自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)在殼體加工中的運(yùn)用和實(shí)踐

格特拉克（江西）傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司 江西南昌 330013

在制造行業(yè)中，傳統(tǒng)意義上的機(jī)械加工都是單臺(tái)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行切削生產(chǎn)。隨著機(jī)械加工行業(yè)中零件的工序復(fù)雜化，一個(gè)零件往往需要幾臺(tái)數(shù)控機(jī)床按工序規(guī)劃進(jìn)行先后加工，如果每道工序的數(shù)控機(jī)床都是獨(dú)立運(yùn)行，必定會(huì)加大過(guò)程之間的轉(zhuǎn)運(yùn)成本以及產(chǎn)生人工上下料效率低下等問(wèn)題。

隨著“中國(guó)制造2025”的日益臨近，工業(yè)體系轉(zhuǎn)型下的網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化控制在機(jī)械加工中已經(jīng)運(yùn)用非常廣泛，先進(jìn)的機(jī)械制造工廠都會(huì)采用數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)，集中控制加工和自動(dòng)化轉(zhuǎn)運(yùn)。格特拉克作為先進(jìn)的雙離合變速器生產(chǎn)企業(yè)，對(duì)于復(fù)雜的零部件也會(huì)對(duì)各個(gè)工序聯(lián)網(wǎng)控制進(jìn)行自動(dòng)化連線生產(chǎn)。

工序概述

汽車(chē)動(dòng)力總成中的雙離合變速器外殼，是由變速器殼體和離合器殼體組成，其中變速器殼體工序最為復(fù)雜。如圖1所示，為雙離合變速器殼體三維模型（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“變殼”）。變殼采用鋁材質(zhì)鑄造而成，需要與變速器內(nèi)要組裝的齒輪和齒輪軸零件配合，并且還要保證各結(jié)合面精度和密封性要求，因此必須使用德國(guó)進(jìn)口的加工中心進(jìn)行精密加工，按照工序流程劃分為前期準(zhǔn)備工序、加工過(guò)程工序以及下線工序。

（1）前期準(zhǔn)備工序 包括毛坯來(lái)料、二維打碼。

（2）加工過(guò)程工序 包括二維碼的自動(dòng)識(shí)別、機(jī)械手抓料、加工中心對(duì)雙離合變速器的變殼的大小結(jié)合面進(jìn)行鏜銑作業(yè)，共計(jì)271處需加工，加工中心對(duì)變殼側(cè)面孔進(jìn)行鏜銑作業(yè)，共計(jì)163處需加工。

（3）下線工序 包括清洗和氣密檢測(cè)。經(jīng)過(guò)工藝規(guī)劃和節(jié)拍最優(yōu)計(jì)算需要?jiǎng)澐?0道工序，每道工序使用1臺(tái)加工中心進(jìn)行生產(chǎn)，加上一個(gè)桁架機(jī)械手硬件，可以達(dá)成線體年產(chǎn)能近25萬(wàn)個(gè)變殼的規(guī)劃，這樣的自動(dòng)化線體可以全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化上線和下線，并擁有對(duì)零件的自動(dòng)裝夾和進(jìn)行自動(dòng)加工的功能。

設(shè)備硬件規(guī)劃如圖2所示，加工中心線體平面布局顯示為交錯(cuò)型的線性布局，雙離合變速器的變殼產(chǎn)品根據(jù)工藝制作規(guī)劃需要10道工序即10臺(tái)加工中心，并會(huì)采用橫跨加工中心的抓取和轉(zhuǎn)運(yùn)桁架機(jī)械手來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連線加工。在設(shè)備硬件上設(shè)計(jì)確定后，將從技術(shù)層面詳細(xì)分析和闡述變殼產(chǎn)品自動(dòng)化加工通信控制是如何實(shí)現(xiàn)的。

