CN107168262A - 一种自动化加工单元监控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动化加工单元监控系统及方法，包括自动化加工单元模块、工业交换机模块、远程监控室模块和无线终端模块，所述自动化加工单元模块通过串口服务器和所述工业交换机模块连接，所述工业交换机模块用于和所述远程监控室模块连接，所述自动化加工单元模块内设置有数控机床监控和自动化治具监控，分别用于将机床和治具的状态数据发送给所述远程监控室模块实现远程监控。本发明监控系统及方法具有功能完善、数据传输性能好、监控距离长，系统开放性高，有效降低了人工成本，报警响应速度快，缩短加工等待及停滞时间，提高生产效率。

Description

一种自动化加工单元监控系统及方法

技术领域

本发明属于机械自动化监控技术领域，具体涉及一种自动化加工单元监控系统及方法。

背景技术

随着“工业4.0”的提出和《中国制造2025》的发布，实践“智能制造”成为工业界积极探索的命题。在制造业转型升级的大环境下，各种自动化产线被大量部署，尤其是“机器人+多台数控机床+自动化治具”的机外上下料自动加工单元。此种自动化加工单元在加工较大、重型工件时，有效地解决了人工上下料劳动强度大、上料精度不好控制等问题。然而，自动化加工单元运行情况较为复杂，需机器人模块、多台数控机床模块、自动化治具模块等有效配合，才能发挥其作用，提高生产效率。因此，研发一种自动化加工单元监控系统，实时掌握、监控自动化单元各模块的运行状态很是必要。此种自动化单元监控系统，一方面扩大了操作者对于操作对象的控制范围，提高了管理者对于单元设备运行情况掌握的方便程度；另一方面也有利于制造资源共享，达到充分提高单元设备利用率的目的。

目前，应用于“机器人+多台数控机床+自动化治具”自动化加工单元的监控系统比较少见，或形式比较单一。有的监控系统部署在触摸屏上，可以对单元相关模块信号进行简单显示与处理；有的监控系统能对数控机床状态信息进行监控，大多是使用机床厂商提供的专用软件，对单元的其他模块不能监控；有的监控系统部署在单元附近，只能实现有限距离的数据传输。

存在以下缺点：监控功能单一：触摸屏功能单一，只能对单元中主控PLC信号进行简单显示、监控，对机器人及自动化治具运行情况不能得到有效监控，远不能满足对于整个自动化单元的监控要求；数据传输性差：现有的数控机床监控系统大多是单机串口通讯，机床间数据信息不能实时共享，影响整个加工单元的生产节拍；传统串口通信也存在速率低、可靠性差、网络特性差、需要专门布线等缺点；监控距离短：触摸屏及串口机床监控系统一般只部署在自动化单元附近，具有远程WEB功能的机型价格较高，增加企业成本；系统开放性低：机床厂商提供的监控软件一般接口不开放，与其他系统(如MES系统)不能有效集成；人工成本高；监控室的设备管理人员不能长时间离开，且生产管控需安排专人在车间走查，人工成本较高报警响应迟滞：整个加工单元各个模块都具有报警机制，报警状态信息如不能及时反馈给未在现场的设备管理人员，自动化单元将处于加工等待或停滞状态，降低生产效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种应用于“机器人+多台数控机床+自动化治具”机外自动上下料加工单元的实时监控系统及方法，可远程监控自动化单元的各个模块、各机床间可共享数据、与MES系统有效集成，帮助设备管理人员实时掌握、监控自动化单元各模块的运行状态，及时接收并处理报警信息。

本发明采用以下技术方案：

一种自动化加工单元监控系统，包括自动化加工单元模块、工业交换机模块、远程监控室模块和无线终端模块，所述自动化加工单元模块通过串口服务器和所述工业交换机模块连接，所述工业交换机模块用于和所述远程监控室模块连接，所述自动化加工单元模块内设置有数控机床监控和自动化治具监控，分别用于将机床和治具的状态数据发送给所述远程监控室模块实现远程监控。

