景會(huì)成 王 穎

(華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院 河北 唐山 063210)

0 引 言

近年來(lái)我國(guó)諸多企業(yè)順應(yīng)數(shù)字化發(fā)展的新趨勢(shì)，響應(yīng)國(guó)家智能制造的號(hào)召，積極引進(jìn)ERP、MES等諸多企業(yè)級(jí)、車間級(jí)管理系統(tǒng)，但企業(yè)管理與實(shí)際脫節(jié)、管理效果不明顯的現(xiàn)象仍然存在，主要原因是不能實(shí)時(shí)地采集、傳遞和處理信息，導(dǎo)致效率低，耗時(shí)長(zhǎng)，錯(cuò)誤率高，出現(xiàn)問(wèn)題難以追溯問(wèn)題源頭。RFID技術(shù)作為一種通信技術(shù)可以有效地解決這些問(wèn)題，它通過(guò)電磁波信號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)，并在無(wú)須物理接觸或光學(xué)接觸下讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)[1]。RFID技術(shù)與車間級(jí)管理系統(tǒng)MES、企業(yè)級(jí)管理系統(tǒng)ERP進(jìn)行協(xié)同后，各級(jí)管理人員能在PC端實(shí)時(shí)查看工件的位置信息、工件的預(yù)計(jì)完成時(shí)間、成品率、合格率、設(shè)備運(yùn)行情況等報(bào)表的實(shí)時(shí)信息，為各級(jí)管理人員日常工作和決策提供便易，并能有效地進(jìn)行資源合理配置，提高工作效率，使車間管理工作更快捷、準(zhǔn)確、透明，實(shí)現(xiàn)企業(yè)管理工作的信息化、規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化。

1 RFID系統(tǒng)

1.1 組成及優(yōu)勢(shì)

本文設(shè)計(jì)面向整個(gè)車間進(jìn)行，出于數(shù)字化車間精確、高效管理和企業(yè)節(jié)約成本的要求，機(jī)器人組裝調(diào)試數(shù)字化車間的RFID系統(tǒng)包含：RFID標(biāo)簽、RFID讀寫器、天線及后端系統(tǒng)。后端系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)庫(kù)、車間級(jí)管理軟件MES、企業(yè)級(jí)管理軟件ERP等系統(tǒng)。RFID系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 RFID系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

RFID系統(tǒng)最基礎(chǔ)的功能是實(shí)現(xiàn)車間生產(chǎn)信息的采集。其優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：

(1)實(shí)現(xiàn)非接觸識(shí)別即不需要直接與工件接觸便可讀寫工件上RFID標(biāo)簽中的信息。

(2)對(duì)移動(dòng)(高速)的物體和人員進(jìn)行識(shí)別，在實(shí)際生產(chǎn)中不需要暫停設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

(3)不用人工參與自動(dòng)識(shí)別，可同時(shí)識(shí)別多個(gè)目標(biāo)物體。

(4)RFID標(biāo)簽可雙向通信。

(5)識(shí)別速度快，穿透性強(qiáng)，既可以識(shí)別黏附在工件表面的電子標(biāo)簽，也可以識(shí)別裝在內(nèi)部的電子標(biāo)簽。

(6)外形小巧多變可根據(jù)工件的實(shí)際要求修改RFID標(biāo)簽的外形。

(7)具有防水、防油的性質(zhì)，適合在車間環(huán)境中使用。

(8)可重復(fù)性即可對(duì)已使用的RFID標(biāo)簽的內(nèi)部存儲(chǔ)信息進(jìn)行擦除，擦除后即可重新使用。

(9)儲(chǔ)存容量大，安全性能高。

1.2 技術(shù)原理及工作過(guò)程

讀寫器以電磁波的形式向RFID標(biāo)簽發(fā)送信息，RFID標(biāo)簽中的內(nèi)置天線能夠通過(guò)散射耦合的方式接收電磁波中的能量并且讀取命令信息，按照命令指示寫入或者傳遞信息。RFID標(biāo)簽中的內(nèi)置天線通過(guò)電磁波獲得能量被激活并自動(dòng)將自身編碼等信息通過(guò)內(nèi)置天線以反向散射的方式發(fā)送出去，從標(biāo)簽發(fā)送來(lái)的信號(hào)經(jīng)天線傳送到讀寫器，讀寫器對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼后通過(guò)PC端送到后臺(tái)管理系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)處理[2]。圖2為RFID系統(tǒng)工作過(guò)程。

