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摘要：結(jié)合變速器工廠的自動化制造實際情況，從技術層面詳細闡述如何應用PROFINET網(wǎng)絡技術，來解決加工中心機床和桁架機械手的連線控制以及設備間的指令信息交互，最終構(gòu)建加工中心數(shù)控自動化生產(chǎn)線。

關鍵字：工業(yè)以太網(wǎng)；PROFINET通信協(xié)議；硬件組態(tài)；通信組態(tài)

1序言

傳統(tǒng)意義上的機械加工都是單臺數(shù)控機床進行切削生產(chǎn)，但隨著機械加工零件的復雜化，往往需要幾臺數(shù)控機床按工序規(guī)劃進行先后加工。如果每道工序的數(shù)控機床都是獨立運行，這無形中必定會產(chǎn)生過程之間的轉(zhuǎn)運成本，且存在人工上下料效率低等問題。隨著制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，工業(yè)體系轉(zhuǎn)型下的網(wǎng)絡自動化控制技術在機械加工中已經(jīng)得到非常廣泛的應用，先進的機械制造工廠都會采用數(shù)控機床聯(lián)網(wǎng)集中控制加工和自動化轉(zhuǎn)運。自動化大批量生產(chǎn)效率高、成本低，是企業(yè)競爭的制勝法寶。我公司作為先進的雙離合變速器生產(chǎn)單位，對于復雜的零部件也會采用各個工序聯(lián)網(wǎng)控制進行自動化連線生產(chǎn)。

2產(chǎn)品生產(chǎn)背景

雙離合變速器殼體三維模型如圖1所示，變速器殼體由鋁合金鑄造而成。為了與變速器內(nèi)組裝的齒輪和齒輪軸零件進行精密配合，并且保證各結(jié)合面精度和密封性要求，需要使用德國進口的加工中心進行高精度加工，按照工序流程劃分為3組。1）前期準備工序：毛坯來料，二維打碼。2）加工過程工序：二維碼的自動識別；機械手抓料；加工中心對雙離合變速器殼體的大小結(jié)合面進行鏜銑，共計271處需加工；加工中心對雙離合變速器殼體側(cè)面孔進行鏜銑，共計163處需加工，3）下線工序：清洗，氣密檢測。經(jīng)過工藝規(guī)劃和節(jié)拍最優(yōu)計算，需要劃分10道工序，每道工序使用1臺加工中心進行生產(chǎn)，加上1個桁架機械手，可以達成年產(chǎn)能近25萬個變速器殼體的規(guī)劃。自動化生產(chǎn)線可全部實現(xiàn)自動化上線和下線，并實現(xiàn)零件自動裝夾和加工。硬件規(guī)劃為線性布局，如圖2所示。雙離合變速器殼體根據(jù)工藝制作規(guī)劃需要10道工序，即10臺加工中心，并會采用橫跨加工中心的抓取和轉(zhuǎn)運桁架機械手來實現(xiàn)自動加工。確定設備硬件設計后，本文將著重從技術層面詳細闡述雙離合變速器殼體的自動化加工通信控制的實現(xiàn)。

3加工中心設備網(wǎng)絡技術分析

由于加工中心本體采用的是西門子840Dsl數(shù)控系統(tǒng)，其數(shù)控系統(tǒng)控制單元NCU720.3內(nèi)核集成了西門子S7-300的PLC，通信接口包含有PFOFIBUS、PROFINET、以太網(wǎng)，其中PROFINET屬于工業(yè)級通信并且在數(shù)控機床中具有擴展性，所以我們將采用PROFINET進行加工中心和機械手間的連線通信協(xié)議。根據(jù)ISO標準定義OSI七層模型：第1層為物理層，第2層為數(shù)據(jù)鏈路層，第3層為網(wǎng)絡層，第4層為傳輸層，第5層為會話層，第6層為表示層，第7層為應用層，工業(yè)控制運用基本上只會用到前4層的通信層級。其中加工中心集成的PROFINET協(xié)議分為標準數(shù)據(jù)通信和實時數(shù)據(jù)通信，當PROFINET需傳遞實時數(shù)據(jù)時，將越過第4層傳輸層、第3層網(wǎng)絡層去直接連線第2層數(shù)據(jù)層、第1層物理層底的底層網(wǎng)絡層級，采用這樣的方式可大大節(jié)省層級間加載、打包產(chǎn)生的時間。由于實現(xiàn)加工中心線體自動化控制涉及到的功能是建立用戶數(shù)據(jù)并進行交互通信以及各站點診斷數(shù)據(jù)的傳輸，時效性上無需到達實時層級，所以最終采用PROFINET標準數(shù)據(jù)通信方式來建立整個線體的通信關系。

