本系統(tǒng)是基于西門子840D SL數(shù)控系統(tǒng)所提供支持的數(shù)控動態(tài)數(shù)據(jù)交換機(jī)制（NC DDE）所開發(fā)，系統(tǒng)應(yīng)用于軸承生產(chǎn)線從前端磨削到后期裝配的整條生產(chǎn)線，實現(xiàn)程序自動開機(jī)后臺運(yùn)行，實時采集監(jiān)控數(shù)據(jù)，并與遠(yuǎn)程云端設(shè)定的工單進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，在產(chǎn)品數(shù)量達(dá)到既定數(shù)量之后，自動控制機(jī)床進(jìn)行運(yùn)行停止，經(jīng)確認(rèn)之后，自動開啟運(yùn)行下一工單計劃，解決了由于軸承滾子公差范圍批量差異過大的裝配問題；同時，系統(tǒng)集成數(shù)理統(tǒng)計過程控制系統(tǒng)，實現(xiàn)實時動態(tài)分析生產(chǎn)裝配區(qū)域裝配公差范圍，并自動控制機(jī)床，實現(xiàn)機(jī)床的自動磨削參數(shù)補(bǔ)償，實現(xiàn)生產(chǎn)自動化和智能化，較大幅度提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

斯凱孚作為全球最大的軸承制造商之一，于2011年在濟(jì)南建立斯凱孚(濟(jì)南)軸承與精密技術(shù)產(chǎn)品有限公司，濟(jì)南工廠作為斯凱孚集團(tuán)汽車業(yè)務(wù)單元的重要組成部分，2012年投產(chǎn)以來,主要為中國和亞洲的汽車配件市場和工業(yè)市場服務(wù)，目前主要生產(chǎn)圓錐滾子軸承TRB 和 雙列圓柱滾子軸承(THU)兩大類。

以產(chǎn)品高質(zhì)量而聞名的的斯凱孚軸承，在生產(chǎn)制造過程中，一直以高質(zhì)量、高標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行生產(chǎn)控制，但在初期，因為生產(chǎn)線過長、員工響應(yīng)時間滯后等因素，難免會出現(xiàn)整條產(chǎn)品裝配合格率偏低的問題，基于此背景，我們對以西門子840D為數(shù)控系統(tǒng)的的關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行相關(guān)的改造，結(jié)合現(xiàn)場實際的情況開發(fā)了本系統(tǒng)，解決了相關(guān)問題帶來的反應(yīng)滯后，提高了產(chǎn)品合格率，增加的生產(chǎn)效益十分可觀。

一、項目(系統(tǒng))問題分析

1.1 生產(chǎn)工藝流程簡介

圖1.1  軸承外觀

圖1.2  軸承拆分結(jié)構(gòu)圖

圖1.3  軸承簡化加工流程示意圖

軸承的基本加工流程為：軸承內(nèi)圈和外圈按照生產(chǎn)線布局，自動在對應(yīng)磨削工位進(jìn)行磨削流程，分別經(jīng)過外圓磨削、端面磨削、滾道磨削、內(nèi)孔磨削、擋邊磨削之后進(jìn)入檢測裝配區(qū)域，進(jìn)行檢測和裝配組合。

1.2 生產(chǎn)線設(shè)備簡介

公司于2012年開始，先后引進(jìn)國外精密磨削加工設(shè)備和國內(nèi)軸承檢測及裝配設(shè)備。

磨削設(shè)備全部采用西門子840Dsl控制系統(tǒng)，并采用汽車行業(yè)的動力總成標(biāo)準(zhǔn)，其中數(shù)控系統(tǒng)主要配置主要如下：NCU 710.2 、PCU50.3 (裝載HMI Advanced，基于Windows XP，雙網(wǎng)卡)，MPP483 IE 以及對應(yīng)伺服驅(qū)動與電機(jī)等。設(shè)備從電氣控制和機(jī)械精度上滿足自動化的要求，主要實現(xiàn)軸承內(nèi)、外圈毛坯件的精密磨削加工：外圓磨削、滾道磨削、內(nèi)孔磨削等工藝流程。

裝配設(shè)備主要采用西門子S7-200 PLC作為控制器，配置相應(yīng)的機(jī)械、電氣以及氣動結(jié)構(gòu)，主要實現(xiàn)軸承內(nèi)圈、滾子、保持架以及軸承外圈的清洗、檢測、裝配、鉚壓、注脂等后期工序。