圖2 RFID系統(tǒng)工作過(guò)程

RFID標(biāo)簽在空間里沒(méi)有電磁波或者接收的電磁波能量不足時(shí)處于靜默狀態(tài)，當(dāng)所處空間的電磁波所提供的能量達(dá)到其電壓閾值時(shí)根據(jù)電磁波攜帶的標(biāo)簽ID(Identification)信息激活對(duì)應(yīng)RFID標(biāo)簽。向電子標(biāo)簽內(nèi)寫入信息并對(duì)電磁波攜帶的信息進(jìn)行解調(diào)解碼后進(jìn)行運(yùn)算或儲(chǔ)存并傳遞給編碼器，負(fù)載調(diào)制之后傳遞給天線，天線傳遞給讀寫器，最終由讀寫器輸入到PC端完成信息交互。天線作為讀寫器的延伸向空間中發(fā)送電磁波為RFID標(biāo)簽提供能量、時(shí)序，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入輸出[3]。

2 RFID在金屬環(huán)境中的應(yīng)用

RFID標(biāo)簽與無(wú)線之間是通過(guò)電磁波進(jìn)行信息交互的，變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)構(gòu)成了一個(gè)不可分離的統(tǒng)一的場(chǎng),這就是電磁場(chǎng),而變化的電磁場(chǎng)在空間的傳播形成了電磁波[4]。英國(guó)物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家麥克斯韋早在18世紀(jì)60年代就預(yù)言了電磁波的存在，因?yàn)殡姶艌?chǎng)不是保守力場(chǎng)，其有三個(gè)標(biāo)量場(chǎng)的自由度，所以在描述電磁場(chǎng)時(shí)需要用向量微分、積分來(lái)描述(此處為微分)[5]。麥克斯韋方程組如下：

(1)

(2)

▽·B=0

(3)

▽·D=ρ

(4)

式中：▽表示哈密頓算子；H表示磁場(chǎng)強(qiáng)度；J表示電流密度；E表示電場(chǎng)強(qiáng)度；B表示磁通密度；D表示電通密度；ρ表示電荷密度[6]。輔助場(chǎng)量：

B=μH

(5)

D=εE

(6)

式中：μ表示磁導(dǎo)率；ε表示介電常數(shù)。在真空中：

ε=ε0=8.854 2×10-12(C2/N·m2)

(7)

μ=μ0=4π×10-7(N·S2/C2)

(8)

在金屬內(nèi)部時(shí)麥克斯韋方程組的ρ=0、J=σE，σ表示電導(dǎo)率。對(duì)式(2)進(jìn)行旋度計(jì)算且將式(3)、式(4)代入，易得金屬中電磁場(chǎng)波動(dòng)方程：

(9)

平面波解形式:

E=Aeiη

(10)

其中:

η=kr-ωr

(11)

式中：ω為角頻率。

由式(7)得到:

-k2+iωμσ+ω2εμ=0

(12)

表明波矢量k為復(fù)數(shù)，令:

k=iα+β

(13)

則平面波的可寫成:

η1=η=i(βr-ωr)-αr

(14)

E=Aeiη1

(15)

由式(14)、式(15)可知，電磁波射入金屬時(shí)隨著入射距離的增大,波的幅度呈指數(shù)級(jí)衰減。衰減的主要原因是電磁波所形成的磁場(chǎng)會(huì)在金屬表面形成電流釋放焦耳熱造成能量損失。選用抗金屬RFID標(biāo)簽且安裝位置位于金屬表面能有效地減少金屬環(huán)境下對(duì)RFID系統(tǒng)的影響。除此之外金屬環(huán)境和工藝對(duì)電磁波波段選擇具有要求，電磁波頻段劃分如表1所示。

