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基於西門子840 D SL的（de）超前響應自動調節生產係統

2018-3-30 來源：斯凱孚(濟南)軸承與精密技術（shù）產品（pǐn）有限公司作者：王增才徐安軍劉路

摘要:係（xì）統係基於西門子840D SL數（shù）控係統所提供支（zhī）持的數控動態數據交換機製(NC DDE)所開發（fā），應（yīng）用於軸承生產線從前端磨削到後期裝配的整條生產線，實現程序自動開機後台運行（háng），實時采集監控數（shù）據，並與遠程雲端設定的（de）工單進（jìn）行數據交互，在產品數量達到既定數量之後，自動控（kòng）製機床停止運行（háng），經確認（rèn）之後，自動開啟運行下一工單計劃（huá），解（jiě）決了由於軸承滾子公差範圍批（pī）量差異過大的裝配問題;同時，係統集成數理（lǐ）統計過程控製係統，實現實（shí）時動態分析生（shēng）產裝配區域裝配公差（chà）範圍，並自動控製機床，實現機床的自動磨削參數補償，實現生產（chǎn）自動化和智能（néng）化，較大幅度提（tí）高了產（chǎn）品質量。

關鍵詞:動態數據交換;自（zì）動補償;遠程監控;超前響應;滯後響應

斯凱孚作為全（quán）球最大（dà）的軸承製造商之一，於2011年在濟南建立斯凱孚（fú）(濟南)軸承與精密（mì）技（jì）術產品有限公司（sī），濟南工廠作為（wéi）斯凱孚集團汽車業務單兒的（de）重要組成部（bù）分，2012年投產以來，主要為中國和亞洲的汽車（chē）配件市場和工業市場服務，目前主要生產圓錐滾子軸承TRB和（hé）雙列圓柱滾子軸承（chéng）(THU)兩大類。對於圓錐輥子軸承外觀如圖1所示，圓錐滾（gǔn）子軸承拆分結（jié）構如圖2所示。

圖1 圓錐（zhuī）滾子軸承外觀

圖2 圓錐滾（gǔn）子（zǐ）軸承拆分結構

以產（chǎn）品高質量而聞名的的斯凱孚軸（zhóu）承，在生產製造過程中，一直以高質量、高標準的要求進行生產控（kòng）製，但在初期，因為生產線過長、員工響應時間滯後等因素，難免會出現整條產品裝配合格率偏（piān）低的問題，基於此背景，筆（bǐ）者一對以西門子840 D為數控（kòng）係統（tǒng）的關鍵設備進（jìn）行相關的改造，結合現場實際的情況開發了本係統，解決了相關問題帶（dài）來的（de）反應滯後，提高了產品（pǐn）合格（gé）率，增加的生產效益十分可觀。

1、項目(係統)問題分析

1.1 生產土藝流程簡介

軸承的基本加土流程見圖3:軸承內圈和外圈（quān）按照生產線布局，自動在對應磨削土位進行磨（mó）削流程，分（fèn）別經過外圓磨削、端麵磨削、滾道（dào）磨削、內孔磨削、擋邊磨削之後進入檢測裝配區域，進行檢（jiǎn）測和裝配組（zǔ）合。

圖3 軸承加工流程示意圖

1.2 生（shēng）產線設備簡介（jiè）

公司於2012年開始，先後引進國外精密磨削（xuē）加工設備和（hé）國內軸承檢測及裝配設備。

磨削設備全部采用西門子840D SL控製係統，並采用汽車行業（yè）的（de）動力總成標準，其（qí）中數控係統主要配置主如下:NCU 710.2,PCU50. 3(裝載HMI Advanced基於Windows XP，雙網卡), MPP483 IE操作麵板以及（jí）伺服驅動控製器與伺服電機等。設備（bèi）從電氣控製和機（jī）械精度上滿（mǎn）足自（zì）動化的要求，主要實現軸承內、外圈毛坯件的精密磨削加土:外圓磨（mó）削、滾（gǔn）道磨削、內孔磨削等土藝流程。