1.3 問題描述

在生產(chǎn)過程中，產(chǎn)線前端的磨削過程偏差、滾子的公差、內(nèi)組件高度、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(yīng)該同批次數(shù)量的滾子，產(chǎn)生對應(yīng)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(chǎn)生軸承數(shù)量為 N=T/20，即內(nèi)外圈，分別需要理論生產(chǎn)N個。但是實際過程中由于生產(chǎn)線過長，在傳送帶上滯留的和由于報廢、返工等產(chǎn)生的數(shù)量無法有效的準(zhǔn)確衡量，因而造成較大的偏差，對生產(chǎn)質(zhì)量產(chǎn)生較大影響。

問題2. 磨削補(bǔ)償響應(yīng)延遲。由于磨削穩(wěn)定性、滾子公差等影響，會產(chǎn)生相應(yīng)的偏差趨勢，如過程偏差偏高或者偏高，相應(yīng)的內(nèi)外圈磨削滾道磨削工序需要進(jìn)行手動補(bǔ)償控制，以提高裝配合格率，但是由于生產(chǎn)線操作人員反應(yīng)延遲、測量檢測反饋不及時等，補(bǔ)償生效時間往往處于滯后狀態(tài)。造成裝配合格率偏低。

1.4 項目需求描述及規(guī)劃

針對以上問題，經(jīng)過跨部門小組綜合整體分析決議，提出以下改進(jìn)方案，項目方案由兩部分構(gòu)成：

1. 匹配滾子批次工單。針對不同批次的滾子可以設(shè)定軸承生產(chǎn)工單，根據(jù)產(chǎn)出自動控制機(jī)床，該過程中需要實時自動或者手動獲取裝配區(qū)報廢、返工等信息，并實時更新工單狀態(tài)至磨削機(jī)床，當(dāng)工單數(shù)量達(dá)到后，自動停機(jī)，并提示更換下一批次滾子，確認(rèn)后，自動開始下一工單。

2. 機(jī)床自適應(yīng)磨削補(bǔ)償。針對裝配區(qū)所測得裝配數(shù)據(jù)，實時傳輸至磨削區(qū)域，同時，機(jī)床可以根據(jù)裝配檢測數(shù)據(jù)的趨勢或者實際情況，進(jìn)行自動調(diào)整磨削補(bǔ)償，實現(xiàn)自動超差補(bǔ)償響應(yīng)。

二、項目方案系統(tǒng)構(gòu)成

由以上分析可知，根據(jù)項目需求，需要對機(jī)床實現(xiàn)遠(yuǎn)程自動控制，需要對裝配設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行實時遠(yuǎn)程讀取，對并上傳至服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)庫存取，同時磨削機(jī)床端需要實時根據(jù)機(jī)床內(nèi)部硬件狀態(tài)，判斷加工過程，并遠(yuǎn)程讀寫數(shù)據(jù)，更新工單狀態(tài)。根據(jù)設(shè)計思路，整體項目組成結(jié)構(gòu)如下：

圖2.1系統(tǒng)功能整體框圖

系統(tǒng)功能整體框圖 如上圖2所示，系統(tǒng)整體由機(jī)床、遠(yuǎn)程服務(wù)器、工廠網(wǎng)絡(luò)、SPC系統(tǒng) 構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。工作流程如下：遠(yuǎn)程設(shè)定工單，并將數(shù)據(jù)存儲于服務(wù)器端；機(jī)床運(yùn)行時，讀取工單，根據(jù)工單狀態(tài)進(jìn)行加工數(shù)量控制，達(dá)到設(shè)定預(yù)警數(shù)量后進(jìn)行機(jī)床預(yù)定義報警，對機(jī)床進(jìn)行人為反饋后，機(jī)床完成工單數(shù)量，自動停止加工；同時裝配區(qū)域設(shè)備檢測數(shù)據(jù)通過SPC軟件上傳至服務(wù)器，自動實時傳輸當(dāng)前生產(chǎn)偏差數(shù)據(jù)，機(jī)床客戶端根據(jù)裝配區(qū)實時數(shù)據(jù)趨勢，自動超前調(diào)整磨削補(bǔ)償數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對生產(chǎn)磨削的超前響應(yīng)控制。

三、項目系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計

3.1 基于不同批次滾子設(shè)定工單的系統(tǒng)模塊設(shè)計

該模塊功能主要實現(xiàn)工單設(shè)定、基于云端服務(wù)器存儲、機(jī)床實時讀取與反饋控制三個主要部分。

圖3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

對于工單設(shè)定以及遠(yuǎn)程管理及數(shù)據(jù)存儲部分，采用C#編程的軟件客戶端，具有型號下拉選擇，數(shù)據(jù)輸入，自動計算與存儲的功能。理論生產(chǎn)數(shù)量公式如下：

