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

1、機床與液壓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、變批量零件關鍵工序加工質量監(jiān)控模式研究葛凌志，李浙昆，高磊( 昆明理工大學機電工程學院，云南昆明 650093)摘要: 將 rfid 技術運用到 fms 零件加工關鍵工序質量監(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，即利用實際測量獲得的工藝矩陣

2、與標準矩陣相 比較得到的差別矩陣進行質量分析，達到質量監(jiān)控的目的。關鍵詞: rfid 技術; 加工質量; 監(jiān)控; 工序控制中圖分類號: ts101. 91 + 4文獻標識碼: a文章編號: 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)方式轉變。fms 因其本身良好的柔性，其優(yōu)勢越來越顯著，但在質量監(jiān)控時因多品種、變批量的生產(chǎn)涉 及的加工 數(shù)據(jù)復雜且多 變，傳統(tǒng) 的數(shù)據(jù)采集方式 ( 如條形碼技術不可實時讀寫且易污染) 難以滿足要求。將 rfid 技術融入到柔性加工系統(tǒng)多品種、變批 量的加工生產(chǎn)的質量監(jiān)控中，則能夠很好地解決這一 問題。通稱射頻識別技術，是

6、采用無線電和雷達技術通過磁場或電磁場來完成應答器的能量供應的一種非接觸式識別方 式。該技術無須人工干預，能夠自動識別目標對象并 獲取數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)的 ic 卡、條形碼技術相比，具有 可靠性高、數(shù)據(jù)存儲量大、使用環(huán)境要求低等優(yōu)點。 射頻識別技術已經(jīng)在各行各業(yè)得到廣泛的運用，被稱 為第三代識別技術，也被譽為當前最具發(fā)展?jié)摿Φ募?術之一。fms ( flexible manufacturing system) 是指一組數(shù) 控機床和其他自動化工藝設備，由計算機信息控制系 統(tǒng)和物料自動儲運系統(tǒng)有機結合的整體，能適應加工 對象變換的柔性化機械制造系統(tǒng)。隨著信息技術的發(fā) 展，fms 在制造系統(tǒng)中的應用越來越廣

7、泛，但由于缺乏信息檢測手段，無法隨生產(chǎn)條件及生產(chǎn)目標的改變而動態(tài)均衡地調整生產(chǎn)，故障事故無法得到處理， 物流缺 乏 指 導，工 位 連 接 不 暢 導 致 阻 塞 和 缺 料 事件1。開發(fā)柔性加工系統(tǒng)的加工質量監(jiān)控系統(tǒng)是提高 加工質量、提升加工效率的有效手段。隨著社會的深入發(fā)展，生產(chǎn)產(chǎn)品的多元化愈來愈 明顯，從而導致加工生產(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、變批量零件關鍵工序加工質量監(jiān)控系統(tǒng)是在傳送帶上安裝射頻識別讀寫裝置，通過加工零件上的射頻標簽實時讀寫零件上的引 導信息，進行自動傳送、自動選擇加工制造單元、自 動引導測量等，并傳遞測量信息，進行在線分析，

8、從而達到質量監(jiān)控的目的。按照整體工序要求，將幾個相關聯(lián)的加工中心和數(shù)控設備組成一個柔性制造單元 ( fmc) 。通過機械手和自動傳送帶連接各個柔性制 造單元，待加工零件從原料區(qū)到加工區(qū)，到質量檢測 站，最終到零件倉庫或零件中轉站均在自動化生產(chǎn)線 上完成。機械手、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簽中的 引導信息傳送給現(xiàn)場控制計算機，引導現(xiàn)場機械手來進行型號識別和工位識別，并自動引導加工設備選擇調用相應的加工程序。同時，控制計算機根據(jù)讀取的 標簽信息統(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)中按照分類類型設置質量測量站，進行加 工尺寸

9、和形位誤差的測量，具體的測量指令由射頻標 簽的指令進行引導。根據(jù)加工精度，將需要檢測的工件通過傳送帶和機械手自動放入檢測站工件測頭進行自動測量，測量數(shù)據(jù)通過局域網(wǎng)傳輸?shù)缴衔粰C進行分 析。加工完成并經(jīng)在線測量的零件由傳送帶輸送到零 件中轉站或立體零件倉庫，同時加工質量信息存儲到 射頻標簽上，以備裝配時調用。系統(tǒng)總體構成如圖 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，在進行加工質量監(jiān)控時沒有必要對每一個工序進行數(shù)據(jù)采 集。零件的加工質量是由若干個關鍵工序來保障的， 篩選出關鍵工序，合并相近工序，并在完成關鍵工序 加工后進行質量監(jiān)控是文中討論的內容的基本前提。 也就

10、是說是基于篩選出的加工零件的關鍵工序，針對 關鍵工序的加工質量數(shù)據(jù)進行測量、存儲、分析、控 制，進而達到預期目標。gp 為關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表示加工質量判據(jù)，bq= 1 表示加工質量 符合要求，bq= 0 表示加工質量不符合要求。td = tijkl ，tij'k'l'為加工產(chǎn)品從機床 mkl 上的 oij3工序到機床 mk，l' 上 oij' 所需經(jīng)過的額定時間。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)品的實時加工工藝尺寸矩陣 集，則 api和 a'pi同為 j 行 k 列矩陣，該矩陣的行代表工序 oij ，列為機床代號 mkl ，表示該道工序在某一機床上加工2。2. 1 基本數(shù)據(jù)定義多品種、變批量的生產(chǎn)方式因其制造對象的變化 性，建立對應的數(shù)學模型來對每一批次、品種的零件 進行管 理 是 該 模 式 的 關 鍵 所 在。 針 對 這 一 特 點 及 rfid 技術特征，建立以下柔性數(shù)學模型。pi 表示第 i 個產(chǎn)品的代號;oij 表示 pi 的第 j 道工序;mkl 表示第 k 種機床的第 l 臺機器;tijkl 表示 oij 在 mkl 上的操作時間;sm 表示產(chǎn)品在任何機床