进一步的，所述自动化加工单元模块包括机器人、主控PLC、数控机床和自动化治具，所述自动化治具经过所述数控机床与所述主控PLC连接，通过I/O信号将所述自动化治具的传感器信号保存在所述数控机床上，通过监控数控机床实现对自动化治具的监控，所述主控PLC与所述机器人连接。

进一步的，所述机器人与所述主控PLC之间，所述数控机床与主控PLC之间，以及数控机床与自动化治具之间均采用I/O模块进行数据交互。

进一步的，所述自动化加工单元模块还包括配有网卡接口的摄像头，所述摄像头用于将采集的数据经过所述工业交换机模块传输至所述远程监控室模块。

进一步的，所述工业交换机模块由一级交换机、第一二级交换机和第二二级交换机构成，所述串口服务器、数控机床和机器人分别与所述第一二级交换机连接，所述第一二级交换机经过所述一级交换机和第二二级交换机与所述远程监控室模块连接。

进一步的，所述远程监控室模块由监控系统终端和LED显示屏组成，所述监控系统终端与所述第二二级交换机连接，并通过所述LED显示屏显示。

进一步的，所述工业交换机模块内设置有无线路由器，所述无线终端模块包括手机客户端和平板电脑客户端，所述无线路由器用于和所述手机客户端和平板电脑客户端连接实现远程移动监控。

一种自动化加工单元监控系统的监控方法，包括以下步骤：

S1、监控系统运行，主控PLC接收来自数控机床的上下料信号，进行处理后向机器人发送路径编码，控制机器人为数控机床进行上下料，同时固定在数控机床台面上的自动化治具与所述机器人相互配合，完成自动夹紧、松开、定位、充退磁操作；

S2、数控机床监控部分和自动化治具监控部分分别接收数控机床和自动化治具所发送的机床状态数据和治具状态数据并发送给监控系统终端；

S3、运行实景监控部分，接收摄像头发送的视频数据信息并通过工业交换机模块发送给监控系统终端，并在LED显示屏上实时显示；

S4、主控PLC监控部分和机器人监控部分分别接收主控PLC所发送的主控PLC状态数据和机器人状态数据，并且与步骤S2所述实景监控部分比对，实时反馈自动化加工单元的工作情况。

进一步的，步骤S2中，所述数控机床监控部分用于实现远程获取机床状态信息并控制机床，所述自动化治具监控部分用于实现远程获取治具状态信息并控制治具动作。

进一步的，所述机床状态信息包括机床坐标、报警提示、程序状态、进给速度、主轴转速、工件原点信息、机床外设信息、机床画面、机床软硬件版本信息；所述治具状态信息包括气缸是否推出退回到位、磁力吸盘是否充退磁成功、零点快换是否拉紧松开到位、上下料时治具表面是否清理干净。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明自动化加工单元监控系统包括自动化加工单元模块、工业交换机模块、远程监控室模块和无线终端模块，自动化加工单元模块通过串口服务器和工业交换机模块连接，工业交换机模块用于和远程监控室模块连接，自动化加工单元模块内设置有数控机床监控和自动化治具监控，分别用于将机床和治具的状态数据发送给远程监控室模块实现远程监控，可同时监控主控PLC、机器人、多台数控机床、多台自动化治具，各模块间数据共享，能够帮助设备管理员掌握整个单元整体的运行情况，可以满足“无人化”工厂的需求。

进一步的，各模块间配有直接或间接网卡接口、可快速并入工业以太网进行通讯，留有扩展接口，方便企业根据自己需求，定制个性化MES系统，对生产加工过程中各个环节的实时数据进行监控。

进一步的，工业交换机模块由一级交换机、第一二级交换机和第二二级交换机构成，依据TCP/IP协议组网，工业以太网通讯，各模块配置网卡接口，而无需采用RS232、RS485等串口通信，速率高、可靠性高，另外采用交换机堆叠连接的方式，提高了传输效率。