同時可以自定義設(shè)定預(yù)報警數(shù)量，軟件會自動計算相應(yīng)的結(jié)果，點(diǎn)擊提交后會提交至系統(tǒng)，存儲于云端服務(wù)器。

圖3.1 工單創(chuàng)建畫面

圖3.2 工單計劃管理列表

本項目系統(tǒng)中，在遠(yuǎn)程服務(wù)器端架設(shè)開源的Mysql數(shù)據(jù)庫作為云端數(shù)據(jù)服務(wù)，機(jī)床客戶端軟件會遠(yuǎn)程對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行讀寫控制。

其中難點(diǎn)為數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)與840DSL系統(tǒng)機(jī)床的連接交互控制。動態(tài)數(shù)據(jù)交換（Dynamic Data Exchange，DDE）是微軟公司提出的一種數(shù)據(jù)通訊形式，即動態(tài)數(shù)據(jù)交換機(jī)制，它使用共享的內(nèi)存在應(yīng)用程序之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。DDE不同于剪切板方法，它能 夠及時更新數(shù)據(jù)，在兩個應(yīng)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(yīng)用程序(該應(yīng)用基于VB或者VC++編寫)，其中一個作為服務(wù)器處理信息，另外一個作為客戶機(jī)從服務(wù)器獲得信息?？蛻魴C(jī)應(yīng)用程序向當(dāng)前所激活的服務(wù)器應(yīng)用程序發(fā)送一條消息請求信息，服務(wù)器應(yīng)用程序根據(jù)該信息作出應(yīng)答，從而實現(xiàn)兩個程序之間的數(shù)據(jù)交換。

西門子具有高度的靈活性和開放性，在工業(yè)控制市場中占據(jù)主導(dǎo)地位，其產(chǎn)品大多基于Windows 系統(tǒng)框架。本項目正是基于以上特點(diǎn)而高效展開。

在項目現(xiàn)場中所采用的數(shù)控設(shè)備客戶機(jī)為PCU50.3，基于Windows XP系統(tǒng)，安裝有 HMI Advanced，由于該HMI Advanced 本質(zhì)上是采用VB 作為基礎(chǔ)語言編寫開發(fā)的操作界面應(yīng)用，故從核心原理上支持微軟標(biāo)準(zhǔn)的動態(tài)數(shù)據(jù)交換機(jī)制(DDE)，同時，西門子在此專門為用戶開發(fā)者開放了 相關(guān)DDE 的API接口，提供了較為專業(yè)的數(shù)據(jù)傳輸與系統(tǒng)控制途徑方案。(最新版的Sinumerik Operator 采用.net 編程架構(gòu)，故無法使用該技術(shù),但可以采用西門子的 Operator Programming Package編程擴(kuò)展包方案，進(jìn)而支持更為高效的.net應(yīng)用接口，筆者在此不進(jìn)行詳細(xì)描述)。

  故本質(zhì)上，所編寫的客戶端應(yīng)用實際上并不直接與PLC和NC通訊，而是，通過DDE技術(shù)，將HMI Advanced 作為應(yīng)用服務(wù)器(NCDDE)，與之交互通訊，進(jìn)而與NC和PLC通訊，傳統(tǒng)的界面二次開發(fā)擴(kuò)展也是基于該原理所進(jìn)行。

3.1.1 機(jī)床客戶端應(yīng)用部分程序如下：

如下圖程序所示，DB109.DBX10.1 表示加工完畢，換料完成，故可以以此為系統(tǒng)加工循環(huán)標(biāo)識，統(tǒng)計該位數(shù)據(jù)的變化次數(shù)(數(shù)據(jù)上升沿),即可統(tǒng)計機(jī)床自動生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)，西門子提供了NCDDE Server， 可以直接通過HMI 訪問和控制相關(guān)的NC、PLC數(shù)據(jù)。

通過對換料完成標(biāo)識位DB109.DBX10.1的讀取，判斷如果生產(chǎn)完成一個循環(huán)，則對當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，根據(jù)所設(shè)定工單數(shù)據(jù)輸出相應(yīng)的狀態(tài)，如果工單完成，則通過DDE方式，將DB10.DB129.DBX6置位，完成加工過程。

