基于RFID的FMS多品種變批量零件關(guān)鍵工序加工質(zhì)量監(jiān)控模式研究

1、機(jī)床與液壓machine tool hydraulicsfeb 2012vol. 40 no. 32012 年 2 月第 40 卷 第 3 期doi: 10 3969 / j. issn. 1001 3881. 2012. 03. 020基于 rfid 的 fms 多品種、變批量零件關(guān)鍵工序加工質(zhì)量監(jiān)控模式研究葛凌志，李浙昆，高磊( 昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，云南昆明 650093)摘要: 將 rfid 技術(shù)運(yùn)用到 fms 零件加工關(guān)鍵工序質(zhì)量監(jiān)控中，提出一種監(jiān)控模式。介紹了適用于多品種、變批量加 工的監(jiān)控系統(tǒng)基本組成方案，提出系統(tǒng)基本模型; 分析系統(tǒng)基本控制原理，即利用實(shí)際測(cè)量獲得的工藝矩陣

2、與標(biāo)準(zhǔn)矩陣相 比較得到的差別矩陣進(jìn)行質(zhì)量分析，達(dá)到質(zhì)量監(jiān)控的目的。關(guān)鍵詞: rfid 技術(shù); 加工質(zhì)量; 監(jiān)控; 工序控制中圖分類號(hào): ts101. 91 + 4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: a文章編號(hào): 1001 3881 ( 2012) 3 070 3the process quality monitoring for key process of multi-varietyvariable- batch parts in fms based on rfidge lingzhi，li zhekun，gao lei( faculty of mechanical and electrical engineer

3、ing，kunming university of science andtechnology，kunming yunnan 650093，china)abstract: rfid technology was used in the process quality monitoring of the key part in fms and a monitoring mode was pro- posed the basic components of the monitoring system was described which was suitable for multi-variet

4、y，variable-batch processing the basic model was proposed the control principle was analyzed，namely using the different matrix which was come from comparing the actual measured process matrix with the standard matrix to analyze the process quality finally the purpose of quality monitoring is achieved

5、keywords: radio frequency identification technology; processing quality; monitoring; process controlrfid ( radio frequency identification)方式轉(zhuǎn)變。fms 因其本身良好的柔性，其優(yōu)勢(shì)越來越顯著，但在質(zhì)量監(jiān)控時(shí)因多品種、變批量的生產(chǎn)涉 及的加工 數(shù)據(jù)復(fù)雜且多 變，傳統(tǒng) 的數(shù)據(jù)采集方式 ( 如條形碼技術(shù)不可實(shí)時(shí)讀寫且易污染) 難以滿足要求。將 rfid 技術(shù)融入到柔性加工系統(tǒng)多品種、變批 量的加工生產(chǎn)的質(zhì)量監(jiān)控中，則能夠很好地解決這一 問題。通稱射頻識(shí)別技術(shù)，是

6、采用無線電和雷達(dá)技術(shù)通過磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)來完成應(yīng)答器的能量供應(yīng)的一種非接觸式識(shí)別方 式。該技術(shù)無須人工干預(yù)，能夠自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并 獲取數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)的 ic 卡、條形碼技術(shù)相比，具有 可靠性高、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大、使用環(huán)境要求低等優(yōu)點(diǎn)。 射頻識(shí)別技術(shù)已經(jīng)在各行各業(yè)得到廣泛的運(yùn)用，被稱 為第三代識(shí)別技術(shù)，也被譽(yù)為當(dāng)前最具發(fā)展?jié)摿Φ募?術(shù)之一。fms ( flexible manufacturing system) 是指一組數(shù) 控機(jī)床和其他自動(dòng)化工藝設(shè)備，由計(jì)算機(jī)信息控制系 統(tǒng)和物料自動(dòng)儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合的整體，能適應(yīng)加工 對(duì)象變換的柔性化機(jī)械制造系統(tǒng)。隨著信息技術(shù)的發(fā) 展，fms 在制造系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣

