基于RFID的FMS多品种变批量零件关键工序加工质量监控模式研究

1、机床与液压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 多品种、变批量零件关键工序加工质量监控模式研究葛凌志，李浙昆，高磊( 昆明理工大学机电工程学院，云南昆明 650093)摘要: 将 rfid 技术运用到 fms 零件加工关键工序质量监控中，提出一种监控模式。介绍了适用于多品种、变批量加 工的监控系统基本组成方案，提出系统基本模型; 分析系统基本控制原理，即利用实际测量获得的工艺矩阵

2、与标准矩阵相 比较得到的差别矩阵进行质量分析，达到质量监控的目的。关键词: rfid 技术; 加工质量; 监控; 工序控制中图分类号: ts101. 91 + 4文献标识码: a文章编号: 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)方式转变。fms 因其本身良好的柔性，其优势越来越显著，但在质量监控时因多品种、变批量的生产涉 及的加工 数据复杂且多 变，传统 的数据采集方式 ( 如条形码技术不可实时读写且易污染) 难以满足要求。将 rfid 技术融入到柔性加工系统多品种、变批 量的加工生产的质量监控中，则能够很好地解决这一 问题。通称射频识别技术，是

6、采用无线电和雷达技术通过磁场或电磁场来完成应答器的能量供应的一种非接触式识别方 式。该技术无须人工干预，能够自动识别目标对象并 获取数据，与传统的 ic 卡、条形码技术相比，具有 可靠性高、数据存储量大、使用环境要求低等优点。 射频识别技术已经在各行各业得到广泛的运用，被称 为第三代识别技术，也被誉为当前最具发展潜力的技 术之一。fms ( flexible manufacturing system) 是指一组数 控机床和其他自动化工艺设备，由计算机信息控制系 统和物料自动储运系统有机结合的整体，能适应加工 对象变换的柔性化机械制造系统。随着信息技术的发 展，fms 在制造系统中的应用越来越广

7、泛，但由于缺乏信息检测手段，无法随生产条件及生产目标的改变而动态均衡地调整生产，故障事故无法得到处理， 物流缺 乏 指 导，工 位 连 接 不 畅 导 致 阻 塞 和 缺 料 事件1。开发柔性加工系统的加工质量监控系统是提高 加工质量、提升加工效率的有效手段。随着社会的深入发展，生产产品的多元化愈来愈 明显，从而导致加工生产也逐步向多品种、变批量的1系统组成基于 rfid 的 fms 多品种、变批量零件关键工序加工质量监控系统是在传送带上安装射频识别读写装置，通过加工零件上的射频标签实时读写零件上的引 导信息，进行自动传送、自动选择加工制造单元、自 动引导测量等，并传递测量信息，进行在线分析，

8、从而达到质量监控的目的。按照整体工序要求，将几个相关联的加工中心和数控设备组成一个柔性制造单元 ( fmc) 。通过机械手和自动传送带连接各个柔性制 造单元，待加工零件从原料区到加工区，到质量检测 站，最终到零件仓库或零件中转站均在自动化生产线 上完成。机械手、传送带及加工中心则通过 can 总 线连接起来。读写器读取贴在各零件上射频标签中的 引导信息传送给现场控制计算机，引导现场机械手来进行型号识别和工位识别，并自动引导加工设备选择调用相应的加工程序。同时，控制计算机根据读取的 标签信息统筹各 fmc 的加工状况，综合选择最优的 上下料顺序。在系统中按照分类类型设置质量测量站，进行加 工尺寸

9、和形位误差的测量，具体的测量指令由射频标 签的指令进行引导。根据加工精度，将需要检测的工件通过传送带和机械手自动放入检测站工件测头进行自动测量，测量数据通过局域网传输到上位机进行分 析。加工完成并经在线测量的零件由传送带输送到零 件中转站或立体零件仓库，同时加工质量信息存储到 射频标签上，以备装配时调用。系统总体构成如图 1 所示。图 1 系统组成图完成等2。从数据采集的成本、效率等角度综合考虑，在进行加工质量监控时没有必要对每一个工序进行数据采 集。零件的加工质量是由若干个关键工序来保障的， 筛选出关键工序，合并相近工序，并在完成关键工序 加工后进行质量监控是文中讨论的内容的基本前提。 也就