由于工作時磨床砂輪高速旋轉(zhuǎn)，所以工單達(dá)到預(yù)警值或者工單完成時，機(jī)床停止采用的模式不同于設(shè)備故障報警產(chǎn)生的緊急停止或者外部的完全設(shè)備停止，采用單循環(huán)停止，機(jī)床工作就緒狀態(tài)（NC程序該循環(huán)結(jié)束后，停止讀取，砂輪速度、軸位置等保持加工狀態(tài)不變），所以，當(dāng)機(jī)床預(yù)警后完成反饋以及工單完成確認(rèn)之后，機(jī)床會自動反饋至服務(wù)器，更新工單狀態(tài)、或者自動啟動下一條工單。從最大程度上減少了生產(chǎn)循環(huán)節(jié)拍的浪費(fèi)，最大程度減小對生產(chǎn)效率的影響。

圖3.3 機(jī)床操作面板循環(huán)停止控制按鈕指示圖

由于傳統(tǒng)的NC DDE運(yùn)用僅僅是界面的二次開發(fā)，故擴(kuò)展界面應(yīng)用的啟動，肯定在HMI Advanced啟動之后，故此時NC DDE Sever已經(jīng)開啟，所以能夠正常通訊，但是本項目案例中，開發(fā)的客戶端軟件需要，開機(jī)自動后臺運(yùn)行，在HMI界面并無人為啟動選項，故在實際部署過程中，需要對開發(fā)的應(yīng)用進(jìn)行后臺自動啟動，同時需要進(jìn)行延時啟動，即確保HMI Advanced完全啟動，相應(yīng)的NCDDE Server能夠完全啟動。否則客戶端軟件相關(guān)功能無法正常運(yùn)行。

圖3.4 西門子 840D DDE 數(shù)據(jù)架構(gòu)圖

如下圖所示，在本系統(tǒng)功能中，作為關(guān)鍵性的內(nèi)圈和外圈生產(chǎn)數(shù)量的監(jiān)控，本系統(tǒng)模塊基于DDE的數(shù)據(jù)采集，將當(dāng)前生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時保存于服務(wù)器，遠(yuǎn)程狀態(tài)下，可以實時監(jiān)控生產(chǎn)狀態(tài)，并能根據(jù)生產(chǎn)狀態(tài)作出相應(yīng)的生產(chǎn)計劃安排。

圖3.5 工單遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控

如下圖，當(dāng)自動完全達(dá)到設(shè)定工單數(shù)量之后，系統(tǒng)會自動全屏彈出提示頁面，同時，設(shè)備會自動循環(huán)停止，直到操作人員點(diǎn)擊確認(rèn)后，設(shè)備會自動啟動下一條預(yù)設(shè)生產(chǎn)的工單。

圖3.6 設(shè)備當(dāng)前工單完成提示畫面

3.2 機(jī)床自適應(yīng)磨削補(bǔ)償功能系統(tǒng)模塊設(shè)計

該模塊功能主要由裝配設(shè)備檢測數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)傳輸與顯示、機(jī)床自動根據(jù)數(shù)據(jù)趨勢自動補(bǔ)償三個主要部分。裝配區(qū)設(shè)備為S7-200 PLC我們采用SPC站的工控機(jī)作為數(shù)據(jù)采集站點(diǎn)，采集數(shù)據(jù)存儲到服務(wù)器，并通過網(wǎng)絡(luò)實時傳輸?shù)侥ハ鲄^(qū)域，分別通過屏幕顯示實時柱狀圖和趨勢圖，同時反饋給機(jī)床，機(jī)床端軟件根據(jù)當(dāng)前實時狀態(tài)和趨勢進(jìn)行自我磨削補(bǔ)償。

3.2.1 裝配設(shè)備檢測數(shù)據(jù)讀?。?/strong>

采用某品牌工控機(jī)，采用C#編寫的SPC數(shù)據(jù)讀取軟件，通過OPC讀取S7-200 的實時檢測數(shù)據(jù)，實時將數(shù)據(jù)存儲到服務(wù)器，執(zhí)行效率和準(zhǔn)確率完全符合。具體內(nèi)容在此不予冗余陳述。

