RFID技術(shù)在軌道交通用金屬橡膠制品中的應(yīng)用研究

尹 超，梁健瑤，王喜利，孫 曉，郭 志

（1.株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412001；2.湖南工業(yè)大學(xué)，湖南 株洲 412001）

射頻識別（RFID）技術(shù)可實現(xiàn)系統(tǒng)與特定目標(biāo)的非接觸識別，為自動跟蹤識別特定對象提供技術(shù)支持[1]。RFID電子標(biāo)簽技術(shù)由于讀取方便、受外界影響小等特點(diǎn)，目前已應(yīng)用于服裝和輪胎[2-5]等行業(yè)，但在軌道交通用零部件中的跟蹤識別應(yīng)用較少[6-7]。

金屬橡膠制品是橡膠和金屬復(fù)合的彈性元件，具有抗沖擊、可吸收高頻振動和噪聲的特點(diǎn)，主要用于機(jī)械裝置中的柔性連接和減振。典型的金屬橡膠制品如圖1所示。金屬橡膠制品的主要生產(chǎn)工序為前處理、硫化和后處理（包括二次加工、鍍鋅和油漆處理等）。目前通常采用紙質(zhì)二維碼對產(chǎn)品進(jìn)行追溯識別，在產(chǎn)品出入庫過程中，需對產(chǎn)品進(jìn)行逐一掃碼或手抄流水號，存在效率低下、易出現(xiàn)錯號或重號的情況。

圖1 典型的金屬橡膠制品

本工作通過對軌道交通用金屬橡膠制品的各工序環(huán)境進(jìn)行分析，旨在探索建立一種RFID電子標(biāo)簽與生產(chǎn)過程執(zhí)行管理系統(tǒng)（MES系統(tǒng)）相結(jié)合的方式實現(xiàn)對產(chǎn)品生產(chǎn)信息和流水號的追溯，并對其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的可行性進(jìn)行探討，期望解決目前多工序生產(chǎn)過程中易出現(xiàn)的漏工序和出庫盤點(diǎn)過程中易出現(xiàn)的錯號、漏號等問題。

1 RFID技術(shù)原理及優(yōu)勢

RFID系統(tǒng)一般由讀寫器、電子標(biāo)簽芯片和天線組成，電子標(biāo)簽芯片用于儲存產(chǎn)品的標(biāo)識信息，天線用于數(shù)據(jù)的傳遞，讀寫器對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，或?qū)⑾嚓P(guān)標(biāo)識信息寫入芯片中。

RFID技術(shù)原理較為簡單，當(dāng)讀寫器的天線與電子標(biāo)簽天線靠近時，天線之間形成磁場，電子標(biāo)簽進(jìn)入磁場后，接收讀寫器發(fā)出的射頻信號，通過電流獲得的能量將電子標(biāo)簽芯片中的儲存信息發(fā)送至應(yīng)用程序進(jìn)行相應(yīng)的處理，最終得到所需信息，從而實現(xiàn)產(chǎn)品識別的目的。該技術(shù)可實現(xiàn)非接觸讀取，可讀取一定范圍內(nèi)的所有需識別信息的電子標(biāo)簽，可通過數(shù)據(jù)寫入實現(xiàn)對部分關(guān)鍵工序信息的記錄，從而實現(xiàn)對產(chǎn)品全生命周期的管理。

RFID電子標(biāo)簽相比于傳統(tǒng)的紙質(zhì)標(biāo)簽，具有可批量讀取，讀取速度快、距離遠(yuǎn)等功能，具體優(yōu)勢如表1所示。

表1 RFID電子標(biāo)簽與紙質(zhì)標(biāo)簽對比

2 RFID技術(shù)在軌道交通用金屬橡膠制品中的應(yīng)用試驗

2.1 應(yīng)用難點(diǎn)分析

軌道交通用金屬橡膠制品由于其自身特性、生產(chǎn)過程和使用環(huán)境的要求，如需實現(xiàn)在產(chǎn)品上運(yùn)用RFID電子標(biāo)簽，除滿足GB/T 36365—2018[8]對無源電子標(biāo)簽的要求外，還需滿足以下要求。

