自动化网络控制技术在壳体加工中的运用和实践

格特拉克（江西）传动系统有限公司 江西南昌 330013

在制造行业中，传统意义上的机械加工都是单台数控机床进行切削生产。随着机械加工行业中零件的工序复杂化，一个零件往往需要几台数控机床按工序规划进行先后加工，如果每道工序的数控机床都是独立运行，必定会加大过程之间的转运成本以及产生人工上下料效率低下等问题。

随着“中国制造2025”的日益临近，工业体系转型下的网络自动化控制在机械加工中已经运用非常广泛，先进的机械制造工厂都会采用数控机床联网，集中控制加工和自动化转运。格特拉克作为先进的双离合变速器生产企业，对于复杂的零部件也会对各个工序联网控制进行自动化连线生产。

工序概述

汽车动力总成中的双离合变速器外壳，是由变速器壳体和离合器壳体组成，其中变速器壳体工序最为复杂。如图1所示，为双离合变速器壳体三维模型（以下简称“变壳”）。变壳采用铝材质铸造而成，需要与变速器内要组装的齿轮和齿轮轴零件配合，并且还要保证各结合面精度和密封性要求，因此必须使用德国进口的加工中心进行精密加工，按照工序流程划分为前期准备工序、加工过程工序以及下线工序。

（1）前期准备工序 包括毛坯来料、二维打码。

（2）加工过程工序 包括二维码的自动识别、机械手抓料、加工中心对双离合变速器的变壳的大小结合面进行镗铣作业，共计271处需加工，加工中心对变壳侧面孔进行镗铣作业，共计163处需加工。

（3）下线工序 包括清洗和气密检测。经过工艺规划和节拍最优计算需要划分10道工序，每道工序使用1台加工中心进行生产，加上一个桁架机械手硬件，可以达成线体年产能近25万个变壳的规划，这样的自动化线体可以全部实现自动化上线和下线，并拥有对零件的自动装夹和进行自动加工的功能。

设备硬件规划如图2所示，加工中心线体平面布局显示为交错型的线性布局，双离合变速器的变壳产品根据工艺制作规划需要10道工序即10台加工中心，并会采用横跨加工中心的抓取和转运桁架机械手来实现自动连线加工。在设备硬件上设计确定后，将从技术层面详细分析和阐述变壳产品自动化加工通信控制是如何实现的。

网络条件

变速器的壳体在汽车行业上都会采用复合型加工中心进行制造，运用的加工中心设备本体采用的是西门子840D SL数控系统，其数控系统控制单元NCU720.3，内核集成了西门子S7-300的PLC，其通信接口包含有PFOFIBUS、PROFINET及“以太网”。

PROFINET属于工业级通信并且在数控机床中具有扩展性，为此将采用PROFINET进行加工中心和机械手间的连线通信协议。根据ISO标准定义OSI七层模型，这七层分别为：①物理层，②数据链路层，③网络层，④网络层，⑤会话层，⑥表示层，⑦应用层。工业控制运用基本上多只会用到前四层级的通信，其中加工中心集成的PROFINET协议分为标准数据通信、实时数据通信[1]。当PROFINET需传递实时数据时，将采用越过4层网络层、3层网络层两个网络层级去直接连线2层数据层、1层物理层底的底层网络层级，采用这样的方式将会大大节约层级间存在的加载、打包产生的时长，由于实现加工中心线体自动化控制涉及到的功能，是建立用户数据并进行交互通信以及各站点诊断数据传输，因为时效性上无需到达实时层级，所以会采用PROFINET标准数据通信方式来建立整个线体的通信。如图3所示直观展示PROFINET传输过程关系。

技术实施

1.SIMATICiMap软件

SIMATICiMap软件是西门子公司开发的，基于PLC应用程序中涉及CPU之间网络通信的设计软件。SIMATICiMap 也是基于PROFINET和PROFIBUS International（PNO）的标准通信协议进行通信设计的，并且软件中可对西门子各类PROFINET 硬件进行通信连接搭建并兼容来自不同制造商的TCP/IP 和工业以太网的硬件[2]。为此在分布式自动化解决方案中，主要运用于组态通信，设计各PROFINET标准接口的系统模板之间或者生产线机器之间的通信组态，并建立实际通信关系，其优点是开放性强，可以实现不同制造商间PROFINET设备间通信；图形化组态，SIMATICiMap 通信组态简便，采用拖动设备的技术功能接口的方式定义通信关系。鉴于SIMATICiMap软件诸多优点并结合所用到的德国加工中心硬件接口实际情况，首先加工中心设备的控制单元采用西门子数控产品，其次线体上辅助工位还存在其他制造商的CPU模块，为了保证来自不同供应商的智能现场设备间的数据交换，将采用SIMATICiMap 这种兼容性强的通信协议去实现各个加工中心与机械手连线以及集中控制和数据交互通信。