表1 電磁波頻段劃分表

低頻的振蕩中磁電之間的相互變化比較緩慢，其能量幾乎全部返回原電路而沒(méi)有能量輻射出去，而在高頻率的電振蕩中磁電相會(huì)變化非?？?，能量不可能全部返回原振蕩電路[7]。再加上實(shí)際安裝不存在繞過(guò)障礙物等問(wèn)題，對(duì)波長(zhǎng)要求不大，所以結(jié)合以上設(shè)計(jì)要求和電磁輻射防護(hù)規(guī)定，此次設(shè)計(jì)選取特高頻段(UHF)的電磁波。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) ISO/IEC 18000-6 推薦 UHF頻段RFID設(shè)備使用的頻率范圍是860～960 MHz。選擇其中比較典型的860～960 MHz頻段Type C類型協(xié)議，RFID標(biāo)簽選用UHF天線。讀寫器采用脈沖寬度編碼方式，簡(jiǎn)稱PIE，是以脈沖下降沿之間的不同時(shí)間寬度表示數(shù)據(jù)[8]。電子標(biāo)簽采用雙相間空號(hào)編碼方式，簡(jiǎn)稱FM0，其規(guī)則是在半比特周期中的任意邊沿表示二進(jìn)制0，而沒(méi)有邊沿表示二進(jìn)制1，而且在每一比特周期開(kāi)始時(shí)電平都要反相[9]。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 RFID標(biāo)簽

此次設(shè)計(jì)使用抗金屬RFID標(biāo)簽，主要部分為芯片和內(nèi)置UHF天線。芯片由射頻模擬前段、數(shù)字基帶及存儲(chǔ)器組成。讀寫器所讀寫的信息儲(chǔ)存在芯片中，所以要求芯片帶有存儲(chǔ)功能。UHF天線的作用是接收和發(fā)出電磁波?？菇饘贅?biāo)簽組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 抗金屬標(biāo)簽組成結(jié)構(gòu)

EVA橡塑制品能夠緩震、隔絕外部環(huán)境，PPS外殼塑封能夠耐高溫、耐腐蝕，以及擁有良好的機(jī)械性能。

3.2 讀寫器及天線硬件設(shè)計(jì)

RFID讀寫器主要由一個(gè)應(yīng)用處理單元、一個(gè)控制邏輯單元、一個(gè)用于與標(biāo)簽進(jìn)行無(wú)線射頻通信的耦合部件，以及多個(gè)功能模塊組成。此次設(shè)計(jì)的讀寫器包含ID識(shí)別模塊、讀寫模塊、安全模塊、離線模塊、RF模塊等多個(gè)功能模塊。

(1)ID識(shí)別模塊主要是針對(duì)單卡識(shí)別的有效作用范圍問(wèn)題、多卡識(shí)別的防沖突算法問(wèn)題、連續(xù)讀卡問(wèn)題、次數(shù)和時(shí)間間隔問(wèn)題。

(2)讀寫模塊主要針對(duì)的是單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的讀取或?qū)懭氲淖止?jié)長(zhǎng)度、地址、有效儲(chǔ)存區(qū)等問(wèn)題，可選用TID、EPC等多種識(shí)別方式。

(3)安全模塊主要針對(duì)的是標(biāo)簽的Access通道密碼設(shè)置、Kill信息銷毀操作、Lock各種鎖定操作和EAS防盜竊功能等。

(4)離線模塊主要是在讀寫器與應(yīng)用系統(tǒng)通信失敗時(shí)發(fā)揮作用，能自動(dòng)將所識(shí)別的標(biāo)簽信息及時(shí)間信息儲(chǔ)存在非易失儲(chǔ)存空間中。

(5)RF模塊：主要針對(duì)于工件的遠(yuǎn)距離、高精度、動(dòng)目標(biāo)的識(shí)別。天線作為讀寫器的延伸受到讀寫器的控制，進(jìn)而發(fā)生接收信號(hào)、發(fā)送信號(hào)和采集數(shù)據(jù)等行為。

