基于WINCC和視覺系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)控柔性加工

戴俊良 曾 豪 凌 旭 張冠勇

（湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412000）

0 引言

隨著用戶個(gè)性化需求的增長，實(shí)際生產(chǎn)中的定制化要求也越來越多，這對(duì)自動(dòng)化程度高的數(shù)控加工系統(tǒng)來說是個(gè)不小的挑戰(zhàn)［1］。數(shù)控加工產(chǎn)線要能適應(yīng)小批量、多品種的生產(chǎn)模式，使其能夠滿足柔性加工的生產(chǎn)要求［2］。在數(shù)控加工中，不同產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的加工程序是不一樣的，因此數(shù)控系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)柔性加工，就要依據(jù)不同的產(chǎn)品信息實(shí)現(xiàn)自動(dòng)選擇對(duì)應(yīng)的加工程序。此環(huán)節(jié)存在兩個(gè)問題：一是產(chǎn)品信息的識(shí)別；二是識(shí)別后的產(chǎn)品信息傳遞。目前，數(shù)控機(jī)床自身不具備產(chǎn)品信息的識(shí)別，只能在外圍設(shè)備識(shí)別后再傳遞信息。而隨著圖像處理技術(shù)和相機(jī)技術(shù)的發(fā)展，視覺系統(tǒng)的功能也變得非常齊全，能夠方便快捷地實(shí)現(xiàn)對(duì)各類信息的識(shí)別，同時(shí)具有強(qiáng)大的通信功能，能將獲取到的信息傳遞給PLC、機(jī)器人等設(shè)備。因此，可考慮采用視覺系統(tǒng)來解決產(chǎn)品信息識(shí)別過程中存在的問題。由于數(shù)控機(jī)床的通信功能受限，無法將視覺系統(tǒng)獲取到的產(chǎn)品信息直接傳遞給數(shù)控機(jī)床，而數(shù)控機(jī)床可通過OPC UA和WINCC進(jìn)行通信，WINCC又可讀取PLC的變量信息，視覺系統(tǒng)也能和PLC進(jìn)行通信，所以可考慮用WINCC來解決視覺系統(tǒng)識(shí)別產(chǎn)品信息后的傳遞問題。因此，研究WINCC、視覺系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床的集成，將有助于解決數(shù)控柔性加工中的關(guān)鍵問題。

1 硬件架構(gòu)及原理

數(shù)控機(jī)床采用的是由西門子公司生產(chǎn)的三軸銑床，加工動(dòng)作由數(shù)控系統(tǒng)控制，數(shù)控系統(tǒng)為西門子SINUMERIK 828D系統(tǒng)，其含有支持OPC UA通信的網(wǎng)口［3-4］。通過該網(wǎng)口，數(shù)控系統(tǒng)可借助交換機(jī)和PC端的WINCC進(jìn)行通信。

視覺系統(tǒng)采用歐姆龍生產(chǎn)的FZ-SC彩色CCD相機(jī)，并結(jié)合歐姆龍F(tuán)H-L550處理器，對(duì)產(chǎn)品信息進(jìn)行視覺識(shí)別，通過網(wǎng)口與交換機(jī)進(jìn)行連接，并采用無協(xié)議通信的方式，將識(shí)別到的產(chǎn)品信息發(fā)送給PLC。

PLC采用西門子生產(chǎn)的1212C DC/DC/DC，期支持開放式用戶通信，并借助自帶的網(wǎng)絡(luò)接口與交換機(jī)進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)PLC與視覺系統(tǒng)的信息傳遞。同時(shí)，在PC端配套TIA Portal軟件，集成WINCC功能，PC也連接到交換機(jī)上，通過OPC UA來實(shí)現(xiàn)WINCC與數(shù)控機(jī)床之間的通信。圖1為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件架構(gòu)，其展示了各單元的通信連接。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件架構(gòu)

