CN106778961A - 一种面向离散制造环境的物件跟踪系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种面向离散制造环境的物件跟踪系统，包括标签读写及控制装置和至少一个电子标签装置。所述标签读写及控制装置用于读取电子标签的信息，获取上层终端系统或控制系统的指令，通过标签读写模块获得电子标签装置存储的信息，并通过无线传输模块对电子标签装置进行解锁/扣控制；电子标签装置用于记录和提供物件的编码信息和生产信息等物流信息，并与待标识物件动态绑定。既保证了在制造运输过程中的牢固性，也保证了在操作过程中不会因操作失误而误打开。另外，使用适配的标签读写及控制装置接近识别区即可读码。针对离散制造环境中的不同类型的物件，可以以无损或微创的方式进行绑定，减少了对物件的损伤。

Description

一种面向离散制造环境的物件跟踪系统

技术领域

本发明涉及制造信息化技术和物联网领域，具体涉及一种面向离散制造工艺的物件跟踪系统。

背景技术

随着智能制造的提出和不断深入，在离散加工制造企业中对发展数字化车间和智慧物流的需求日益迫切。对于数字化车间离散制造加工生产过程，由于工序多且复杂，并存在工作条件差、油污、锈蚀等问题，对所涉及到的在加工件和刀具、夹具等辅具的数字化管理提出了更高的要求。电子标签的开发和应用为加工制造企业提供了一种智能化选择，例如：中国专利CN 205281237 U公开了“一种模具加工生产线物联网系统”，采用超高频RFID标签技术替换条形码技术与高频RFID标签技术，使生产对象与生产管理系统建立联系，并监控模具的加工零件的加工过程，实现模具自动化、透明化生产，该系统将超高频RFID标签直接贴在加工零件上；但是，对于其他类型的加工零件，则可能影响正常加工或损伤标签。中国专利CN 105425743 A公开了“一种基于物联网的产品实物状态采集与报警系统”，通过悬挂粘贴等形式为产品绑定一个RFID标签并存储加工任务、位置信息、加工数据、加工质量等信息；但是，该方法无法对使用者进行约束，存在误用的问题；且该标签仅具有被动提供信息的能力，无法满足数字化车间下对信息及时更新的需要。

现有技术中，普通粘贴式标签、磁条吸附式标签和雕刻式标签难以满足数字化车间离散制造工件加工过程的记录和追溯需求。且存在以下问题：（1）仅支持数字码、简单图形码等有限类型的编码形式，如在工件表面直接雕刻二维码、条形码等，雕刻深度浅而不适用于切削加工；（2）容易受到油污、划痕、锈蚀等的影响，不易于识别；（3）会对工件造成损伤；（4）对于有较大的切削余量、淬火高温或油浸等需要在多种设备之间转序的加工过程，常规的标签技术和已公开的专利文件均难以满足工件加工过程的记录和追溯需求；（5）对于离散制造车间的数字化建设的安全性来说，考虑到操作人员或机器人的误拿误用等问题，需要对待标识的物件进行权限控制和跟踪，防止物件或工具选用错误，或记录将其打开的装置信息，以备信息系统的检查。而传统的标签技术仅具有被动的信息存储能力，无法满足需要。（6）对于智能化的车间建设来说，还需要可进行交互的信息标签，不仅可以读取物件的信息，还可以写入物件的最新的车间需求信息，实现物件的自感知功能。而传统的标签技术仅具有“可读”能力，无法满足“读写”需求。

因此，在面向多工序的复杂离散制造环境，需要一种可以存储编码信息乃至更多生产相关信息的标签技术，并且既可灵活解锁/扣和安装以保证原有加工过程的顺利进行，又有防错能力以完整地、一致地记录工/物件及其他物件的生产加工信息的设备或技术。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明为解决目前电子标签技术无法满足离散制造业加工过程可追溯和灵活解锁/扣的需求，提供一种面向离散制造环境的物件跟踪系统。

解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种面向离散制造环境的物件跟踪系统，包括标签读写及控制装置和至少一个电子标签装置；其特征在于：