讀寫器與天線、PC端的連接圖如圖4所示。

圖4 讀寫器與天線、PC端連線圖

RFID標(biāo)簽與天線之間通過(guò)電磁波傳遞能量和信息，天線與讀寫器之間通過(guò)RF單穩(wěn)態(tài)端口連接，讀寫器與電腦之間可通過(guò)以太網(wǎng)接口連接路由器，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)完成通信。讀寫器在工作前首先要選擇正確的串口和波特率完成與上位機(jī)的聯(lián)機(jī)設(shè)置，配置完讀寫器參數(shù)、射頻參數(shù)、通信口參數(shù)、數(shù)據(jù)格式和I/O參數(shù)等諸多參數(shù)之后，根據(jù)讀寫器的實(shí)際配置和機(jī)器人生產(chǎn)線工序數(shù)量確定讀寫器、天線個(gè)數(shù)。本文采用配備2個(gè)讀寫器，每個(gè)讀寫器配有8個(gè)天線。讀寫器所讀取或?qū)懭氲男畔⒋嫒胍粋€(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中，MES軟件設(shè)置時(shí)間間隔從數(shù)據(jù)庫(kù)中掃描信息，過(guò)濾無(wú)關(guān)信息后，將有效信息整合生成文件，即完成RFID系統(tǒng)與數(shù)字化車間的信息交互。

3.3 基于RFID的機(jī)器人組裝調(diào)試數(shù)字化車間架構(gòu)

此數(shù)字化車間分為5個(gè)功能區(qū)，16個(gè)工序與兩個(gè)讀寫器共16根天線一一對(duì)應(yīng)。每個(gè)工序上各自安裝一個(gè)天線，只掃描當(dāng)前工序上的RFID標(biāo)簽。每個(gè)天線、RFID標(biāo)簽具有唯一的身份ID，PC端可以根據(jù)身份ID精準(zhǔn)判斷工件具體運(yùn)動(dòng)到什么位置、進(jìn)行到車間的哪道工序。機(jī)器人組裝調(diào)試數(shù)字化車間架構(gòu)如圖5所示，工序框圖如圖6所示。

圖5 機(jī)器人組裝調(diào)試數(shù)字化車間架構(gòu)

圖6 工序框圖

零件配送區(qū)的三臺(tái)AGV小車分別為控制柜組裝區(qū)中的三個(gè)工序運(yùn)送器件；控制柜組裝完成經(jīng)檢測(cè)合格后運(yùn)往機(jī)器人組裝區(qū)，與焊接工作區(qū)的動(dòng)力線、編碼器線組裝完成后運(yùn)往機(jī)器人調(diào)試區(qū)；調(diào)試合格即可運(yùn)往成品倉(cāng)，機(jī)器人生產(chǎn)及調(diào)試過(guò)程結(jié)束。RFID系統(tǒng)所承擔(dān)的信息采集內(nèi)容覆蓋了機(jī)器人組裝和調(diào)試的全生命周期。機(jī)器人本體和控制柜組裝完成后，需要對(duì)機(jī)器人本體的部分參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和優(yōu)化。

4 機(jī)器人基礎(chǔ)參數(shù)檢測(cè)及優(yōu)化

4.1 基于ACL-遺傳算法的實(shí)驗(yàn)

最初由美國(guó)Michigan大學(xué)Holland教授于1975年提出來(lái)的遺傳算法(Genetic Algorithm, GA)，是通過(guò)對(duì)自然進(jìn)化過(guò)程進(jìn)行模擬來(lái)實(shí)現(xiàn)搜尋最優(yōu)解的一種方法[10]。本文采用遺傳算法對(duì)工業(yè)機(jī)器人基本參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，是以工業(yè)機(jī)器人位置作為樣本，根據(jù)多個(gè)不同位置獲得工業(yè)機(jī)器人耦合比、桿長(zhǎng)、減速比、零點(diǎn)偏差、軸向等參數(shù)最接近于實(shí)際的數(shù)值。

以機(jī)器人的一個(gè)位姿為樣本,樣本總數(shù)為50個(gè)。首先通過(guò)API公司的激光跟蹤儀與機(jī)器人零點(diǎn)位置狀態(tài)下六軸所攜帶的SMR靶球搭建一個(gè)空間，此后機(jī)器人根據(jù)選定的坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)，每次運(yùn)動(dòng)停止后六軸所攜帶的SMR靶球都會(huì)在建立的空間坐標(biāo)系中生成一個(gè)點(diǎn)，將這個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)(J1,J2,…,J6)作為一個(gè)采樣樣本。GA中變異概率設(shè)為0.1，交叉概率設(shè)為0.8。圖7為傳統(tǒng)的遺傳算法的絕對(duì)誤差。

