摘要: 

本係統是基於西門子840D SL數控係統所提供支持的數控動態數據交換機製（NC DDE）所開發，係統應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，實時采集監控   shuju，bingyuyuanchengyunduanshedingdegongdanjinxingshujujiaohu，zaichanpinshuliangdadaojidingshuliangzhihou
，zidongkongzhijichuangjinxingyunxingtingzhi，jingquerenzhihou，zidongkaiqiyunxingxiayigongdanjihua，jiejueleyouyuzhouchenggunzigongchafanweipiliangchayiguodadezhuangpeiwenti;同tong時shi
，係xi統tong集ji成cheng數shu理li統tong計ji過guo程cheng控kong製zhi係xi統tong，實shi現xian實shi時shi動dong態tai分fen析xi生sheng產chan裝zhuang配pei區qu域yu裝zhuang配pei公gong差cha範fan圍wei
，並bing自zi動dong控kong製zhi機ji床chuang，實shi現xian機ji床chuang的de自zi動dong磨mo削xue參can數shu補bu償chang，實shi現xian生sheng產chan自zi動dong化hua和he智zhi能neng化hua，較jiao大da幅fu度du提ti高gao了le產chan品pin質zhi量liang。

關鍵詞:  動態數據交換，自動補償,雲端控製, 遠程監控，超前響應，滯後響應

斯凱孚作為全球最大的軸承製造商之一，於2011年在濟南建立斯凱孚(濟南)軸承與精密技術產品有限公司，濟南工廠作為斯凱孚集團汽車業務單元的重要組成部分，2012年投產以來,主要為中國和亞洲的汽車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 雙列圓柱滾子軸承(THU)兩大類。

以產品高質量而聞名的的斯凱孚軸承
，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低的問題，基於此背景，我們對以西門子840D為wei數shu控kong係xi統tong的de的de關guan鍵jian設she備bei進jin行xing相xiang關guan的de改gai造zao
，結jie合he現xian場chang實shi際ji的de情qing況kuang開kai發fa了le本ben係xi統tong
，解jie決jue了le相xiang關guan問wen題ti帶dai來lai的de反fan應ying滯zhi後hou，提ti高gao了le產chan品pin合he格ge率lv，增zeng加jia的de生sheng產chan效xiao益yi十shi分fen可ke觀guan。

一、項目(係統)問題分析

1.1生產工藝流程簡介

軸承的基本加工流程為：軸承內圈和外圈按照生產線布局
，自動在對應磨削工位進行磨削流程
，分別經過外圓磨削
、端麵磨削、滾道磨削、內孔磨削、擋邊磨削之後進入檢測裝配區域
，進行檢測和裝配組合。

1.2 生產線設備簡介

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

磨削設備全部采用西門子840Dsl控製係統
，並采用汽車行業的動力總成標準，其中數控係統主要配置主要如下：NCU 710.2 、PCU50.3 (裝載HMI Advanced

，基於Windows XP

，雙網卡)，MPP483 IE 以及對應伺服驅動與電機等。設備從電氣控製和機械精度上滿足自動化的要求，主要實現軸承內

、外圈毛坯件的精密磨削加工：外圓磨削、滾道磨削、內孔磨削等工藝流程。

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

1.3問題描述

在生產過程中
，產線前端的磨削過程偏差、滾子的公差、內組件高度、外圈高度等會直接影響最終的裝配合格率。故當前存在以下問題：

問題1.滾子批次公差不同。不同批次的滾子，滾子公差差異存在，按照理論應該同批次數量的滾子，產生對應的軸承
，比如 BTH-0801型號軸承 20個滾子
，批量滾子為T，故理論產生軸承數量為 N=T/20，即內外圈，分別需要理論生產N個。但是實際過程中由於生產線過長

，在傳送帶上滯留的和由於報廢

、返工等產生的數量無法有效的準確衡量
，因而造成較大的偏差，對生產質量產生較大影響。

問題2.磨削補償響應延遲。由於磨削穩定性、gunzigongchadengyingxiang，huichanshengxiangyingdepianchaqushi