10、是说是基于筛选出的加工零件的关键工序，针对 关键工序的加工质量数据进行测量、存储、分析、控 制，进而达到预期目标。gp 为关键工序加工加工完成状态判据，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表示加工质量判据，bq= 1 表示加工质量 符合要求，bq= 0 表示加工质量不符合要求。td = tijkl ，tij'k'l'为加工产品从机床 mkl 上的 oij3工序到机床 mk，l' 上 oij' 所需经过的额定时间。系统基本模型2api代表所有种类所有产品的加工工艺尺寸矩阵集，a'pi是所

11、有产品的实时加工工艺尺寸矩阵 集，则 api和 a'pi同为 j 行 k 列矩阵，该矩阵的行代表工序 oij ，列为机床代号 mkl ，表示该道工序在某一机床上加工2。2. 1 基本数据定义多品种、变批量的生产方式因其制造对象的变化 性，建立对应的数学模型来对每一批次、品种的零件 进行管 理 是 该 模 式 的 关 键 所 在。 针 对 这 一 特 点 及 rfid 技术特征，建立以下柔性数学模型。pi 表示第 i 个产品的代号;oij 表示 pi 的第 j 道工序;mkl 表示第 k 种机床的第 l 台机器;tijkl 表示 oij 在 mkl 上的操作时间;sm 表示产品在任何机床

12、 ( 工位) 上的状态，按定义 api为 api和 a'pi的 差 别 矩 阵，api= a'pi api ，当 api符合判定要求时则表示加工已完成，记 gp = 1，该零件可以由传送i带送 往 仓 库; api 0 则 表 示 加 工 未 完 成，记gp = 0，该零件需要继续在加工线上进行加工或送入i零件中转站。b'q' pij表示所有产品的实时加工尺寸数据集。照具体情况有未到达、到达、待加工、加工中、加工·72·机床与液压第 40 卷b( qp min ，qp max) 和 b'q' p 同为 j 行 k 列的矩阵，进

13、入下一道工序，或直接送入零件仓库，不符合质量要求的，送入中转站，进行传递误差分析，将缺陷信 息提交现场管理人员，适时调整制造单元的相关设 备。同时分析过程中形成的检测信息将直接写入零件ijijij在该矩阵中行代表产品 pi 的第 j 道工序 oij ，列为生产线上加工机床代号 mkl 。当 q' p 在 qp min 和 qp max 的范ijijij围内时，b q' p = 1，表示实时加工尺寸数据在规ij定公差之内，否则 b q' p = 0，即表示加工质量不上的 rfid 标签，为后续加工或装配提供信息支持。ij符合要求，应及时进行尺寸传递误差分析，以便调整后续工

14、序的加工参数或对应机床、夹具、刀具等加工 质量影响因子。rnfijkl是指工件 pi 的表面 fn 在 mkl 上经过 oij 加 工后的表面质量矩阵集。r' n fijkl 为工件 pi 的表面 fn 在 mkl 上经过 oij 加工后的实测表面质量矩阵集。总体数据流基本原理如图 3 所示。该矩阵创立的前提条件是 gp = 1，也就是说在零件完i全加工完后在入库前方进行对应的表面粗糙度测量。与 rnfijkl同理，定义 xf x1 ，x2 ，x3 ，x4 ，x5 为形状n误差数集来表示第 n 段的形状误差，x1 、x2 、x3 、x4 、x5 分别表示圆度、圆柱度、直线度、平面度和轮

15、廓度。wf w1 ，w2 ，w3 ，w4 ，w5 ，w6 为 位 置 误 差 集，w1 、n图 3 系统数据流原理图上下料顺序控制在 fms 系统中，合理的上下料顺序直接决定着w2 、w3 、w4 、w5 、w6 分别表示平行度、 垂直度、 对称度、位置度、同轴度、跳动。同样，这几类误差集2. 4的创立前提也是 gp = 1。i生产效率的高低。在该系统中，通过读取射频标签上工序的操作时间 tijkl 、原料转运时间 td 、待加工品的 工位状态 sm ，来综合调配上下料顺序，指导机器手 和自动传送线进行工作。2. 5 工序控制能力在生产过程中，工序的生产状态是保证产品质 量的基本环节4。所谓工