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 api符合判定要求時則表示加工已完成，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)在加工線上進行加工或送入i零件中轉站。b'q' pij表示所有產(chǎn)品的實時加工尺寸數(shù)據(jù)集。照具體情況有未到達、到達、待加工、加工中、加工·72·機床與液壓第 40 卷b( qp min ，qp max) 和 b'q' p 同為 j 行 k 列的矩陣，進

13、入下一道工序，或直接送入零件倉庫，不符合質量要求的，送入中轉站，進行傳遞誤差分析，將缺陷信 息提交現(xiàn)場管理人員，適時調整制造單元的相關設 備。同時分析過程中形成的檢測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)線上加工機床代號 mkl 。當 q' p 在 qp min 和 qp max 的范ijijij圍內時，b q' p = 1，表示實時加工尺寸數(shù)據(jù)在規(guī)ij定公差之內，否則 b q' p = 0，即表示加工質量不上的 rfid 標簽，為后續(xù)加工或裝配提供信息支持。ij符合要求，應及時進行尺寸傳遞誤差分析，以便調整后續(xù)工

14、序的加工參數(shù)或對應機床、夾具、刀具等加工 質量影響因子。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 加工后的實測表面質量矩陣集?？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行對應的表面粗糙度測量。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、 對稱度、位置度、同軸度、跳動。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，通過讀取射頻標簽上工序的操作時間 tijkl 、原料轉運時間 td 、待加工品的 工位狀態(tài) sm ，來綜合調配上下料順序，指導機器手 和自動傳送線進行工作。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 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) 質量與上級下達的質量要求符合的程度，記 為 cp ，設質量指標允許的波動范圍為 ，也就是公 差，則2. 2 實時數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理在數(shù)學模型中定義的各種屬性是質量監(jiān)控管理的 必備要素，它們是多維空間里的獨立數(shù)據(jù)體系，利用 各類數(shù)據(jù)采集技術和方法采集各自的信息并有機聯(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、 沒有達到要求。工序能力指標能夠使生產(chǎn)操作人員與管理人員對工序的生產(chǎn)狀況有一個明確的概念。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) 場管理效率。3 結語圖 2 數(shù)據(jù)采集方案圖加工質量監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流待加工原料在輸送進入柔性加工系統(tǒng)前，將貼上2. 3帶讀寫功能的 rfid 標簽，標簽內含有對應品種、對應批次零件的加工工序、工藝要求等各項信息; 在通 過加工系統(tǒng)的入口時，rfid 讀寫器將讀取相關信息， 并依托機器手和傳動帶將原件輸送到對應的柔性制造文中提出的模式能夠有效地監(jiān)控實時加工數(shù)據(jù)、加工質量、實時加工狀態(tài)，將分析結果存儲在零件的射頻標簽上，有利于后續(xù)自動選擇性裝配的操作。利 用

18、 rfid 的易于讀寫、傳輸距離遠、無須人工干預等優(yōu)點，將其運用到 fms 的多品種、變批量零件關鍵單元( fmc)的對應加工設備處進行加工。關鍵工序完成后按照射頻標簽中預設信息，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，因為該算法在求解多元函數(shù)的優(yōu)化問題有一定優(yōu)越 性。對控制變量 u 的優(yōu)化求解可以采用自適應搜索 算法。設置重新開始模塊是確保得到的最優(yōu)解不會使 力矩值超過允許的范圍，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。優(yōu)化算例為驗證上面的優(yōu)化方法的有效性，以平面雙柔性 機械手為對象進行優(yōu)化。其中平面雙桿柔性機械手的 參數(shù)分別為: 桿的長度 l1 = l2 = 0. 5 m; 桿的自

19、身質量3圖 6 優(yōu)化后的桿 2 應變能圖4 結束語m1 = m2 = 1. 2 kg;桿的寬度 d1 = d2 = 0. 04 m; 彈性模從運動軌跡對柔性機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，確定機械手是從點到點的運動優(yōu)化，工作任務為關節(jié) 1、關節(jié)2 在 2 s 內轉角從 0° 到達 30°，控制輸入量 u 為關節(jié) 的角加速度。目標函數(shù)如式 ( 6 ) 所示，各變量如式 ( 12) ( 13) 所示:分析角加速度對柔性機械手力矩的連續(xù)性以及頂端變形大小的影響。接著從工程實際應用的角度出發(fā)，利 用功能成本最小函數(shù)來建立關于振動最小

20、、頂端定位 誤差最小、以及控制輸入量最優(yōu)化的目標函數(shù)，并將 得到的結果進行驗證，從而驗證該優(yōu)化思想的有效 性。此外，由于柔性機械手參數(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 驗樣機的論證。參考文獻:【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械手的系統(tǒng)狀態(tài)方程，t1 = 2 s， = 0

21、. 001，插值點的個數(shù)為 50。利用上 面的求優(yōu)方法對關節(jié) 1、2 的運動軌跡進行優(yōu)化，將 得到的優(yōu)化結果通過虛擬樣機來進行分析，并與未優(yōu) 化前進行對比。圖 5 為優(yōu)化前應變能曲線圖，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。從結果的對比得 到: 優(yōu)化加速度可以顯著抑制柔性機械手的振動，機 械手的應變能得到有效的控制，從而振動得到有效抑 制，這對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】曹學民，黃之初 柔性機械手動力學研究j 武漢理工 大學學報，2006，28(