进一步的，该监控系统可在手机、平板等无线终端部署，监控距离、场地不受限制，设备管理员可配置无线终端模块，即使不在现场或监控室，也可对单元运行情况进行监控，此时设备管理员可进行其他工作，实现人力资源整合；同时生产管控不再需要安排大量人员在车间走查，降低了人工成本。

进一步的，本发明自动化加工单元监控系统各模块均具有报警响应机制，通过无线终端，报警信息可及时反馈给未在现场或监控室的设备管理人员，不至于加工单元长时间处于停滞状态，提高了生产效率。

本发明还公开了一种自动化加工单元监控系统的监测方法，各个模块间的通讯直接或间接通过工业以太网实现，被监控的设备底层主要集中在自动化加工模块，实时数据被采集，通过工业交换机模块组网，将数据传送至远程监控室模块或无线终端模块，提供了自动化单元生产过程中各个环节的实时数据监控功能，有效地将单元各种设备的运行情况统一纳入监控模块，管理层可以通过监控系统清晰地了解任意时刻单元的生产及设备运行情况。

综上所述，本发明监控系统及方法具有功能完善、数据传输性能好、监控距离长，系统开放性高，有效降低了人工成本，报警响应速度快，缩短加工等待及停滞时间，提高生产效率。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明监控系统结构图。

其中：1.摄像头；2.第一自动化治具；3.第一数控机床；4.第二自动化治具；5.第二数控机床；6.机器人；7.主控PLC；8.串口服务器；9.第三数控机床；10.第三自动化治具；11.第一二级交换机；12.一级交换机；13.第二二级交换机；14.无线路由器；15.监控系统终端；16.LED显示屏；17.手机客户端；18.平板电脑客户端。

具体实施方式

本发明提供了一种自动化加工单元监控系统，由自动化加工单元模块、工业交换机模块、远程监控室模块、无线终端模块组成，各个模块间的通讯直接或间接通过工业以太网实现。被监控的设备底层主要集中在自动化加工模块，包括主控PLC、机器人、多台数控机床、多台自动化治具，这些设备上都直接或者间接配有网卡接口。自动化单元运行时，这些设备的实时数据都被采集，通过工业交换机模块组网，将数据传送至远程监控室模块或无线终端模块。

请参阅图1，本发明自动化加工单元监控系统由四部分组成，分别是自动化加工单元模块、工业交换机模块、远程监控室模块和无线终端模块，所述自动化加工单元模块依次经过串口服务器8和所述工业交换机模块与所述远程监控室模块连接，用于实现远程监控，所述工业交换机模块内设置有无线路由器14，通过所述无线路由器14与所述无线终端模块连接实现移动终端远程监控。

其中，自动化加工单元模块包括摄像头1、机器人6、主控PLC7、数控机床和自动化治具，所述机器人6、数控机床和自动化治具分别和所述主控PLC7连接，所述机器人6与主控PLC7之间，所述数控机床与主控PLC7之间，以及数控机床与自动化治具之间均采用专用I/O模块进行数据交互。

单元运行时，所述主控PLC7接收来自所述数控机床的上下料信号，进行处理后向所述机器人6发送路径编码，控制所述机器人6为数控机床进行上下料，同时固定在数控机床台面上的所述自动化治具与所述机器人6相互配合，完成自动夹紧、松开、定位、充退磁等操作。

所述数控机床包括：第一数控机床3、第二数控机床5和第三数控机床9，对应的所述自动化治具包括：第一自动化治具2、第二自动化治具4和第三自动化治具10，所述第一自动化治具2、第二自动化治具4和第三自动化治具10分别经过所述第一数控机床3、第二数控机床5和第三数控机床9与所述主控PLC7连接。