所述标签读写及控制装置为可读写模块，用于读取电子标签的信息，获取上层终端系统或控制系统的指令，通过标签读写模块获得电子标签装置存储的信息，并通过无线模块对电子标签装置进行解锁/扣控制；它包括中央处理模块、标签读写模块、无线发射模块、通信模块、控制模块和电源模块等；其中，中央处理模块负责协调各个模块的数据通信和处理；标签读写模块读取电子标签装置的标签模块存储的信息，根据标签类型的不同选用RFID模块和NFC模块等；无线模块通过信号对电子标签装置发出控制命令；通信模块与运行于终端、工业计算机或控制系统的上层软件系统相连，以传输编码信息及生产信息和发送控制指令等；

所述电子标签装置用于记录和提供物件的编码信息和生产信息等物流信息，并与待标识物件动态绑定；所述电子标签装置包括主体部分、电路部分和标签部分；

主体部分：主体结构，吸附、弹出和锁死等机械结构；

电路部分：中央处理模块、标签模块、无线接收模块、传感模块、控制模块和电源模块；其中，中央处理模块负责协调各个模块的数据通信和处理；标签模块存储了编码信息和生产信息；传感模块接收机械部分的信号并发送给中央处理模块，获取开关状态信息；

标签部分设于主体结构上，用于安置所需类型的电子标签。

所述机械结构用于对物件进行绑定并防止随意打开，通过悬挂、嵌入等形式与待标识工件绑定并自锁，以保证电子标签装置的安全性。

进一步，所述签读写及控制装置为可读写模块，将信息写入可读写RFID模块或NFC模块。所述无线发射模块，采用wifi、Bluetooth、Zigbee或红外等无线传输。

进一步，所述电子标签装置还支持普通的RFID读取器或NFC读取器进行读取，通过设备自带的无线设备（如wifi、Bluetooth）发出命令进行控制。

本发明中涉及的“物件”不限于加工的工件或零件。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

本发明面向离散制造环境，针对面向数字化、智能化车间对物件跟踪的需求，可读写的标签、使用安全性和易接入性。也可以适用于普通车间对物件跟踪的需要。

1、使用方便，安全性高。本发明物件跟踪系统的电子标签结构简单、使用方便、安全。通过所设计的机械结构和电路部分的联合作用，实现在不具有适配的读写装置时无法被打开，或打开及记录（在信息系统中）被打开读写装置的信息，从而关联使用人员，实现权限控制。

使用时直接插入或锁扣即可，无需专门在零件上进行识别码雕刻或印刷；使用时，仅能通过适配的标签读写及控制装置控制打开自动弹出装置，并记录扫描装置和电子标签的值。既保证了在运输过程中的牢固性，也保证了在操作过程中不会因操作失误而误打开。另外，使用适配的标签读写及控制装置接近识别区即可读码。

2、适用性广，推广性好。针对离散制造加工系统中的不同类型的物件，可以以无损或微创的方式进行绑定，减少了对物件的损伤；可支持多种编码及识别技术，如二维码、RFID标签和NFC标签等。

3、具有标签可交互功能。对于数字化车间建设来说，本发明支持可读写标签技术；对于配置了可读写标签的电子标签装置，可以实时记录信息系统的最新信息，满足数字化车间对智慧物流等的需要。

4、具有权限管理功能。本发明可以对待标识的物件进行权限控制和跟踪，防止物件或工具选用错误，可以记录将其打开的控制装置的身份信息，以备信息系统的检查，提高了数字化车间的准确性和智能化程度。

5、易接入性。本发明可采用多种无线连接的实现形式，支持本发明专用读写及控制装置，也支持普通的扫描枪、读写器和具有Bluetooth、wifi等功能的终端或工控机。

6、集成性。本发明可以与上层信息系统（如ERP、MES等）进行有效地集成，可以及时地传输待标识物件的最新物流状态，也可以获取最新的生产信息，有助于提高离散制造车间的数字化和智能化程度。

