Máy công cụ điều khiển số đã trở thành thiết bị chủ đạo trong các phân xưởng gia công cơ khí; thông thường, một phân xưởng gia công CNC quy mô nhỏ cũng có tới hàng nghìn dao cắt, cộng thêm các chi tiết phụ kiện đi kèm thì tổng số dao lên đến hơn chục nghìn chiếc, với hàng trăm chủng loại khác nhau. Khi số lượng và chủng loại dao cắt tăng vọt, trong phân xưởng sản xuất tồn tại song song các loại dao tiêu chuẩn và phi tiêu chuẩn với nhiều kiểu dáng, kích cỡ khác nhau, đồng thời một khối lượng lớn dao liên tục luân chuyển, trao đổi giữa kho dao và máy công cụ, cũng như giữa các thiết bị máy móc. Hiện nay, đa số các phân xưởng gia công trong nước vẫn quản lý dao cắt bằng phương pháp thủ công và sử dụng mã vạch giấy. Tuy nhiên, mã vạch giấy dễ bị bẩn, hư hỏng trong môi trường dầu mỡ, còn tuổi thọ của dao chỉ có thể được đánh giá dựa trên kinh nghiệm. Việc thiếu hụt dao cắt dẫn đến nhiều quy trình gia công phải tạm dừng, trong khi công nhân vận hành máy lại phải tốn rất nhiều thời gian để tra cứu, tìm kiếm dao. Cùng với sự gia tăng về chủng loại máy công cụ điều khiển số và các sản phẩm mới, giải pháp quản lý dao hiện có đã không còn đáp ứng được nhu cầu; do đó, công nghệ nhận dạng tần số vô tuyến (RFID) đã được triển khai.

　　RFID là một công nghệ nhận dạng tự động không tiếp xúc ra đời vào thập niên 1990, với các đặc điểm nổi bật như quét nhanh, kích thước nhỏ gọn, khả năng chống nhiễm bẩn và độ bền cao, có thể tái sử dụng, khả năng xuyên thấu và đọc mà không cần tiếp xúc trực tiếp với thẻ, cùng với dung lượng lưu trữ dữ liệu lớn và tính bảo mật cao; do đó, RFID có tiềm năng ứng dụng to lớn trong thu thập, giám sát và truyền tải dữ liệu sản xuất. Bài viết này, dựa trên công nghệ sóng vô tuyến, lắp đặt chip RFID lên chuôi dao của dụng cụ cắt nhằm thực hiện việc thu thập và quản lý thông tin về dụng cụ cắt, qua đó giảm chi phí sản xuất tổng thể.

   +

　　1 Hiện trạng và nhu cầu của ngành quản lý dụng cụ cắt

　　Các chuyên gia trong và ngoài nước hoạt động trong lĩnh vực nghiên cứu quản lý dụng cụ cắt đã phát triển nhiều phần mềm quản lý dụng cụ cắt, song vẫn chưa thể đáp ứng đầy đủ mọi yêu cầu của công tác quản lý dụng cụ cắt; hiện nay, công tác quản lý dụng cụ cắt đang tồn tại các vấn đề sau:

　　① Không thể phân tích toàn bộ hồ sơ và dữ liệu về vòng đời của dụng cụ cắt; chỉ thực hiện thu thập và giám sát thông tin về dụng cụ cắt tại các thời điểm cụ thể, mà không thể thu được dữ liệu khi dụng cụ chưa được gia công.

　　② Quản lý dụng cụ cắt truyền thống thiếu khả năng trao đổi thông tin M2M (Machine to Machine), do đó không thể thực hiện quản lý tích hợp;

　　③ Các giải pháp quản lý dụng cụ cắt hiện có nhằm đáp ứng nhu cầu sản xuất, nhưng chưa xem xét đến vấn đề chi phí trong toàn bộ vòng đời của dụng cụ.

　　Để giải quyết các vấn đề nêu trên và hiện thực hóa mục tiêu nâng cao mức độ thông minh hóa, tự động hóa trong ngành chế tạo, việc sớm đưa vào ứng dụng các phương thức công nghệ mới để quản lý thông tin về dao cắt là hết sức cấp thiết. Balluff đã triển khai giải pháp quản lý thông minh đối với việc sử dụng dao cắt trên máy công cụ, theo đó truyền tải các thông số của dao tới máy công cụ, đồng thời tích hợp dao vào kho dao của máy để các chương trình gia công có thể truy xuất và sử dụng. Khi quá trình gia công bằng dao hoàn tất, thời gian sản xuất của dao sẽ được ghi vào thẻ RFID gắn trên dao, qua đó thực hiện việc thu thập thông tin theo thời gian thực về dao, cũng như theo dõi trạng thái của dao và các chức năng liên quan khác.