7、泛，但由于缺乏信息檢測(cè)手段，無法隨生產(chǎn)條件及生產(chǎn)目標(biāo)的改變而動(dòng)態(tài)均衡地調(diào)整生產(chǎn)，故障事故無法得到處理， 物流缺 乏 指 導(dǎo)，工 位 連 接 不 暢 導(dǎo) 致 阻 塞 和 缺 料 事件1。開發(fā)柔性加工系統(tǒng)的加工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)是提高 加工質(zhì)量、提升加工效率的有效手段。隨著社會(huì)的深入發(fā)展，生產(chǎn)產(chǎn)品的多元化愈來愈 明顯，從而導(dǎo)致加工生產(chǎn)也逐步向多品種、變批量的1系統(tǒng)組成基于 rfid 的 fms 多品種、變批量零件關(guān)鍵工序加工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)是在傳送帶上安裝射頻識(shí)別讀寫裝置，通過加工零件上的射頻標(biāo)簽實(shí)時(shí)讀寫零件上的引 導(dǎo)信息，進(jìn)行自動(dòng)傳送、自動(dòng)選擇加工制造單元、自 動(dòng)引導(dǎo)測(cè)量等，并傳遞測(cè)量信息，進(jìn)行在線分析，

8、從而達(dá)到質(zhì)量監(jiān)控的目的。按照整體工序要求，將幾個(gè)相關(guān)聯(lián)的加工中心和數(shù)控設(shè)備組成一個(gè)柔性制造單元 ( fmc) 。通過機(jī)械手和自動(dòng)傳送帶連接各個(gè)柔性制 造單元，待加工零件從原料區(qū)到加工區(qū)，到質(zhì)量檢測(cè) 站，最終到零件倉庫或零件中轉(zhuǎn)站均在自動(dòng)化生產(chǎn)線 上完成。機(jī)械手、傳送帶及加工中心則通過 can 總 線連接起來。讀寫器讀取貼在各零件上射頻標(biāo)簽中的 引導(dǎo)信息傳送給現(xiàn)場(chǎng)控制計(jì)算機(jī)，引導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械手來進(jìn)行型號(hào)識(shí)別和工位識(shí)別，并自動(dòng)引導(dǎo)加工設(shè)備選擇調(diào)用相應(yīng)的加工程序。同時(shí)，控制計(jì)算機(jī)根據(jù)讀取的 標(biāo)簽信息統(tǒng)籌各 fmc 的加工狀況，綜合選擇最優(yōu)的 上下料順序。在系統(tǒng)中按照分類類型設(shè)置質(zhì)量測(cè)量站，進(jìn)行加 工尺寸

9、和形位誤差的測(cè)量，具體的測(cè)量指令由射頻標(biāo) 簽的指令進(jìn)行引導(dǎo)。根據(jù)加工精度，將需要檢測(cè)的工件通過傳送帶和機(jī)械手自動(dòng)放入檢測(cè)站工件測(cè)頭進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)通過局域網(wǎng)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行分 析。加工完成并經(jīng)在線測(cè)量的零件由傳送帶輸送到零 件中轉(zhuǎn)站或立體零件倉庫，同時(shí)加工質(zhì)量信息存儲(chǔ)到 射頻標(biāo)簽上，以備裝配時(shí)調(diào)用。系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖 1 所示。圖 1 系統(tǒng)組成圖完成等2。從數(shù)據(jù)采集的成本、效率等角度綜合考慮，在進(jìn)行加工質(zhì)量監(jiān)控時(shí)沒有必要對(duì)每一個(gè)工序進(jìn)行數(shù)據(jù)采 集。零件的加工質(zhì)量是由若干個(gè)關(guān)鍵工序來保障的， 篩選出關(guān)鍵工序，合并相近工序，并在完成關(guān)鍵工序 加工后進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控是文中討論的內(nèi)容的基本前提。 也就

