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基于MES系统的智能制造切削加工系统架构设计

2020/12/25    来源:互联网    作者:赵伟博  李琳杰      
关键字:智能制造  MES  PLC  机器人控制  
本文设计了智能制造切削加工系统的总体架构,并结合MES软件将数控车床、加工中心、PLC、机器人、RFID及立体仓库等信息系统进行有效结合,完成了生产过程的智能化管理,对同类企业进行智能制造技术的应用提供了可借鉴的经验。

0 引言

    智能制造系统在功能层面上可以分为应用层、执行层、感知层和网络层。应用层为各种生产需求提供解决方案,主要包括智能工厂和自动化生产线;执行层使用各种智能装备,如机器人、智能机床、3D打印等生产数据自动化的装备实现自动化作业;感知层通过RFID、机器视觉等各种传感器收集作业过程中产生的数据;网络层则通过工业互联网通信手段,将生产数据通过SCADA系统进行采集监控,或上传至云端进行处理分析。

1 系统组成

    智能切削加工系统主要由1台汇博HR20-1700-C10六自由度工业机器人、1台数控车床、1台加工中心(含在线测量)、1套立体仓库、1套MES管理软件、机器人工具换装系统、导轨、工件、电气控制柜、触摸屏、计算机等组成。

    系统组成如图1所示,主控PLC通过交换机与MES系统、触摸屏HMDRFID读卡器通信模块及机器人实现网络连接。并且配置了2个16入16出的继电器输出型的输入输出模块,分别用于与数控车床及加工中心进行信号交互。同时配置了2个16入的DI模块,用于对立体仓库30个仓位的检测。另外,立体仓库上的按钮和指示灯、PLC主控柜上的按钮和指示灯等其他I/O,均通过PLC自带的I/O来实现。

 系统硬件结构图

图1 系统硬件结构图

2 系统工作流程

    智能制造切削加工系统的基本运行流程如图2所示,实现了零件从图纸到成品入库的整个过程。整个过程分为4大部分:第1部分为加工准备,根据CAD图纸结合加工工艺进行CAM编程并归档到MES系统指定文件夹下;第2部分为MES系统操作,MES向中央控制系统发送启动指令,PLC根据指令调度机器人去相应仓位取毛坯件,且机器人在取件之前和上料完成之后都要进行RFID写入,将工件的材质、类型、加工状态等信息写入到RFID卡片中,更新工件状态;第3部分为PLC的控制操作,在机器人完成上料动作之后PLC向MES系统请求上传数控机床对应零件的加工程序;MES系统接收到请求上传指令后,将目前任务对应的加工程序上传至相应机床。加工完成后,中央控制系统调度机器人进行取件和入库操作;第4部分为加工执行层,响应PLC的指令,完成相应的加工操作,且MES系统通过在线测量装置对加工检测结果进行判别,给出是否需要进行返修的结论,如果需要返修,则根据加工的目标尺寸与实际零件尺寸进行比较,得到刀具补偿,然后启动返修。

智能制造切削加工系统工作流程

图2 智能制造切削加工系统工作流程

3 PLC主控程序架构

    主控PLC往上连接MES系统,往下连接机器人、车床、机床及RFID,主要实现流程信息上传下达的作用。程序的编写采用“总-分”的模块化方式来实现。在PLC控制程序的主程序块中,主要对各个功能模块的主程序进行调用。主程序块及其调用的子模块见表1,系统调用子函数块的流程如图3所示。

表1 主程序块及其包含的子模块

主程序块及其包含的子模块

PLC程序调用流程

图3 PLC程序调用流程

4 机器人程序架构

    机器人在整个控制系统中的主要作用是完成CNC和数控车床的上、下料及立体仓库中料件的取放,并在取放料后利用机器人末端安装的RFID读写器读写RFID信息,以完成零件信息的更新并上传给MES系统。机器人在智能切削加工系统中的主要示教任务如表2所示。

表2 机器人子程序

机器人子程序

续表2

续表2

    每个示教任务对应一个子程序,其中子程序1-8为流程功能子程序,由PLC发出对应的示教指令,机器人主程序接收到示教指令后调取相应功能子程序运行。子程序9-12分别需要远程控制数控车床和加工中心的卡盘的打开/关闭。机器人调取相应子程序时,将相应的打开/关闭命令发送给PLC,由PLC转发给数控车床或加工中心实现控制。

5 MES系统

    MES系统在智能制造系统中的作用是贯穿始终的,且与PLC通信采取应答机制。通过MES系统创建订单任务,订单管理如图4所示。

MES订单管理

图4 MES订单管理

    MES系统发出初始化命令,对加工系统进仃初始化复位。再对料库待加工工件情况进行盘点,盘点完成后启动加工系统运行。运行过程中,MES系统在进行运行状态监控的同时,会对运行数据进行记录与分析,并根据生产情况和设备运行状况适时下达命令,给出提示与警报。表3给出了 MES与PLC交互的部分变量含义,MES系统可按照“上传程序及创建订单-料库盘点-复位-启动-下发订单-检测及返修”流程操作运行。

表3 MES与PLC交互部分变量

MES与PLC交互部分变量

6 结论

    该文结合目前智能制造领域的研究现状及特点,设计实现了智能制造切削加工系统的总体框架。在该系统框架下,结合MES系统给出了智能切削加工系统的生产制造流程。MES系统贯穿于整个智能切削加工系统中,可对生产过程进行精确控制,节省人力成本,系统可实时进行加工数据的跟踪以及对加工产品的修正,能够较好地满足企业对传统生产模式升级的需求。

责任编辑:程玥
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