（1）電子標(biāo)簽植入位置。軌道交通用金屬橡膠制品由于受其應(yīng)用環(huán)境和使用要求的影響，電子標(biāo)簽的貼合需具有持久性、不易脫落、對產(chǎn)品本身的功能特性不會產(chǎn)生影響等特點(diǎn)。

（2）耐高溫高壓性能。軌道交通用金屬橡膠制品的硫化溫度為150～200 ℃，硫化壓力為9.8～19.6 MPa，電子標(biāo)簽需滿足金屬橡膠制品生產(chǎn)過程中耐高溫高壓性能的要求。

（3）耐酸堿性。軌道交通用金屬橡膠制品主要應(yīng)用在機(jī)車、地鐵和高速列車上，對防腐性能有較高要求。后處理工序通常使用鍍鋅液和油漆進(jìn)行防腐處理，因此要求電子標(biāo)簽?zāi)軡M足鍍鋅液和油漆處理的環(huán)境要求。

（4）耐壓縮性能。軌道交通用金屬橡膠制品出廠前需進(jìn)行耐壓縮性能檢測，若將電子標(biāo)簽貼合在承受壓力部位，要求電子標(biāo)簽?zāi)苓m應(yīng)檢測過程中壓力可能產(chǎn)生的擠壓變形影響。

因此，針對軌道交通用金屬橡膠制品生產(chǎn)和應(yīng)用的特殊環(huán)境要求，需選擇合適的RFID電子標(biāo)簽。

2.2 RFID電子標(biāo)簽選擇

為解決RFID電子標(biāo)簽應(yīng)用中的難點(diǎn)，本工作對目前市面上常用的標(biāo)簽形式進(jìn)行了分析，最終提出了扎帶式標(biāo)簽和經(jīng)絕緣膠封裝的陶瓷標(biāo)簽2種RFID電子標(biāo)簽的試用方案。

扎帶式標(biāo)簽（如圖2所示）拆解方便，可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離識別，其表面為高結(jié)晶聚合材料，具有良好的高頻絕緣性能，不受濕度影響，有較好的耐酸堿性能，應(yīng)用時直接與產(chǎn)品綁定。

圖2 扎帶式標(biāo)簽

陶瓷標(biāo)簽（見圖3）具有耐高溫的特性，其表面為高溫材質(zhì)，標(biāo)簽尺寸為5 mm×5 mm×3 mm。但陶瓷標(biāo)簽相對易碎，通過絕緣膠封裝的陶瓷標(biāo)簽具有更優(yōu)良的耐高溫和耐壓縮性能，應(yīng)用時標(biāo)簽需預(yù)埋至金屬橡膠制品內(nèi)部。

圖3 陶瓷標(biāo)簽

2.3 試驗結(jié)果分析

針對RFID電子標(biāo)簽的應(yīng)用難點(diǎn)，選取不同電子標(biāo)簽進(jìn)行試驗，驗證其在不同環(huán)境下的耐受性。

（1）鍍鋅液的影響。鍍鋅條件為：溫度 20℃，時間 50 min，堿性環(huán)境。經(jīng)過鍍鋅液處理后的扎帶式標(biāo)簽和陶瓷標(biāo)簽均能被有效識別。

（2）硫化高溫高壓的影響。硫化條件為：溫度140 ℃，壓力 4.9 MPa，時間 60 min。硫化后未封裝的陶瓷標(biāo)簽未能被有效識別，但經(jīng)絕緣膠封裝的陶瓷標(biāo)簽?zāi)鼙挥行ёR別；扎帶式標(biāo)簽會在硫化工序后進(jìn)行綁定，不會受到硫化高溫高壓的影響。

（3）機(jī)加工切屑液的影響。將扎帶式標(biāo)簽和陶瓷標(biāo)簽在機(jī)加工切屑液中浸泡5 min后，扎帶式標(biāo)簽和陶瓷標(biāo)簽均能被有效識別。

3 一種基于RFID電子標(biāo)簽的軌道交通用金屬橡膠制品追溯方案

多工序的生產(chǎn)過程需建立有效的質(zhì)量追溯體系，當(dāng)產(chǎn)品發(fā)生質(zhì)量問題時可有效地進(jìn)行追溯，鎖定產(chǎn)品范圍。質(zhì)量追溯主要包括對生產(chǎn)過程中各工序和工位的追溯以及人員、設(shè)備、原材料等質(zhì)量信息的追溯[9]。

