格特拉克（江西）傳動系統(tǒng)有限公司 江西南昌 330013

在制造行業(yè)中，傳統(tǒng)意義上的機械加工都是單臺數(shù)控機床進行切削生產(chǎn)。隨著機械加工行業(yè)中零件的工序復(fù)雜化，一個零件往往需要幾臺數(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，必定會加大過程之間的轉(zhuǎn)運成本以及產(chǎn)生人工上下料效率低下等問題。

隨著“中國制造2025”的日益臨近，工業(yè)體系轉(zhuǎn)型下的網(wǎng)絡(luò)自動化控制在機械加工中已經(jīng)運用非常廣泛，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。格特拉克作為先進的雙離合變速器生產(chǎn)企業(yè)，對于復(fù)雜的零部件也會對各個工序聯(lián)網(wǎng)控制進行自動化連線生產(chǎn)。

工序概述

汽車動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（以下簡稱“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，因此必須使用德國進口的加工中心進行精密加工，按照工序流程劃分為前期準備工序、加工過程工序以及下線工序。

（1）前期準備工序 包括毛坯來料、二維打碼。

（2）加工過程工序 包括二維碼的自動識別、機械手抓料、加工中心對雙離合變速器的變殼的大小結(jié)合面進行鏜銑作業(yè)，共計271處需加工，加工中心對變殼側(cè)面孔進行鏜銑作業(yè)，共計163處需加工。

（3）下線工序 包括清洗和氣密檢測。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)，加上一個桁架機械手硬件，可以達成線體年產(chǎn)能近25萬個變殼的規(guī)劃，這樣的自動化線體可以全部實現(xiàn)自動化上線和下線，并擁有對零件的自動裝夾和進行自動加工的功能。

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)自動連線加工。在設(shè)備硬件上設(shè)計確定后，將從技術(shù)層面詳細分析和闡述變殼產(chǎn)品自動化加工通信控制是如何實現(xiàn)的。

網(wǎng)絡(luò)條件

變速器的殼體在汽車行業(yè)上都會采用復(fù)合型加工中心進行制造，運用的加工中心設(shè)備本體采用的是西門子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)級通信并且在數(shù)控機床中具有擴展性，為此將采用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，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會話層，⑥表示層，⑦應(yīng)用層。工業(yè)控制運用基本上多只會用到前四層級的通信，其中加工中心集成的PROFINET協(xié)議分為標準數(shù)據(jù)通信、實時數(shù)據(jù)通信[1]。當PROFINET需傳遞實時數(shù)據(jù)時，將采用越過4層網(wǎng)絡(luò)層、3層網(wǎng)絡(luò)層兩個網(wǎng)絡(luò)層級去直接連線2層數(shù)據(jù)層、1層物理層底的底層網(wǎng)絡(luò)層級，采用這樣的方式將會大大節(jié)約層級間存在的加載、打包產(chǎn)生的時長，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)傳輸，因為時效性上無需到達實時層級，所以會采用PROFINET標準數(shù)據(jù)通信方式來建立整個線體的通信。如圖3所示直觀展示PROFINET傳輸過程關(guān)系。