所述第一数控机床3、第二数控机床5和第三数控机床9配置有网卡接口，可直接连接网线并入局域网内，而无需采用RS232、RS485等串口通信，可以按照PC机搭建局域网的策略进行建网，通过工业交换机模块，将所述第一数控机床3、第二数控机床5和第三数控机床9的数据传输到监控终端。

所述第一自动化治具2、第二自动化治具4和第三自动化治具10的数据采集若采用单独模块的话，增加成本，本发明现将所述自动化治具各部分传感器信号通过其与所述第一数控机床3、第二数控机床5和第三数控机床9的I/O信号交互保存在所述第一数控机床3、第二数控机床5和第三数控机床9上，通过监控数控机床实现对自动化治具的监控，为企业节省成本。

所述主控PLC7需要通过串口服务器8转换，串口光电隔离保护后再接入工业交换机模块，实现设备间接联网。串口服务器8将主控PLC7串口的数据作为TCP/IP的应用层数据，工作模式选择TCP模式，采用串口分帧技术，将每两个数据包间隔长度的串口数据打包后作为以太网数据发送，实现数据封装传输。

主控PLC7在对机器人6的运行进行控制时，可实时存储机器人6的各项数据参数，如机器人是否运行正常、正在运行的路径子程序号、相关I/O信号是否交互正常等，同样将这些数据经串口服务器8转换后，间接接入工业交换机模块，实现对机器人6的监控。

所述自动化加工单元模块还包含配有网卡接口的摄像头1，用于实时采集整个单元运行图像视频，通过网线连接的方式，将摄像头1采集的数据传输至所述工业交换机模块，最后通过网络传输至所述监控系统终端15。

工业交换机模块负责搭建整个自动化单元监控系统的工业局域网，实现数据中转。工业交换机模块采用工业以太网技术将单元的各个设备及其传感器等连接起来，这样监控就从分立单元进入到集成单元阶段，各个管理站点的服务用局域网连接起来，形成监控单元的网络环境。

由于建立了基本的网络信息基础结构，单元设备的监控、维护可以实现数据共享，最后跨越不同子网、不同物理区域连接到Internet，实现Web远程监控系统。为提高数据传输效率，可使用百兆交换机，如果一级交换机接口数量不足以连接所有设备，可以使用交换机堆叠连接的方式进行扩展，由一级交换机12、第一二级交换机11、第二二级交换机13构成。

所述串口服务器8、第一数控机床3、第二数控机床5、第三数控机床9、机器人6和摄像头1分别与所述第一二级交换机11连接，所述第一二级交换机11经过所述一级交换机12和第二二级交换机13与所述远程监控室模块连接。

所述远程监控室模块由监控系统终端15和LED显示屏16组成，所述监控系统终端15与所述第二二级交换机13连接，并通过所述LED显示屏16显示。

其中监控系统终端15依据TCP/IP协议组网，接收来自工业交换机模块的数据。TCP/IP定义了电子设备如何连入因特网，以及数据如何在它们之间传输的标准。协议采用了网络访问层、网际层、传输层、应用层的层级结构，每一层都呼叫他的下一层所提供的协议来完成自己的需求。监控系统终端15包括运行实景监控、主控PLC监控、机器人监控、数控机床监控、自动化治具监控、MES接口端等部分。

运行实景监控部分接收摄像头1发送的视频数据信息，在LED显示屏16上实时显示。

本发明可选配无线终端模块，所述一级交换机12经过无线路由器14与所述无线终端模块连接，由无线路由器14建立无线局域网环境，终端配有手机客户端17和平板电脑客户端18。用户可在移动客户端上查看自动化加工单元的状态信息，尤其是单元的某一模块出现报警，单元处于停滞运行状态时，监控系统可将报警信息及时发送给不在现场或监控室的设备管理员，设备管理员可远程或亲临现场进行报警处理，保证单元继续正常运行，不至于一直处于停滞状态，影响生产效率。