裝配設備主要采用西門子S7一200 PLC作為控製器，配置相（xiàng）應的機械、電氣以及氣動結構，主要（yào）實現軸承內圈、滾子、保持架以及軸承外圈的（de）清洗、檢測、裝配、鉚壓、注脂（zhī）等後期工序。

1.3 問題（tí）描述

在生產過程中，產線前端的磨削（xuē）過程偏差、滾（gǔn）子（zǐ）的公差、內（nèi）組件高（gāo）度、外圈高度等會直接影響最終的裝配合格率。故當（dāng）前存在以下問題:

問（wèn）題1:滾子（zǐ）批次公差不同。不同（tóng）批次的滾子，滾子公（gōng）差（chà）差異（yì）存在，按照理論應該同（tóng）批次數量的滾子，產生對應的軸承，比如BTH一0801型號軸承（chéng）20個滾子，批量滾子為T，故理論產生軸承數量為N=Tl20，即內外（wài）圈，分（fèn）別需要理論生（shēng）產N個（gè）。但是實際過程中由於生產（chǎn）線（xiàn）過長，在傳（chuán）送帶上滯留的和由於報廢、返工等產生的數量無法有效地（dì）準確衡量，因而造成較大的偏差，對（duì）生產質量產生（shēng）較大影響。

問題2:磨削補償響應延遲。由於磨削穩定性、滾子公差（chà）等（děng）影響，會產（chǎn）生相應的偏差趨勢，如過（guò）程偏差偏大或者（zhě）一偏小，相應的內外圈磨削滾道磨削土序需要進行手動補償控製，以提高裝配合格率，但是（shì）由於（yú）生產線操作人員反應延遲、測量檢測反饋不及時等，補償生效時間往（wǎng）往處十滯後狀態。造成裝配合格率偏低。

1.4 項目需求描述及規劃

針對以上問題，經（jīng）過跨部門（mén）小組綜合整體分析決議（yì），提出以下改進方案，項目方（fāng）案由（yóu）兩部（bù）分構成:

(1) 匹配滾（gǔn）子批次工單。針對不同（tóng）批次的滾子可以設（shè）定軸承生產工單，根據產出自動控製機床，該過程中需要實時自動或者一手（shǒu）動獲取裝配區報廢、返工等信息，並實時更新工單（dān）狀（zhuàng）態至磨削機（jī）床，當工單數量達到（dào）後，自動停機，並（bìng）提示更換下（xià）一批次滾子，經過確認（rèn）後，自動開始（shǐ）下（xià）一工單（dān）。

(2) 機床自適應磨削補償。針對裝配區所測得（dé）裝配數據，實時傳輸至磨削（xuē）區域，同時，機床可以根據裝配檢測數據的趨勢或者一實（shí）際情況，進行自動調整磨削補償，實現自動超差補償響應。

2、項目方案係統構成（chéng）

由以上分析可知，根據項目需求，係統（tǒng）需要對機床實現遠程自（zì）動控製，同時對裝配設備數據（jù）進行實時遠程讀取（qǔ），並上（shàng）傳至服務（wù）器進行數據庫存（cún）取。磨削機床端需（xū）要實時根據機床內部硬（yìng）件狀態，判斷加工過程（chéng），並遠程讀寫服務器端數據，更新工（gōng）單狀態。根據設計思路，整體項目（mù）組成結構如下（xià）:

係統功能整體結構如圖4所（suǒ）示，是由機床、遠程服務器、工廠網絡、SPC係統構成的網絡化係統結構。工作流程如下:遠程設定工單，並將數據存儲於服務器端;機床運行時，讀取工單，根據工單狀態進行加工（gōng）數（shù）量（liàng）控製，達到設定預警數量後進行機床預定義報警，對機床進行人為反饋後（hòu），機床完成工單數量，自動停止加工;同時裝配區域設備檢測數據通（tōng）過SPC軟件上傳至服務器，自動（dòng）實時傳輸當前生產偏差數據，機床客戶端根據裝配區實時數據趨勢，自動超前調整磨削（xuē）補償數據，實現對生（shēng）產磨削的超前響應控製。

