吳志東，梁賀童，馬洪亮，郭文武，李金雨，李帥，馮瑞琴

（1.齊齊哈爾大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006；2.黑龍江省智能制造裝備產(chǎn)業(yè)化協(xié)同創(chuàng)新中心，黑龍江 齊齊哈爾 161006；3.齊重?cái)?shù)控裝備股份有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161005；4.齊齊哈爾市開(kāi)農(nóng)科技有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161000）

數(shù)控加工過(guò)程中，刀具使用種類(lèi)繁多、數(shù)量較大，刀具的管理與更換是影響加工效率和加工精度的主要因素[1-2]。相對(duì)于CCD 成像技術(shù)和二維碼識(shí)別技術(shù)，無(wú)線射頻識(shí)別（Radio frequency identification，RFID）技術(shù)對(duì)物體進(jìn)行非接觸識(shí)別效率高、抗污染能力強(qiáng)、重復(fù)使用成本低以及數(shù)據(jù)記憶容量大等優(yōu)勢(shì)明顯，在數(shù)控機(jī)床刀具識(shí)別過(guò)程中應(yīng)用廣泛[3-4]。RFID 識(shí)別技術(shù)可有效提高刀具識(shí)別效率和準(zhǔn)確度，但是數(shù)據(jù)記錄和管理多在現(xiàn)場(chǎng)識(shí)別終端和上位機(jī)進(jìn)行操作，無(wú)法遠(yuǎn)程監(jiān)管刀具，大幅度限制了智能化機(jī)床和數(shù)字化車(chē)間的發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與無(wú)線射頻技術(shù)的結(jié)合可以將數(shù)據(jù)識(shí)別、采集和無(wú)線傳輸有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)管功能[5-6]。物聯(lián)網(wǎng)中LoRa 與ZigBee 和Wi-Fi 等無(wú)線通信技術(shù)相比較，可搭建網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍大、通信延遲低、功耗小以及數(shù)據(jù)吞吐量大的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)[7-8]。根據(jù)數(shù)控銑床刀具識(shí)別和管理需求，基于RFID 無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)和LoRa 無(wú)線通信技術(shù)，本文設(shè)計(jì)一種綜合應(yīng)用的刀具識(shí)別系統(tǒng)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)識(shí)別和遠(yuǎn)程監(jiān)管刀具信息，提升刀具管理效率和數(shù)控機(jī)床智能化程度。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

如圖1 所示，系統(tǒng)包括采集終端、遠(yuǎn)程顯示終端以及射頻電子標(biāo)簽即刀具標(biāo)簽。刀具標(biāo)簽為柔性標(biāo)簽，因現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床配置相應(yīng)刀庫(kù)，刀具與刀柄一體更換，為不影響刀具工作，將刀具標(biāo)簽粘貼在刀柄上即可識(shí)別刀具信息[9]。刀具標(biāo)簽記錄刀具名稱、廠商、使用時(shí)間等各類(lèi)信息。采集終端和遠(yuǎn)程顯示終端均以STM32F103VET6（簡(jiǎn)稱STM32）微控制器作為處理核心，以觸摸屏進(jìn)行指令輸入和信息顯示，采用LoRa 無(wú)線通信模塊實(shí)現(xiàn)采集終端和遠(yuǎn)程顯示終端之間的數(shù)據(jù)交互。其中，采集終端內(nèi)置RFID 射頻識(shí)別模塊，可實(shí)現(xiàn)非接觸式識(shí)別標(biāo)簽，最大識(shí)別距離為4.5 cm。

圖1 系統(tǒng)組成

2 RFID 射頻識(shí)別模塊及接口設(shè)計(jì)

2.1 識(shí)別模塊設(shè)計(jì)

采用無(wú)源抗金屬干擾電子標(biāo)簽作為刀具標(biāo)簽，粘貼在刀具刀柄之上。在刀具標(biāo)簽識(shí)別范圍內(nèi)，識(shí)別模塊發(fā)送信號(hào)并識(shí)別標(biāo)簽內(nèi)信息。如圖2 所示，射頻識(shí)別模塊由射頻模塊、時(shí)鐘、電源以及天線組成，識(shí)別模塊讀取信息后通過(guò)RS232 串口傳輸至STM32微控制器。采用STM32 微控制器提供的通用同步異步收發(fā)器USART，能夠靈活地與識(shí)別模塊進(jìn)行全雙工數(shù)據(jù)交換。