2 Thu thập và thiết lập các thông số của hệ thống quản lý thông tin dụng cụ cắt

　　Hệ thống quản lý thông tin dụng cụ cắt là hệ thống hoạt động trên cơ sở giao tiếp giữa các thiết bị máy móc trong đơn vị sản xuất (như máy công cụ điều khiển số, thiết bị căn chỉnh dao, v.v.) và các đầu đọc/ghi RFID; đồng thời tận dụng công nghệ tần số vô tuyến không dây và sử dụng giao thức truyền thông nối tiếp giữa CNC và đầu đọc/ghi RFID để thực hiện việc giám sát thông tin và quản lý lưu trữ đối với dụng cụ cắt trong suốt vòng đời của chúng. Toàn bộ vòng đời của dụng cụ cắt thường bao gồm các giai đoạn: lập kế hoạch, mua sắm, đánh dấu nhận dạng, nhập kho, cho mượn, lắp ráp, sử dụng, trả lại, mài sắc lại và thanh lý.

　　Điều kiện tiên quyết để quản lý dụng cụ cắt trên máy công cụ là các dụng cụ đã được tổ hợp thành nhóm và đã được hiệu chuẩn bằng thiết bị hiệu chuẩn dao. Để đảm bảo các chức năng tương ứng của dụng cụ, máy công cụ cần thực hiện quá trình khởi tạo kho dao, đồng thời ghi thời gian gia công của từng dụng cụ vào thẻ RFID gắn trên chuôi dao. Do khoảng cách đọc–ghi của thẻ RFID tần số cao khá ngắn, nên khi đọc–ghi thẻ RFID trên chuôi dao, cần dùng cơ cấu khí nén để đưa anten gần sát với thẻ RFID.

　　(1) Khởi tạo kho dao của máy công cụ

　　Để thực hiện việc truyền tải thông tin về dụng cụ cắt CNC một cách thông minh, trước hết cần phải dựa vào máy công cụ CNC. Để bảo đảm rằng khi dụng cụ cắt được lắp vào máy thì nó sẽ tự động được đưa vào kho dao và các tham số của dụng cụ cắt sẽ được đọc từ thẻ RFID rồi nhập vào kho dao của máy, cần tiến hành thao tác khởi tạo đối với kho dao của máy; quy trình cụ thể được mô tả như sau:

　　① Khi máy công cụ có sự thay đổi dao, cần điều khiển bàn dao quay một vòng (xem Hình 2) để tái khởi tạo tất cả các dao về kho dao của máy công cụ;

　　② Đối với mỗi dao cần thực hiện các thao tác sau: CNC điều khiển xi lanh nâng đầu đọc RFID thông qua lệnh; khi xi lanh đã về vị trí, CNC đọc trạng thái của công tắc cảm biến và khởi động thiết bị đọc/ghi RFID; giữ trạng thái của xi lanh trong 500 ms, sau đó CNC sử dụng giao tiếp cổng nối tiếp để điều khiển thiết bị đọc/ghi RFID tiến hành đọc chip RFID trên chuôi dao; thu hồi xi lanh, CNC kiểm tra lại trạng thái của công tắc cảm ứng từ của xi lanh để xác nhận đã về đúng vị trí, rồi tiếp tục cho dao hoạt động.

　　③ Các chức năng cần kiểm soát: Trên giao diện điều khiển CNC bổ sung một nút bấm; mỗi lần nhấn nút này, đĩa dao sẽ tự động quay một vòng, bảo đảm rằng mỗi lần thay dao đều thực hiện một vòng quay để khởi tạo kho dao của máy; nghiêm cấm việc lắp trực tiếp dao vào chuôi dao của kho dao trên máy.

　　(2) Ghi chép thời gian sản xuất dao cắt

　　Khi tháo (hoặc lắp) dao, khối lượng sản xuất của dụng cụ cắt (thời gian gia công) sẽ được ghi vào hệ thống quản lý dụng cụ cắt. Quy trình ghi thời gian gia công của máy công cụ vào thẻ RFID trên chuôi dao như sau:

　　① Trước khi tháo dao trên máy công cụ hoặc sau khi lập nhóm dao, máy công cụ sẽ ghi lại các dụng cụ cắt đã được sử dụng, đồng thời quay bàn dao và lần lượt nhập thời gian gia công của từng dụng cụ;

　　② Duy trì trạng thái của xi-lanh trong 500 ms; sau đó, hệ thống CNC thông qua giao tiếp cổng nối tiếp để điều khiển đầu đọc/ghi RFID và thực hiện thao tác ghi vào chip RFID trên chuôi dao.

