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   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，在zai產chan品pin數shu量liang達da到dao既ji定ding數shu量liang之zhi後hou，自zi動dong控kong製zhi機ji床chuang進jin行xing運yun行xing停ting止zhi，經jing確que認ren之zhi後hou，自zi動dong開kai啟qi運yun行xing下xia一yi工gong單dan計ji劃hua，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，xitongjichengshulitongjiguochengkongzhixitong，shixianshishidongtaifenxishengchanzhuangpeiquyuzhuangpeigongchafanwei，bingzidongkongzhijichuang，shixianjichuangdezidongmoxuecanshubuchang
，shixianshengchanzidonghuahezhinenghua
，jiaodafudutigaolechanpinzhiliang。

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840Dweishukongxitongdedeguanjianshebeijinxingxiangguandegaizao，jiehexianchangshijideqingkuangkaifalebenxitong
，jiejuelexiangguanwentidailaidefanyingzhihou，tigaolechanpinhegelv，zengjiadeshengchanxiaoyishifenkeguan。

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、滾gun子zi公gong差cha等deng影ying響xiang，會hui產chan生sheng相xiang應ying的de偏pian差cha趨qu勢shi
，如ru過guo程cheng偏pian差cha偏pian高gao或huo者zhe偏pian高gao
，相xiang應ying的de內nei外wai圈quan磨mo削xue滾gun道dao磨mo削xue工gong序xu需xu要yao進jin行xing手shou動dong補bu償chang控kong製zhi，以yi提ti高gao裝zhuang配pei合he格ge率lv，但dan是shi由you於yu生sheng產chan線xian操cao作zuo人ren員yuan反fan應ying延yan遲chi、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
、fangongdengxinxi
，bingshishigengxingongdanzhuangtaizhimoxuejichuang，danggongdanshuliangdadaohou，zidongtingji，bingtishigenghuanxiayipicigunzi，querenhou，zidongkaishixiayigongdan。

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

由you以yi上shang分fen析xi可ke知zhi，根gen據ju項xiang目mu需xu求qiu，需xu要yao對dui機ji床chuang實shi現xian遠yuan程cheng自zi動dong控kong製zhi
，需xu要yao對dui裝zhuang配pei設she備bei數shu據ju進jin行xing實shi時shi遠yuan程cheng讀du取qu
，對dui並bing上shang傳chuan至zhi服fu務wu器qi進jin行xing數shu據ju庫ku存cun取qu
，同tong時shi磨mo削xue機ji床chuang端duan需xu要yao實shi時shi根gen據ju機ji床chuang內nei部bu硬ying件jian狀zhuang態tai
，判pan斷duan加jia工gong過guo程cheng，並bing遠yuan程cheng讀du寫xie數shu據ju，更geng新xin工gong單dan狀zhuang態tai。根gen據ju設she計ji思si路lu，整zheng體ti項xiang目mu組zu成cheng結jie構gou如ru下xia：

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；jichuangyunxingshi，duqugongdan，genjugongdanzhuangtaijinxingjiagongshuliangkongzhi
，dadaoshedingyujingshulianghoujinxingjichuangyudingyibaojing，duijichuangjinxingrenweifankuihou，jichuangwanchenggongdanshuliang，zidongtingzhijiagong
；同時裝配區域設備檢測數據通過SPC軟ruan件jian上shang傳chuan至zhi服fu務wu器qi，自zi動dong實shi時shi傳chuan輸shu當dang前qian生sheng產chan偏pian差cha數shu據ju，機ji床chuang客ke戶hu端duan根gen據ju裝zhuang配pei區qu實shi時shi數shu據ju趨qu勢shi，自zi動dong超chao前qian調tiao整zheng磨mo削xue補bu償chang數shu據ju，實shi現xian對dui生sheng產chan磨mo削xue的de超chao前qian響xiang應ying控kong製zhi。

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)，qizhongyigezuoweifuwuqichulixinxi

，lingwaiyigezuoweikehujicongfuwuqihuodexinxi。kehujiyingyongchengxuxiangdangqiansuojihuodefuwuqiyingyongchengxufasongyitiaoxiaoxiqingqiuxinxi
，fuwuqiyingyongchengxugenjugaixinxizuochuyingda，congershixianlianggechengxuzhijiandeshujujiaohuan。

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:

jiyuxianchangshengchanxianjuliguochang
，shengchancaozuorenyuanxiangduijingjiandeqingkuang，zhuangpeiquyuyumoxuequyushengchanrenyuanwufayouxiaojishigoutong

，huichanshengshengchanpianchaxiangyingzhouqichang，wufajishidefankuidaomoxueqianduandewenti，daozhi

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);同(tong)時(shi)
，自(zi)動(dong)磨(mo)削(xue)補(bu)償(chang)模(mo)塊(kuai)
，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)反(fan)饋(kui)的(de)偏(pian)差(cha)趨(qu)勢(shi)，並(bing)自(zi)動(dong)調(tiao)控(kong)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)邁(mai)向(xiang)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).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