圖4 係統功能整體框圖

3、項目係統開發設計

3. 1基於不同（tóng）批次滾子設定工單的係統模塊設計

該模塊功能主要實現工單設定、基（jī）於雲端服務器存儲、機床實時一讀取與反饋控製3個主（zhǔ）要部分，如圖5所示（shì）。

圖5 係（xì）統結構簡圖

同時可以自定義設定預報警數量，軟件會（huì）自動計算相應的結果，點擊（jī）提交後會（huì）提交至係（xì）統，存（cún）儲於雲端（duān）服務器。創建和存儲後的工單計劃管（guǎn）理列表界麵如（rú）圖（tú）7所（suǒ）示。

圖（tú）6 工單創建畫麵

圖7 工單計劃管理列表

對於工單設定以及遠程管理及數據存儲部分，采用C#編程的軟件客戶端（duān）如圖6所示，具有型號預置下拉（lā）選擇、數據輸入、自動計算與存儲的功能（néng）。理論生產數量計算公式（shì）如下:

本項目係統中，在遠程服務器端架設開源的Mysql數據庫作為雲端數據服務，機床客戶端軟件會遠程對（duì）數據庫進行讀寫（xiě）控製。

其中難點為（wéi）數據庫（kù）數據與840D SL係統機床的連接交互控製。動態數據交換(dynamic data exchangeDDE)是微軟公司提出的一種數據（jù）通訊形（xíng）式，即動態數據交換機製，它使（shǐ）用共享的內存在應用程序之間進行數（shù）據交（jiāo）換（huàn）。DDE不同於剪（jiǎn）切板方法，它（tā）能夠及時更（gèng）新數據，在（zài）兩個應用程序之間（jiān）自動更新信息，無須用戶參與。使（shǐ）用DDE通訊需要兩個Windows應用程序(該應用基於VB或者一VC ++編寫)，其中一個作為服務器處理信息，另外一個作（zuò）為客戶機從服務器獲得信息。客戶機應用程序向當（dāng）前所激活的服務（wù）器應用程序發送（sòng）一（yī）條消息請求信息，服務（wù）器應用程序根據該信息作出（chū）應答，從（cóng）而（ér）實現兩個程序之間的數據交換。

西門子具（jù）有高（gāo）度的靈活性和開放性，在（zài）工業控製市場中占據主導地位，其產品大（dà）多基於（yú）Windows係統框架。本項目正是基於以上特點而高效展開（kāi）。

在項目現場中所采用的數控設備客戶機為PCU50. 3，基十Windows XP係統，安裝有HMI Ad-vanced，由於該HMI Advanced本質（zhì）上是采用VB ( visu-al basic)作為基礎語（yǔ）言（yán）編（biān）寫開發的操作界麵應用，故從核心原理（lǐ）上支持微軟標準（zhǔn）的動態數據交換機（jī）製(DDE)，同時，如圖8所示，西門（mén）子專門為用戶開發者-開（kāi）放了（le）相關DDE的API接口（kǒu），提（tí）供了較為令業的數據傳輸（shū）與係統控製途徑方案。(最新版的SINUMERIKOperator采用.net編程架構，故無法使用該技術，但可以采用西門子的Operator ProgrammingPackage編程擴展包方案，進而支持更為（wéi）高效的.net應用（yòng）框架接口，筆者一在此不進行詳細描述)。

圖8 西門子840D DDE數據通訊架構

故（gù）本質上，所（suǒ）編寫的客戶端應用實際（jì）上並不直接與PLC和NC通（tōng）訊，而是，通過DDE技術，將HMI Ad-vanced作為應用服務器(NCDDE)，與（yǔ）之交互（hù）通訊，進而與（yǔ）NC和PLC通訊（xùn）。傳統的界麵二次開發擴展也是基於該原（yuán）理所進行。機床（chuáng）客戶端應用部分程序如下:

如下列程序（xù）所示，DB109. DBX10. 1表示加工完畢（bì），換料完成，故（gù）可以以此（cǐ）為係統加土循環（huán）標識（shí），統計該位數據的變化次數(數（shù）據（jù）上升沿)，即可統（tǒng）計機床自（zì）動生產過程中的數據，西門子提供了NCDDE Server可以直接通過HMI訪問和控製相關的NC,PLC數據（jù）。

