基于西門子 840Dsl 的軋輥磨削軟件開發(fā)

　　摘要: 選擇 Sinumerik 840Dsl 數(shù)控系統(tǒng)作為開發(fā)平臺，以軋輥磨削作為研究對象，開發(fā)軋輥磨削系統(tǒng)軟件。在 Qt Creator 跨平臺的開發(fā)框架下進(jìn)行 GUI 應(yīng)用程序的開發(fā)，采用 OPC UA 通信技術(shù)實時獲取數(shù)控機床信息，依靠 MySQL 數(shù)據(jù)庫保存并管理得到的機床加工信息; 設(shè)計全局變量，生成軋輥加工 G 代碼程序，實現(xiàn)軋輥磨削加工。相較于傳統(tǒng)軟件開發(fā)方式，該方法具有開放性好、兼容性強等優(yōu)點，有利于制造單元之間的互聯(lián)互通，有效地解決了 “信息孤島”的問題，提高了加工效率。

　　本文源自機床與液壓 發(fā)表時間：2021-02-15 《機床與液壓》雜志是中國科協(xié)主管，由中國機械工程學(xué)會、廣州機械科學(xué)研究院聯(lián)合主辦的全國性刊物，創(chuàng)刊于1973年，國內(nèi)外公開發(fā)行。

　　關(guān)鍵詞: 軋輥磨削; Sinumerik 840Dsl; OPC UA; Qt Creator

　　前言

　　板材成形加工工藝中，軋輥是主要的工作部件，其質(zhì)量和尺寸大，使用后的待磨表面?zhèn)酆土鸭y隨機分布、深淺不一、形貌各異，不僅磨削精度和效率要求高，而且磨削余量大。軋輥磨削的質(zhì)量直接影響軋制產(chǎn)品的板型和表面質(zhì)量，提高軋輥磨削裝備的智能化程度是改善加工質(zhì)量和提升加工效率的途徑，也是軋輥數(shù)控磨削技術(shù)發(fā)展的重要方向[1]。

　　王云平和陳淵[2]采用 PMAC 運動控制卡為核心開發(fā)軋輥磨削數(shù)控系統(tǒng)，其系統(tǒng)開發(fā)性弱、二次開發(fā)比較復(fù)雜、穩(wěn)定性較低。丁國龍等[3]基于華中 HNC808 數(shù)控系統(tǒng)，開發(fā)了數(shù)控插齒機專機系統(tǒng)。閆利文和俞濤[4]采用 VB6. 0 與西門子 OEM 動態(tài)鏈接庫相結(jié)合的方式開發(fā)軋輥應(yīng)用軟件，用 VB6. 0 進(jìn)行界面開發(fā)具有效率低、開發(fā)局限性大、無法跨平臺的缺點。劉倩等人[5]基于西門子 840Ds 數(shù)控系統(tǒng)，采用西門子官方提供 Sinumerik Operate 編程庫進(jìn)行凸輪軸磨削系統(tǒng)開發(fā)，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程連接等功能，但通用性不強，不能較好地兼容其他平臺。盧 志 遠(yuǎn) 等[6] 采 用 OPC UA 通 信 技 術(shù) 在 線 采 集 與 存 儲 數(shù) 控 機 床 信 息。 GUTIERREZ 和 HOLGADO-TERRIZA[7]在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) ( IIoT) 的背景下，識別出 PLC 設(shè)備后，通過同一以太網(wǎng) 網(wǎng) 絡(luò) 上 的 Modbus 協(xié) 議 直 接 與 OPC 交 換 信 息。 OPC 服務(wù)器允許客戶端實現(xiàn)對制造現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、傳輸、顯示、存儲以及數(shù)據(jù)的分析應(yīng)用，因此可以利用 OPC UA 采集加工過程中機床內(nèi)部的信息來監(jiān)測當(dāng)前的加 工 狀 態(tài)[8-14]。張 弛 等 人[15] 設(shè) 計 了 一 套 基 于 OPC UA 的數(shù)控機床遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

　　結(jié)合軋輥磨削工藝和數(shù)控加工特點，選用西門子 840Dsl 數(shù)控系統(tǒng)，在 PCU 與 NCU 編程框架下采用 Qt Creator 進(jìn)行開發(fā)，運用 OPC UA 架構(gòu)進(jìn)行通信。利用這種方法開發(fā)的應(yīng)用軟件與數(shù)控系統(tǒng)的源代碼可分離，有兼容性好、可跨平臺的優(yōu)點。

　　1 系統(tǒng)架構(gòu)