3.2.2 數(shù)據(jù)傳輸與顯示：

基于現(xiàn)場生產(chǎn)線距離過長，生產(chǎn)操作人員相對精簡的情況，裝配區(qū)域與磨削區(qū)域生產(chǎn)人員無法有效及時溝通，會產(chǎn)生生產(chǎn)偏差響應(yīng)周期長，無法及時的反饋到磨削前端的問題，導(dǎo)致無法及時的人為去控制偏差及趨勢，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(xiàn)操作人員直觀、快速的進(jìn)行反饋響應(yīng)。該部分軟件運(yùn)行于基于Windows系統(tǒng)的Mini PC(迷你型電腦)，并實時顯示到屏幕，部分代碼如下：

3.2.3 機(jī)床自適應(yīng)超前磨削補(bǔ)償：

本單元中”數(shù)據(jù)傳輸與顯示”模塊已經(jīng)實現(xiàn)將裝配區(qū)域?qū)崟r傳輸?shù)綄?yīng)的磨削前端，在一定程度上解決了人為產(chǎn)生的響應(yīng)延時，但是在高效率、快節(jié)奏的生產(chǎn)節(jié)拍中如何實時、快速的動態(tài)響應(yīng)磨削補(bǔ)償，需要設(shè)備具有自我調(diào)整能力.本項目中對于NC系統(tǒng)的控制依舊采用前面提到的NC-DDE 動態(tài)數(shù)據(jù)鏈接技術(shù)，通過對數(shù)據(jù)趨勢的整體分析，采用一定的算法，相應(yīng)的動態(tài)調(diào)整磨削補(bǔ)償量，使整體趨勢保持在中值線兩側(cè)、上下參考值線之內(nèi)，在一定程度上解決相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。部分代碼如下：

經(jīng)過程序化控制之后,實現(xiàn)了界面手動補(bǔ)償和系統(tǒng)趨勢自動補(bǔ)償，最大程度的控制偏差在質(zhì)量要求之內(nèi)。

圖3.7 原有手動補(bǔ)償畫面

圖3.8 生產(chǎn)趨勢圖數(shù)據(jù)控制趨勢圖

如圖所示，經(jīng)過超前自動趨勢補(bǔ)償之后，整體生產(chǎn)趨于穩(wěn)定，效果系統(tǒng)作用明顯。

四、系統(tǒng)整體項目運(yùn)行及饋

在項目組整體配合下，項目進(jìn)展順利，經(jīng)過穩(wěn)定測試之后，已經(jīng)應(yīng)用于從前端磨削到后期裝配的整條生產(chǎn)線，系統(tǒng)實時采集監(jiān)控數(shù)據(jù)，并與遠(yuǎn)程云端設(shè)定的工單進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，自動按照設(shè)定工單數(shù)量運(yùn)行加工，較大程度了解決了由于軸承滾子公差范圍批量差異過大的裝配問題;同時，自動磨削補(bǔ)償模塊，實時動態(tài)分析生產(chǎn)裝配區(qū)域裝配反饋的偏差趨勢，并自動調(diào)控機(jī)床，實現(xiàn)機(jī)床的自動磨削參數(shù)補(bǔ)償，實現(xiàn)生產(chǎn)自動化邁向智能化，較大幅度提高了產(chǎn)品質(zhì)量.估計直接生產(chǎn)效益在100萬人民幣以上。

圖4.1 項目設(shè)備展示圖

五、應(yīng)用總結(jié)

整個項目在最大程度節(jié)省成本上，采用西門子840D系統(tǒng)提供的開放DDE數(shù)據(jù)接口，高效的完成設(shè)定目標(biāo)，主要?dú)w結(jié)于以下兩點(diǎn)：

1. 西門子數(shù)控產(chǎn)品開放性

作為工業(yè)控制與數(shù)控領(lǐng)域的集大成者，西門子840D系統(tǒng)具有高度的開放、靈活而又統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)，基于windows系統(tǒng)的PCU50.3，高度開放相關(guān)API，極大的方便了項目所需要的系統(tǒng)二次開發(fā)。

2．西門子數(shù)控產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)化便捷性

在原有840D基礎(chǔ)上升級的新一代840D SL 采用網(wǎng)絡(luò)一體化結(jié)構(gòu)，在驅(qū)動模塊網(wǎng)絡(luò)化、局域網(wǎng)絡(luò)化以及外部公共網(wǎng)絡(luò)化上具有獨(dú)立而又統(tǒng)一的組態(tài)結(jié)構(gòu)，具有較高的網(wǎng)絡(luò)便捷性，使得項目能夠在不采用其他工業(yè)網(wǎng)卡的情況下，能夠快速的實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化拓?fù)?，對項目的高效穩(wěn)定實現(xiàn)具有重要意義。

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