，ruguochengpianchapiangaohuozhepiangao，xiangyingdeneiwaiquanmoxuegundaomoxuegongxuxuyaojinxingshoudongbuchangkongzhi
，yitigaozhuangpeihegelv，danshiyouyushengchanxiancaozuorenyuanfanyingyanchi、測量檢測反饋不及時等，補償生效時間往往處於滯後狀態。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，經過跨部門小組綜合整體分析決議

，提出以下改進方案，項目方案由兩部分構成：

1. pipeigunzipicigongdan。zhenduibutongpicidegunzikeyishedingzhouchengshengchangongdan
，genjuchanchuzidongkongzhijichuang
，gaiguochengzhongxuyaoshishizidonghuozheshoudonghuoquzhuangpeiqubaofei、返(fan)工(gong)等(deng)信(xin)息(xi)
，並(bing)實(shi)時(shi)更(geng)新(xin)工(gong)單(dan)狀(zhuang)態(tai)至(zhi)磨(mo)削(xue)機(ji)床(chuang)
，當(dang)工(gong)單(dan)數(shu)量(liang)達(da)到(dao)後(hou)，自(zi)動(dong)停(ting)機(ji)，並(bing)提(ti)示(shi)更(geng)換(huan)下(xia)一(yi)批(pi)次(ci)滾(gun)子(zi)
，確(que)認(ren)後(hou)，自(zi)動(dong)開(kai)始(shi)下(xia)一(yi)工(gong)單(dan)。

2. 機ji床chuang自zi適shi應ying磨mo削xue補bu償chang。針zhen對dui裝zhuang配pei區qu所suo測ce得de裝zhuang配pei數shu據ju，實shi時shi傳chuan輸shu至zhi磨mo削xue區qu域yu
，同tong時shi
，機ji床chuang可ke以yi根gen據ju裝zhuang配pei檢jian測ce數shu據ju的de趨qu勢shi或huo者zhe實shi際ji情qing況kuang
，進jin行xing自zi動dong調tiao整zheng磨mo削xue補bu償chang
，實shi現xian自zi動dong超chao差cha補bu償chang響xiang應ying。

二、項目方案係統構成

youyishangfenxikezhi
，genjuxiangmuxuqiu
，xuyaoduijichuangshixianyuanchengzidongkongzhi
，xuyaoduizhuangpeishebeishujujinxingshishiyuanchengduqu，duibingshangchuanzhifuwuqijinxingshujukucunqu
，tongshimoxuejichuangduanxuyaoshishigenjujichuangneibuyingjianzhuangtai，panduanjiagongguocheng，bingyuanchengduxieshuju，gengxingongdanzhuangtai。genjushejisilu，zhengtixiangmuzuchengjiegouruxia：

圖2.1係統功能整體框圖

係統功能整體框圖 如上圖2所示
，係統整體由機床、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ji床chuang運yun行xing時shi

，讀du取qu工gong單dan

，根gen據ju工gong單dan狀zhuang態tai進jin行xing加jia工gong數shu量liang控kong製zhi，達da到dao設she定ding預yu警jing數shu量liang後hou進jin行xing機ji床chuang預yu定ding義yi報bao警jing，對dui機ji床chuang進jin行xing人ren為wei反fan饋kui後hou，機ji床chuang完wan成cheng工gong單dan數shu量liang
，自zi動dong停ting止zhi加jia工gong
；同時裝配區域設備檢測數據通過SPCruanjianshangchuanzhifuwuqi
，zidongshishichuanshudangqianshengchanpianchashuju
，jichuangkehuduangenjuzhuangpeiqushishishujuqushi，zidongchaoqiantiaozhengmoxuebuchangshuju，shixianduishengchanmoxuedechaoqianxiangyingkongzhi。

