基于WINCC和視覺系統實現數控柔性加工

戴俊良 曾 豪 凌 旭 張冠勇

（湖南化工職業技術學院，湖南 株洲 412000）

0 引言

隨著用戶個性化需求的增長，實際生產中的定制化要求也越來越多，這對自動化程度高的數控加工系統來說是個不小的挑戰［1］。數控加工產線要能適應小批量、多品種的生產模式，使其能夠滿足柔性加工的生產要求［2］。在數控加工中，不同產品對應的加工程序是不一樣的，因此數控系統要實現柔性加工，就要依據不同的產品信息實現自動選擇對應的加工程序。此環節存在兩個問題：一是產品信息的識別；二是識別后的產品信息傳遞。目前，數控機床自身不具備產品信息的識別，只能在外圍設備識別后再傳遞信息。而隨著圖像處理技術和相機技術的發展，視覺系統的功能也變得非常齊全，能夠方便快捷地實現對各類信息的識別，同時具有強大的通信功能，能將獲取到的信息傳遞給PLC、機器人等設備。因此，可考慮采用視覺系統來解決產品信息識別過程中存在的問題。由于數控機床的通信功能受限，無法將視覺系統獲取到的產品信息直接傳遞給數控機床，而數控機床可通過OPC UA和WINCC進行通信，WINCC又可讀取PLC的變量信息，視覺系統也能和PLC進行通信，所以可考慮用WINCC來解決視覺系統識別產品信息后的傳遞問題。因此，研究WINCC、視覺系統和數控機床的集成，將有助于解決數控柔性加工中的關鍵問題。

1 硬件架構及原理

數控機床采用的是由西門子公司生產的三軸銑床，加工動作由數控系統控制，數控系統為西門子SINUMERIK 828D系統，其含有支持OPC UA通信的網口［3-4］。通過該網口，數控系統可借助交換機和PC端的WINCC進行通信。

視覺系統采用歐姆龍生產的FZ-SC彩色CCD相機，并結合歐姆龍FH-L550處理器，對產品信息進行視覺識別，通過網口與交換機進行連接，并采用無協議通信的方式，將識別到的產品信息發送給PLC。

PLC采用西門子生產的1212C DC/DC/DC，期支持開放式用戶通信，并借助自帶的網絡接口與交換機進行連接，從而實現PLC與視覺系統的信息傳遞。同時，在PC端配套TIA Portal軟件，集成WINCC功能，PC也連接到交換機上，通過OPC UA來實現WINCC與數控機床之間的通信。圖1為實驗平臺的硬件架構，其展示了各單元的通信連接。

圖1 實驗平臺硬件架構

視覺系統通過拍照的方式來識別貼在產品上的標簽信息［5］。同時，對視覺系統進行通信設置，可在PLC端編寫通信程序，視覺系統將獲取到的產品信息傳遞給PLC，PLC將接收到的產品信息通過程序對數據進行處理后，利用變量關聯共享給PC端的WINCC，WINCC通過OPC UA將處理后的產品信息發送給數控機床，數控機床可根據此信息來自動選擇對應的加工程序，從而實現柔性定制加工。

2 試驗驗證

基于圖1中的實驗平臺硬件架構來設計出一組產品標簽，標簽的具體信息見表1。其中，標簽信息中的前8位代表加工日期，第9位代表客戶名稱，第10位代表客戶產品。如樣件1的標簽信息為“20220317A1”，即2022年3月17日加工A客戶的1#產品，A客戶的1#產品對應的生產要求為加工1個孔；樣件2對應A客戶的2#產品，其定制的生產要求為加工2個孔；樣件3對應B客戶的1#產品，其定制的生產要求為加工3個孔；樣件4對應B客戶的2#產品，其定制的生產要求為加工4個孔；樣件5對應C客戶的1#產品，其定制的生產要求為加工5個孔。要求數控系統根據樣件上對應的標簽信息來自動選擇對應程序，完成產品的加工，并滿足不同客戶不同產品的定制化要求，從而實現柔性生產。