本发明适用于离散制造系统中的物件物流信息跟踪。若物件需要使用或进行加工时，通过扫描装置将电子标签取下以保证物件的正常使用或加工，完毕后重新人工绑定，送入下一道工序或环节。如果选用大容量存储功能的标签还可以实时写入最新的生产信息。

附图说明

图1是本发明面向离散制造环境的物件跟踪系统的原理图。

图2是面向离散制造环境的物件跟踪系统的标签读写及控制装置结构示意图。

图3是本发明实施例2电子标签装置（钥匙型）的结构示意图。

图4（a、b、c）是本发明实施例1使用过程的待插入、插入内孔槽和锁死三种状态示意图。

图5是本发明实施例2电子标签装置（锁扣型）的结构示意图。

图6是本发明面向离散制造环境的物件跟踪系统使用方法流程图。

图7是本发明面向离散制造环境的物件跟踪系统应用方法流程图。

图8是本发明以钥匙型电子标签为例说明使用方法的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

参见图1，本发明面向离散制造环境的物件跟踪系统，由标签读写及控制装置1和至少一个电子标签装置2组成。

所述标签读写及控制装置1用于读取电子标签的信息，可以获取上层终端系统或控制系统的指令，通过标签读写模块获得电子标签装置2存储的信息，并通过红外传感模块对电子标签装置2进行解锁/扣控制。标签读写及控制装置1，包括中央处理模块、标签读写模块、红外模块、通信模块、控制模块和电源模块等。其中，中央处理模块负责协调各个模块的数据通信和处理；标签读写模块读取电子标签装置标签模块存储的信息，根据标签类型的不同选用RFID读写器和NFC模块等；红外模块通过红外信号对电子标签装置发出控制命令；通信模块与运行于终端、工业计算机或控制系统的上层软件系统相连，以传输编码信息及生产信息和发送控制指令等。

所述电子标签装置2用于记录和提供物件的编码信息和生产信息等物流信息，并与待标识物件动态绑定。它包括主体部分21和电子标签部分22；其中，电子标签部分22设置于主体21上，主体21上还设有对物件进行锁/扣的吸附、弹出或锁死的机械结构。所述主体21的结构针对不同类型的零件及需求，设计不同的机械结构，包括钥匙型、锁扣型或方便锁/扣和解锁功能的机械结构等。所述机械结构用于对物件进行绑定并防止随意打开，通过悬挂、嵌入等形式与待标识物件绑定并自锁，以保证电子标签装置的安全性。

实施例1：一种标签读写及控制装置1的具体实施方式。

参见图2和图1，一种标签读写及控制装置1是在现有手持式扫描枪的基础上进行设计，由主控电路11、读写模块12、红外模块13、通信模块14、纽扣电池15、按钮电路16、通讯线缆17、读写装置壳体18和USB（或串口等）通讯接口19等组成。

使用时，首先在终端上进行配置并与终端程序相连，并由该程序记录所述标签读写及控制装置1的读写信息及使用情况。读取信息时，通过按钮电路16获取用户指令，读写模块12读取所述电子标签装置2的标签区并由主控电路11和通信模块14传输给上层系统。写入信息时，通过主控电路11和通信模块14获取信息并由读写模块12写入。控制电子标签装置2时，通过按钮电路16获取用户指令并通过红外模块13发送特定指令给电子标签装置，实现自动控制，同时上层系统将记录“打开”的信息，包括时间、人员和编码信息等。

实施例2：一种钥匙型电子标签装置。

参见图3，一种钥匙型电子标签装置由主体部分21和电子标签部分22组成。主体部分21包括钥匙型本体21.1、电磁铁21.2、卡扣21.3、卡扣弹簧21.4、顶针21.5和顶针弹簧21.6等。电子标签部分22包括主控电路22.1、标签区22.2、红外模块22.3、纽扣电池22.4和放大电路22.5，其中放大电路22.5与电磁铁21.2连接。