通過對換料完成標識位DB109. DBX10. 1的讀取，判斷如果生（shēng）產完成一個循環（huán），則對當前數據進行判斷，根據所設定工單數據輸出相應的狀態，如果工單完成，則通過（guò）DDE方式（shì），將DB10. DB129. DBX6置位，完成加工過程（chéng）。

由於工作時磨床砂輪高速旋轉，所以工單達到預警值或者工單完成時，機床停止采用（yòng）的模式不同於設備故障報（bào）警（jǐng）產生的緊（jǐn）急（jí）停（tíng）止或者外部的完全設備停止，采用（yòng）單循環停止模式（shì），使機床工作仍（réng）舊處（chù）於工作就緒狀（zhuàng）態(NC程序該循（xún）環結束後，停止讀取，砂輪速度、軸位置（zhì）等保持加土狀（zhuàng）態不（bú）變)，所以，當機（jī）床預警後完（wán）成反饋以及土單完成確認之後（hòu），機床會自動反饋至服務器，更新土單狀態、或者潤動啟動下一條（tiáo）工單（dān）。從（cóng）最（zuì）大程度上減少了生產（chǎn）循環節拍的浪費，最大程度減小對生產效率的影（yǐng）響。

由於傳統的NC DDE運用僅僅是界麵的二次開發（fā），故擴展界麵應用的啟動，肯定在HMI Advanced啟動之後，故此時NC DDE Sever已（yǐ）經開啟，所以能夠（gòu）正常通訊，但是本（běn）項目案例中，開發的客戶端軟件需要，開機自動後台運行（háng），在HMI界麵並無人為啟動選項，故在實際部署過程中（zhōng），需要（yào）對開（kāi）發的應用進行後台（tái）自動啟動，同時需要進行延時啟動，即確保HMI Ad-vanced完全（quán）啟動，相（xiàng）應的NCDDE Server能夠完全啟動。否（fǒu）則客戶端軟件相關功（gōng）能無法正（zhèng）常運行。

如圖9所示，作（zuò）為係統關鍵的（de）內外圈生產數量的監控功能，該模塊基（jī）於DDE的數據采集，將當前生產數據實時保存於服務器，遠程狀態下，可以實時監控（kòng）生產狀態，並能（néng）根據生產狀態作出相（xiàng）應的生產計劃安（ān）排。

圖9 工單遠程（chéng）狀態（tài）監控

設備工（gōng）單完成提示功能如圖10所示，當自動完全達到（dào）設定工單（dān）數量之後，係統會自動全屏彈出（chū）提示（shì）頁麵，同（tóng）時設備會自動循環停止，直到操作人員點（diǎn）擊確認後，設備會自動啟動下（xià）一條預設生產的工單。

圖10 設備工單完成提示畫（huà）麵

3 .2 機床自（zì）適應磨削補償功（gōng）能係統模塊設計

該模塊功能主要（yào）由裝配（pèi）設備（bèi）檢（jiǎn）測數據（jù）讀取、數據傳輸與顯示、機床自動根據（jù）數據趨勢自（zì）動補償三（sān）個主要部分。裝配區設（shè）備為S7一200 PLC o筆者一采用SPC站的土控（kòng）機（jī）作為數據采集站點，采集數據存儲到服務器，並通過網（wǎng）絡實時傳輸到磨削區域，分別（bié）通過屏幕顯示實時柱狀圖和趨勢圖，同時（shí）反饋給機床（chuáng），機床端軟件根據當前實時狀態和趨勢進行自動磨削補償。

3. 2. 1 裝配設備檢測（cè）數據讀（dú）取

采用某品牌工控機，采用C#編寫的SPC數據讀取軟件，通過OPC讀取S7一200的（de）實時檢測數據，實時將數（shù）據存儲到服務器，執行效率和準確率完全（quán）符合。具體（tǐ）內容在此（cǐ）不子冗餘陳述。

