自動化網絡控制技術在殼體加工中的運用和實踐

格特拉克（江西）傳動系統有限公司 江西南昌 330013

在制造行業中，傳統意義上的機械加工都是單臺數控機床進行切削生產。隨著機械加工行業中零件的工序復雜化，一個零件往往需要幾臺數控機床按工序規劃進行先后加工，如果每道工序的數控機床都是獨立運行，必定會加大過程之間的轉運成本以及產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，工業體系轉型下的網絡自動化控制在機械加工中已經運用非常廣泛，先進的機械制造工廠都會采用數控機床聯網，集中控制加工和自動化轉運。格特拉克作為先進的雙離合變速器生產企業，對于復雜的零部件也會對各個工序聯網控制進行自動化連線生產。

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”）。變殼采用鋁材質鑄造而成，需要與變速器內要組裝的齒輪和齒輪軸零件配合，并且還要保證各結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合面進行鏜銑作業，共計271處需加工，加工中心對變殼側面孔進行鏜銑作業，共計163處需加工。

（3）下線工序 包括清洗和氣密檢測。經過工藝規劃和節拍最優計算需要劃分10道工序，每道工序使用1臺加工中心進行生產，加上一個桁架機械手硬件，可以達成線體年產能近25萬個變殼的規劃，這樣的自動化線體可以全部實現自動化上線和下線，并擁有對零件的自動裝夾和進行自動加工的功能。

設備硬件規劃如圖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品根據工藝制作規劃需要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運桁架機械手來實現自動連線加工。在設備硬件上設計確定后，將從技術層面詳細分析和闡述變殼產品自動化加工通信控制是如何實現的。

網絡條件

變速器的殼體在汽車行業上都會采用復合型加工中心進行制造，運用的加工中心設備本體采用的是西門子840D SL數控系統，其數控系統控制單元NCU720.3，內核集成了西門子S7-300的PLC，其通信接口包含有PFOFIBUS、PROFINET及“以太網”。

PROFINET屬于工業級通信并且在數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議。根據ISO標準定義OSI七層模型，這七層分別為：①物理層，②數據鏈路層，③網絡層，④網絡層，⑤會話層，⑥表示層，⑦應用層。工業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協議分為標準數據通信、實時數據通信[1]。當PROFINET需傳遞實時數據時，將采用越過4層網絡層、3層網絡層兩個網絡層級去直接連線2層數據層、1層物理層底的底層網絡層級，采用這樣的方式將會大大節約層級間存在的加載、打包產生的時長，由于實現加工中心線體自動化控制涉及到的功能，是建立用戶數據并進行交互通信以及各站點診斷數據傳輸，因為時效性上無需到達實時層級，所以會采用PROFINET標準數據通信方式來建立整個線體的通信。如圖3所示直觀展示PROFINET傳輸過程關系。

技術實施

1.SIMATICiMap軟件

SIMATICiMap軟件是西門子公司開發的，基于PLC應用程序中涉及CPU之間網絡通信的設計軟件。SIMATICiMap 也是基于PROFINET和PROFIBUS International（PNO）的標準通信協議進行通信設計的，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 和工業以太網的硬件[2]。為此在分布式自動化解決方案中，主要運用于組態通信，設計各PROFINET標準接口的系統模板之間或者生產線機器之間的通信組態，并建立實際通信關系，其優點是開放性強，可以實現不同制造商間PROFINET設備間通信；圖形化組態，SIMATICiMap 通信組態簡便，采用拖動設備的技術功能接口的方式定義通信關系。鑒于SIMATICiMap軟件諸多優點并結合所用到的德國加工中心硬件接口實際情況，首先加工中心設備的控制單元采用西門子數控產品，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商的智能現場設備間的數據交換，將采用SIMATICiMap 這種兼容性強的通信協議去實現各個加工中心與機械手連線以及集中控制和數據交互通信。

2.設備網絡硬件組態和接口定義

硬件上網絡連接通過交換機，將10臺加工中心的數控控制單元NCU720.3網絡接口和機械手的數控控制單元NCU720.3雙方的網絡接口X150進行連接，單臺加工中心會采用西門子專業軟件STEP7的PLC編程軟件完成硬件組態，如圖4所示。

為了在連線的加工中心之間實現互相通信，必須在單機組態基礎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，先對其X150接口進行配置和設置，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iMap功能。其次在激活通信后，最重要的是定義與機床間對應的地址變量，根據機床已有的變量使用情況，可以將空余的背景數據塊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，機械手上的接口設置和對應變量都已經完成，最后為了實現在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建PROFINET單元的頁面中，產生一個iMap軟件可以識別的cbp文件，機械手設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10個cbp文件，接下來步驟是將設備間的網絡進行對接，實現通信。

3.通信組態的搭建

這里將運用SIMATICiMap軟件實現各機床間的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備的cbp文件導入，導入過程如圖8所示。成功完成數據導入后則需進行通信組態，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，如圖9所示，在軟件中設置匹配后對接地址將會產生同一通信編號，通信連接根據規劃按照以下原則進行設定，將SIN-GM4724_01_60機械手設備定義的DB222輸出地址，去一一對應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SIN-GM4724_01_60機械手設備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SIN-GM4724_01_60機械手設備的DB223診斷輸入地址。另外，10臺加工中心已經在STEP7中定義了設備名稱，從SIN-GM4724_01_01到SIN-GM4724_01_10，這里由cbp文件導入SIMATICiMap軟件后默認顯示STEP7設置的設備名稱。這樣對應的設備地址就都建立了聯系，完成了通信設置。將STEP7配置的硬件組態和SIMATICiMap軟件的通信組態都進行編譯后，需通過以太網接口從編程電腦中一一下載到設備中，這樣10臺加工中心和機械手設備都真正建立通信，可以設備間輸入和輸出信息進行交互。

4.網絡控制的運行調試和效果

機械手設備和10臺加工中心連線后，按照之前設計規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數據塊，按照通信組態的規定設備中的DB222數據塊是輸出地址，簡單來說也就是面板上人機交互信息存儲到DB99數據塊之后，只要在PLC程序中將這些信息通過賦值邏輯給到DB222數據塊，這些信息就會通過之前建立的SIMATICiMap網絡傳輸到各個加工中心。如圖10所示，紅框圈出的數字就是機型對應的編碼，存儲在DB99.DBX0.0首地址數據塊中，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輸入數據塊中獲得人機界面所選擇的機型編號并自動調用對應的加工程序，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備的DB221、DB222、DB223這三個數據塊間傳輸網絡關系進行設計，從而實現整條線自動化控制，達成10臺加工中心信息共享的目的。

結語

PROFINET是目前工業以太網控制中較流行的一種通信協議，這里通過SIMATICiMap軟件在單機硬件組態基礎上的進行通信組態，這個軟件有著操作簡單、編程組態相對獨立的特點，很快速地實現了設備間的控制通信，當然以太網還有很多通信方法可以作為設備間自動化解決方案，如OPC、Modbus TCP等。在智能制造飛速發展的今天將會有更多運用案例，這里做的技術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。