参见图4的a、b和c图，是本发明实施例2使用过程待插入、插入内孔槽和锁死三种状态的示意图。

所述钥匙型电子标签装置在正常状态下，顶针弹簧21.6处于原长或微压缩状态，顶针21.5处于其最大行程位置，卡扣弹簧21.4处于原长或微压缩状态，卡扣21.3处于其最大行程位置并通过钥匙型本体21.1的孔顶出。在物件上预先设置与钥匙型电子标签装置对应的内孔槽，当插入物件上设计的微型内孔槽时，卡扣弹簧21.4压缩，然后在内孔槽处弹出，将卡扣21.3顶出在槽的位置，从而将电子标签装置锁死，顶针弹簧21.6处于压缩状态，即完成与物件的绑定。

识别时，采用标签读写及控制装置1扫描电子标签装置2标签区获取编码信息。如果需要打开，则通过标签读写及控制装置2的控制按钮发送指令，通过红外模块22.3接收并传入中央处理模块；中央处理模块发送打开信号，经由放大电路22.5后使得电磁铁21.2上电，将卡扣21.3吸回，卡扣弹簧21.4处于压缩状态，顶针弹簧21.6在回复力作用下恢复形状，将钥匙型电子标签装置弹出从而解锁。

实施例3：电子标签装置的另一种实施方式即锁扣型电子标签装置。

参见图5，一种锁扣型电子标签装置由主体部分（31）和电子标签部分32组成。主体部分机械结构包括锁扣型本体31.1、电磁铁31.2、压片31.3、压片弹簧31.4、回复弹簧31.5、上盖31.6、底座31.7、锁扣31.8和弹簧线31.9；电子标签部分32包括主控电路、标签区、红外模块、纽扣电池和放大电路。所述锁扣型电子标签装置在正常状态（锁扣31.8未插入）下，压片弹簧31.4处于压紧状态将压片31.3压在底座31.7上，回复弹簧31.5处于原长或微压缩状态。当锁扣31.8插入时，其头部将压片31.3临时顶起，移动至锁扣31.8的中间空白部分时在压片弹簧31.4作用下压在底座31.7上，并将回复弹簧31.5压缩，此时由于压片31.3的斜面结构将锁扣31.8锁死，即完成与物件绑定。

识别时，采用标签读写及控制装置1扫描电子标签部分32的标签区获取编码信息。如果需要打开，则通过标签读写及控制装置的控制按钮发送指令，通过红外模块接收并传入中央处理模块；中央处理模块发送打开信号，经由放大电路后使得电磁铁31.2上电，将压片31.3吸回，回复弹簧31.5在回复力作用下恢复形状，将锁扣31.8弹出，完成自动打开。

本发明中电子标签装置的电子部分，包括中央处理模块、标签模块、红外模块、传感模块、控制模块和电源模块等。其中，中央处理模块负责协调各个模块的数据通信和处理；标签模块存储了编码信息和生产信息，根据需求的不同可以选择不同类型的RFID标签，如需要更为丰富的生产信息，如下一步工序及所需的机床、刀具和夹具等信息，则可以选用大容量可读写的RFID标签、NFC标签等具有大容量存储和读写能力的标签技术；红外模块接收来自标签读写及控制装置的红外信号，用于控制标签模块的信息读取和电子标签装置的自动弹出；传感模块接收机械部分的信号并发送给中央处理模块，获取开关状态信息。为实现电子标签装置的安全性，一旦安装或锁死后便不能手动打开，通过控制模块和机械部分控制装置的自动弹出。

