CN103049774B

CN103049774B - 一种对模具加工过程的运动对象实现自动定位的方法

Info

Publication number: CN103049774B
Application number: CN201210546011.0A
Authority: CN
Inventors: 李建军; 郑志镇; 陈荣创; 车俊; 刘闯; 王华昌
Original assignee: SHENZHEN MAXUNI TECHNOLOGY Co Ltd; Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: SHENZHEN MAXUNI TECHNOLOGY Co Ltd; Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2012-12-14
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2015-07-22
Anticipated expiration: 2032-12-14
Also published as: CN103049774A

Abstract

本发明公开了一种对模具加工过程的运动对象实现自动定位的方法，包括：（a）为模具加工车间建立三轴坐标系并均分为多个网格，然后设置RFID读写器由此对各个网格交点确立包括坐标值、RFID标签信息强度、读写器标识信息在内的基准位置特征信息；（b）对车间内静止对象同样确立包括以上信息在内的参考位置特征信息；（c）将车间内运动对象贴上跟踪RFID标签并实现有效识别；（d）采集运动对象的标签信息强度和读写器标识信息并与位置特征信息相比较，由此获得定位相关息。通过本发明，可以以低成本、便于操控的方式实现对运动对象的三维定位，同时能够实时、直观地展示模具加工过程的全貌，并尤其适用于采用柔性制造技术来完成模具自动化加工的场合。

Description

一种对模具加工过程的运动对象实现自动定位的方法

技术领域

本发明属于RFID技术领域，更具体地，涉及一种对模具加工过程的运动对象实现自动定位的方法。

背景技术

模具作为一种典型的订单驱动的单件生产型产品，目前主要采用由数控铣床、电加工机床、磨床等离散设备所组成的制造系统来完成模具的加工任务，并由人工执行工件在各个设备之间的转序。在模具的加工过程中，企业的管理水平，以及操作人员素质和技术水平对加工质量和加工效率的影响非常大，加上模具订单的随机性、设计制造过程的经验依赖性以及变更的频繁性，使得模具的生产过程动态多变，并导致模具加工过程中的质量和周期难以得到有效的控制。

为了解决这些问题，一些模具加工企业开始采用条形码技术来记录、跟踪被加工模具的状态和位置等信息，以便实时确定模具所处的加工状态，从而达到加强模具加工车间的加工过程管理之目的。但是由于条形码技术需要人工等操作，人为因素的影响会导致上述统计信息出错。例如，当一个模具零件被加工完毕后，操作人员没有及时进行条码扫描，而是在一批零件全部加工完成再予以扫描，这样就会导致无法准确、实时地获取零件加工状态和位置等信息，并使得零件加工工时统计和成本估算出错。

针对条形码技术的不足，现有技术中已经采用RFID（射频识别）技术来取代条形码技术实现对加工工件的自动跟踪。例如，CN102646221A中公开了一种对离散制造工序物流的实时跟踪并追溯质量的方法，其中通过对RFID标签中写入零件信息、人员信息和图纸信息，并由RFID读写器获取这些信息存储在数据服务器中，由此实现对制造工序物流的实时监控、管理和查询。然而，现有技术中的这些RFID自动跟踪及定位方案仍然存在以下的缺陷或不足：第一，对于模具制造过程中的一些运动对象譬如被加工零件、配送车、刀具等来说，不能准确、实时地获知它们相对于机床、配送车停靠点、装配区等这些关键的相对固定点的位置关系；第二，缺乏对整个模具加工环境的三维空间定位，而在模具制造的某些环节例如物料在货架的仓储或取出、机床刀具对工件的磨削加工中，不仅需要实现二维平面的定位，最好还能够实现在X-Y-Z三维方向上的精确定位；第三，考虑到定位方案的实施成本和后续管理的方便，需要减少对RFID参考标签的使用，并尽量避免标签由于磨损、污染等因素失效，进而导致定位失败的情形。

特别是，随着技术的发展，近年来越来越多的现代化模具制造企业开始采用柔性制造系统（FMS）或柔性制造单元（FMC）来完成模具的自动化加工，并将其与设计、标准化、物流、过程控制、模具装配与试模等方面形成完整的体系，从而实现模具的大规模定制化生产。这些系统可以全天候地不间断加工模具，具备很高的生产效率且制造质量可得到有效的保证。在这些系统中，更需要对模具零件的加工状态、位置等信息实现精确、便利的实时跟踪和反馈，以确保自动化加工的顺利进行。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷和/或技术需求，本发明的目的在于提出一种对模具加工过程中的运动对象实现自动定位的方法，其通过采用预标定的方式，可以为整个模具加工车间建立三维方向的位置特征信息，此外通过对车间内静止对象与运动对象之间比较其RFID标签的信号强度信息，能够实时、直观地展示模具加工过程的全貌，并实现对包括物料、被加工零件、操作人员、配送车、刀具等运动对象的精确自动定位。

