基于RFID的沖壓模定位管理系統研究

呂 杰，王 斌,，季明坤，李志剛

LYU Jie1 , WANG Bin1,2 , JI Ming-kun2, LI Zhi-gang3

（1.江蘇大學 機械工程學院，鎮江 212013；2.鹽城工學院 機械優集學院，鹽城 224051；3.蘇州健雄職業技術學院 軟件與服務外包學院，蘇州 215411）

0 引言

模具作為制造業不可或缺的基礎工藝裝備，所生產制件具有高復雜程度、高一致性、高生產率和低功耗等特點，使模具在制造業中有著非常重要的地位[1]。然而，模具在產品生產過程往往伴隨著大量的數據信息，在傳統人工統計的方式下，生產人員往往無法及時獲取模具狀態、模具類型、機床狀態、生產計劃、生產總量等現場生產信息，難以實現對現場生產過程的精確管控。如何準確地獲取、跟蹤現場生產信息成為模具產業未來發展的重中之重。

射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）是一種非接觸式自動識別技術，通過射頻信號識別車間內帶有電子標簽的模具、機床以感知現場生產過程并獲取標簽信息，為模具自動化生產管理提供了很好的技術基礎[2]。目前RFID已廣泛應用于產品生產、物流倉儲、醫療保健[3]等領域中。在模具管理應用中，王偉驎[4]構建了一套基于射頻識別的計算機化模具管理系統，可隨時掌握模具的動向及其相關數據；張靖暹[5]基于RFID與J2EE平臺開發了面向模具企業的實時定位系統，系統可以提供準確和實時的工件位置信息；汪凱雷[6]結合RFID定位技術和機器學習思想提出基于機器學習的定位模型，滿足模具企業對位置信息及其他實時生產信息的獲取要求。

模具進行沖壓工作的現場生產信息往往與模具位置信息直接關聯。因此，本文以沖壓模為研究對象，利用RFID、傳感技術、通信技術等，結合TDOA定位算法進行系統設計，用于實現感知并傳輸現場生產信息。在此基礎上，利用C#開發了一套信息管理系統，為建設模具智能生產管理提供一定的研究基礎。

1 模具定位管理系統

沖壓車間往往包含著物料、機床、人員、模具等眾多實時生產信息，能否實時掌握現場生產狀況對于企業實現自動化管理具有重要意義。因此，需采用合適的識別技術與定位方法以獲取識別對象的位置信息以及其他現場生產信息。較傳統條形碼等信息管理方式，RFID具有識別距離遠、精度高、容量大、范圍廣、速度快、安全可靠等優勢，可有效應用于模具現場生產信息的獲取與管理。

1.1 定位系統框架

車間內各個模具、機床裝配有唯一EPC編碼的有源RFID電子標簽，存儲有模具、機床的個體信息（如型號、壽命、廠家、日期等）。較無源標簽，有源標簽自身具備為全部器件工作供能的電池，且具有讀寫遠、抗干擾、防沖突等特點。系統通過獲取車間內模具的位置信息，進而獲取各傳感器所采集的現場生產信息。通過企業配置的局域網絡將信息傳輸至各服務器中，進而完成信息的處理、跟蹤、記錄等，向上層應用提供一系列服務支撐，降低人工參與，實現模具生產自動化管理。

圖1 檢測系統框架圖

1.2 系統工作流程

系統工作流程如圖2所示。配置讀寫基站工作頻率并對各個機床、模具進行標簽綁定后，當車間內沖壓模進行沖壓工作時，讀寫基站通過射頻信號獲取機床、模具的標簽數據與距離信息。由于機床位置相對固定，可事先設定機床工作區，系統主要獲取模具的位置信息。當讀寫基站天線接收到模具標簽返回的射頻信號后，系統對該信號進行濾波、放大、處理后，得出標簽與讀寫基站的距離信息。系統選取最小的3個距離數據帶入到TDOA定位算法，計算得出模具標簽的具體位置。然后將位于車間內同一工作區的機床與模具組成為一個沖壓單元，通過獲取單元的現場數據進而實現模具類型、模具壽命、生產總量等信息的采集與管理。