網(wǎng)絡(luò)條件

變速器的殼體在汽車(chē)行業(yè)上都會(huì)采用復(fù)合型加工中心進(jìn)行制造，運(yùn)用的加工中心設(shè)備本體采用的是西門(mén)子840D SL數(shù)控系統(tǒng)，其數(shù)控系統(tǒng)控制單元NCU720.3，內(nèi)核集成了西門(mén)子S7-300的PLC，其通信接口包含有PFOFIBUS、PROFINET及“以太網(wǎng)”。

PROFINET屬于工業(yè)級(jí)通信并且在數(shù)控機(jī)床中具有擴(kuò)展性，為此將采用PROFINET進(jìn)行加工中心和機(jī)械手間的連線通信協(xié)議。根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)定義OSI七層模型，這七層分別為：①物理層，②數(shù)據(jù)鏈路層，③網(wǎng)絡(luò)層，④網(wǎng)絡(luò)層，⑤會(huì)話層，⑥表示層，⑦應(yīng)用層。工業(yè)控制運(yùn)用基本上多只會(huì)用到前四層級(jí)的通信，其中加工中心集成的PROFINET協(xié)議分為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)通信、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信[1]。當(dāng)PROFINET需傳遞實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)，將采用越過(guò)4層網(wǎng)絡(luò)層、3層網(wǎng)絡(luò)層兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)層級(jí)去直接連線2層數(shù)據(jù)層、1層物理層底的底層網(wǎng)絡(luò)層級(jí)，采用這樣的方式將會(huì)大大節(jié)約層級(jí)間存在的加載、打包產(chǎn)生的時(shí)長(zhǎng)，由于實(shí)現(xiàn)加工中心線體自動(dòng)化控制涉及到的功能，是建立用戶數(shù)據(jù)并進(jìn)行交互通信以及各站點(diǎn)診斷數(shù)據(jù)傳輸，因?yàn)闀r(shí)效性上無(wú)需到達(dá)實(shí)時(shí)層級(jí)，所以會(huì)采用PROFINET標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)通信方式來(lái)建立整個(gè)線體的通信。如圖3所示直觀展示PROFINET傳輸過(guò)程關(guān)系。

技術(shù)實(shí)施

1.SIMATICiMap軟件

SIMATICiMap軟件是西門(mén)子公司開(kāi)發(fā)的，基于PLC應(yīng)用程序中涉及CPU之間網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)計(jì)軟件。SIMATICiMap 也是基于PROFINET和PROFIBUS International（PNO）的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議進(jìn)行通信設(shè)計(jì)的，并且軟件中可對(duì)西門(mén)子各類(lèi)PROFINET 硬件進(jìn)行通信連接搭建并兼容來(lái)自不同制造商的TCP/IP 和工業(yè)以太網(wǎng)的硬件[2]。為此在分布式自動(dòng)化解決方案中，主要運(yùn)用于組態(tài)通信，設(shè)計(jì)各PROFINET標(biāo)準(zhǔn)接口的系統(tǒng)模板之間或者生產(chǎn)線機(jī)器之間的通信組態(tài)，并建立實(shí)際通信關(guān)系，其優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)放性強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)不同制造商間PROFINET設(shè)備間通信；圖形化組態(tài)，SIMATICiMap 通信組態(tài)簡(jiǎn)便，采用拖動(dòng)設(shè)備的技術(shù)功能接口的方式定義通信關(guān)系。鑒于SIMATICiMap軟件諸多優(yōu)點(diǎn)并結(jié)合所用到的德國(guó)加工中心硬件接口實(shí)際情況，首先加工中心設(shè)備的控制單元采用西門(mén)子數(shù)控產(chǎn)品，其次線體上輔助工位還存在其他制造商的CPU模塊，為了保證來(lái)自不同供應(yīng)商的智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換，將采用SIMATICiMap 這種兼容性強(qiáng)的通信協(xié)議去實(shí)現(xiàn)各個(gè)加工中心與機(jī)械手連線以及集中控制和數(shù)據(jù)交互通信。