按照本发明的一个方面，提供了一种用于对模具加工过程的运动对象实现自动定位的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

（a）为整个模具加工车间建立X-Y-Z三轴坐标系，分别沿着X轴、Y轴和Z轴方向将该坐标系均分为多个网格，然后设置多个RFID读写器以实现对各个网格交点的有效识别，以此方式为网格交点确立包括三轴坐标值、RFID标签信息强度及其对应的RFID读写器标识信息在内的基准位置特征信息；

（b）根据工况选择模具加工车间内的多个静止对象，并对这些静止对象同样确立包括三轴坐标值、RFID标签信息强度及其对应的RFID读写器标识信息在内的参考位置特征信息；

（c）将模具加工车间内的运动对象贴上跟踪RFID标签，然后通过步骤（a）所设置的RFID读写器实现对运动对象的有效识别；

（d）实时采集运动对象的跟踪RFID标签信息强度及其对应的RFID读写器标识信息，然后与通过步骤（a）和（b）所确立的基准位置特征信息和参考位置特征信息相比较，由此可获得运动对象在三轴坐标系中的当前位置信息及其与静止对象之间的相对位置信息，从而实现对运动对象的自动定位过程。

通过以上构思，由于采用预标定的方式为整个模具加工车间、以及其内部的多个静止对象建立三维方向的位置特征信息，能够节省大量的参考标签，降低定位成本，同时实时、直观地展示模具加工过程的全貌；此外，通过采集并比较RFID标签的RSS参数的方式，能够准确获知模具加工车间内的运动对象的当前位置信息，并尤其可以确认及其与静止对象之间的相对位置信息，相应地，能够更为便利地实现对运动对象的生产和输送状态的实时监控，满足自动化生产的调度和控制需求。

作为进一步优选地，在步骤（a）中，可以根据定位精度要求采用不同的间距规格，来沿着X轴、Y轴和Z轴方向将三轴坐标系均分为多个网格。

作为进一步优选地，所述静止对象包括数控铣床、电加工机床、磨床、配送车停靠点、配送导轨的起点、配送导轨的终点、检验区中心点和装配区中心点等。

作为进一步优选地，所述运动对象包括物料、被加工的零件、操作人员、配送车、刀具等。

作为进一步优选地，在步骤（c）中，在15m²x15m²的空间内设置至少三个RFID读写器以便实现对运动对象的有效识别。

作为进一步优选地，在步骤（d）中，通过插值平均定位算法来对运动对象进行位置估计，从而实现对运动对象的自动定位过程，其具体过程为：采集运动对象的多个RFID读写器的标识信息；搜索每个RFID读写器所记录的网格交点和静止对象的RFID强度信息，并将其作为参考特征点与运动对象的RFID强度信息进行比较；将与运动对象RFID强度信息的差别落在一定阈值范围内的参考特征点坐标信息放入一个集合中，多个RFID读写器获得多个集合；求这些集合的交集，对该交集中的参考特征点的坐标进行平均，由此确定运动对象的坐标位置。

作为进一步优选地，在步骤（d）之后，可以根据所获知的运动对象的当前位置信息及其与静止对象之间的相对位置信息，来进一步执行相应的操作控制。

作为进一步优选地，可以对多个模具加工车间同时实现运动对象的自动定位，并对各个加工车间内静止对象和运动对象的真实位置映射到虚拟场景中予以实时显示。

按照本发明的另一方面，还提供了上述方法在采用柔性制造系统或柔性制造单元来完成模具自动化加工等领域的应用。

总体而言，按照本发明用于对模具加工过程的运动对象实现自动定位的方法与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、通过采用RFID技术替换条形码技术，能够避免人为因素影响，提高定位精度；此外，由于采用预标定的方式建立三维方向的位置特征信息，能够更为贴合模具加工流程的实际场景，节省大量的参考标签，同时实时、直观地展示模具加工过程的全貌；

2、通过采集并比较RFID标签的RSS参数的方式，能够准确获知模具加工车间内的主要运动对象的当前位置信息，并尤其可以确认及其与静止对象之间的相对位置信息，包括加工零件在生产线上的状态、物料在物料仓库内的状态，从而实现加工工时的自动统计，避免排产无法进行、成本统计出错等问题；

3、整个定位方法易于操作，精度高、并能结合计算机技术实现图形界面的显示和查询，供生产管理者实时查看生产的实际情况，因而便于各类模具加工企业的实施，并尤其适用于采用柔性制造技术来完成模具自动化加工等场合。