2.设备网络硬件组态和接口定义

硬件上网络连接通过交换机，将10台加工中心的数控控制单元NCU720.3网络接口和机械手的数控控制单元NCU720.3双方的网络接口X150进行连接，单台加工中心会采用西门子专业软件STEP7的PLC编程软件完成硬件组态，如图4所示。

为了在连线的加工中心之间实现互相通信，必须在单机组态基础上进行以下接口配置和定义，对于机械手的NCU720.3和面板可以作为连线的程序调度中心和人机交互的窗口，首先使用STEP7的PLC编程软件打开机械的硬件组态，先对其X150接口进行配置和设置，再对X150接口软件中PROFINET通信线上的对象属性分配并命名为“GM4724-01-60”，并激活其CBA通信需求，如图5所示，这样就开通其PROFINET通信对应iMap功能。其次在激活通信后，最重要的是定义与机床间对应的地址变量，根据机床已有的变量使用情况，可以将空余的背景数据块DB221、DB222、DB223分别作为其他加工中心的信息输入、其他加工中心的信息输出、其他加工中心的异常报警输入的接口地址，并将DB221、DB222、DB223依次在如图6所示的右侧分配PN块的对话框上打钩来选择激活和PROFINET属性两选项，定义完成后进行确认后编译保存，机械手上的接口设置和对应变量都已经完成，最后为了实现在SIMATICiMap软件上进行机械手和加工中心各设置接口的对接，需在STEP7软件上按照如图7所示，在硬件SIN-GM4724_01_60文件点击鼠标右键进入创建PROFINET单元的页面中，产生一个iMap软件可以识别的cbp文件，机械手设备文件生成后将按照上述方法在10个加工中心上进行配置和定义并生产10个cbp文件，接下来步骤是将设备间的网络进行对接，实现通信。

3.通信组态的搭建

这里将运用SIMATICiMap软件实现各机床间的PROFINET通信。cbp文件作为通信搭建的源代码将集中归档到一个文件夹中，准备工作完成后，启动SIMATICiMap软件，将10个工序的加工中心和机械手设备的cbp文件导入，导入过程如图8所示。成功完成数据导入后则需进行通信组态，将之前STEP7中定义的输入和输出地址进行一一对应的通信连接，如图9所示，在软件中设置匹配后对接地址将会产生同一通信编号，通信连接根据规划按照以下原则进行设定，将SIN-GM4724_01_60机械手设备定义的DB222输出地址，去一一对应10台加工中心的DB221的输入地址，10台加工中心的DB222的输出地址则需一一对应SIN-GM4724_01_60机械手设备DB221是输入地址，10台加工中心的DB223诊断输出地址则需一一对应SIN-GM4724_01_60机械手设备的DB223诊断输入地址。另外，10台加工中心已经在STEP7中定义了设备名称，从SIN-GM4724_01_01到SIN-GM4724_01_10，这里由cbp文件导入SIMATICiMap软件后默认显示STEP7设置的设备名称。这样对应的设备地址就都建立了联系，完成了通信设置。将STEP7配置的硬件组态和SIMATICiMap软件的通信组态都进行编译后，需通过以太网接口从编程电脑中一一下载到设备中，这样10台加工中心和机械手设备都真正建立通信，可以设备间输入和输出信息进行交互。

4.网络控制的运行调试和效果

机械手设备和10台加工中心连线后，按照之前设计规划选择机械手的操作面板作为人机交互操作界面，在面板上的机型选择界面信息存储地址在PLC中定义为DB99数据块，按照通信组态的规定设备中的DB222数据块是输出地址，简单来说也就是面板上人机交互信息存储到DB99数据块之后，只要在PLC程序中将这些信息通过赋值逻辑给到DB222数据块，这些信息就会通过之前建立的SIMATICiMap网络传输到各个加工中心。如图10所示，红框圈出的数字就是机型对应的编码，存储在DB99.DBX0.0首地址数据块中，通过PLC中MOVE传输指令将机型编码全部移到DB222地址块中，10台加工中心就会在本机中DB221输入数据块中获得人机界面所选择的机型编号并自动调用对应的加工程序，而不需要再手动切换，图10最右边的面板实际图片就是切换成功的反馈信息。如法炮制，其他的逻辑都可以利用每个设备的DB221、DB222、DB223这三个数据块间传输网络关系进行设计，从而实现整条线自动化控制，达成10台加工中心信息共享的目的。

结语

PROFINET是目前工业以太网控制中较流行的一种通信协议，这里通过SIMATICiMap软件在单机硬件组态基础上的进行通信组态，这个软件有着操作简单、编程组态相对独立的特点，很快速地实现了设备间的控制通信，当然以太网还有很多通信方法可以作为设备间自动化解决方案，如OPC、Modbus TCP等。在智能制造飞速发展的今天将会有更多运用案例，这里做的技术分析和阐述仅仅为了抛砖引玉，希望对大家今后工作有所帮助和借鉴。