10、是說是基于篩選出的加工零件的關(guān)鍵工序，針對(duì) 關(guān)鍵工序的加工質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量、存儲(chǔ)、分析、控 制，進(jìn)而達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。gp 為關(guān)鍵工序加工加工完成狀態(tài)判據(jù)，gp = 1 表ii示 pi 所有加工工序已完成，gp = 0 表示 pi 尚未完全i加工完。bq表示加工質(zhì)量判據(jù)，bq= 1 表示加工質(zhì)量 符合要求，bq= 0 表示加工質(zhì)量不符合要求。td = tijkl ，tij'k'l'為加工產(chǎn)品從機(jī)床 mkl 上的 oij3工序到機(jī)床 mk，l' 上 oij' 所需經(jīng)過的額定時(shí)間。系統(tǒng)基本模型2api代表所有種類所有產(chǎn)品的加工工藝尺寸矩陣集，a'pi是所

11、有產(chǎn)品的實(shí)時(shí)加工工藝尺寸矩陣 集，則 api和 a'pi同為 j 行 k 列矩陣，該矩陣的行代表工序 oij ，列為機(jī)床代號(hào) mkl ，表示該道工序在某一機(jī)床上加工2。2. 1 基本數(shù)據(jù)定義多品種、變批量的生產(chǎn)方式因其制造對(duì)象的變化 性，建立對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型來對(duì)每一批次、品種的零件 進(jìn)行管 理 是 該 模 式 的 關(guān) 鍵 所 在。 針 對(duì) 這 一 特 點(diǎn) 及 rfid 技術(shù)特征，建立以下柔性數(shù)學(xué)模型。pi 表示第 i 個(gè)產(chǎn)品的代號(hào);oij 表示 pi 的第 j 道工序;mkl 表示第 k 種機(jī)床的第 l 臺(tái)機(jī)器;tijkl 表示 oij 在 mkl 上的操作時(shí)間;sm 表示產(chǎn)品在任何機(jī)床

12、 ( 工位) 上的狀態(tài)，按定義 api為 api和 a'pi的 差 別 矩 陣，api= a'pi api ，當(dāng) api符合判定要求時(shí)則表示加工已完成，記 gp = 1，該零件可以由傳送i帶送 往 倉 庫; api 0 則 表 示 加 工 未 完 成，記gp = 0，該零件需要繼續(xù)在加工線上進(jìn)行加工或送入i零件中轉(zhuǎn)站。b'q' pij表示所有產(chǎn)品的實(shí)時(shí)加工尺寸數(shù)據(jù)集。照具體情況有未到達(dá)、到達(dá)、待加工、加工中、加工·72·機(jī)床與液壓第 40 卷b( qp min ，qp max) 和 b'q' p 同為 j 行 k 列的矩陣，進(jìn)

13、入下一道工序，或直接送入零件倉庫，不符合質(zhì)量要求的，送入中轉(zhuǎn)站，進(jìn)行傳遞誤差分析，將缺陷信 息提交現(xiàn)場(chǎng)管理人員，適時(shí)調(diào)整制造單元的相關(guān)設(shè) 備。同時(shí)分析過程中形成的檢測(cè)信息將直接寫入零件ijijij在該矩陣中行代表產(chǎn)品 pi 的第 j 道工序 oij ，列為生產(chǎn)線上加工機(jī)床代號(hào) mkl 。當(dāng) q' p 在 qp min 和 qp max 的范ijijij圍內(nèi)時(shí)，b q' p = 1，表示實(shí)時(shí)加工尺寸數(shù)據(jù)在規(guī)ij定公差之內(nèi)，否則 b q' p = 0，即表示加工質(zhì)量不上的 rfid 標(biāo)簽，為后續(xù)加工或裝配提供信息支持。ij符合要求，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行尺寸傳遞誤差分析，以便調(diào)整后續(xù)工

14、序的加工參數(shù)或?qū)?yīng)機(jī)床、夾具、刀具等加工 質(zhì)量影響因子。rnfijkl是指工件 pi 的表面 fn 在 mkl 上經(jīng)過 oij 加 工后的表面質(zhì)量矩陣集。r' n fijkl 為工件 pi 的表面 fn 在 mkl 上經(jīng)過 oij 加工后的實(shí)測(cè)表面質(zhì)量矩陣集?？傮w數(shù)據(jù)流基本原理如圖 3 所示。該矩陣創(chuàng)立的前提條件是 gp = 1，也就是說在零件完i全加工完后在入庫前方進(jìn)行對(duì)應(yīng)的表面粗糙度測(cè)量。與 rnfijkl同理，定義 xf x1 ，x2 ，x3 ，x4 ，x5 為形狀n誤差數(shù)集來表示第 n 段的形狀誤差，x1 、x2 、x3 、x4 、x5 分別表示圓度、圓柱度、直線度、平面度和輪