一种自动化加工单元监控系统的监控方法，包括以下步骤：

S1、监控系统运行，主控PLC接收来自数控机床的上下料信号，进行处理后向机器人发送路径编码，控制机器人为数控机床进行上下料，同时固定在数控机床台面上的自动化治具与所述机器人相互配合，完成自动夹紧、松开、定位、充退磁操作；

S2、数控机床监控部分和自动化治具监控部分分别接收数控机床和自动化治具所发送的机床状态数据和治具状态数据并发送给监控系统终端；

S3、运行实景监控部分，接收摄像头发送的视频数据信息并通过工业交换机模块发送给监控系统终端，并在LED显示屏上实时显示；

S4、主控PLC监控部分和机器人监控部分分别接收主控PLC所发送的主控PLC状态数据和机器人状态数据，并且与步骤S2所述实景监控部分比对，实时反馈自动化加工单元的工作情况。

主控PLC监控部分和机器人监控部分分别接收主控PLC7所发送的主控PLC状态数据和机器人状态数据，并且与实景监控部分进行比对，实时告诉设备管理员目前自动化加工单元正在进行哪一步动作处理，上一步上下料动作处理是否正常完成，下一步上下料动作处理的条件是否满足等，帮助设备管理员更有效地管控自动化单元的运行状态，提高单元运行的安全性。

数控机床监控部分和自动化治具监控部分分别接收第一数控机床3、第二数控机床5和第三数控机床9所发送的机床状态数据和治具状态数据。数控机床监控部分可实现远程获取机床状态信息(机床坐标、报警提示、程序状态、进给速度、主轴转速、工件原点信息、机床外设信息、机床画面、机床软硬件版本信息等)、控制机床(远程上传下载加工文件、启动停止机床、改变机床工作模式、远程暖机、控制信号灯状态等)，是机床用户实现无人化工厂的必要部分。自动化治具监控部分可实现远程获取治具状态信息(气缸是否推出退回到位、磁力吸盘是否充退磁成功、零点快换是否拉紧松开到位、上下料时治具表面是否清理干净等)、控制治具动作(气缸推出退回、吸盘充退磁、快换拉紧松开等)，是单元自动化加工有效运行的关键。

MES接口端留有机床工时统计、机床加工记录、工艺文件库、刀具管理、机床任务管理、生产订单管理等接口，方便企业对生产加工过程中各个环节的实时数据进行监控，有效的将人、机、料、法、环五大要素的执行情况纳入监控模块。

机床工时统计可以分机床和车间两个维度对机床的利用率进行有效统计，也可以统计机床当天的运行记录时间轴；机床加工记录统计机床每天的加工流水，掌握每一件工件加工过程中的加工时间、暂停时间、空刀时间等加工过程信息；工艺文件库是针对工艺文件维护的文件管理模块，提供了工艺文件的版本维护、文件上传、下载、指派等功能，将单元工艺技术进行有效积累；刀具管理负责监控机床刀库中每把刀的实时状态，如刀具加工时间、刀具磨损度等；机床任务管理维护机床的使用记录，实现机床任务信息化；生产订单管理提供自动化单元日产计划的生产排程、订单跟踪、结果汇总等功能，为企业实施监控生产过程、指定决策提供依据；管理层可以通过MES接口端清晰地了解任意时刻加工单元的生产情况，从而改变了靠大量人力走查的传统生产线工艺管控模式。

传统的自动化单元监控系统都要求设备管理员在监控室终端实时监控，工作强度较高，且设备管理员不能长时间离开监控室。

本发明监控系统提供了自动化单元生产过程中各个环节的实时数据监控功能，有效地将单元各种设备的运行情况统一纳入监控模块，管理层可以通过监控系统清晰地了解任意时刻单元的生产及设备运行情况。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自动化加工单元监控系统，其特征在于，包括自动化加工单元模块、工业交换机模块、远程监控室模块和无线终端模块，所述自动化加工单元模块通过串口服务器(8)和所述工业交换机模块连接，所述工业交换机模块用于和所述远程监控室模块连接，所述自动化加工单元模块内设置有数控机床监控和自动化治具监控，分别用于将机床和治具的状态数据发送给所述远程监控室模块实现远程监控。