16、序控制能力就是该工序加 工合格产品的能力，也就是它生产出来的产品 ( 半 成品) 质量与上级下达的质量要求符合的程度，记 为 cp ，设质量指标允许的波动范围为 ，也就是公 差，则2. 2 实时数据采集与数据处理在数学模型中定义的各种属性是质量监控管理的 必备要素，它们是多维空间里的独立数据体系，利用 各类数据采集技术和方法采集各自的信息并有机联系 起来，是该监控模式的基本条件。如图 2 所示为数据 采集方案图。cp = / ( 6) = ( qp max qp min ) / ( 6)iii从工序能力指数的定义可以看出: 这个特征值等于 1，正好符合要求; 大于 1，超过要求; 小于 1，则

17、 没有达到要求。工序能力指标能够使生产操作人员与管理人员对工序的生产状况有一个明确的概念。文中 所提出的模式能够有效地监控工序控制能力，提高现 场管理效率。3 结语图 2 数据采集方案图加工质量监控系统的数据流待加工原料在输送进入柔性加工系统前，将贴上2. 3带读写功能的 rfid 标签，标签内含有对应品种、对应批次零件的加工工序、工艺要求等各项信息; 在通 过加工系统的入口时，rfid 读写器将读取相关信息， 并依托机器手和传动带将原件输送到对应的柔性制造文中提出的模式能够有效地监控实时加工数据、加工质量、实时加工状态，将分析结果存储在零件的射频标签上，有利于后续自动选择性装配的操作。利 用

18、 rfid 的易于读写、传输距离远、无须人工干预等优点，将其运用到 fms 的多品种、变批量零件关键单元( fmc)的对应加工设备处进行加工。关键工序完成后按照射频标签中预设信息，将零件输送到检用到的寻优方向可以采用 bfgs 乘子优化算法得到，因为该算法在求解多元函数的优化问题有一定优越 性。对控制变量 u 的优化求解可以采用自适应搜索 算法。设置重新开始模块是确保得到的最优解不会使 力矩值超过允许的范围，从而保证系统的稳定性。优化算例为验证上面的优化方法的有效性，以平面双柔性 机械手为对象进行优化。其中平面双杆柔性机械手的 参数分别为: 杆的长度 l1 = l2 = 0. 5 m; 杆的自

19、身质量3图 6 优化后的杆 2 应变能图4 结束语m1 = m2 = 1. 2 kg;杆的宽度 d1 = d2 = 0. 04 m; 弹性模从运动轨迹对柔性机械手性能影响的角度出发，量 e1 = e2 = 70 gpa。只考虑重力的影响，确定机械手是从点到点的运动优化，工作任务为关节 1、关节2 在 2 s 内转角从 0° 到达 30°，控制输入量 u 为关节 的角加速度。目标函数如式 ( 6 ) 所示，各变量如式 ( 12) ( 13) 所示:分析角加速度对柔性机械手力矩的连续性以及顶端变形大小的影响。接着从工程实际应用的角度出发，利 用功能成本最小函数来建立关于振动最小

20、、顶端定位 误差最小、以及控制输入量最优化的目标函数，并将 得到的结果进行验证，从而验证该优化思想的有效 性。此外，由于柔性机械手参数的不确定性，以及上 面的优化算法还不完善，还需要更深入的研究以及实 验样机的论证。参考文献:【1】suzuki tomoyuki，tsuji toshiaki，ohnishi kouhei trajecto-· · · ·x = 1 ，2 ，q1 ，q2 ， 1 ， 2 ，q 1 ，q 2t( 12)( 13)u = ¨ ，¨ 1 2约束条件为平面两杆柔性机械手的系统状态方程，t1 = 2 s， = 0

21、. 001，插值点的个数为 50。利用上 面的求优方法对关节 1、2 的运动轨迹进行优化，将 得到的优化结果通过虚拟样机来进行分析，并与未优 化前进行对比。图 5 为优化前应变能曲线图，最大值为 360 n·mm， 平均值为 43 n·mm，而优化后 ( 见图 6) 的最大值为1. 2 n·mm，平均值为 0. 27 n·mm。从结果的对比得 到: 优化加速度可以显著抑制柔性机械手的振动，机 械手的应变能得到有效的控制，从而振动得到有效抑 制，这对控制和定位都有十分重要的意义。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】曹学民，黄之初 柔性机械手动力学研究j 武汉理工 大学学报，2006，28(