2.設(shè)備網(wǎng)絡(luò)硬件組態(tài)和接口定義

硬件上網(wǎng)絡(luò)連接通過(guò)交換機(jī)，將10臺(tái)加工中心的數(shù)控控制單元NCU720.3網(wǎng)絡(luò)接口和機(jī)械手的數(shù)控控制單元NCU720.3雙方的網(wǎng)絡(luò)接口X150進(jìn)行連接，單臺(tái)加工中心會(huì)采用西門(mén)子專(zhuān)業(yè)軟件STEP7的PLC編程軟件完成硬件組態(tài)，如圖4所示。

為了在連線的加工中心之間實(shí)現(xiàn)互相通信，必須在單機(jī)組態(tài)基礎(chǔ)上進(jìn)行以下接口配置和定義，對(duì)于機(jī)械手的NCU720.3和面板可以作為連線的程序調(diào)度中心和人機(jī)交互的窗口，首先使用STEP7的PLC編程軟件打開(kāi)機(jī)械的硬件組態(tài)，先對(duì)其X150接口進(jìn)行配置和設(shè)置，再對(duì)X150接口軟件中PROFINET通信線上的對(duì)象屬性分配并命名為“GM4724-01-60”，并激活其CBA通信需求，如圖5所示，這樣就開(kāi)通其PROFINET通信對(duì)應(yīng)iMap功能。其次在激活通信后，最重要的是定義與機(jī)床間對(duì)應(yīng)的地址變量，根據(jù)機(jī)床已有的變量使用情況，可以將空余的背景數(shù)據(jù)塊DB221、DB222、DB223分別作為其他加工中心的信息輸入、其他加工中心的信息輸出、其他加工中心的異常報(bào)警輸入的接口地址，并將DB221、DB222、DB223依次在如圖6所示的右側(cè)分配PN塊的對(duì)話框上打鉤來(lái)選擇激活和PROFINET屬性兩選項(xiàng)，定義完成后進(jìn)行確認(rèn)后編譯保存，機(jī)械手上的接口設(shè)置和對(duì)應(yīng)變量都已經(jīng)完成，最后為了實(shí)現(xiàn)在SIMATICiMap軟件上進(jìn)行機(jī)械手和加工中心各設(shè)置接口的對(duì)接，需在STEP7軟件上按照如圖7所示，在硬件SIN-GM4724_01_60文件點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵進(jìn)入創(chuàng)建PROFINET單元的頁(yè)面中，產(chǎn)生一個(gè)iMap軟件可以識(shí)別的cbp文件，機(jī)械手設(shè)備文件生成后將按照上述方法在10個(gè)加工中心上進(jìn)行配置和定義并生產(chǎn)10個(gè)cbp文件，接下來(lái)步驟是將設(shè)備間的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行對(duì)接，實(shí)現(xiàn)通信。