三、項目係統開發設計

3.1基於不同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、基於雲端服務器存儲

、機床實時讀取與反饋控製三個主要部分。

圖3.1 係統結構簡圖

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
，具有

型號下拉選擇
，數據輸入，自動計算與存儲的功能。理論生產數量公式如下：

同時可以自定義設定預報警數量，軟件會自動計算相應的結果
，點擊提交後會提交至係統，

存儲於雲端服務器。

圖3.1 工單創建畫麵

3.2 工單計劃管理列表

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數據庫進行讀寫控製。

其中難點為數據庫數據與840DSL係統機床的連接交互控製。動態數據交換（Dynamic Data Exchange
，DDE）是微軟公司提出的一種數據通訊形式，即動態數據交換機製
，它使用共享的內存在應用程序之間進行數據交換。DDE不同於剪切板方法，它能 夠及時更新數據，在兩個應用程序之間自動更新信息，無須用戶參與。使用DDE通訊需要兩個Windows應用程序(該應用基於VB或者VC++編寫)，其(qi)中(zhong)一(yi)個(ge)作(zuo)為(wei)服(fu)務(wu)器(qi)處(chu)理(li)信(xin)息(xi)，另(ling)外(wai)一(yi)個(ge)作(zuo)為(wei)客(ke)戶(hu)機(ji)從(cong)服(fu)務(wu)器(qi)獲(huo)得(de)信(xin)息(xi)。客(ke)戶(hu)機(ji)應(ying)用(yong)程(cheng)序(xu)向(xiang)當(dang)前(qian)所(suo)激(ji)活(huo)的(de)服(fu)務(wu)器(qi)應(ying)用(yong)程(cheng)序(xu)發(fa)送(song)一(yi)條(tiao)消(xiao)息(xi)請(qing)求(qiu)信(xin)息(xi)

，服(fu)務(wu)器(qi)應(ying)用(yong)程(cheng)序(xu)根(gen)據(ju)該(gai)信(xin)息(xi)作(zuo)出(chu)應(ying)答(da)，從(cong)而(er)實(shi)現(xian)兩(liang)個(ge)程(cheng)序(xu)之(zhi)間(jian)的(de)數(shu)據(ju)交(jiao)換(huan)。

西門子具有高度的靈活性和開放性，在工業控製市場中占據主導地位，其產品大多基於Windows 係統框架。本項目正是基於以上特點而高效展開。

在項目現場中所采用的數控設備客戶機為PCU50.3，基於Windows XP係統，安裝有 HMI Advanced，由於該HMI Advanced 本質上是采用VB 作為基礎語言編寫開發的操作界麵應用
，故從核心原理上支持微軟標準的動態數據交換機製(DDE)，同時，西門子在此專門為用戶開發者開放了 相關DDE 的API接口

，提供了較為專業的數據傳輸與係統控製途徑方案。(最新版的Sinumerik Operator 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 Programming Package編程擴展包方案，進而支持更為高效的.net應用接口，筆者在此不進行詳細描述)。

故本質上，所編寫的客戶端應用實際上並不直接與PLC和NC通訊，而是，通過DDE技術
，將HMI Advanced 作為應用服務器(NCDDE)，與之交互通訊，進而與NC和PLC通訊，傳統的界麵二次開發擴展也是基於該原理所進行。

3.1．1機床客戶端應用部分程序如下：

/* 讀取雲端服務器Mysql數據，並判斷當前工單所處狀態：*/

With Conn

   If .State = adStateOpen Then .Close

   .ConnectionString = " DRIVER={MySQL ODBC 5.3 Unicode Driver};" _

                     & " SERVER=" & ReadIniValue(App.Path & "\Setting.ini", "Default", "Host") & ";" _

                     & " DATABASE=ncudb;" _

                     & " UID=ncuser;" _

                     & " PWD=ncpass;" _

                     & " stmt=SET NAMES GB2312"