附图说明

图1是按照本发明的对模具加工过程的运动对象实现自动定位的方法流程图；

图2是按照本发明的对模具加工过程的运动对象实现自动定位的场景模拟示意图；

图3a是采用本发明的方法对配送车实现定位的示意图；

图3b是采用本发明的方法对加工零件实现定位及状态设置的示意图；

图3c是采用本发明的方法对物料进行管理的示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-RFID读写器 2-RFID标签 3-网格交点 4-静止对象 5-移动对象41-机床 42-货架 51-配送车 52-被加工的零件 53-待加工区

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术中的条形码技术以及RFID自动跟踪及定位技术的不足，本发明期望提供一种基于RFID技术的自动化加工定位监控方案，以便能够对模具加工这一特定领域的生产制造过程实现实时、精确地定位，并能直观地展示自动化加工生产线的全貌及加工零件的当前位置。

图1是按照本发明的对模具加工过程的运动对象实现自动定位的方法流程图。如图1中所示，按照本发明的用于对模具加工过程的运动对象实现自动定位的方法主要包括以下流程：

首先，对模具加工车间的特征点进行预标定。该过程具体包括对整个加工车间进行处理，从而建立如图2中所示的X-Y-Z三轴坐标系；然后可以根据定位精度要求或其他实际需要，分别沿着X轴、Y轴和Z轴方向将该坐标系均分为多个网格并获得一系列已知三轴坐标值的交点。对于每个交点（特征点），分别通过设置RFID标签及读写器的方式，采集其所对应的不同RFID标签信息强度（RSS参数）及其读写器标识信息。这些信息包括了x/y/z坐标值、标签信息强度、读写器标识信息在内的标定信息可以被存储在调度中心的计算机中，从而为整个模具加工车间确立了三维方向的基准位置特征信息库。

接着，根据工况将模具加工过程中所涉及的主要对象划分为静止对象和运动对象，其中静止对象是指在模具加工过程中位置相对固定的设备或地点，譬如包括但不限于数控铣床、电加工机床、磨床、配送车停靠点、配送导轨的起点、配送导轨的终点、检验区中心点和装配区中心点等；运动对象是指在模具加工过程中需要相对于静止对象发生移动以便执行各项工序的人或物，譬如包括但不限于物料、被加工的零件、操作人员、配送车、刀具等。为了确认运动对象与静止对象之间的相对位置以便实现更为精确地进行定位及相关操作，可以选择模具加工车间内的主要静止对象，并对这些静止对象同样通过设置RFID标签及读写器的方式执行预标定，由此确立包括三轴坐标值、RFID标签信息强度和读写器标识信息在内的参考位置特征信息。这些参考位置特征信息被存储在调度中心的计算机中，并与基准位置特征信息共同构成反映整个加工车间位置特征信息的标定数据库。

接着，对车间内所有运动对象贴上跟踪RFID标签，并通过预标定过程中所设置多个RFID读写器来读取这些跟踪RFID标签的标识信息M_a、标签信号强度C_a等信息。为了实现对运动对象的有效识别，测试表明，可以在15m²x15m²的空间内在上方设置至少三个RFID读写器。RFID读写器将读取的上述信息以及读写器自身的标识信息A经交换机上传至调度中心的计算机，计算机对接收的跟踪RFID标签标识信息Ma、标签信号强度Ca和读写器标识信息A与标定数据库相比较，当跟踪RFID标签的信号强度与标定数据库中分别对应于不同交点或固定对象的标签信号强度相等或相近时，则认为追踪目标RFID标签与该基准/参考RFID标签所指示的位置相同或接近，即确定了运动对象的目前位置以及其与静止对象之间的相关位置。

为了便于生产管理者实时查看生产的实际情况，还可以采用显示装置来提供模具加工车间的虚拟场景，并按照上述方法所获得的位置信息，将模具加工过程中的静止对象和运动对象在真实车间的位置映射到虚拟场景中的相应位置予以显示。不同的加工车间可以具有不同的虚拟场景图，并可进行选择和切痕。采用图形界面来执行上述可视化的场景显示，同时实时更新运动对象的当前位置。