3.2.2 數據傳輸與顯示

基於現場生產線距（jù）離過長，生產操作人員相對精簡的情況，裝配區域與磨削區域生產人員無法有效及時溝通，會產生生產偏差響（xiǎng）應（yīng）周期長，無法及時地反饋到磨削前端的問題，導致（zhì）無法及時地人為去控製（zhì）偏差及（jí）趨勢，故在磨床操作（zuò）站增加屏幕，實時顯示趨勢圖和分布圖（tú），以此來實（shí）現操作人員直觀、快速地（dì）進行反饋響應。該部分軟件運行於基於Windows係統的（de）Mini PC(迷你型電腦)，實時傳輸並顯示到機床（chuáng）操作（zuò）站（zhàn）的外接屏幕。

3.2.3 機床自（zì）適應超前（qián）磨削（xuē）補償

本單元中“數據傳輸（shū）與顯示”模塊已經實現將裝配區域實時傳輸到對應的磨削前端（duān），在一定程度上解決了人為產生的響應延時，但是在（zài）高效率、快節奏的生（shēng）產節（jiē）拍中如何實時、快速地動（dòng）態響應磨削補償，需要設備具有自我調整能力。本項目中對於NC係統的控製依舊采用前麵提到的NC一DDE動態數據鏈（liàn）接技術，通過對數據（jù）趨勢的整體分析，采用一定的算法，相應地（dì）動態調整磨削補償量，使整體（tǐ）趨（qū）勢保持（chí）在中值線兩側、上下參考值線（xiàn）之內，在一定程度上解決相應的數據結構。部分代碼如下:

經過程序化控製之後，實現了界麵手動補償和係統趨勢自動補償的統一，最大程度地控製偏差在質量要求之內。

如圖11所示（shì），經過超（chāo）前自（zì）動趨勢補償之後，整體生產（chǎn）趨（qū）於（yú）穩定，係統作用效果明顯。

圖11 自動補（bǔ）償數據控（kòng）製趨勢圖

4、係統整體項目運行及反（fǎn）饋

在項目組整（zhěng）體配合下，如圖12所示，項目進展順利，經過穩定測試之後，已經應用於從前端磨削（xuē）到後期裝配的整條（tiáo）生產（chǎn）線，係統實時采集監控數據，並與雲端設定的工單進行數據交互，自動（dòng）按照設定工（gōng）單（dān）數量運行加工，較大程度地解（jiě）決了（le）由於軸承（chéng）滾子公差（chà）範（fàn）圍批量差異過大的（de）裝配問題;同時，自動磨削補償模塊，實時動態分（fèn）析生產裝配區（qū）域裝（zhuāng）配反饋的偏差趨勢，並自動調控機床，實（shí）現機床的自動磨削參數補（bǔ）償，實現生產自（zì）動化（huà）邁向智能（néng）化，較大幅度提高了產品質量（liàng）。直接生產效益估計在100萬元人民幣以上。

圖12 項目設備展示圖

5、應用總結

整個項目在最大程度節省（shěng）成本上，采用（yòng）西門子（zǐ）840 D係統提供的開放DDE數據接口，高效地完成設定目標，主（zhǔ）要歸（guī）結於以下兩點:

(1)西門（mén）子數控產品開放（fàng）性

作為（wéi）土業控製與數控領（lǐng）域的集大成者一，西門子840 D係統具有高度的開放、靈活而又統一的結構，基於Windows係統的PCU50. 3，高度開（kāi）放相關API，極大的方便了項（xiàng）目所需要的係統二次（cì）開發。

(2)西門子數控產品（pǐn）網絡化便捷（jié）性

在原有840 D基礎上升（shēng）級的新一代（dài）840D SL采用網絡（luò）一（yī）體化結構，在（zài）驅動模塊網絡化、局域（yù）網絡化（huà）以（yǐ）及外部公共網絡化上（shàng）具有獨立而又統一的組態結構，具有較高的網絡便捷性，使得項目（mù）能夠在不（bú）采用其（qí）他（tā）工業網卡（kǎ）的情況下，能夠快速地實現網絡化拓撲，對項目的高（gāo）效穩定實（shí）現具（jù）有重要意義。

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