    .CommandTimeout = 60

   .Open

End With

Reco.Open sqlstr, Conn

Flag_PA = Reco!PA_Flag   '讀取工單狀態

Flag_AC = Reco!AC_Flag  

Num_ Producted = Reco!Product_num_OUT  '讀取實際已經生產數量

Num_ Product_Correct = Reco!Product_num_Correct '讀取應該生產數量

Num_ Alarm = Reco!Alarm_Pre '讀取預警數量

/*讀取PLC單個正常生產循環標誌位，表示加工完畢一個工件：*/

如下圖程序所示

，DB109.DBX10.1 表示加工完畢，換料完成
，故可以以此為係統加工循環標識，統計該位數據的變化次數(數據上升沿),即可統計機床自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。

/*'讀取機床生產數量DB109.DBX10.1，生產一個工件，自動變為1 */

Label8.LinkTopic = "ncdde|ncu840d"

Label8.LinkItem = "/PLC/DATABLOCK/BIT[C109,10.1]"

Label8.LinkMode = 3

/*'根據數據，判斷是否達到工單標準設定

，(未達到、預警值、完成): */

通過對換料完成標識位DB109.DBX10.1的讀取，判斷如果生產完成一個循環，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DDE方式
，將DB10.DB129.DBX6置位
，完成加工過程。

Private Sub Label8_Change()

If CInt(Text3.Text) < (CInt(Text4.Text)) Then  '小於生產總值的情況下，繼續生產至結束


，更新數據庫

Reco.Close

Set Reco = Nothing

     Temp_num = Val(Text3.Text) + 1          '生產一個圈則加1，並對數據庫中數據進行加1

     Conn.Close

     Conn.Open

Conn.Execute ("Update Ring SET Product_num_OUT=" & Temp_num & " where IR_OR_type='" + ReadIniValue(App.Path & "\setting.ini", "Default", "IOR") + "'and Status= '已反饋' ")

   Conn.Close

     Else                                    '機床報警停止當前循環DB10.DB129.DBX6

 On Error Resume Next

Label10.LinkTopic = "ncdde|ncu840d"

Label10.LinkItem = "/PLC/DATABLOCK/BIT[C10,129.6]"

Label10.LinkMode = 2 'Manual

Label10.Caption = "1"

Label10.LinkPoke

Machine_Stop_Form.Show

Form1.Hide

End If

End Sub

由you於yu工gong作zuo時shi磨mo床chuang砂sha輪lun高gao速su旋xuan轉zhuan，所suo以yi工gong單dan達da到dao預yu警jing值zhi或huo者zhe工gong單dan完wan成cheng時shi，機ji床chuang停ting止zhi采cai用yong的de模mo式shi不bu同tong於yu設she備bei故gu障zhang報bao警jing產chan生sheng的de緊jin急ji停ting止zhi或huo者zhe外wai部bu的de完wan全quan設she備bei停ting止zhi，采cai用yong單dan循xun環huan停ting止zhi
，機ji床chuang工gong作zuo就jiu緒xu狀zhuang態tai（NC程序該循環結束後
，停止讀取

，砂輪速度、軸位置等保持加工狀態不變），所以
，當機床預警後完成反饋以及工單完成確認之後
，機床會自動反饋至服務器，更新工單狀態
、或者自動啟動下一條工單。從最大程度上減少了生產循環節拍的浪費，最大程度減小對生產效率的影響。

圖3.3 機床操作麵板循環停止控製按鈕指示圖

由於傳統的NC DDE運用僅僅是界麵的二次開發，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已經開啟
，所以能夠正常通訊，但是本項目案例中，開發的客戶端軟件需要
，開機自動後台運行，在HMI界麵並無人為啟動選項，故在實際部署過程中，需要對開發的應用進行後台自動啟動，同時需要進行延時啟動
，即確保HMI Advanced完全啟動
，相應的NCDDE Server能夠完全啟動。否則客戶端軟件相關功能無法正常運行。

