基于Profinet的切削加工单元智能化改造设计与应用

2022-09-20黄信兵刘小娟李春贵

机床与液压 2022年10期

黄信兵，刘小娟，李春贵

(1.中山职业技术学院机电工程学院，广东中山 528400；2. 广州超远机电科技有限公司研发部，广东广州 510535)

0 前言

“中国制造2025”深入实施和新冠疫情对制造业转型升级产生了积极影响，越来越多传统的切削加工企业向自动化、智能化方向发展，以提升加工效率、提高安全水平、降低对劳动力的过分依赖。在调研分析的基础上，从降低成本角度出发，提出一种基于Profinet工业以太网的切削加工单元智能化改造设计方案。

1 改造设计方案

待升级改造的切削加工单元包含数控车床、加工中心，智能化改造设计方案以PLC为控制核心，以工业机器人为工件搬运执行单元，以HMI为显示、控制操作单元。工业机器人代替人工给机床上下料，生产人员在加工区域外通过HMI操作和监控，实现生产流程的自动化、智能化。由于远程I/O模块在成本节约、配线简化、可靠性提高等方面具有优势，工业机器人、数控车床、加工中心的信号数据均由华太SmartLink远程I/O模块通过Profinet工业以太网与PLC进行交换，具体连接关系如图1所示。

图1 智能化切削加工单元连接示意

2 硬件结构

2.1 远程I/O模块

远程I/O模块由Profinet适配器FR8210、8通道数字量输入模块FR1108、8通道数字量输出模块FR2108组成，FR1108、FR2108模块个数根据实际情况确定。数控车床、加工中心、工业机器人的远程I/O模块接线分别如图2、图3、图4所示。由于远程I/O要进行Profinet组态，需要在西门子PLC编程软件中安装第三方设备FR8210的设备描述文件SmartLink GSD文件，如图5所示。FR1108、FR2108的I/O地址在硬件组态时设定，FR1108公共端电压为24 V，FR2108公共端电压为0 V。

图2 数控车床远程I/O模块信号连接

图3 加工中心远程I/O模块信号连接

图4 工业机器人远程I/O模块信号连接

图5 已安装的SmartLink GSD文件

2.2 硬件组态

完成硬件连接后，在TIA V14 SP1软件中进行硬件组态,如图6所示，并对远程I/O的参数进行设置,如图7—图9所示。图7中数控车床远程I/O模块FR1108的地址为(I2.0～I2.7)，FR2108的地址为(Q2.0～Q2.7)。图8中加工中心远程I/O模块FR1108的地址为(I3.0～I3.7)。FR2108的地址为(Q3.0～Q3.7)；图9中工业机器人远程I/O模块FR1108的地址为(I4.0～I5.7)，FR2108的地址为(Q4.0～Q4.7)。

图6 硬件网络组态

图7 数控车床远程I/O模块地址分配图8 加工中心远程I/O模块地址分配

图9 工业机器人远程I/O模块地址分配

3 软件系统设计

3.1 HMI界面设计

HMI是人机交互的接口，主要用于控制工业机器人、数控车床、加工中心相关动作，同时显示它们的相关状态。根据切削加工单元智能化改造需求，在HMI上设计首页、工业机器人操作、车床操作、加工中心操作等4个界面，具体如图10所示。将HMI中按钮、指示灯与相应的PLC变量相连接，实现PLC与HMI的数据交换。

图10 HMI界面设计

3.2 PLC与工业机器人数据交换程序流程

PLC与工业机器人的数据交换主要是PLC接收工业机器人发出的动作请求，控制数控车床、加工中心的卡盘、安全门打开、关闭，启动/暂停机床等，同时将数控车床、加工中心的状态反馈给工业机器人，以便工业机器人执行相应的动作，具体如图11所示。工业机器人和PLC之间的部分数据交换采用握手形式，如工业机器人请求PLC打开/关闭车床卡盘，只有当工业机器人收到车床卡盘打开/关闭状态信号后，才进行下一步动作，从而避免出现工业机器人与机床碰撞等“撞机”事故。