jù)寫入電子標簽，寫入后若要查看數(shù)據(jù)是否寫入成功，重發(fā)報文: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)，不能重新寫入新數(shù)據(jù)。由于需要向加工完畢之后的零件重新寫入數(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)機器人上，物料到達后，由機械臂帶動閱讀器讀取數(shù)據(jù)。在鉆銑平臺上的機械臂法蘭盤上裝有4種不同類型的絲錐，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，閱讀器對成品重新寫入數(shù)據(jù)，為成品分類做準備。其工藝流程如圖5所示。2)人機接口系統(tǒng)在識別過程中，HMI人機界面可以直觀地監(jiān)視整個狀態(tài)。其采用開放式、標準化硬件和軟件接口，能夠滿足用戶的人機界面需求［5］。當待加工零件隨生產(chǎn)線到達讀取位置后，自動在顯示框內(nèi)顯示對應(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)自動下發(fā)對應(yīng)的加工任務(wù)，同時點亮綠色(圖6中黑色)指示燈，實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化。人機監(jiān)視界面如圖6所示。
3結(jié)語
本文通過對加工控制系統(tǒng)的設(shè)計，解決了螺紋攻制過程中效率和柔性差的問題，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，實現(xiàn)了對產(chǎn)品的追本溯源，并在統(tǒng)計和復(fù)查等方面帶來更多便捷［6］。該加工控制系統(tǒng)通過測試，能夠順利完成零件的自動識別與加工任務(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)自動化學(xué)院