　　③ Thu hồi xi-lanh; sau khi hệ thống kiểm tra CNC xác nhận công tắc cảm ứng từ của xi-lanh đã ở vị trí đúng, đĩa dao tiếp tục quay.

　　Để bảo đảm việc triển khai các giải pháp nêu trên diễn ra suôn sẻ, cần bổ sung một nút bấm trên giao diện điều khiển của máy CNC; trước khi tháo dao hoặc sau khi lập nhóm dao, chỉ cần nhấn nút một lần để máy quay một vòng và đồng thời ghi nhận thời gian sử dụng của dao, qua đó hoàn tất việc kiểm soát tuổi thọ của dao. Trong quá trình thực hiện các quy trình theo giải pháp, cần tuân thủ nghiêm ngặt các quy định về thao tác.

　　(3) Lưu trữ dữ liệu dụng cụ trong chip RFID

　　Mã số dụng cụ là thông tin quan trọng giúp xác định tính duy nhất của từng dụng cụ; mã số này được ghi vào thẻ RFID để quản lý từng dụng cụ một cách cụ thể. Khi lập trình tương ứng, có thể căn cứ vào quy cách và model của dụng cụ để xác định đường kính danh nghĩa, chiều dài danh nghĩa cũng như các thông số lập trình phù hợp, sau đó thực hiện bù trừ đường kính và bù trừ chiều dài theo tình hình thực tế. Do cùng một dụng cụ có thể được lắp đặt trên nhiều máy công cụ khác nhau, đồng thời một máy công cụ cũng có thể gia công nhiều sản phẩm khác nhau, và trong quá trình gia công còn có thể phát sinh các tình huống bất thường, nên khi tiến hành gia công cần hiển thị các thông tin liên quan nêu trên. Thông qua điều khiển bằng chương trình, trong suốt quá trình gia công có thể hiển thị động các báo cáo gồm mã số dụng cụ, sản phẩm gia công, số lượng sản phẩm, thông tin về các sự cố bất thường, cũng như các thông tin khác được lưu trữ trong thẻ RFID như mã số dụng cụ, tuổi thọ dụng cụ và thời gian sử dụng của dụng cụ.

　 　3 Cấu trúc hệ thống phần cứng và phát triển phần mềm

　　Phần cứng bao gồm thẻ điện tử RFID, ăng-ten, thiết bị đọc/ghi và các giao diện dữ liệu liên quan. Thẻ RFID đóng vai trò là phương tiện lưu trữ dữ liệu, được cấu tạo từ chip và các thành phần ghép nối; mỗi thẻ RFID đều có một mã số điện tử duy nhất. Ăng-ten của thẻ RFID là ăng-ten thu phát của thẻ điện tử RFID, thực hiện việc truyền tín hiệu vô tuyến tần số giữa thẻ và bộ điều khiển thông qua cảm ứng giao tiếp; còn thiết bị đọc/ghi là thiết bị dùng để đọc hoặc ghi thông tin trên thẻ RFID.

　　 Tóm tắt

　　Bằng cách gắn thẻ RFID lên dụng cụ cắt để thực hiện nhận dạng vòng đời toàn bộ của dụng cụ cũng như đọc/ghi thông tin, đồng thời lắp đặt thiết bị đọc/ghi trên các máy chủ của các thiết bị như máy công cụ điều khiển số, làm cầu nối giao tiếp thông tin giữa thẻ RFID và hệ thống điều khiển chính, sử dụng thẻ RFID như một phương tiện lưu trữ thông tin nhằm thực hiện trao đổi thông tin giữa dụng cụ và máy chủ, cũng như giữa các máy chủ với nhau, từ đó dự đoán được tuổi thọ của dụng cụ. Giải pháp mới này cho phép quản lý toàn diện vòng đời của dụng cụ, giảm 20% tồn kho dụng cụ, giảm 10% chi phí dụng cụ, rút ngắn 15% thời gian chuẩn bị, nâng cao hiệu suất thiết bị 10%, rút ngắn thời gian giao hàng 10% và giảm hơn 15% tổng chi phí.