加工中心與工業(yè)機(jī)器人協(xié)同制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)*

馬軍磊，栗偉周，秦 濤

（許昌學(xué)院工程技術(shù)中心，河南 許昌 461000）

伴隨著 “中國制造2025”行動(dòng)綱領(lǐng)的出臺(tái)及我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入新常態(tài)，國家急需培養(yǎng)一批應(yīng)用型、復(fù)合型、創(chuàng)新型人才[1]。在此背景下，智能制造成為學(xué)術(shù)研究熱點(diǎn)，各大高校紛紛購置了數(shù)控機(jī)床、加工中心、工業(yè)機(jī)器人等各種先進(jìn)工業(yè)設(shè)備作為實(shí)訓(xùn)教研平臺(tái)。然而這些先進(jìn)工業(yè)設(shè)備往往是獨(dú)立運(yùn)行的實(shí)訓(xùn)單元，導(dǎo)致一方面實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目方向單一，不能實(shí)現(xiàn)學(xué)科知識(shí)的綜合運(yùn)用，另一方面實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目與企業(yè)真實(shí)生產(chǎn)場景差異較大，難以適應(yīng)企業(yè)對(duì)人才的需求。為了解決上述問題，設(shè)計(jì)了一種基于可編程邏輯控制器 （Programmable Logic Controller，PLC）及LabVIEW上位機(jī)的協(xié)同制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了五軸加工中心和工業(yè)機(jī)器人等高端設(shè)備的協(xié)同工作。通過協(xié)同制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)開發(fā)與應(yīng)用，充分挖掘先進(jìn)工業(yè)設(shè)備效能，提高利用率，同時(shí)有利于培養(yǎng)教師和學(xué)生對(duì)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力。

1 協(xié)同制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的硬件功能與網(wǎng)絡(luò)

1.1 協(xié)同制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)

許昌學(xué)院工程技術(shù)中心在已有設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，設(shè)計(jì)了協(xié)同制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，所用到的主要硬件設(shè)備見第55頁表1。表1中 “原有”表示協(xié)同制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)開發(fā)前已有的硬件設(shè)備，包括NACHI工業(yè)機(jī)器人、KUKA工業(yè)機(jī)器人、DMG五軸加工中心、自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車 （Automated Guided Vehicle，AGV）等；“新增”表示為滿足協(xié)同制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)功能而新增的硬件設(shè)備，包括PLC[2]、上位機(jī)、接駁站、物料中轉(zhuǎn)臺(tái)、物料托盤、電動(dòng)輥道等。其中接駁站、物料中轉(zhuǎn)臺(tái)、物料托盤、電動(dòng)輥道為自主設(shè)計(jì)制作的硬件設(shè)備。第55頁圖1為協(xié)同制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的硬件設(shè)備平面布置圖；第55頁圖2為協(xié)同制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的硬件設(shè)備部件詳圖。

1.2 協(xié)同制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的功能目標(biāo)

1）倉庫管理。由上位機(jī)1、NACHI工業(yè)機(jī)器人和貨架組成。其中上位機(jī)1負(fù)責(zé)監(jiān)視NACHI工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)、顯示貨架的倉儲(chǔ)狀態(tài)以及發(fā)送待抓取物料位置至NACHI工業(yè)機(jī)器人。NACHI工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)物料的抓取、出入庫路徑規(guī)劃，將物料在貨架和接駁站A的定位托盤之間相互轉(zhuǎn)移。

2）加工中心自動(dòng)上下料。由DMG五軸加工中心、KUKA工業(yè)機(jī)器人和物料中轉(zhuǎn)臺(tái)組成。當(dāng)DMG五軸加工中心加工完畢，調(diào)用打開側(cè)門 （用于上下料）指令，側(cè)門打開完畢，通知KUKA工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行上下料程序。KUKA工業(yè)機(jī)器人完成上下料程序后，發(fā)送信號(hào)給DMG五軸加工中心，DMG五軸加工中心接到指令關(guān)閉側(cè)門，進(jìn)行下一輪加工程序。物料中轉(zhuǎn)臺(tái)負(fù)責(zé)暫時(shí)存放毛料和成品。

3）物料交換運(yùn)輸。由PLC控制系統(tǒng)、AGV及電動(dòng)輥道、自主設(shè)計(jì)的接駁站及上位機(jī)2組成。其中PLC控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)接駁站定位托盤、入站/出站限位開關(guān)升降控制，接駁站傳送帶電動(dòng)輥道的正反轉(zhuǎn)控制、AGV的啟停控制、圍欄安全門的開啟控制等。AGV沿著導(dǎo)航磁條行走，將物料在接駁站A、接駁站B間轉(zhuǎn)移。上位機(jī)2主要負(fù)責(zé)監(jiān)控和顯示PLC控制系統(tǒng)及工業(yè)機(jī)器人的相關(guān)信息。