4設備聯(lián)網(wǎng)技術實施和解析

通過分析實際情況，考慮到工廠使用到的德國加工中心硬件接口情況，其控制單元采用西門子數(shù)控產(chǎn)品，并且為了保證來自不同供應商的智能現(xiàn)場設備間的數(shù)據(jù)交換，決定采用SIMATICiMap這種兼容性強的通信協(xié)議去實現(xiàn)各個加工中心與機械手的連線以及集中控制。SIMATICiMap也是由西門子開發(fā)且基于PROFINET的標準通信協(xié)議，通過交換機將10臺加工中心的數(shù)控控制單元NCU720.3和機械手的數(shù)控控制單元NCU720.3雙方的網(wǎng)絡接口X150進行連接，單臺加工中心采用西門子專業(yè)軟件STEP7完成硬件組態(tài)。為了實現(xiàn)連線的加工中心的互相通信，必須在單機組態(tài)基礎上進行以下配置：機械手的NCU720.3和面板可以作為連線的程序調(diào)度中心和人機交互的窗口，為此用STEP7打開機械的硬件組態(tài)，先對其X150接口進行配置和設置，再對X150接口對應的PROFINET在對象屬性中分配命名為“GM4724-01-60”，并激活其CBA通信需求（見圖5），這樣就開通了其PROFINET通信對應的iMap功能。激活通信后最重要的是定義與機床間對應的地址變量。根據(jù)機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、信息輸出、異常報警輸入的接口地址。信息交互模塊設置如圖6所示，依次對DB221、DB222、DB223在分配PN塊的對話框上打鉤，選擇激活和PROFINET屬性兩個選項。定義完成后進行確認并編譯保存，則機械手上的接口設置和對應變量都已完成。為了實現(xiàn)在SIMATICiMap軟件上進行機械手和加工中心各設置接口的對接，需在STEP7軟件中的硬件SIN-GM4724_01_60文件上點擊鼠標右鍵進入創(chuàng)建PROFINET單元的頁面中，產(chǎn)生一個iMap軟件可以識別的cbp文件（見圖7）。機械手設備文件生成后將按照上述方法在10個加工中心進行配置和定義，并產(chǎn)生10個cbp文件。接下來的步驟是將設備間的網(wǎng)絡進行對接，實現(xiàn)通信。本文運用SIMATICiMap軟件實現(xiàn)各機床間的PROFINET通信，該軟件是西門子公司推出的一款基于PROFINET標準下的網(wǎng)絡組態(tài)軟件工具，常用在分布式自動化解決方案上，可實現(xiàn)系統(tǒng)模板之間和生產(chǎn)線機器之間的圖形化通信組態(tài)，其特點是簡單化、開放性好且兼容性強，可對來自不同供應商的PROFINET設備進行通信組態(tài)。首先，啟動SIMATICiMap軟件將10個工序的加工中心和機械手設備的cbp文件導入，導入過程如圖8所示。成功完成數(shù)據(jù)導入后，則需進行通信組態(tài)，將之前STEP7中定義的輸入和輸出地址進行一一對應的通信連接，在軟件中設置匹配后對接地址將會產(chǎn)生同一通信編號。通信連接根據(jù)規(guī)劃按照以下原則進行設定：SIN-GM4724_01_60機械手設備定義的DB222輸出地址與10臺加工中心的DB221的輸入地址一一對應；10臺加工中心的DB222的輸出地址與SIN-GM4724_01_60機械手設備DB221的輸入地址一一對應；10臺加工中心的DB223診斷輸出地址則需一一對應SIN-GM4724_01_60機械手設備的DB223診斷輸入地址。另外需要注意，10臺加工中心已經(jīng)在STEP7中定義了設備名稱，是從SIN-GM4724_01_01到SIN-GM4724_01_10，由cbp文件導入SIMATICiMap軟件后默認顯示STEP7中設置的設備名稱。對應的設備地址都建立聯(lián)系后，就完成了通信設置。將STEP7配置的硬件組態(tài)和SIMATICiMap軟件的通信組態(tài)都進行編譯后，需通過以太網(wǎng)接口從編程電腦逐一下載到設備中，這樣10臺加工中心和機械手設備都真正建立了通信，可以在設備間輸入和輸出信息進行交互。機械手設備和10臺加工中心連線后，按照之前的設計規(guī)劃，選擇機械手的操作面板作為人機交互操作界面。在面板上的機型選擇界面，信息存儲地址在PLC中定義為DB99數(shù)據(jù)塊，按照通信組態(tài)的規(guī)定，設備中的DB222數(shù)據(jù)塊是輸出地址，簡單來說也就是面板上人機交互信息存儲到DB99數(shù)據(jù)塊之后，只要在PLC程序中將這些信息通過賦值邏輯給到DB222數(shù)據(jù)塊，這些信息就會通過之前建立的iMap網(wǎng)絡傳輸?shù)礁鱾€加工中心?，F(xiàn)場實際情況中信息交互如圖10所示，紅框圈出的數(shù)字就是機型對應的編碼，存儲在DB99.DBX0.0首地址數(shù)據(jù)塊中，通過PLC中MOVE傳輸指令將機型編碼全部移到DB222地址塊中，10臺加工中心就會在本機的DB221輸入數(shù)據(jù)塊中獲得人機界面所選擇的機型編號并自動調(diào)用對應的加工程序，而不需要再手動切換。圖10中最右側(cè)的面板實際就是切換成功的反饋信息。同理，其他的邏輯都可以利用每個設備的DB221、DB222、DB223這3個數(shù)據(jù)塊間的傳輸網(wǎng)絡關系進行設計，從而實現(xiàn)整條生產(chǎn)線的自動化控制。

