基于WINCC和视觉系统实现数控柔性加工

2022-11-23戴俊良张冠勇

河南科技 2022年20期

戴俊良曾豪凌旭张冠勇

（湖南化工职业技术学院，湖南株洲 412000）

0 引言

随着用户个性化需求的增长，实际生产中的定制化要求也越来越多，这对自动化程度高的数控加工系统来说是个不小的挑战［1］。数控加工产线要能适应小批量、多品种的生产模式，使其能够满足柔性加工的生产要求［2］。在数控加工中，不同产品对应的加工程序是不一样的，因此数控系统要实现柔性加工，就要依据不同的产品信息实现自动选择对应的加工程序。此环节存在两个问题：一是产品信息的识别；二是识别后的产品信息传递。目前，数控机床自身不具备产品信息的识别，只能在外围设备识别后再传递信息。而随着图像处理技术和相机技术的发展，视觉系统的功能也变得非常齐全，能够方便快捷地实现对各类信息的识别，同时具有强大的通信功能，能将获取到的信息传递给PLC、机器人等设备。因此，可考虑采用视觉系统来解决产品信息识别过程中存在的问题。由于数控机床的通信功能受限，无法将视觉系统获取到的产品信息直接传递给数控机床，而数控机床可通过OPC UA和WINCC进行通信，WINCC又可读取PLC的变量信息，视觉系统也能和PLC进行通信，所以可考虑用WINCC来解决视觉系统识别产品信息后的传递问题。因此，研究WINCC、视觉系统和数控机床的集成，将有助于解决数控柔性加工中的关键问题。

1 硬件架构及原理

数控机床采用的是由西门子公司生产的三轴铣床，加工动作由数控系统控制，数控系统为西门子SINUMERIK 828D系统，其含有支持OPC UA通信的网口［3-4］。通过该网口，数控系统可借助交换机和PC端的WINCC进行通信。

视觉系统采用欧姆龙生产的FZ-SC彩色CCD相机，并结合欧姆龙FH-L550处理器，对产品信息进行视觉识别，通过网口与交换机进行连接，并采用无协议通信的方式，将识别到的产品信息发送给PLC。

PLC采用西门子生产的1212C DC/DC/DC，期支持开放式用户通信，并借助自带的网络接口与交换机进行连接，从而实现PLC与视觉系统的信息传递。同时，在PC端配套TIA Portal软件，集成WINCC功能，PC也连接到交换机上，通过OPC UA来实现WINCC与数控机床之间的通信。图1为实验平台的硬件架构，其展示了各单元的通信连接。

图1 实验平台硬件架构

视觉系统通过拍照的方式来识别贴在产品上的标签信息［5］。同时，对视觉系统进行通信设置，可在PLC端编写通信程序，视觉系统将获取到的产品信息传递给PLC，PLC将接收到的产品信息通过程序对数据进行处理后，利用变量关联共享给PC端的WINCC，WINCC通过OPC UA将处理后的产品信息发送给数控机床，数控机床可根据此信息来自动选择对应的加工程序，从而实现柔性定制加工。

2 试验验证

基于图1中的实验平台硬件架构来设计出一组产品标签，标签的具体信息见表1。其中，标签信息中的前8位代表加工日期，第9位代表客户名称，第10位代表客户产品。如样件1的标签信息为“20220317A1”，即2022年3月17日加工A客户的1#产品，A客户的1#产品对应的生产要求为加工1个孔；样件2对应A客户的2#产品，其定制的生产要求为加工2个孔；样件3对应B客户的1#产品，其定制的生产要求为加工3个孔；样件4对应B客户的2#产品，其定制的生产要求为加工4个孔；样件5对应C客户的1#产品，其定制的生产要求为加工5个孔。要求数控系统根据样件上对应的标签信息来自动选择对应程序，完成产品的加工，并满足不同客户不同产品的定制化要求，从而实现柔性生产。