圖3.4 西門子840D DDE 數據架構圖

如下圖所示，在本係統功能中
，作為關鍵性的內圈和外圈生產數量的監控
，本係統模塊基於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，可以實時監控生產狀態，並能根據生產狀態作出相應的生產計劃安排。

圖3.5  工單遠程狀態監控

如下圖
，當自動完全達到設定工單數量之後，係統會自動全屏彈出提示頁麵
，同時，

設備會自動循環停止，直到操作人員點擊確認後，設備會自動啟動下一條預設生產的工單。

圖3.6 設備當前工單完成提示畫麵

3.2機床自適應磨削補償功能係統模塊設計

該模塊功能主要由裝配設備檢測數據讀取
、數據傳輸與顯示、機床自動根據數據趨勢自動補償三個主要部分。裝配區設備為S7-200 PLC我們采用SPC站(zhan)的(de)工(gong)控(kong)機(ji)作(zuo)為(wei)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)站(zhan)點(dian)，采(cai)集(ji)數(shu)據(ju)存(cun)儲(chu)到(dao)服(fu)務(wu)器(qi)
，並(bing)通(tong)過(guo)網(wang)絡(luo)實(shi)時(shi)傳(chuan)輸(shu)到(dao)磨(mo)削(xue)區(qu)域(yu)
，分(fen)別(bie)通(tong)過(guo)屏(ping)幕(mu)顯(xian)示(shi)實(shi)時(shi)柱(zhu)狀(zhuang)圖(tu)和(he)趨(qu)勢(shi)圖(tu)，同(tong)時(shi)反(fan)饋(kui)給(gei)機(ji)床(chuang)，機(ji)床(chuang)端(duan)軟(ruan)件(jian)根(gen)據(ju)當(dang)前(qian)實(shi)時(shi)狀(zhuang)態(tai)和(he)趨(qu)勢(shi)進(jin)行(xing)自(zi)我(wo)磨(mo)削(xue)補(bu)償(chang)。

3.2.1裝配設備檢測數據讀取:

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S7-200 的實時檢測數據
，實時將數據存儲到服務器，執行效率和準確率完全符合。具體內容在此不予冗餘陳述。

3.2.2  數據傳輸與顯示:

基ji於yu現xian場chang生sheng產chan線xian距ju離li過guo長chang，生sheng產chan操cao作zuo人ren員yuan相xiang對dui精jing簡jian的de情qing況kuang
，裝zhuang配pei區qu域yu與yu磨mo削xue區qu域yu生sheng產chan人ren員yuan無wu法fa有you效xiao及ji時shi溝gou通tong
，會hui產chan生sheng生sheng產chan偏pian差cha響xiang應ying周zhou期qi長chang，無wu法fa及ji時shi的de反fan饋kui到dao磨mo削xue前qian端duan的de問wen題ti，導dao致zhi

無法及時的人為去控製偏差及趨勢，故在磨床操作站增加屏幕，實時顯示趨勢圖和分布圖
，以此來實現操作人員直觀、快速的進行反饋響應。該部分軟件運行於基於Windows係統的Mini PC(迷你型電腦)，並實時顯示到屏幕，部分代碼如下：

3.2.3 機床自適應超前磨削補償: 

本單元中”數據傳輸與顯示”模塊已經實現將裝配區域實時傳輸到對應的磨削前端，在一定程度上解決了人為產生的響應延時，但是在高效率、快節奏的生產節拍中如何實時

、快速的動態響應磨削補償，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-DDE 動態數據鏈接技術，通過對數據趨勢的整體分析，采用一定的算法，相應的動態調整磨削補償量，使整體趨勢保持在中值線兩側、上下參考值線之內，在一定程度上解決相應的數據結構。部分代碼如下:

Compensation.LinkTopic = "ncdde|ncu840d"

Compensation.LinkItem = "/Channel/Parameter/R[120]" 

Tem_R390.LinkItem = "/Channel/Parameter/R[390]" 