15、廓度。wf w1 ，w2 ，w3 ，w4 ，w5 ，w6 為 位 置 誤 差 集，w1 、n圖 3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流原理圖上下料順序控制在 fms 系統(tǒng)中，合理的上下料順序直接決定著w2 、w3 、w4 、w5 、w6 分別表示平行度、 垂直度、 對(duì)稱度、位置度、同軸度、跳動(dòng)。同樣，這幾類誤差集2. 4的創(chuàng)立前提也是 gp = 1。i生產(chǎn)效率的高低。在該系統(tǒng)中，通過讀取射頻標(biāo)簽上工序的操作時(shí)間 tijkl 、原料轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間 td 、待加工品的 工位狀態(tài) sm ，來綜合調(diào)配上下料順序，指導(dǎo)機(jī)器手 和自動(dòng)傳送線進(jìn)行工作。2. 5 工序控制能力在生產(chǎn)過程中，工序的生產(chǎn)狀態(tài)是保證產(chǎn)品質(zhì) 量的基本環(huán)節(jié)4。所謂工

16、序控制能力就是該工序加 工合格產(chǎn)品的能力，也就是它生產(chǎn)出來的產(chǎn)品 ( 半 成品) 質(zhì)量與上級(jí)下達(dá)的質(zhì)量要求符合的程度，記 為 cp ，設(shè)質(zhì)量指標(biāo)允許的波動(dòng)范圍為 ，也就是公 差，則2. 2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理在數(shù)學(xué)模型中定義的各種屬性是質(zhì)量監(jiān)控管理的 必備要素，它們是多維空間里的獨(dú)立數(shù)據(jù)體系，利用 各類數(shù)據(jù)采集技術(shù)和方法采集各自的信息并有機(jī)聯(lián)系 起來，是該監(jiān)控模式的基本條件。如圖 2 所示為數(shù)據(jù) 采集方案圖。cp = / ( 6) = ( qp max qp min ) / ( 6)iii從工序能力指數(shù)的定義可以看出: 這個(gè)特征值等于 1，正好符合要求; 大于 1，超過要求; 小于 1，則

17、 沒有達(dá)到要求。工序能力指標(biāo)能夠使生產(chǎn)操作人員與管理人員對(duì)工序的生產(chǎn)狀況有一個(gè)明確的概念。文中 所提出的模式能夠有效地監(jiān)控工序控制能力，提高現(xiàn) 場(chǎng)管理效率。3 結(jié)語圖 2 數(shù)據(jù)采集方案圖加工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流待加工原料在輸送進(jìn)入柔性加工系統(tǒng)前，將貼上2. 3帶讀寫功能的 rfid 標(biāo)簽，標(biāo)簽內(nèi)含有對(duì)應(yīng)品種、對(duì)應(yīng)批次零件的加工工序、工藝要求等各項(xiàng)信息; 在通 過加工系統(tǒng)的入口時(shí)，rfid 讀寫器將讀取相關(guān)信息， 并依托機(jī)器手和傳動(dòng)帶將原件輸送到對(duì)應(yīng)的柔性制造文中提出的模式能夠有效地監(jiān)控實(shí)時(shí)加工數(shù)據(jù)、加工質(zhì)量、實(shí)時(shí)加工狀態(tài)，將分析結(jié)果存儲(chǔ)在零件的射頻標(biāo)簽上，有利于后續(xù)自動(dòng)選擇性裝配的操作。利 用

