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、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. 匹(pi)配(pei)滾(gun)子(zi)批(pi)次(ci)工(gong)單(dan)。針(zhen)對(dui)不(bu)同(tong)批(pi)次(ci)的(de)滾(gun)子(zi)可(ke)以(yi)設(she)定(ding)軸(zhou)承(cheng)生(sheng)產(chan)工(gong)單(dan),根(gen)據(ju)產(chan)出(chu)自(zi)動(dong)控(kong)製(zhi)機(ji)床(chuang),該(gai)過(guo)程(cheng)中(zhong)需(xu)要(yao)實(shi)時(shi)自(zi)動(dong)或(huo)者(zhe)手(shou)動(dong)獲(huo)取(qu)裝(zhuang)配(pei)區(qu)報(bao)廢(fei)、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;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
youyugongzuoshimochuangshalungaosuxuanzhuan,suoyigongdandadaoyujingzhihuozhegongdanwanchengshi,jichuangtingzhicaiyongdemoshibutongyushebeiguzhangbaojingchanshengdejinjitingzhihuozhewaibudewanquanshebeitingzhi,caiyongdanxunhuantingzhi,jichuanggongzuojiuxuzhuangtai(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SPCzhandegongkongjizuoweishujucaijizhandian,caijishujucunchudaofuwuqi,bingtongguowangluoshishichuanshudaomoxuequyu,fenbietongguopingmuxianshishishizhuzhuangtuhequshitu,tongshifankuigeijichuang,jichuangduanruanjiangenjudangqianshishizhuangtaihequshijinxingziwomoxuebuchang。
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
zaixiangmuzuzhengtipeihexia,xiangmujinzhanshunli,jingguowendingceshizhihou,yijingyingyongyucongqianduanmoxuedaohouqizhuangpeidezhengtiaoshengchanxian,xitongshishicaijijiankongshuju,bingyuyuanchengyunduanshedingdegongdanjinxingshujujiaohu,zidonganzhaoshedinggongdanshuliangyunxingjiagong,jiaodachengdulejiejueleyouyuzhouchenggunzigongchafanweipiliangchayiguodadezhuangpeiwenti;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
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