表1 協(xié)同制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的主要硬件設(shè)備一覽表

圖1 協(xié)同制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的硬件設(shè)備平面布置圖

1.3 協(xié)同制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)連接及電氣布線

為了滿足協(xié)同制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)各功能單元內(nèi)部以及功能單元之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的需求，需要將主控設(shè)備 （上位機(jī)、PLC及工業(yè)機(jī)器人）之間用工業(yè)以太網(wǎng)連接[3]，主控設(shè)備與其他設(shè)備之間用控制線連接。第56頁圖3為協(xié)同制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)連接及電氣布線示意圖。從圖3可以清楚地看出各主控設(shè)備與被控設(shè)備之間的控制關(guān)系。需要注意以下4個(gè)方面：一是PLC_A和PLC_B，KUKA工業(yè)機(jī)器人之間通過智能設(shè)備PROFINET i-Device[3]方式進(jìn)行通信，其中PLC_A為主控制器，PLC_B，KUKA工業(yè)機(jī)器人為智能設(shè)備，該方式允許智能設(shè)備的I/O被主控制器和自身控制器同時(shí)控制；二是由于PLC_C安裝于AGV，而AGV是移動(dòng)的，因此PLC_A和PLC_C分別通過485通信接口連接1個(gè)無線透傳模塊，可以直接代替兩臺(tái)PLC之間的有線RS485通信[4]；三是上位機(jī)1和NACHI工業(yè)機(jī)器人之間通過套接字[5]方式進(jìn)行通信；四是上位機(jī)1、上位機(jī)2和PLC_A之間以O(shè)PC[6]方式進(jìn)行通信。

圖2 協(xié)同制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的硬件設(shè)備部件詳圖

2 協(xié)同制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 協(xié)同制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的開發(fā)環(huán)境搭建

協(xié)同制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)包含NACHI工業(yè)機(jī)器人、KUKA工業(yè)機(jī)器人、PLC、上位機(jī)4種硬件設(shè)備，每種硬件設(shè)備配套的程序開發(fā)都需要搭建對(duì)應(yīng)的軟件開發(fā)環(huán)境[7-11]，具體見表2。

2.2 協(xié)同制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)置

1）PLC設(shè)備組態(tài)及PLC之間的 “i-Device”通信設(shè)置。首先，打開TIA Portal V15軟件并新建項(xiàng)目，在項(xiàng)目中添加3個(gè)PLC控制器，分別命名為PLC_A，PLC_B和 PLC_C，分別給 PLC_A和PLC_C控制器添加CM1241（RS422/RS485）通信模塊。其次，雙擊PLC_B，將 “屬性—常規(guī)—操作模式”中的 “I/O設(shè)備”選項(xiàng)勾選， “已分配的控制器”選擇 “PLC_A.PROFINET接口 _1”，并在“傳輸區(qū)域”設(shè)置I/O映射。

圖3 協(xié)同制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)連接及電氣布線示意圖

表2 協(xié)同制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的軟件開發(fā)環(huán)境一覽表

2）PLC和KUKA工業(yè)機(jī)器人之間的 “i-Device”通信設(shè)置。一是TIA Portal V15軟件端設(shè)置。首先，安裝KUKA GSD文件并添加KRC4 GSD設(shè)備，并將該設(shè)備分配給I/O控制器PLC_A。其次，將所有PLC及KRC4 GSD設(shè)備的IP地址均設(shè)置為相同的網(wǎng)段，與KUKA工業(yè)機(jī)器人的IP地址網(wǎng)段保持一致。圖4為完成后的PLC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)視圖。二是WorkVisual軟件端設(shè)置。首先，將PC和KUKA工業(yè)機(jī)器人控制器的 “KLI網(wǎng)口”用網(wǎng)線連接，并將PC的IP地址網(wǎng)段設(shè)置為與KUKA工業(yè)機(jī)器人相同的網(wǎng)段。其次，打開WorkVisual軟件，點(diǎn)擊 “查找”，將KUKA工業(yè)機(jī)器人控制器中的項(xiàng)目信息載入項(xiàng)目并激活。再次，在 “總線結(jié)構(gòu)”中添加PROFINET，然后在右鍵點(diǎn)擊 “PROFINET I/O”，選擇 “添加”選項(xiàng)，選擇添加KRC4-ProfiNet_3.2，并設(shè)置PROFINET I/O的IP地址及設(shè)備名稱，注意要與TIA Portal V15軟件端設(shè)置的一致。最后，與KUKA工業(yè)機(jī)器人的I/O進(jìn)行鏈接。

圖4 PLC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)視圖

完成步驟1）和2）后，再配合相應(yīng)的控制程序，就可以實(shí)現(xiàn)以PLC_A為主控制器、PLC_B和KRC4 GSD設(shè)備為智能設(shè)備的PROFINET I/O通信。

3）上位機(jī)和PLC_A之間的OPC通信設(shè)置。

一是TIA Portal V15軟件端設(shè)置。首先，雙擊PLC_A查看其屬性，在 “常規(guī)—防護(hù)與安全—連接機(jī)制”選項(xiàng)中，勾選 “允許來自遠(yuǎn)程對(duì)象的PUTIGET通信訪問”選項(xiàng)。其次，在PLC程序中，需要被上位機(jī)訪問的背景數(shù)據(jù)塊屬性中的 “優(yōu)化的塊訪問”選項(xiàng)應(yīng)取消勾選，并重新編譯背景數(shù)據(jù)塊，以便獲取背景數(shù)據(jù)的絕對(duì)地址。圖5為OPC通信PLC端設(shè)置。