圖2 射頻識(shí)別模塊設(shè)計(jì)及連接

識(shí)別模塊實(shí)物及接口如圖3 所示，工作電壓為直流5 V，工作電流為50 mA，工作頻率為13.56 MHz。其中，O2為GPIO 輸出，當(dāng)操作正確或讀到標(biāo)簽時(shí)輸出低電平，輸出低電平持續(xù)時(shí)間可以設(shè)置，平時(shí)此引腳為高電平；O1為GPIO 輸出，當(dāng)操作正確或讀到卡時(shí)輸出高電平，輸出高電平持續(xù)時(shí)間可以設(shè)置，平時(shí)此引腳為低電平；TX和RX 分別為數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收；GD 為電源負(fù)極，接地即可；VIN 為電源正極，輸入直流電壓為5 V。

圖3 識(shí)別模塊實(shí)物及接口

2.2 識(shí)別防沖突設(shè)計(jì)

為防止多個(gè)刀具標(biāo)簽同時(shí)發(fā)送信號(hào)而導(dǎo)致讀寫(xiě)信息錯(cuò)誤的現(xiàn)象出現(xiàn)，設(shè)計(jì)識(shí)別防沖突算法，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確和高效的信息讀取功能。在信息讀取過(guò)程中，采用二進(jìn)制搜索改進(jìn)算法，確定數(shù)據(jù)沖突位的前兩位，構(gòu)建四叉樹(shù)查詢方式，對(duì)沖突位設(shè)置相應(yīng)命令，從而縮短識(shí)別過(guò)程和減少訪問(wèn)次數(shù)，可以有效保證讀取信息的有效性和高效性[10]。

3 LoRa 無(wú)線通信模塊及接口設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用E22-400T22S（簡(jiǎn)稱E22）型號(hào)LoRa 無(wú)線通信模塊，該模塊以SX1268 射頻芯片為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)LoRa 擴(kuò)頻技術(shù)，具有傳輸距離遠(yuǎn)、速度快、抗干擾能力強(qiáng)以及功耗低等優(yōu)點(diǎn)。無(wú)障礙狀態(tài)下，通信距離可達(dá)5.5 km。圖4 為STM32 微控制器與E22 模塊接口設(shè)計(jì)，其中PA2 和PA3 分別為數(shù)據(jù)發(fā)送端口（USART2_Tx）和數(shù)據(jù)接收端口（USART2_Rx）。E22 模塊RXD 和TXD 端口分別為數(shù)據(jù)接收端口和發(fā)送端口；AUX 端口用于指示模塊工作狀態(tài)，可喚醒STM32 微控制器；M0 和M1 端口均上拉，配置為深度休眠模式。

圖4 STM32 微控制器與E22 模塊接口

4 系統(tǒng)測(cè)試

選用數(shù)控銑床刀柄BT30 系列作為被測(cè)試對(duì)象，如圖5 所示，刀柄側(cè)壁粘貼柔性標(biāo)簽。如圖6 所示，系統(tǒng)通電進(jìn)行測(cè)試，采用7.4 V 鋰電池供電，工作指示燈點(diǎn)亮，系統(tǒng)正常工作。如圖7 所示，采集終端準(zhǔn)確顯示刀具信息，通過(guò)操作界面可以實(shí)時(shí)編輯刀具信息，識(shí)別距離為4.5 cm；圖8 為遠(yuǎn)程顯示終端界面，刀具信息與采集終端信息一致。

圖5 測(cè)試刀柄

圖6 系統(tǒng)上電測(cè)試

圖7 采集終端界面

圖8 遠(yuǎn)程顯示終端界面

5 結(jié)論

為滿足刀具智能管理需求，提出基于RFID射頻識(shí)別技術(shù)和LoRa無(wú)線通信技術(shù)的數(shù)控銑床刀具識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。可以實(shí)現(xiàn)刀具信息快速采集和遠(yuǎn)程監(jiān)管功能。以數(shù)控銑床刀柄BT30系列作為對(duì)象進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確識(shí)別刀具信息，識(shí)別最大距離為4.5 cm；遠(yuǎn)程顯示終端信息與采集終端信息一致，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)管功能。該系統(tǒng)可以為智能化刀庫(kù)和機(jī)床的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。