5設備抓取和加工調(diào)試

經(jīng)過以上網(wǎng)絡配置，桁架機械手與10臺加工中心建立了信息通信，下一步就進入調(diào)試階段，主要分為機械位置調(diào)試和加工程序調(diào)試。對于自動抓取的調(diào)試，首先需要將機械手在變速器殼體的抓取位置調(diào)節(jié)到合適的機械抓取點，然后將此時的屏幕顯示的X、Y軸坐標值寫入到自動抓取程序?qū)腦、Y軸軌跡變量中。以此類推，逐一校準10個加工中心的放置位置并記錄到程序的X、Y軸的軌跡變量中，即可完成位置校準。對于加工程序的調(diào)試，每臺加工中心都新建變速器的加工子程序，其名稱可以定義為process后面加數(shù)字的形式，這樣可以采用后接的數(shù)字來代表不同產(chǎn)品機型，例如用4表示SEM機型。在加工中心主程序上統(tǒng)一調(diào)用新建的加工子程序，調(diào)用指令中將子程序名字定義為process后加變量NO.的形式，以便通過NO.變量的數(shù)字變化實現(xiàn)程序自動調(diào)用不同機型加工程序的目的。以選擇4號機型TYP4SEM為例，選擇界面如圖11所示。通過機械手中的DB信息塊將機型TYP4編譯成代碼4傳輸?shù)矫颗_加工中心設備上，加工中心的數(shù)據(jù)DB信息塊接收到網(wǎng)絡傳輸?shù)慕Y(jié)果后，可將DB信息塊中數(shù)字結(jié)果賦值到程序變量NO.中，加工主程序中process后加變量NO.調(diào)用指令就可識別出調(diào)用子程序結(jié)果，從而可以自動調(diào)用對應的機型加工子程序，進行切削加工。經(jīng)過關鍵的機械位置和加工程序的調(diào)試后，加工中心線體滿足自動加工的條件。

6結(jié)束語

經(jīng)過嚴謹?shù)奈恢煤统绦蛘{(diào)試，加工中心自動化線體進行了批量生產(chǎn)，并圓滿交付使用，車間符合預期要求。本自動化案例采用的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，并結(jié)合了SIMATICiMap軟件在單機硬件組態(tài)基礎上進行通信組態(tài)的方式。選用iMap軟件是因為其操作簡單，編程組態(tài)相對獨立，通過相關協(xié)議和特有軟件的結(jié)合，可快速實現(xiàn)設備間的控制通信，總體來講運行時相當穩(wěn)定。當然以太網(wǎng)還有很多通信方法可以作為設備間的自動化解決方案，如OPC、ModbusTCP等，在智能制造飛速發(fā)展的今天，將會有更多應用案例，希望本文對大家今后的工作有所幫助和借鑒。

參考文獻：

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[2]段禮才．西門子S7-1200PLC編程及使用指南[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2018．

作者：王俊青   單位：麥格納動力總成（江西）有限公司