圖7 傳統(tǒng)遺傳算法絕對(duì)誤差

傳統(tǒng)算法誤差很大，不滿足工藝要求，故本文引入自適應(yīng)控制律(ACL)。剛體動(dòng)力學(xué)方程為：

(16)

τc=KPE-Kdθ+G(θ)

(17)

式中：KP、Kd是對(duì)角增益矩陣。對(duì)同一組數(shù)據(jù)應(yīng)用ACL-遺傳算法仿真后絕對(duì)誤差如圖8所示。

圖8 ACL-遺傳算法絕對(duì)誤差

通過(guò)對(duì)比圖7、圖8可以看出ACL-遺傳算法相對(duì)于傳統(tǒng)遺傳算法有效地降低了絕對(duì)誤差。ACL-遺傳算法流程如圖9所示。

圖9 ACL-遺傳算法流程圖

4.2 機(jī)器人基本參數(shù)優(yōu)化

本文采用美國(guó)API公司的激光跟蹤儀(OT2)配合SMR靶球通過(guò)三角測(cè)距法對(duì)機(jī)器人位姿準(zhǔn)確度、位姿重復(fù)性、位姿漂移特性、位置穩(wěn)定時(shí)間和超調(diào)量、重復(fù)定位精度、最小定位時(shí)間等性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。主要介紹對(duì)機(jī)器人桿長(zhǎng)、零位、減速比、耦合比參數(shù)的測(cè)試，并采用4.1節(jié)提到的ACL-遺傳算法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。大體過(guò)程如下：

(1)輸入理論耦合比、桿長(zhǎng)、減速比、零點(diǎn)偏差、軸向等機(jī)器人理論參數(shù)。

(2)采取50個(gè)點(diǎn)作為樣本，將理論點(diǎn)數(shù)據(jù)輸入到測(cè)試軟件中。

(3)以上述50個(gè)點(diǎn)為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡并記錄實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，圖10為采樣點(diǎn)示意圖。

圖10 采樣點(diǎn)示意圖

(4)將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)對(duì)比，若差距很小，可根據(jù)對(duì)比結(jié)果重新計(jì)算完成優(yōu)化，否則檢測(cè)不合格。圖11為優(yōu)化前后對(duì)比圖。

圖11 優(yōu)化前后對(duì)比圖

每個(gè)采樣點(diǎn)都會(huì)記錄在圖10中，采樣時(shí)盡可能讓點(diǎn)均勻地分布在工作空間中這樣更利于數(shù)據(jù)的優(yōu)化。圖11所示的絕對(duì)精度是指預(yù)測(cè)值與實(shí)際值之間的差值(單位：mm)。上方曲線代表校準(zhǔn)前，可以看到曲線波動(dòng)很大，各個(gè)點(diǎn)絕對(duì)精度差別大、不穩(wěn)定。下方曲線代表優(yōu)化后，絕對(duì)精度整體變小且曲線相對(duì)平滑。可見(jiàn)通過(guò)ACL-遺傳算法對(duì)機(jī)器人基本參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化能夠達(dá)到優(yōu)化效果。

5 結(jié) 語(yǔ)

RFID技術(shù)的應(yīng)用解決了車間信息實(shí)時(shí)采集、處理問(wèn)題，可以使生產(chǎn)的各個(gè)產(chǎn)品、各個(gè)工序處于監(jiān)測(cè)管理之中。信息的實(shí)時(shí)采集和數(shù)字化管理軟件的配合組成了一個(gè)巨大的數(shù)字化信息網(wǎng)絡(luò)。對(duì)數(shù)字化信息網(wǎng)絡(luò)中大數(shù)據(jù)的分析有利于優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高質(zhì)量。RFID技術(shù)的應(yīng)用將有效解決傳統(tǒng)車間數(shù)據(jù)、管理、產(chǎn)品質(zhì)量等問(wèn)題，有利于數(shù)字化車間的構(gòu)建和企業(yè)的長(zhǎng)足發(fā)展。