表1 產品信息

2.1 視覺系統識別產品信息

將表1中的產品信息以二維碼的形式貼在樣件上，并在視覺系統中設置二維碼識別的場景和通信協議。場景選擇標簽，框選標簽二維碼后，對參數視角進行測量，通信輸出選擇以太網。通信設置時選擇以太網無協議（TCP），并設置IP地址和端口號，此處的IP地址及端口號應與PLC通信程序的伙伴地址和端口號一致，數據輸出形式為ASCII。圖2為樣件1的標簽，從圖2可以看出，通過視覺系統識別出的樣件產品信息與表1中的信息一致，這說明視覺系統可成功地識別出產品的信息。

圖2 視覺系統識別出的產品信息

2.2 PLC從視覺系統接收產品信息

PLC通過通信程序從視覺系統中接收產品信息，并在數據處理后，將其共享給WINCC。PLC通過開放式的用戶通信，使用TSEND_C和TRCV_C指令與視覺系統進行通信，采用數組re來接收視覺系統返回的值，數組大小為16，數據類型為字符。圖3為PLC接收到的產品信息。其中，re［0］和re［1］為視覺系統返回數據的前綴，re［12］和re［13］為視覺系統返回數據的后綴，re［14］和re［15］為預留的空位，re［2］～re［11］為視覺系統返回的產品信息，圖3為樣件1的產品信息，可以看出為“20220317A1”，與視覺系統所識別的標簽信息一致，這說明視覺系統可將識別到的產品信息正確無誤地傳遞給PLC。

圖3 PLC從視覺系統接收到的產品信息

2.3 WINCC接收產品信息

PLC通過程序對接收到的產品信息進行數據處理，處理原則為判定re［10］和re［11］中的值，在給R［1］賦予相應值的具體步驟如下：①若re［10］的值為A，且re［11］的值為1，則R［1］被賦予的值為1，即A客戶的1#產品對應的R［1］值為1；②若re［10］的值為A，且re［11］的值為2，則R［1］被賦予的值為2，即A客戶的2#產品對應的R［1］值為2；③若re［10］的值為B，且re［11］的值為1，則R［1］被賦予的值為3，即B客戶的1#產品對應的R［1］值為3；④若re［10］的值為B，且re［11］的值為2，則R［1］被賦予的值為4，即B客戶的2#產品對應的R［1］值為4；⑤若re［10］的值為C，且re［11］的值為1，則R［1］被賦予的值為5，即C客戶的1#產品對應的R［1］值為5。同時，將WINCC變量和PLC中的R［1］變量進行關聯，即可將PLC中R［1］變量的值傳遞給WINCC。圖4為PLC共享給WINCC的信息，R［1］的值為1，可知對應的產品信息為“20220317A1”，對應樣件1，即A客戶的1#產品。

2.4 數控系統獲取產品信息

WINCC通過OPC UA通信協議，將其產品信息變量關聯到數控系統中的R1參數，關聯地址為“ns=SinumerikVarProvider;s=/Channel/Parameter/R［1］”，以R參數的形式將獲得的產品信息傳遞給數控系統，圖5為數控系統獲得的產品信息，可以看出數控系統R1接收到的值為1，即對應的產品信息為“20220317A1”，對應樣件1，即A客戶的1#產品，與圖4中通過WINCC獲得的產品信息一致，這說明WINCC傳遞給數控系統的產品信息是正確無誤的。

圖4 WINCC獲得的產品信息

圖5 數控系統獲得的產品信息

2.5 數控系統實現柔性加工

數控系統根據不同的產品信息來自動選擇對應的加工程序，即R1的值為1時，數控系統選擇加工1個孔的程序；R1的值為2時，數控系統選擇選擇加工2個孔的程序；R1的值為3時，數控系統選擇加工3個孔的程序；R1的值為4時，數控系統選擇加工4個孔的程序；R1的值為5時，數控系統選擇加工5個孔的程序。圖6為根據視覺系統識別出來的產品標簽信息加工出的樣件，可以看出與產品信息所包含的加工要求一致，這說明視覺系統除了能成功識別樣件的產品信息外，還能通過PLC、WINCC準確地將產品信息傳遞給數控系統，數控系統也能根據對應的產品信息來選擇正確的程序，并完成加工。

圖6 加工后的樣件

3 結語

通過硬件搭建，將數控機床與PC端的WINCC進行連接，同時PC端又與PLC進行連接，可實現PLC和視覺系統的通信，并進行試驗驗證，證明該方案可將視覺系統識別到的產品信息傳遞至數控機床，數控系統根據獲得的不同產品信息自動選擇對應的加工程序，從而實現數控柔性定制加工。