圖2 檢測系統工作流程

2 TDOA定位算法

本文以TDOA（Time Difference of Arrival）定位算法[7～9]為基礎進行定位系統設計。較TOA算法，TDOA算法具有定位精度高、受多徑效應影響程度較低等特點。定位系統體系結構如圖3所示，該系統包含一組位置已知的固定基站BS1…BSi和待測節點MSn，MSn的位置是根據BSi的測量結果計算出來的。在TDOA算法中，基站負責TDOA測量和位置計算，節點負責收發射頻信號。

圖3 定位系統體系結構圖

基站坐標通常設為（Xi，Yi，Zi）（i=1，2，…），待測節點坐標記為（x，y，z），基站到節點的測量距離數據為Ri。圖4以（0，0）為基站原點，分析在基站天線高度Zi與節點高度z相等的情況下，給予z一個隨機差值（<0.4m），分析對Ri的影響程度。可以看出，在基站天線的高度Zi已知的情況下，通過合理配置節點的高度值z，可使z值對Ri計算誤差的影響極小，僅在接近基站的位置時，誤差影響較大。因此，在基站與節點高度近似同一平面內計算時，有關基站天線高度的數據（Zi）對定位精度影響可忽略不計。

圖4 節點高度（z）的誤差影響

在二維平面內進行目標定位，需至少布置3個讀寫基站。TDOA定位算法公式如下[10]：

式中：c為信號傳播速度；

t0為到某一信號節點的傳播起始時間；

ti為信號至某一節點的到達時間；

Ri為基站到節點的距離；

et0為系統延遲及環境干擾所帶來的誤差。

關于待測節點（x，y）的表達式為：

根據式(3)，得到f和g表達式：

式中：fx、fy、gx、gy分別是在式(4)、式(5)中對x、y求偏導數：

通過CHAN算法來求解節點位置，會因測量時間誤差的較大而導致初次解誤差偏大。而通過牛頓迭代法，即式(6)、式(7)對定位結果進行優化，可求得節點（x，y）的精確位置。

3 試驗仿真

3.1 試驗方案設計

為了滿足試驗要求，RFID讀寫基站需有較遠的識別距離，本試驗選用了有源全向性讀寫基站，識別距離可超過80m（距離可調），標簽選用同頻段有源電子標簽，具有較強的抗干擾能力。以某公司內模具沖壓車間為試驗環境，選取了一個40m×28m的區域，并根據機床布置位置劃分了若干個工作區。為了確保定位精度，在試驗區域中心及四周角落共放置5臺讀寫基站，電子標簽粘貼高度與讀寫基站天線高度保持一致。在系統設計中以區域中心為原點建立直角坐標系，各讀寫基站坐標分別為A（0，0）、B（-20，-14）、C（20，-14）、D（20，14）、E（-20，14），如圖5所示。

圖5 試驗環境示意圖

3.2 仿真結果分析

利用MATLAB軟件對定位算法進行仿真分析，在給定誤差（0.5m）的條件下得到了圖6所示的仿真結果。圖中，坐標軸X、Y表示試驗區域，坐標軸Z表示待測節點的實際位置與仿真位置之間的定位絕對誤差。在本文給定的誤差條件下，通過仿真發現，牛頓迭代法得出各節點的定位誤差均＜10-4m，而CHAN算法定位誤差為0.003m～0.81m，說明本文算法可有效提高TDOA定位精度，滿足系統的實際應用需求。

圖6 仿真定位誤差

3.3 模具管理系統實現

系統主要實現目標定位與信息管理，本系統初步針對模具的模次信息進行了功能設計。如圖7所示，系統將實時采集到的模次信息保存到數據庫中，工作人員在操作頁面可根據ID_NO（機床）或IDM_MOULD（模具）的標簽ID號便可查詢出同一工作區當前模具完成的沖壓次數max（即產品生產總量）。無需去生產現場即可把握模具的實時生產信息，從而制定后續的生產計劃與模具壽命管理等以滿足企業生產需要。

圖7 模次數據查詢[11]

4 結束語

隨著RFID技術在制造領域的研究深入，本文提出了一種以RFID為基礎的沖壓模定位管理系統。通過在車間環境中構建試驗模型，將待檢測對象標簽化，合理布置讀寫基站位置來獲取標簽相關數據，結合TDOA進行精確定位，將機床與模具綁定為同一工作區間，進而獲取其現場生產信息。通過系統建設，提高現場生產信息反饋的及時性與準確性，更好地統計生產進度并制定生產計劃，為促進模具生產制造自動化、可視化提供了一種思路。