实施方法：电子标签装置和标签读写及控制装置在离散制造系统中的实施方法。

参见图6，电子标签装置和标签读写及控制装置在离散制造系统中的实施方法，包括以下步骤：

1、根据物件的形状结构，选择相应的电子标签装置并绑定。

2、将已经绑定电子标签装置的物件送入指定位置或暂存区。

3、采用已经配置好的标签读写及控制装置读取电子标签装置的信息。

如果仅需获取物流信息，则读取完毕之后可以直接送入下一道工序；如果需要使用或加工，则通过红外模块按钮发出打开指令，电子标签装置将自动弹出。

4、取下电子标签装置后，物件即可按照正常规程使用或按正常工艺过程加工，电子标签装置不会影响加工效果。

5、使用或加工完毕后重新绑定电子标签装置，送入下一道工序或环节。

对于采用大容量RFID标签或NFC标签的电子标签装置，还可以通过标签读写及控制装置将下一道工序所需的生产信息写入标签中以备防错、校准等。

实施例4：采用本发明面向离散制造环境的物件跟踪系统对重庆某机床厂的齿轮加工车间的齿轮加工过程进行跟踪和记录，说明所发明的电子标签装置的应用方法。

参见图7：首先，待加工齿轮毛坯件（工件）进入齿轮加工车间后将由车间管理系统分配唯一的电子标签编码信息，并根据工件结构选择合适的电子标签装置并绑定在一起。对于一般小齿轮可以采用锁扣型的电子标签装置从通孔中穿入，实现绑定；对于大型齿轮可以在非工作面加工内孔槽，采用钥匙型的电子标签装置实现绑定。

然后，按照工序流程依次送入预定的加工设备进行加工，对于外包加工的工序，如端面铣削等其电子标签装置将始终跟随。开展每道工序时，通过标签读写及控制装置读取编码信息，通过红外模块控制电子标签的机械部分启动并自动弹出，取下后，按照原有工艺进行加工；

加工完毕后，将电子标签装置和物件重新绑定，送入下一道工序。

由于离散制造环境下，每道工序大多为单件加工，因此本发明所提出的“外置附加式”的标签方法可以实施。对于委外加工或批处理的情况，则必须记录物件和电子标签的绑定顺序以保证信息的一致性。为避免人工操作失误，可以在车间管理系统或终端中设置检查程序，尽可能的减少错误。

经过滚削、磨削、质量检测等工序及规程后，最终完成齿轮物件的加工，将由车间管理系统为每个齿轮工件分配唯一的编码，通过激光打标机等设备永久地刻写在齿轮非工作面上。安装于各个设备的终端系统则将每个齿轮工件所对应的电子标签装置所记录的生产、物流、人员、时间等信息与其编码信息重新绑定，形成每一个齿轮工件的完整加工信息记录。所取下的电子标签装置将重新绑定到新一批齿轮毛坯件中，实现循环使用。

参见图8，以钥匙型电子标签装置为例说明本发明的使用方法：根据物件结构选择合适的电子标签装置并绑定；然后由标签读写及控制装置读取电子标签装置的电子信息，同时写入上层信息系统的生产信息或发出“打开”控制指令。

需要说明的是，标签读写模块读取电子标签装置的标签模块存储的信息，根据标签类型的不同选用RFID（Radio Frequency Identification）读写器和NFC（Near FieldCommunication）模块等。红外模块通过红外信号对电子标签装置发出控制命令。通信模块与运行于终端、工业计算机或控制系统的上层软件系统相连，以传输编码信息及生产信息和发送控制指令等。针对不同的零件对信息的需求，选择电子标签的类型。如对于工具类物件或仅需获取标记信息的工件，可以采用普通RFID等的编码技术；对于需要进行多道工序的在加工零件，可以采用可读写RFID标签或NFC标签，实现生产信息的及时更新和交互，在零件进入下一道工序时保证所需的机床、刀夹具、质量检测参数等的正确性。

最后说明的是，以上实施案例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照上述实施案例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种面向离散制造环境的物件跟踪系统，包括标签读写及控制装置和至少一个电子标签装置；其特征在于：

所述标签读写及控制装置为可读写模块，用于读取电子标签的信息，获取上层终端系统或控制系统的指令，通过标签读写模块获得电子标签装置存储的信息，并通过无线模块对电子标签装置进行解锁/扣控制；它包括中央处理模块、标签读写模块、无线发射模块、通信模块、控制模块和电源模块；其中，中央处理模块负责协调各个模块的数据通信和处理；标签读写模块读取电子标签装置标签模块存储的信息；无线模块通过信号对电子标签装置发出控制命令；通信模块与运行于终端、工业计算机或控制系统的上层软件系统相连，以传输编码信息及生产信息和发送控制指令；