圖5 OPC通信PLC端設(shè)置

二是OPC Server設(shè)置。首先，打開OPC Servers Configuration，新建通道，設(shè)備驅(qū)動(dòng)選擇“Siemens TCP/IP Ethernet”，網(wǎng)卡選擇連接PLC的網(wǎng)卡，其他項(xiàng)目都選擇默認(rèn)選項(xiàng)。其次，新建設(shè)備，設(shè)備模式選擇S7-1200，ID為PLC_A的IP地址。最后，添加需要監(jiān)控的PLC變量，Name為變量名，Address填寫PLC的變量地址。圖6為OPC Server Device設(shè)置。

圖6 OPC Server Device設(shè)置

三是LabVIEW DSC Module訪問PLC變量設(shè)置。首先，創(chuàng)建LabVIEW項(xiàng)目后，新建一個(gè)I/O Server，在 I/O Server類型中選擇 OPC Client，在OPC Client I/O配置的 “Registered OPC servers”欄選擇 “NationalInstruments.NIOPCServers.V5”選項(xiàng)。其次，創(chuàng)建約束變量。右鍵點(diǎn)擊 “OPC1”，選擇“Create Bound Variables”，將之前 OPC Server中創(chuàng)建的約束變量全部添加到項(xiàng)目中 （見圖7）。最后，將約束變量拖入VI的前面板或程序框圖，就可以像普通變量一樣使用了。

圖7 創(chuàng)建的約束變量

2.3 協(xié)同制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的程序設(shè)計(jì)

協(xié)同制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的程序設(shè)計(jì)涉及多種硬件設(shè)備，它們之間既自成體系又相互關(guān)聯(lián)。第58頁圖8為協(xié)同制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的程序流程圖。從圖8可以看出，工業(yè)機(jī)器人程序設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)、I/O控制程序設(shè)計(jì)、出入庫子程序的編寫與調(diào)用、上下料子程序的編寫與調(diào)用等；PLC程序設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括兩個(gè)接駁站的各種限位開關(guān)程序設(shè)計(jì)、傳送帶的邏輯控制程序設(shè)計(jì)、AGV啟停控制程序設(shè)計(jì)、電動(dòng)輥道正反轉(zhuǎn)控制程序設(shè)計(jì)、485通信程序設(shè)計(jì)等；上位機(jī)程序設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括人機(jī)界面設(shè)計(jì)、下位機(jī)數(shù)據(jù)管理與可視化設(shè)計(jì)、下位機(jī)之間數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)程序設(shè)計(jì)等。

圖8 協(xié)同制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的程序流程圖

3 協(xié)同制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的應(yīng)用

通過協(xié)同制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的建設(shè)，有利于發(fā)揮各硬件設(shè)備功能的協(xié)同效應(yīng)，在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，大大增加了實(shí)訓(xùn)內(nèi)容的廣度和深度。

協(xié)同制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)可以支撐的主要實(shí)訓(xùn)內(nèi)容見表3。從表3可以看出，協(xié)同制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)中各硬件設(shè)備既可以作為獨(dú)立實(shí)訓(xùn)平臺(tái)使用，支撐工業(yè)機(jī)器人操作、PLC編程、機(jī)床加工等基礎(chǔ)性實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目；又可以關(guān)聯(lián)使用，支撐工業(yè)以太網(wǎng)通信、DMG五軸加工中心與工業(yè)機(jī)器人協(xié)同制造、上位機(jī)組態(tài)編程等綜合性實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。同時(shí)，該平臺(tái)具備較強(qiáng)的擴(kuò)展性，能夠提供靈活多變的功能組合，可以作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用，為教師的科學(xué)研究及學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)提供便利。

表3 協(xié)同制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)可以支撐的主要實(shí)訓(xùn)內(nèi)容一覽表

4 結(jié)束語

協(xié)同制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)綜合利用了機(jī)械加工、自動(dòng)控制、工業(yè)以太網(wǎng)、計(jì)算機(jī)編程等技術(shù)，將多種先進(jìn)工業(yè)設(shè)備有機(jī)地結(jié)合起來，形成了一個(gè)自動(dòng)化程度較高、多學(xué)科支撐的協(xié)同制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，有利于學(xué)科知識(shí)的綜合應(yīng)用。自投入使用以來，引起了廣大師生的強(qiáng)烈興趣，不僅支撐了多個(gè)專業(yè)的實(shí)訓(xùn)課程，取得了較好的實(shí)訓(xùn)效果，還在迎接校內(nèi)外專家參觀時(shí)取得了良好的演示效果，受到了廣泛好評(píng)。當(dāng)然，該平臺(tái)還存在較大的改進(jìn)空間，比如可以依靠LabVIEW強(qiáng)大的機(jī)器視覺軟件包，在系統(tǒng)中加入機(jī)器視覺功能，大大增加系統(tǒng)智能化程度。