2.根据权利要求1所述的一种自动化加工单元监控系统，其特征在于，所述自动化加工单元模块包括机器人(6)、主控PLC(7)、数控机床和自动化治具，所述自动化治具经过所述数控机床与所述主控PLC(7)连接，通过I/O信号将所述自动化治具的传感器信号保存在所述数控机床上，通过监控数控机床实现对自动化治具的监控，所述主控PLC(7)与所述机器人(6)连接。

3.根据权利要求2所述的一种自动化加工单元监控系统，其特征在于，所述机器人(6)与所述主控PLC(7)之间，所述数控机床与主控PLC(7)之间，以及数控机床与自动化治具之间均采用I/O模块进行数据交互。

4.根据权利要求2所述的一种自动化加工单元监控系统，其特征在于，所述自动化加工单元模块还包括配有网卡接口的摄像头(1)，所述摄像头(1)用于将采集的数据经过所述工业交换机模块传输至所述远程监控室模块。

5.根据权利要求1所述的一种自动化加工单元监控系统，其特征在于，所述工业交换机模块由一级交换机(12)、第一二级交换机(11)和第二二级交换机(13)构成，所述串口服务器(8)、数控机床和机器人(6)分别与所述第一二级交换机(11)连接，所述第一二级交换机(11)经过所述一级交换机(12)和第二二级交换机(13)与所述远程监控室模块连接。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的一种自动化加工单元监控系统，其特征在于，所述远程监控室模块由监控系统终端(15)和LED显示屏(16)组成，所述监控系统终端(15)与所述第二二级交换机(13)连接，并通过所述LED显示屏(16)显示。

7.根据权利要求1所述的一种自动化加工单元监控系统，其特征在于，所述工业交换机模块内设置有无线路由器(14)，所述无线终端模块包括手机客户端(17)和平板电脑客户端(18)，所述无线路由器(14)用于和所述手机客户端(17)和平板电脑客户端(18)连接实现远程移动监控。

8.一种利用权利要求1所述监控系统的监控方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、监控系统运行，主控PLC接收来自数控机床的上下料信号，进行处理后向机器人发送路径编码，控制机器人为数控机床进行上下料，同时固定在数控机床台面上的自动化治具与所述机器人相互配合，完成自动夹紧、松开、定位、充退磁操作；

S2、数控机床监控部分和自动化治具监控部分分别接收数控机床和自动化治具所发送的机床状态数据和治具状态数据并发送给监控系统终端；

S3、运行实景监控部分，接收摄像头发送的视频数据信息并通过工业交换机模块发送给监控系统终端，并在LED显示屏上实时显示；

S4、主控PLC监控部分和机器人监控部分分别接收主控PLC所发送的主控PLC状态数据和机器人状态数据，并且与步骤S2所述实景监控部分比对，实时反馈自动化加工单元的工作情况。

9.根据权利要求8所述的一种自动化加工单元监测系统的监测方法，其特征在于，步骤S2中，所述数控机床监控部分用于实现远程获取机床状态信息并控制机床，所述自动化治具监控部分用于实现远程获取治具状态信息并控制治具动作。

10.根据权利要求9所述的一种自动化加工单元监测系统的监测方法，其特征在于，所述机床状态信息包括机床坐标、报警提示、程序状态、进给速度、主轴转速、工件原点信息、机床外设信息、机床画面、机床软硬件版本信息；所述治具状态信息包括气缸是否推出退回到位、磁力吸盘是否充退磁成功、零点快换是否拉紧松开到位、上下料时治具表面是否清理干净。