基于Profinet的切削加工單元智能化改造設計與應用

黃信兵，劉小娟，李春貴

(1.中山職業(yè)技術學院機電工程學院，廣東中山 528400；2. 廣州超遠機電科技有限公司研發(fā)部，廣東廣州 510535)

0 前言

“中國制造2025”深入實施和新冠疫情對制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級產(chǎn)生了積極影響，越來越多傳統(tǒng)的切削加工企業(yè)向自動化、智能化方向發(fā)展，以提升加工效率、提高安全水平、降低對勞動力的過分依賴。在調(diào)研分析的基礎上，從降低成本角度出發(fā)，提出一種基于Profinet工業(yè)以太網(wǎng)的切削加工單元智能化改造設計方案。

1 改造設計方案

待升級改造的切削加工單元包含數(shù)控車床、加工中心，智能化改造設計方案以PLC為控制核心，以工業(yè)機器人為工件搬運執(zhí)行單元，以HMI為顯示、控制操作單元。工業(yè)機器人代替人工給機床上下料，生產(chǎn)人員在加工區(qū)域外通過HMI操作和監(jiān)控，實現(xiàn)生產(chǎn)流程的自動化、智能化。由于遠程I/O模塊在成本節(jié)約、配線簡化、可靠性提高等方面具有優(yōu)勢，工業(yè)機器人、數(shù)控車床、加工中心的信號數(shù)據(jù)均由華太SmartLink遠程I/O模塊通過Profinet工業(yè)以太網(wǎng)與PLC進行交換，具體連接關系如圖1所示。

圖1 智能化切削加工單元連接示意

2 硬件結構

2.1 遠程I/O模塊

遠程I/O模塊由Profinet適配器FR8210、8通道數(shù)字量輸入模塊FR1108、8通道數(shù)字量輸出模塊FR2108組成，F(xiàn)R1108、FR2108模塊個數(shù)根據(jù)實際情況確定。數(shù)控車床、加工中心、工業(yè)機器人的遠程I/O模塊接線分別如圖2、圖3、圖4所示。由于遠程I/O要進行Profinet組態(tài)，需要在西門子PLC編程軟件中安裝第三方設備FR8210的設備描述文件SmartLink GSD文件，如圖5所示。FR1108、FR2108的I/O地址在硬件組態(tài)時設定，F(xiàn)R1108公共端電壓為24 V，F(xiàn)R2108公共端電壓為0 V。

圖2 數(shù)控車床遠程I/O模塊信號連接

圖3 加工中心遠程I/O模塊信號連接

圖4 工業(yè)機器人遠程I/O模塊信號連接

圖5 已安裝的SmartLink GSD文件

2.2 硬件組態(tài)

完成硬件連接后，在TIA V14 SP1軟件中進行硬件組態(tài),如圖6所示，并對遠程I/O的參數(shù)進行設置,如圖7—圖9所示。圖7中數(shù)控車床遠程I/O模塊FR1108的地址為(I2.0～I2.7)，F(xiàn)R2108的地址為(Q2.0～Q2.7)。圖8中加工中心遠程I/O模塊FR1108的地址為(I3.0～I3.7)。FR2108的地址為(Q3.0～Q3.7)；圖9中工業(yè)機器人遠程I/O模塊FR1108的地址為(I4.0～I5.7)，F(xiàn)R2108的地址為(Q4.0～Q4.7)。

圖6 硬件網(wǎng)絡組態(tài)

圖7 數(shù)控車床遠程I/O模塊地址分配 圖8 加工中心遠程I/O模塊地址分配

圖9 工業(yè)機器人遠程I/O模塊地址分配

3 軟件系統(tǒng)設計

3.1 HMI界面設計

HMI是人機交互的接口，主要用于控制工業(yè)機器人、數(shù)控車床、加工中心相關動作，同時顯示它們的相關狀態(tài)。根據(jù)切削加工單元智能化改造需求，在HMI上設計首頁、工業(yè)機器人操作、車床操作、加工中心操作等4個界面，具體如圖10所示。將HMI中按鈕、指示燈與相應的PLC變量相連接，實現(xiàn)PLC與HMI的數(shù)據(jù)交換。

圖10 HMI界面設計

3.2 PLC與工業(yè)機器人數(shù)據(jù)交換程序流程

PLC與工業(yè)機器人的數(shù)據(jù)交換主要是PLC接收工業(yè)機器人發(fā)出的動作請求，控制數(shù)控車床、加工中心的卡盤、安全門打開、關閉，啟動/暫停機床等，同時將數(shù)控車床、加工中心的狀態(tài)反饋給工業(yè)機器人，以便工業(yè)機器人執(zhí)行相應的動作，具體如圖11所示。工業(yè)機器人和PLC之間的部分數(shù)據(jù)交換采用握手形式，如工業(yè)機器人請求PLC打開/關閉車床卡盤，只有當工業(yè)機器人收到車床卡盤打開/關閉狀態(tài)信號后，才進行下一步動作，從而避免出現(xiàn)工業(yè)機器人與機床碰撞等“撞機”事故。

圖11 PLC與工業(yè)機器人數(shù)據(jù)交換程序流程

3.3 PLC與數(shù)控機床數(shù)據(jù)交換程序流程

PLC與數(shù)控車床、加工中心的數(shù)據(jù)交換用于根據(jù)車床、加工中心的狀態(tài)判斷是否可以給車床、加工中心上料、下料，打開/關閉車床卡盤、加工中心夾具，并啟動車床、加工中心加工。數(shù)控車床放料允許、取料允許、啟動運行、暫停、卡盤操作的程序結構如圖12所示。

圖12 數(shù)控車床主要PLC程序

3.4 工業(yè)機器人程序流程

工業(yè)機器人主要工作是料盤取料、車床上料、車床下料、加工中心上料、加工中心下料、料盤放料，起搬運作用。其中，工業(yè)機器人車床上料的程序流程如圖13所示。

圖13 工業(yè)機器人車床上料的程序流程

4 應用分析

切削加工單元的智能化改造設計方案已在企業(yè)應用實踐，實施前后對比情況如表1所示。可以看出，采用切削加工單元智能化生產(chǎn)可有效提升人員的安全性、減輕人員勞動強度、降低對人力的依賴性，提升企業(yè)的軟實力和競爭力。

表1 切削加工單元智能化改造方案實施前后對比情況

5 結論

(1)對傳統(tǒng)的數(shù)控車床、加工中心等切削加工單元進行智能化改造，符合當前我國制造業(yè)生產(chǎn)過程向自動化、智能化發(fā)展的趨勢，有助于我國制造業(yè)的高質(zhì)量、高水平發(fā)展。

(2)對企業(yè)現(xiàn)有的數(shù)控車床、加工中心等切削加工單元進行智能化改造，投入小、成本低，減輕了企業(yè)的資金壓力。

(3)對切削加工單元進行智能化改造，降低了企業(yè)對人員的數(shù)量需求，從而提升企業(yè)對新冠疫情等突發(fā)狀況后復工復產(chǎn)的應對能力，促進企業(yè)和當?shù)亟?jīng)濟及社會發(fā)展。