3.通信組態(tài)的搭建

這里將運(yùn)用SIMATICiMap軟件實(shí)現(xiàn)各機(jī)床間的PROFINET通信。cbp文件作為通信搭建的源代碼將集中歸檔到一個(gè)文件夾中，準(zhǔn)備工作完成后，啟動(dòng)SIMATICiMap軟件，將10個(gè)工序的加工中心和機(jī)械手設(shè)備的cbp文件導(dǎo)入，導(dǎo)入過(guò)程如圖8所示。成功完成數(shù)據(jù)導(dǎo)入后則需進(jìn)行通信組態(tài)，將之前STEP7中定義的輸入和輸出地址進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)的通信連接，如圖9所示，在軟件中設(shè)置匹配后對(duì)接地址將會(huì)產(chǎn)生同一通信編號(hào)，通信連接根據(jù)規(guī)劃按照以下原則進(jìn)行設(shè)定，將SIN-GM4724_01_60機(jī)械手設(shè)備定義的DB222輸出地址，去一一對(duì)應(yīng)10臺(tái)加工中心的DB221的輸入地址，10臺(tái)加工中心的DB222的輸出地址則需一一對(duì)應(yīng)SIN-GM4724_01_60機(jī)械手設(shè)備DB221是輸入地址，10臺(tái)加工中心的DB223診斷輸出地址則需一一對(duì)應(yīng)SIN-GM4724_01_60機(jī)械手設(shè)備的DB223診斷輸入地址。另外，10臺(tái)加工中心已經(jīng)在STEP7中定義了設(shè)備名稱(chēng)，從SIN-GM4724_01_01到SIN-GM4724_01_10，這里由cbp文件導(dǎo)入SIMATICiMap軟件后默認(rèn)顯示STEP7設(shè)置的設(shè)備名稱(chēng)。這樣對(duì)應(yīng)的設(shè)備地址就都建立了聯(lián)系，完成了通信設(shè)置。將STEP7配置的硬件組態(tài)和SIMATICiMap軟件的通信組態(tài)都進(jìn)行編譯后，需通過(guò)以太網(wǎng)接口從編程電腦中一一下載到設(shè)備中，這樣10臺(tái)加工中心和機(jī)械手設(shè)備都真正建立通信，可以設(shè)備間輸入和輸出信息進(jìn)行交互。

4.網(wǎng)絡(luò)控制的運(yùn)行調(diào)試和效果

機(jī)械手設(shè)備和10臺(tái)加工中心連線后，按照之前設(shè)計(jì)規(guī)劃選擇機(jī)械手的操作面板作為人機(jī)交互操作界面，在面板上的機(jī)型選擇界面信息存儲(chǔ)地址在PLC中定義為DB99數(shù)據(jù)塊，按照通信組態(tài)的規(guī)定設(shè)備中的DB222數(shù)據(jù)塊是輸出地址，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)也就是面板上人機(jī)交互信息存儲(chǔ)到DB99數(shù)據(jù)塊之后，只要在PLC程序中將這些信息通過(guò)賦值邏輯給到DB222數(shù)據(jù)塊，這些信息就會(huì)通過(guò)之前建立的SIMATICiMap網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)礁鱾€(gè)加工中心。如圖10所示，紅框圈出的數(shù)字就是機(jī)型對(duì)應(yīng)的編碼，存儲(chǔ)在DB99.DBX0.0首地址數(shù)據(jù)塊中，通過(guò)PLC中MOVE傳輸指令將機(jī)型編碼全部移到DB222地址塊中，10臺(tái)加工中心就會(huì)在本機(jī)中DB221輸入數(shù)據(jù)塊中獲得人機(jī)界面所選擇的機(jī)型編號(hào)并自動(dòng)調(diào)用對(duì)應(yīng)的加工程序，而不需要再手動(dòng)切換，圖10最右邊的面板實(shí)際圖片就是切換成功的反饋信息。如法炮制，其他的邏輯都可以利用每個(gè)設(shè)備的DB221、DB222、DB223這三個(gè)數(shù)據(jù)塊間傳輸網(wǎng)絡(luò)關(guān)系進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)整條線自動(dòng)化控制，達(dá)成10臺(tái)加工中心信息共享的目的。

結(jié)語(yǔ)

PROFINET是目前工業(yè)以太網(wǎng)控制中較流行的一種通信協(xié)議，這里通過(guò)SIMATICiMap軟件在單機(jī)硬件組態(tài)基礎(chǔ)上的進(jìn)行通信組態(tài)，這個(gè)軟件有著操作簡(jiǎn)單、編程組態(tài)相對(duì)獨(dú)立的特點(diǎn)，很快速地實(shí)現(xiàn)了設(shè)備間的控制通信，當(dāng)然以太網(wǎng)還有很多通信方法可以作為設(shè)備間自動(dòng)化解決方案，如OPC、Modbus TCP等。在智能制造飛速發(fā)展的今天將會(huì)有更多運(yùn)用案例，這里做的技術(shù)分析和闡述僅僅為了拋磚引玉，希望對(duì)大家今后工作有所幫助和借鑒。