技術(shù)實施

1.SIMATICiMap軟件

SIMATICiMap軟件是西門子公司開發(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)計軟件。SIMATICiMap 也是基于PROFINET和PROFIBUS International（PNO）的標準通信協(xié)議進行通信設(shè)計的，并且軟件中可對西門子各類PROFINET 硬件進行通信連接搭建并兼容來自不同制造商的TCP/IP 和工業(yè)以太網(wǎng)的硬件[2]。為此在分布式自動化解決方案中，主要運用于組態(tài)通信，設(shè)計各PROFINET標準接口的系統(tǒng)模板之間或者生產(chǎn)線機器之間的通信組態(tài)，并建立實際通信關(guān)系，其優(yōu)點是開放性強，可以實現(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)簡便，采用拖動設(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)點并結(jié)合所用到的德國加工中心硬件接口實際情況，首先加工中心設(shè)備的控制單元采用西門子數(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，為了保證來自不同供應(yīng)商的智能現(xiàn)場設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換，將采用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)連接通過交換機，將10臺加工中心的數(shù)控控制單元NCU720.3網(wǎng)絡(luò)接口和機械手的數(shù)控控制單元NCU720.3雙方的網(wǎng)絡(luò)接口X150進行連接，單臺加工中心會采用西門子專業(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現(xiàn)互相通信，必須在單機組態(tài)基礎(chǔ)上進行以下接口配置和定義，對于機械手的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，首先使用STEP7的PLC編程軟件打開機械的硬件組態(tài)，先對其X150接口進行配置和設(shè)置，再對X150接口軟件中PROFINET通信線上的對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，這樣就開通其PROFINET通信對應(yīng)iMap功能。其次在激活通信后，最重要的是定義與機床間對應(yīng)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、其他加工中心的信息輸出、其他加工中心的異常報警輸入的接口地址，并將DB221、DB222、DB223依次在如圖6所示的右側(cè)分配PN塊的對話框上打鉤來選擇激活和PROFINET屬性兩選項，定義完成后進行確認后編譯保存，機械手上的接口設(shè)置和對應(yīng)變量都已經(jīng)完成，最后為了實現(xiàn)在SIMATICiMap軟件上進行機械手和加工中心各設(shè)置接口的對接，需在STEP7軟件上按照如圖7所示，在硬件SIN-GM4724_01_60文件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，機械手設(shè)備文件生成后將按照上述方法在10個加工中心上進行配置和定義并生產(chǎn)10個cbp文件，接下來步驟是將設(shè)備間的網(wǎng)絡(luò)進行對接，實現(xiàn)通信。

3.通信組態(tài)的搭建

這里將運用SIMATICiMap軟件實現(xiàn)各機床間的PROFINET通信。cbp文件作為通信搭建的源代碼將集中歸檔到一個文件夾中，準備工作完成后，啟動SIMATICiMap軟件，將10個工序的加工中心和機械手設(shè)備的cbp文件導(dǎo)入，導(dǎo)入過程如圖8所示。成功完成數(shù)據(jù)導(dǎo)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(yīng)的通信連接，如圖9所示，在軟件中設(shè)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(shè)定，將SIN-GM4724_01_60機械手設(shè)備定義的DB222輸出地址，去一一對應(yīng)10臺加工中心的DB221的輸入地址，10臺加工中心的DB222的輸出地址則需一一對應(yīng)SIN-GM4724_01_60機械手設(shè)備DB221是輸入地址，10臺加工中心的DB223診斷輸出地址則需一一對應(yīng)SIN-GM4724_01_60機械手設(shè)備的DB223診斷輸入地址。另外，10臺加工中心已經(jīng)在STEP7中定義了設(shè)備名稱，從SIN-GM4724_01_01到SIN-GM4724_01_10，這里由cbp文件導(dǎo)入SIMATICiMap軟件后默認顯示STEP7設(shè)置的設(shè)備名稱。這樣對應(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)都進行編譯后，需通過以太網(wǎng)接口從編程電腦中一一下載到設(shè)備中，這樣10臺加工中心和機械手設(shè)備都真正建立通信，可以設(shè)備間輸入和輸出信息進行交互。

4.網(wǎng)絡(luò)控制的運行調(diào)試和效果

機械手設(shè)備和10臺加工中心連線后，按照之前設(shè)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(shè)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SIMATICiMap網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)礁鱾€加工中心。如圖10所示，紅框圈出的數(shù)字就是機型對應(yīng)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中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(yīng)的加工程序，而不需要再手動切換，圖10最右邊的面板實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設(shè)備的DB221、DB222、DB223這三個數(shù)據(jù)塊間傳輸網(wǎng)絡(luò)關(guān)系進行設(shè)計，從而實現(xiàn)整條線自動化控制，達成10臺加工中心信息共享的目的。

結(jié)語

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SIMATICiMap軟件在單機硬件組態(tài)基礎(chǔ)上的進行通信組態(tài)，這個軟件有著操作簡單、編程組態(tài)相對獨立的特點，很快速地實現(xiàn)了設(shè)備間的控制通信，當然以太網(wǎng)還有很多通信方法可以作為設(shè)備間自動化解決方案，如OPC、Modbus TCP等。在智能制造飛速發(fā)展的今天將會有更多運用案例，這里做的技術(shù)分析和闡述僅僅為了拋磚引玉，希望對大家今后工作有所幫助和借鑒。