下面将以一些具体运用场景为例，来进一步解释按照本发明的自动定位方法。

如图3a中所示，显示了对配送车实现定位的过程。

配送车51被放在配送轨道上，加工机床41等距分布于轨道两侧；配送车上贴有RFID标签2，放置在配送车上的加工零件同样也贴有不同的RFID标签2。起初，配送车51停止在轨道的末端，物料仓库按照调度中心的要求，将被加工的零件52出库，并装在配送车51上。当所有被加工的零件装载完毕后，由调度中心发送指令，启动配送车，沿轨道向前运行；配送车前行的过程中，沿途的RFID读写器1对其进行探测，并不断与标定数据库进行比对，当到达所设定的目标特征点附近也即比对的标签强度相近时，则由调度中心发送指令，使配送车停止；加工零件全部装卸完毕后，由调度中心发送指令，使配送车启动，继续行走；沿途RFID读写器继续对其进行探测，若小车已到轨道末端，如是则反方向继续行走。通过以上方式，调度中心能够实时监控、设置每个加工零件和配送车的状态，并对加工零件和配送车的下一个目标进行计算、控制。

如图3b中所示，显示了对加工零件实现定位及状态设置的过程。

首先，在加工起始阶段，调度中心建立待加工零件集合，当所有被加工零件52从物料仓库中检出，设置加工零件为出库状态，并建立加工的目标站点集合；当配送车51将零件配送到目标站点后，将加工零件从配送车上卸下，调度中心不断与加工区的特征点进行比对，当比对结果相近也即移动到待加工区时，发送信息给调度中心，设置零件为待加工状态；接着，调度中心不断将加工零件的RFID信息与加工机床的特征点进行比对，当将零件安装到机床上时，发送信息给调度中心，调度中心设置零件为开始加工状态；加工零件完成加工后，移动至待加工区，调度中心设置零件状态为加工完成。

如图3c中所示，显示了对物料进行管理的过程。

首先建立物料仓库的坐标系，由于物料仓库有标准货架，按照标准货架42的尺寸来划分网格并获得交点（特征点），也即X轴、Y轴和Z轴方向上的交点取标准货架的8个角点。通过设置RFID标签及读写器的方式，可以对所有交点采集其所对应的x/y/z坐标轴、RFID标签信息强度及其读写器标识信息。当所有的交点信息采集完毕后，由此建立了物料仓库三维方向上位置特征信息的标定数据库。被存储的物料可以在入口处赋予RFID标签，物料要移动至货架时，多个RFID读写器将该标签的信息强度、读写器自身的标识信息发送到调度中心的计算机中，调度中心的计算机将这些信息与先前建立的位置特性信息进行比较，由此计算出物料当前的位置信息，加入物料位置信息库，并在调度中心的计算机上进行显示，供物料管理者查看物料存储的情况。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于对模具加工过程的运动对象实现自动定位的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)为整个模具加工车间建立X-Y-Z三轴坐标系，分别沿着X轴、Y轴和Z轴方向将该坐标系均分为多个网格，然后设置多个RFID读写器以实现对各个网格交点的有效识别，以此方式，为网格交点确立包括三轴坐标值、RFID标签信息强度及其对应的RFID读写器标识信息在内的基准位置特征信息；

(b)根据工况选择模具加工车间内的多个静止对象，并对这些静止对象同样确立包括三轴坐标值、RFID标签信息强度及其对应的RFID读写器标识信息在内的参考位置特征信息；

(c)将模具加工车间内的运动对象贴上跟踪RFID标签，然后通过步骤(a)所设置的RFID读写器实现对运动对象的有效识别；

(d)实时采集所述运动对象的跟踪RFID标签信息强度及其对应的RFID读写器标识信息，然后与通过步骤(a)和(b)所确立的基准位置特征信息和参考位置特征信息相比较，由此可获得该运动对象在所述三轴坐标系中的当前位置信息及其与所述静止对象之间的相对位置信息，从而实现对运动对象的自动定位过程，其具体过程为：

(d1)采集所述运动对象的多个RFID读写器的标识信息；

(d2)搜索每个所述RFID读写器所记录的网格交点和所述静止对象的RFID强度信息，并将其作为参考特征点与所述运动对象的RFID强度信息进行比较；

(d3)将与所述运动对象RFID强度信息的差别落在一定阈值范围内的参考特征点坐标信息放入一个集合中，多个所述RFID读写器则获得多个集合；

(d4)求这些集合的交集，对该交集中的参考特征点的坐标进行平均，由此确定运动对象的坐标位置。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(a)中，根据定位精度要求采用不同的间距规格，来沿着X轴、Y轴和Z轴方向将三轴坐标系均分为多个网格。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述静止对象包括：数控铣床、电加工机床、磨床、配送车停靠点、配送导轨的起点、配送导轨的重点、检验区中心点和装配区中心点。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述运动对象包括：物料、被加工的零件、操作人员、配送车和刀具。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤(c)中，在15m²x15m²的空间内设置至少三个RFID读写器以便实现对运动对象的有效识别。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对多个模具加工车间同时实现运动对象的上述自动定位，并对各个加工车间内静止对象和运动对象的真实位置映射到虚拟场景中予以实时显示。