刀具射频识别技术的应用
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由一个带有RFID标签的刀具及其联接的刀柄构成的智能化刀具-刀柄组件具有极大的应用潜力,应该充分加以利用。
作为一种物品自动识别技术,射频识别(RFID)不仅能实现无线识别,而且还能自动准备、采集和存储数据。尤其对于涉及多个部门的物流,应用RFID可以充分发挥其优越性。射频识别技术在制造业各领域的应用正在不断增加。目前,该技术所用的标签已经小型化,并可用于在恶劣条件下工作的刀具和刀柄上。由一个带有RFID标签的刀具及其联接的刀柄构成的智能化刀具-刀柄组件具有极大的应用潜力,应该充分加以利用。

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智能刀具的技术支撑

一个射频识别系统由两个读/写头和一个固定在目标物上的RFID标签组成。RFID标签可用各种材料制造,并可做成各种不同的形状。RFID标签又由一个存储数据的芯片和发射电磁波的天线组成。现在,由雄克(Schunk)公司制造的刀柄已具有一个标准的安装RFID标签的位置;对于在刀柄上的应用,现在已有适用的标准标签。但这种标签还不能适用于刀具,因为刀具的工作条件较恶劣,且要求标签的尺寸更小。
刀具种类很多,各种刀具的切削刃形状和直径大小都不相同,这就限制了把标准化的RFID标签安装到刀具上的可能性。为了实现标准化应用,采用了一种通用方法,即对于相同的刀具类别和直径,RFID标签可以通用。在“SuPERFID”研究项目的框架中,研究显示,如果RFID标签的直径小于3mm,长度为15mm,则80%的刀具都可以安装RFID标签。这样,RFID制造商就能比较经济地批量生产RFID标签,又可以实现射频识别在切削加工中的标准化应用,也使其更适合安装在刀柄上。当刀具装夹在刀柄中时,RFID标签就受到保护,不会受到切削液和切屑的影响(见图1)。
基于以上分析,与RFID制造商巴鲁夫(Balluff)公司紧密合作,开发了一种长圆形的被动式RFID标签。该标签本身没有驱动能源,但能在电磁场作用下传输信息。利用新的制造方法,该标签的直径能做到2mm,可全部装入刀柄中(图2)。它不会受到夹头的机械损伤,经环氧树脂封装后,可避免冷却液流入。
问题是,在刀具制造和使用的整个生命周期中,要经历涂层的过程。涂层时,刀具温度达到450℃以上,时间长达6小时。这么高的温度会损坏RFID标签,因此,涂层时必须对标签加以保护,限制热量的流入,使温度不超过大约180℃,从而避免损坏标签。
目前,Wolf刀具技术公司和BorgWarner涡轮增压器公司在实际生产条件下,对不同直径的硬质合金钻头、铣刀和涂层刀具进行了一系列试验工作(见图3)。初步试验结果表明,所开发的RFID标签能够承受刀具的工作条件。这表明,智能化刀具已开发成功。
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智能刀具在生产中的应用潜力

射频识别技术在刀具上的应用,实现了生产过程中物流和信息流的结合。借助刀具快速识别技术,避免了生产过程中由于找刀造成的延误,从而缩短了生产时间。由于实现了所有信息都在线实时处理,使刀具能在整个企业范围得到有效使用。
RFID的应用潜力贯穿于刀具的整个生命周期中。一方面,智能刀具的潜力(如刀具信息的共享)使用户能得到所需要的具体加工信息,另一方面,这些信息还能减少现有刀具管理中的各种弊端。智能刀具的潜力还从过程分析和用户问卷中得到了确认。所谓“智能”,就是在加工过程中自动、独立地识别目标、与加工设备的直接通讯,以及几何数据与加工数据的分别存储。企业细数RFID的应用潜力,就好像雇用了一个服务“大臣”。表1详细罗列了在具有哪些需求时,可以应用智能刀具,以及这样会带来哪些好处。
表1 智能刀具一刀柄组件的应用潜力
 用户的要求
可带来
的好处
-能识别目标物信息应透明信息的结构信息的补充可利用的数据
服务用户自动采集目
标物的号码
重复加工
的数量
推荐最佳
的进给
描述合适
的刀柄
更好的建议
支撑内部
工作流程
自动采集
加工程序
规定的
测量值
自动提取
加工程序
用户的
特定要求
加工时间
和工序
扩大
信息系统
可识别
使用中刀具
需要的
生产时间
自动
选择机床
订货与存货
的平衡
生产中的干扰
目标物和
资源的利用
在机床上
自动采集
合理的
加工工序
自动
调节转速
刀柄的检验加工的材料
初步研究结果表明,这些应用潜力无论对于刀具制造商、重磨商,还是对于金属切削加工企业都息息相关,如刀具识别码与机床代码的调整,刀具剩余寿命的存储,减少准备刀具时人工输入数据的费用,减少因质量数据传递出错产生的费用,以及企业内部和外部的信息交换等。此外,通过自动识别目标和直接在刀具或刀柄上存储信息,能够减少加工过程中的备刀费用——即为了把需要的刀具或刀柄准确地准备好,并附有全部必要的信息(如测量数据)所需的费用。生产计划和生产管理也因为掌握了可支配的刀具寿命和刀具磨损程度而得到改善。

智能刀具的信息

借助RFID标签中的少量数据,智能刀具展示了广阔的应用领域。它可以防止因刀具或刀柄混淆而造成产品报废。在生产开始时读出的唯一识别码,能保证刀具被用于正确的工作点,并满足该工作点的要求。在RFID标签的文本上,还可以写入如切削速度、进给量和其它工艺参数,避免了在机床旁花很多时间进行手工输入操作。所存储的与智能刀具、刀柄有关的信息可分为4大类:识别码、寿命数据、加工参数和与标的物有关的数据。
这些数据既可以全部存储在中央数据库中,也可以分散存储在RFID标签里,取决于企业数据库的联接方式和企业内外的应用目标。尤其是没有中央数据库的中小型企业,对分散存储方式更感兴趣;这使得所有信息随着物流一起流动,实现了把正确的信息在正确的时间送到正确的地方。

结论

智能刀具/刀柄设计原型的应用表明,RFID技术在刀具上的应用是成功的,所用的识别方法给未来刀具管理的优化提供了希望。其众多的使用潜力也说明,与物流结合在一起的、开放的信息准备,可以大大提高加工效率。
本文作者:赵炳桢(译)
原载:《工具展望》2011年第2期
上载于:2013-7-30 17:16:49

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