Compensation.LinkMode = 2 'Manual

Compensation.Caption = "3"

Tem.LinkTopic = "ncdde|ncu840d"

Tem.text= K * Var(Compensation.text)+ Var(Tem_R390.text)  '機床補償參數線性計算

Tem.LinkItem = "/Channel/Parameter/R[120]" 

Tem.Caption = "1"

Tem.LinkPoke

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，最大程度的控製偏差在質量要求之內。

圖3.7 原有手動補償畫麵

圖3.8 生產趨勢圖數據控製趨勢圖

如圖所示，經過超前自動趨勢補償之後

，整體生產趨於穩定，效果係統作用明顯。

四、係統整體項目運行及饋

在zai項xiang目mu組zu整zheng體ti配pei合he下xia，項xiang目mu進jin展zhan順shun利li，經jing過guo穩wen定ding測ce試shi之zhi後hou
，已yi經jing應ying用yong於yu從cong前qian端duan磨mo削xue到dao後hou期qi裝zhuang配pei的de整zheng條tiao生sheng產chan線xian
，係xi統tong實shi時shi采cai集ji監jian控kong數shu據ju，並bing與yu遠yuan程cheng雲yun端duan設she定ding的de工gong單dan進jin行xing數shu據ju交jiao互hu，自zi動dong按an照zhao設she定ding工gong單dan數shu量liang運yun行xing加jia工gong
，較jiao大da程cheng度du了le解jie決jue了le由you於yu軸zhou承cheng滾gun子zi公gong差cha範fan圍wei批pi量liang差cha異yi過guo大da的de裝zhuang配pei問wen題ti;tongshi
，zidongmoxuebuchangmokuai，shishidongtaifenxishengchanzhuangpeiquyuzhuangpeifankuidepianchaqushi，bingzidongtiaokongjichuang
，shixianjichuangdezidongmoxuecanshubuchang
，shixianshengchanzidonghuamaixiangzhinenghua

，jiaodafudutigaolechanpinzhiliang.估計直接生產效益在100萬人民幣以上。

圖3.8 項目設備展示圖

五、應用總結

整個項目在最大程度節省成本上，采用西門子840D係統提供的開放DDE數據接口
，高效的完成設定目標
，主要歸結於以下兩點:

1. 西門子數控產品開放性

作為工業控製與數控領域的集大成者
，西門子840D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，高度開放相關API，極大的方便了項目所需要的係統二次開發。

2．西門子數控產品網絡化便捷性

在原有840D基礎上升級的新一代840D SL 采用網絡一體化結構，在驅動模塊網絡化
、局(ju)域(yu)網(wang)絡(luo)化(hua)以(yi)及(ji)外(wai)部(bu)公(gong)共(gong)網(wang)絡(luo)化(hua)上(shang)具(ju)有(you)獨(du)立(li)而(er)又(you)統(tong)一(yi)的(de)組(zu)態(tai)結(jie)構(gou)，具(ju)有(you)較(jiao)高(gao)的(de)網(wang)絡(luo)便(bian)捷(jie)性(xing)
，使(shi)得(de)項(xiang)目(mu)能(neng)夠(gou)在(zai)不(bu)采(cai)用(yong)其(qi)他(ta)工(gong)業(ye)網(wang)卡(ka)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，能(neng)夠(gou)快(kuai)速(su)的(de)實(shi)現(xian)網(wang)絡(luo)化(hua)拓(tuo)撲(pu)

，對(dui)項(xiang)目(mu)的(de)高(gao)效(xiao)穩(wen)定(ding)實(shi)現(xian)具(ju)有(you)重(zhong)要(yao)意(yi)義(yi)。

參考文獻

［1］Siemens. SINUMERIK 840D/840Di/810D Computer connect，2006

［2］Siemens，SINUMERIK 840D sl Operator Components and Networking，2012

［3］Siemens. 西門子簡明調試手冊2012，2012