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RFID下零件加工控制系统设计浅析

RFID下零件加工控制系统设计浅析

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