視覺系統(tǒng)通過拍照的方式來識(shí)別貼在產(chǎn)品上的標(biāo)簽信息［5］。同時(shí)，對(duì)視覺系統(tǒng)進(jìn)行通信設(shè)置，可在PLC端編寫通信程序，視覺系統(tǒng)將獲取到的產(chǎn)品信息傳遞給PLC，PLC將接收到的產(chǎn)品信息通過程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理后，利用變量關(guān)聯(lián)共享給PC端的WINCC，WINCC通過OPC UA將處理后的產(chǎn)品信息發(fā)送給數(shù)控機(jī)床，數(shù)控機(jī)床可根據(jù)此信息來自動(dòng)選擇對(duì)應(yīng)的加工程序，從而實(shí)現(xiàn)柔性定制加工。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

基于圖1中的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件架構(gòu)來設(shè)計(jì)出一組產(chǎn)品標(biāo)簽，標(biāo)簽的具體信息見表1。其中，標(biāo)簽信息中的前8位代表加工日期，第9位代表客戶名稱，第10位代表客戶產(chǎn)品。如樣件1的標(biāo)簽信息為“20220317A1”，即2022年3月17日加工A客戶的1#產(chǎn)品，A客戶的1#產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)要求為加工1個(gè)孔；樣件2對(duì)應(yīng)A客戶的2#產(chǎn)品，其定制的生產(chǎn)要求為加工2個(gè)孔；樣件3對(duì)應(yīng)B客戶的1#產(chǎn)品，其定制的生產(chǎn)要求為加工3個(gè)孔；樣件4對(duì)應(yīng)B客戶的2#產(chǎn)品，其定制的生產(chǎn)要求為加工4個(gè)孔；樣件5對(duì)應(yīng)C客戶的1#產(chǎn)品，其定制的生產(chǎn)要求為加工5個(gè)孔。要求數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)樣件上對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽信息來自動(dòng)選擇對(duì)應(yīng)程序，完成產(chǎn)品的加工，并滿足不同客戶不同產(chǎn)品的定制化要求，從而實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)。

表1 產(chǎn)品信息

2.1 視覺系統(tǒng)識(shí)別產(chǎn)品信息

將表1中的產(chǎn)品信息以二維碼的形式貼在樣件上，并在視覺系統(tǒng)中設(shè)置二維碼識(shí)別的場(chǎng)景和通信協(xié)議。場(chǎng)景選擇標(biāo)簽，框選標(biāo)簽二維碼后，對(duì)參數(shù)視角進(jìn)行測(cè)量，通信輸出選擇以太網(wǎng)。通信設(shè)置時(shí)選擇以太網(wǎng)無協(xié)議（TCP），并設(shè)置IP地址和端口號(hào)，此處的IP地址及端口號(hào)應(yīng)與PLC通信程序的伙伴地址和端口號(hào)一致，數(shù)據(jù)輸出形式為ASCII。圖2為樣件1的標(biāo)簽，從圖2可以看出，通過視覺系統(tǒng)識(shí)別出的樣件產(chǎn)品信息與表1中的信息一致，這說明視覺系統(tǒng)可成功地識(shí)別出產(chǎn)品的信息。

圖2 視覺系統(tǒng)識(shí)別出的產(chǎn)品信息

2.2 PLC從視覺系統(tǒng)接收產(chǎn)品信息

PLC通過通信程序從視覺系統(tǒng)中接收產(chǎn)品信息，并在數(shù)據(jù)處理后，將其共享給WINCC。PLC通過開放式的用戶通信，使用TSEND_C和TRCV_C指令與視覺系統(tǒng)進(jìn)行通信，采用數(shù)組re來接收視覺系統(tǒng)返回的值，數(shù)組大小為16，數(shù)據(jù)類型為字符。圖3為PLC接收到的產(chǎn)品信息。其中，re［0］和re［1］為視覺系統(tǒng)返回?cái)?shù)據(jù)的前綴，re［12］和re［13］為視覺系統(tǒng)返回?cái)?shù)據(jù)的后綴，re［14］和re［15］為預(yù)留的空位，re［2］～re［11］為視覺系統(tǒng)返回的產(chǎn)品信息，圖3為樣件1的產(chǎn)品信息，可以看出為“20220317A1”，與視覺系統(tǒng)所識(shí)別的標(biāo)簽信息一致，這說明視覺系統(tǒng)可將識(shí)別到的產(chǎn)品信息正確無誤地傳遞給PLC。