所述电子标签装置用于记录和提供物件的编码信息和生产信息等物流信息，并与待标识物件动态绑定；所述电子标签装置包括主体部分、电路部分和标签部分；

主体部分：包括吸附、弹出和锁死机械结构的主体结构；

电路部分：包括中央处理模块、标签模块、无线接收模块、传感模块、控制模块和电源模块；其中，中央处理模块负责协调各个模块的数据通信和处理；标签模块存储了编码信息和生产信息；传感模块接收机械部分的信号并发送给中央处理模块，获取开关状态信息；

标签部分设于主体结构上，用于安置所需类型的电子标签；

所述机械结构用于对物件进行绑定并防止随意打开，通过悬挂、嵌入等形式与待标识物件绑定并自锁，以保证电子标签装置的安全性。

2.根据权利要求1所述面向离散制造环境的物件跟踪系统，其特征在于，所述电子标签装置为钥匙型电子标签装置；其由主体部分、电路部分和标签部分组成；主体部分包括钥匙型本体、电磁铁、卡扣、卡扣弹簧、顶针和顶针弹簧；

所述钥匙型电子标签装置在正常状态下，顶针弹簧处于原长或微压缩状态，顶针处于其最大行程位置，卡扣弹簧处于原长或微压缩状态，卡扣处于其最大行程位置并通过钥匙型本体的孔顶出；在物件上预先设置与钥匙型电子标签装置对应的内孔槽，当插入物件上设计的微型内孔槽时，卡扣弹簧压缩，然后在内孔槽处弹出，将卡扣顶出槽的位置，从而将电子标签装置锁死，顶针弹簧处于压缩状态，即完成与物件的绑定；

识别时，采用标签读写及控制装置扫描电子标签装置的标签部分安置的电子标签获取编码信息；如果需要打开，则通过标签读写及控制装置的控制按钮发送指令，通过无线模块接收并传入中央处理模块；中央处理模块发送打开信号，经由放大电路后使得电磁铁上电，将卡扣吸回，卡扣弹簧处于压缩状态，顶针弹簧在回复力作用下恢复形状，将钥匙型电子标签装置弹出从而解锁。

3.根据权利要求1所述面向离散制造环境的物件跟踪系统，其特征在于，所述电子标签装置为锁扣型电子标签装置；其由主体部分、电路部分和标签部分组成；主体部分包括锁扣型本体、电磁铁、压片、压片弹簧、回复弹簧、上盖、底座、锁扣和弹簧线；所述锁扣型电子标签装置在正常状态（锁扣未插入）下，压片弹簧处于压紧状态将压片压在底座上，回复弹簧处于原长或微压缩状态；当锁扣插入时，其头部将压片临时顶起，移动至锁扣的中间空白部分时，在压片弹簧作用下压在底座上，并将回复弹簧压缩，此时由于压片的斜面结构将锁扣锁死，即完成与物件绑定；

识别时，采用标签读写及控制装置扫描电子标签装置的标签部分安置的电子标签获取编码信息；如果需要打开，则通过标签读写及控制装置的控制按钮发送指令，通过无线模块接收并传入中央处理模块；中央处理模块发送打开信号，经由放大电路后使得电磁铁上电，将压片吸回，回复弹簧在回复力作用下恢复形状，将锁扣弹出，完成自动打开。

4.根据权利要求1所述面向离散制造环境的物件跟踪系统，其特征在于，所述标签读写及控制装置为可读写模块，将信息写入可读写RFID模块或NFC模块。

5.根据权利要求1所述面向离散制造环境的物件跟踪系统，其特征在于，所述无线发射模块，采用wifi、Bluetooth、Zigbee或红外等无线传输。

6.根据权利要求1所述面向离散制造环境的物件跟踪系统，其特征在于，所述电子标签装置还支持普通的RFID读取器或NFC读取器进行读取，通过设备自带的无线设备发出命令进行控制。