18、 rfid 的易于讀寫、傳輸距離遠(yuǎn)、無須人工干預(yù)等優(yōu)點(diǎn)，將其運(yùn)用到 fms 的多品種、變批量零件關(guān)鍵單元( fmc)的對(duì)應(yīng)加工設(shè)備處進(jìn)行加工。關(guān)鍵工序完成后按照射頻標(biāo)簽中預(yù)設(shè)信息，將零件輸送到檢用到的尋優(yōu)方向可以采用 bfgs 乘子優(yōu)化算法得到，因?yàn)樵撍惴ㄔ谇蠼舛嘣瘮?shù)的優(yōu)化問題有一定優(yōu)越 性。對(duì)控制變量 u 的優(yōu)化求解可以采用自適應(yīng)搜索 算法。設(shè)置重新開始模塊是確保得到的最優(yōu)解不會(huì)使 力矩值超過允許的范圍，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。優(yōu)化算例為驗(yàn)證上面的優(yōu)化方法的有效性，以平面雙柔性 機(jī)械手為對(duì)象進(jìn)行優(yōu)化。其中平面雙桿柔性機(jī)械手的 參數(shù)分別為: 桿的長(zhǎng)度 l1 = l2 = 0. 5 m; 桿的自

19、身質(zhì)量3圖 6 優(yōu)化后的桿 2 應(yīng)變能圖4 結(jié)束語m1 = m2 = 1. 2 kg;桿的寬度 d1 = d2 = 0. 04 m; 彈性模從運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)柔性機(jī)械手性能影響的角度出發(fā)，量 e1 = e2 = 70 gpa。只考慮重力的影響，確定機(jī)械手是從點(diǎn)到點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)優(yōu)化，工作任務(wù)為關(guān)節(jié) 1、關(guān)節(jié)2 在 2 s 內(nèi)轉(zhuǎn)角從 0° 到達(dá) 30°，控制輸入量 u 為關(guān)節(jié) 的角加速度。目標(biāo)函數(shù)如式 ( 6 ) 所示，各變量如式 ( 12) ( 13) 所示:分析角加速度對(duì)柔性機(jī)械手力矩的連續(xù)性以及頂端變形大小的影響。接著從工程實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，利 用功能成本最小函數(shù)來建立關(guān)于振動(dòng)最小

20、、頂端定位 誤差最小、以及控制輸入量最優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，并將 得到的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，從而驗(yàn)證該優(yōu)化思想的有效 性。此外，由于柔性機(jī)械手參數(shù)的不確定性，以及上 面的優(yōu)化算法還不完善，還需要更深入的研究以及實(shí) 驗(yàn)樣機(jī)的論證。參考文獻(xiàn):【1】suzuki tomoyuki，tsuji toshiaki，ohnishi kouhei trajecto-· · · ·x = 1 ，2 ，q1 ，q2 ， 1 ， 2 ，q 1 ，q 2t( 12)( 13)u = ¨ ，¨ 1 2約束條件為平面兩桿柔性機(jī)械手的系統(tǒng)狀態(tài)方程，t1 = 2 s， = 0

21、. 001，插值點(diǎn)的個(gè)數(shù)為 50。利用上 面的求優(yōu)方法對(duì)關(guān)節(jié) 1、2 的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行優(yōu)化，將 得到的優(yōu)化結(jié)果通過虛擬樣機(jī)來進(jìn)行分析，并與未優(yōu) 化前進(jìn)行對(duì)比。圖 5 為優(yōu)化前應(yīng)變能曲線圖，最大值為 360 n·mm， 平均值為 43 n·mm，而優(yōu)化后 ( 見圖 6) 的最大值為1. 2 n·mm，平均值為 0. 27 n·mm。從結(jié)果的對(duì)比得 到: 優(yōu)化加速度可以顯著抑制柔性機(jī)械手的振動(dòng)，機(jī) 械手的應(yīng)變能得到有效的控制，從而振動(dòng)得到有效抑 制，這對(duì)控制和定位都有十分重要的意義。ry planning of biped robot for running

22、notionj ieee，2005: 1815 1820【2】 jia l b，yin x z passive oscillations of two tandem flexible ilaments in a flowing soap filmj physical re- view letters，2008，100( 22) : 1 4【3】bowling a，khulih o-the dynamic capability equations: anew tool for analyzing robotic manipulator performancej ieee transactions on robotics，2005，21 ( 1 ) : 115 123【4】曹學(xué)民，黃之初 柔性機(jī)械手動(dòng)力學(xué)研究j 武漢理工 大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28(