圖3 PLC從視覺系統(tǒng)接收到的產(chǎn)品信息

2.3 WINCC接收產(chǎn)品信息

PLC通過程序?qū)邮盏降漠a(chǎn)品信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理原則為判定re［10］和re［11］中的值，在給R［1］賦予相應(yīng)值的具體步驟如下：①若re［10］的值為A，且re［11］的值為1，則R［1］被賦予的值為1，即A客戶的1#產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的R［1］值為1；②若re［10］的值為A，且re［11］的值為2，則R［1］被賦予的值為2，即A客戶的2#產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的R［1］值為2；③若re［10］的值為B，且re［11］的值為1，則R［1］被賦予的值為3，即B客戶的1#產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的R［1］值為3；④若re［10］的值為B，且re［11］的值為2，則R［1］被賦予的值為4，即B客戶的2#產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的R［1］值為4；⑤若re［10］的值為C，且re［11］的值為1，則R［1］被賦予的值為5，即C客戶的1#產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的R［1］值為5。同時(shí)，將WINCC變量和PLC中的R［1］變量進(jìn)行關(guān)聯(lián)，即可將PLC中R［1］變量的值傳遞給WINCC。圖4為PLC共享給WINCC的信息，R［1］的值為1，可知對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品信息為“20220317A1”，對(duì)應(yīng)樣件1，即A客戶的1#產(chǎn)品。

2.4 數(shù)控系統(tǒng)獲取產(chǎn)品信息

WINCC通過OPC UA通信協(xié)議，將其產(chǎn)品信息變量關(guān)聯(lián)到數(shù)控系統(tǒng)中的R1參數(shù)，關(guān)聯(lián)地址為“ns=SinumerikVarProvider;s=/Channel/Parameter/R［1］”，以R參數(shù)的形式將獲得的產(chǎn)品信息傳遞給數(shù)控系統(tǒng)，圖5為數(shù)控系統(tǒng)獲得的產(chǎn)品信息，可以看出數(shù)控系統(tǒng)R1接收到的值為1，即對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品信息為“20220317A1”，對(duì)應(yīng)樣件1，即A客戶的1#產(chǎn)品，與圖4中通過WINCC獲得的產(chǎn)品信息一致，這說明WINCC傳遞給數(shù)控系統(tǒng)的產(chǎn)品信息是正確無誤的。

圖4 WINCC獲得的產(chǎn)品信息

圖5 數(shù)控系統(tǒng)獲得的產(chǎn)品信息

2.5 數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)柔性加工

數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)不同的產(chǎn)品信息來自動(dòng)選擇對(duì)應(yīng)的加工程序，即R1的值為1時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)選擇加工1個(gè)孔的程序；R1的值為2時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)選擇選擇加工2個(gè)孔的程序；R1的值為3時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)選擇加工3個(gè)孔的程序；R1的值為4時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)選擇加工4個(gè)孔的程序；R1的值為5時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)選擇加工5個(gè)孔的程序。圖6為根據(jù)視覺系統(tǒng)識(shí)別出來的產(chǎn)品標(biāo)簽信息加工出的樣件，可以看出與產(chǎn)品信息所包含的加工要求一致，這說明視覺系統(tǒng)除了能成功識(shí)別樣件的產(chǎn)品信息外，還能通過PLC、WINCC準(zhǔn)確地將產(chǎn)品信息傳遞給數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)也能根據(jù)對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品信息來選擇正確的程序，并完成加工。

圖6 加工后的樣件

3 結(jié)語

通過硬件搭建，將數(shù)控機(jī)床與PC端的WINCC進(jìn)行連接，同時(shí)PC端又與PLC進(jìn)行連接，可實(shí)現(xiàn)PLC和視覺系統(tǒng)的通信，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，證明該方案可將視覺系統(tǒng)識(shí)別到的產(chǎn)品信息傳遞至數(shù)控機(jī)床，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)獲得的不同產(chǎn)品信息自動(dòng)選擇對(duì)應(yīng)的加工程序，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)控柔性定制加工。