表1 产品信息

2.1 视觉系统识别产品信息

将表1中的产品信息以二维码的形式贴在样件上，并在视觉系统中设置二维码识别的场景和通信协议。场景选择标签，框选标签二维码后，对参数视角进行测量，通信输出选择以太网。通信设置时选择以太网无协议（TCP），并设置IP地址和端口号，此处的IP地址及端口号应与PLC通信程序的伙伴地址和端口号一致，数据输出形式为ASCII。图2为样件1的标签，从图2可以看出，通过视觉系统识别出的样件产品信息与表1中的信息一致，这说明视觉系统可成功地识别出产品的信息。

图2 视觉系统识别出的产品信息

2.2 PLC从视觉系统接收产品信息

PLC通过通信程序从视觉系统中接收产品信息，并在数据处理后，将其共享给WINCC。PLC通过开放式的用户通信，使用TSEND_C和TRCV_C指令与视觉系统进行通信，采用数组re来接收视觉系统返回的值，数组大小为16，数据类型为字符。图3为PLC接收到的产品信息。其中，re［0］和re［1］为视觉系统返回数据的前缀，re［12］和re［13］为视觉系统返回数据的后缀，re［14］和re［15］为预留的空位，re［2］～re［11］为视觉系统返回的产品信息，图3为样件1的产品信息，可以看出为“20220317A1”，与视觉系统所识别的标签信息一致，这说明视觉系统可将识别到的产品信息正确无误地传递给PLC。

图3 PLC从视觉系统接收到的产品信息

2.3 WINCC接收产品信息

PLC通过程序对接收到的产品信息进行数据处理，处理原则为判定re［10］和re［11］中的值，在给R［1］赋予相应值的具体步骤如下：①若re［10］的值为A，且re［11］的值为1，则R［1］被赋予的值为1，即A客户的1#产品对应的R［1］值为1；②若re［10］的值为A，且re［11］的值为2，则R［1］被赋予的值为2，即A客户的2#产品对应的R［1］值为2；③若re［10］的值为B，且re［11］的值为1，则R［1］被赋予的值为3，即B客户的1#产品对应的R［1］值为3；④若re［10］的值为B，且re［11］的值为2，则R［1］被赋予的值为4，即B客户的2#产品对应的R［1］值为4；⑤若re［10］的值为C，且re［11］的值为1，则R［1］被赋予的值为5，即C客户的1#产品对应的R［1］值为5。同时，将WINCC变量和PLC中的R［1］变量进行关联，即可将PLC中R［1］变量的值传递给WINCC。图4为PLC共享给WINCC的信息，R［1］的值为1，可知对应的产品信息为“20220317A1”，对应样件1，即A客户的1#产品。

2.4 数控系统获取产品信息

WINCC通过OPC UA通信协议，将其产品信息变量关联到数控系统中的R1参数，关联地址为“ns=SinumerikVarProvider;s=/Channel/Parameter/R［1］”，以R参数的形式将获得的产品信息传递给数控系统，图5为数控系统获得的产品信息，可以看出数控系统R1接收到的值为1，即对应的产品信息为“20220317A1”，对应样件1，即A客户的1#产品，与图4中通过WINCC获得的产品信息一致，这说明WINCC传递给数控系统的产品信息是正确无误的。

图4 WINCC获得的产品信息

图5 数控系统获得的产品信息

2.5 数控系统实现柔性加工

数控系统根据不同的产品信息来自动选择对应的加工程序，即R1的值为1时，数控系统选择加工1个孔的程序；R1的值为2时，数控系统选择选择加工2个孔的程序；R1的值为3时，数控系统选择加工3个孔的程序；R1的值为4时，数控系统选择加工4个孔的程序；R1的值为5时，数控系统选择加工5个孔的程序。图6为根据视觉系统识别出来的产品标签信息加工出的样件，可以看出与产品信息所包含的加工要求一致，这说明视觉系统除了能成功识别样件的产品信息外，还能通过PLC、WINCC准确地将产品信息传递给数控系统，数控系统也能根据对应的产品信息来选择正确的程序，并完成加工。