現(xiàn)階段客戶對軌道交通用金屬橡膠制品的追溯要求越來越高，不僅要求對全過程進(jìn)行追溯，而且在產(chǎn)品發(fā)貨時需要提供追溯的記錄，包括所有發(fā)貨的流水號。企業(yè)現(xiàn)有的追溯方式通常是人工抄錄流水號（如圖4所示），這種方式易出現(xiàn)出廠報告中流水號錯漏的情況。

圖4 傳統(tǒng)人工抄錄流水號

為解決此類質(zhì)量問題，提高周轉(zhuǎn)效率，企業(yè)期望通過在產(chǎn)品上綁定RFID電子標(biāo)簽，實現(xiàn)在產(chǎn)品出庫過程中批量讀取追溯信息，并讀取至電腦終端。試驗證明，扎帶式標(biāo)簽和經(jīng)絕緣膠封裝的陶瓷標(biāo)簽基本可滿足目前軌道交通用金屬橡膠制品的生產(chǎn)和制造環(huán)境要求。

在軌道交通用金屬橡膠制品各個工序?qū)懭胂嚓P(guān)追溯信息，在出庫過程中進(jìn)行批量掃描，最終實現(xiàn)對產(chǎn)品追溯信息的讀取。提前在扎帶式標(biāo)簽中寫入產(chǎn)品的序列號和流水號，并綁定在金屬橡膠制品上（如圖5所示）。在出庫過程中直接在靠近產(chǎn)品上方位置掃描電子標(biāo)簽，可實現(xiàn)對產(chǎn)品流水號的批量讀取。目前使用的移動式讀取設(shè)備，在無包裝箱的情況下，可準(zhǔn)確讀取20個標(biāo)簽，讀取時間為10 s，節(jié)省了人工抄錄流水號的時間，加快了流轉(zhuǎn)速度，同時解決了抄錄流水號過程中易出現(xiàn)的錯號、漏號現(xiàn)象。

圖5 RFID電子標(biāo)簽的批量讀取

為實現(xiàn)將追溯信息上傳至企業(yè)現(xiàn)有生產(chǎn)管理系統(tǒng)中，本工作提出了一種基于RFID電子標(biāo)簽與MES系統(tǒng)相連接的追溯方案，如圖6所示。在企業(yè)現(xiàn)有的二維碼掃描終端上開發(fā)并安裝RFID服務(wù)程序，當(dāng)RFID讀取設(shè)備讀取到電子標(biāo)簽內(nèi)的數(shù)據(jù)后，借助藍(lán)牙連接的方式，將數(shù)據(jù)傳遞至現(xiàn)有掃描設(shè)備中，掃描設(shè)備對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和解析，最終轉(zhuǎn)換為企業(yè)內(nèi)部MES系統(tǒng)可識別的數(shù)據(jù)。

圖6 基于RFID電子標(biāo)簽與MES系統(tǒng)連接的追溯方案

4 結(jié)語

（1）RFID電子標(biāo)簽技術(shù)在軌道交通用金屬橡膠制品中應(yīng)用試驗表明，使用扎帶式標(biāo)簽和經(jīng)絕緣膠封裝的陶瓷標(biāo)簽可以基本滿足金屬橡膠制品的生產(chǎn)制造環(huán)境要求，但是使用陶瓷標(biāo)簽時需要對企業(yè)現(xiàn)有生產(chǎn)工藝進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。后期將對現(xiàn)有的電子標(biāo)簽形式和電子標(biāo)簽與產(chǎn)品的貼合方式進(jìn)行不斷探索，選擇更適用于產(chǎn)品的電子標(biāo)簽形式和綁定方式。

（2）RFID電子標(biāo)簽?zāi)壳霸谖锪骱唾Y產(chǎn)管理等方面得到較快速的普及和應(yīng)用，將RFID電子標(biāo)簽技術(shù)應(yīng)用于企業(yè)內(nèi)部包裝箱上可改善目前企業(yè)內(nèi)部小零件盤點(diǎn)耗費(fèi)時間和人力的現(xiàn)狀。隨著RFID電子標(biāo)簽技術(shù)研究的深入，后續(xù)其在軌道交通零部件管理中的應(yīng)用必將越來越廣泛，可實現(xiàn)產(chǎn)品的過程追溯。