　　軋輥磨削軟件作為軋輥磨削的生產(chǎn)單元中心控制系統(tǒng)，選用 Sinumerik 840Dsl 數(shù)控系統(tǒng)作為數(shù)控開發(fā)平臺。采用 NCU 模塊與 PCU 模塊搭配組合的形式， PCU 模塊上搭載 Windows 系統(tǒng)，NCU 上搭載 Sinumerik 840Dsl 數(shù)控系統(tǒng)，在 Windows 系統(tǒng)上搭載軋輥磨削軟件，以 C/S 的 形 式 通 過 OPC 統(tǒng) 一 架 構(gòu) ( OPC UA) 與 Sinumerik 840Dsl 數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。這樣的方式提高了系統(tǒng)的兼容程度和數(shù)據(jù)處理能力。系統(tǒng)架構(gòu)如圖 1 所示。

　　為了實現(xiàn)功能，開發(fā)軟件采用 Qt Creator 的 C++ 類庫，利用 Qt 跨平臺的特性，提高系統(tǒng)間的兼容性。選用 Sinumerik 840Dsl 4. 5 SP3 版本，可以配置 OPC UA Server 功能塊，供 OPC UA 客戶端進(jìn)行訪問。

　　2 數(shù)據(jù)來源與處理

　　軋輥磨削軟件對加工設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，需要實時獲取加工過程中的信息，并反映到 HMI 界面上以便于操作員及時地掌握加工工件的信息，同時要結(jié)合歷史加工數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，將軋輥在磨削過程中出現(xiàn)的質(zhì)量問題降到最低，因此系統(tǒng)數(shù)據(jù)分為實時數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)。

　　2. 1 基于 OPC UA 對機床實時數(shù)據(jù)進(jìn)行采集

　　在 Sinumerik 840Dsl 數(shù)控系統(tǒng)平臺下，以 C++為編譯環(huán)境，依靠 OPC UA 基金會提供的開源庫 Open 62541，開發(fā)了集成在軋輥磨削軟件中的 OPC UA 客服端，對軋輥磨床的實時數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。在物理層，數(shù)控系統(tǒng)會接收到軋輥磨床的各種信息，經(jīng)過數(shù)控系統(tǒng) NCU 處理后，通過內(nèi)部總線發(fā)送到 PCU 模塊的NCDDE 服務(wù)器中，協(xié)調(diào)數(shù)控系統(tǒng)中各個應(yīng)用的信息交互，再將數(shù)據(jù)傳遞到 OPC UA 服務(wù)器中，根據(jù)預(yù)設(shè)的命名空間和節(jié)點信息，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類封裝。

　　運行在 PCU 模塊上的 OPC UA 客戶端，按照協(xié)議訪問 Sinumerik 840Dsl 數(shù)控系統(tǒng)中的 OPC UA 服務(wù)器功能模塊，實現(xiàn)對 OPC UA 節(jié)點的添加、刪除、引用和訂閱，通信過程如圖 2 所示。不同于以往定時刷新的方式，OPC UA 采用 Triggering 方式，降低了系統(tǒng)的通信開銷，也使得數(shù)據(jù)傳遞更加安全。

　　2. 2 數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)管理

　　根據(jù) 遠(yuǎn) 程 訪 問 的 需 求， 選 用 Oracle 公 司 的 MySQL 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)支撐，使 用 MySQL Workbench 圖形管理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，依據(jù)軋輥磨削功能模塊和表格之間的關(guān)系創(chuàng)建數(shù)據(jù)表格，分別建立了用戶管理表、軋輥信息表、砂輪參數(shù)表、機床狀態(tài)表、輥形曲線表、加工進(jìn)程表、歷史信息表、報警信息表 8 個數(shù)據(jù)總表。各個總表還有許多的子表，這種方式易于數(shù)據(jù)的管理和查詢，提高加工和檢索的效率。

　　表 1 為加工進(jìn)程表，加工進(jìn)程表作為主表格，通過外鍵的形式鏈接研磨、軋輥、修整和輥形 4 個從表，并從中索引所需的參數(shù)，數(shù)據(jù)表之間結(jié)構(gòu)關(guān)系采用實體-屬性的結(jié)構(gòu)，E-R 數(shù)據(jù)庫如圖 3 所示。4 個子表從屬于加工進(jìn)程表，采用 N-M 關(guān)系，即進(jìn)程表可以搭配多種子表的組合，子表也可以獨立設(shè)置參數(shù)以適應(yīng)于加工工件的多樣性。

　　3 界面的開發(fā)

　　3. 1 軟件開發(fā)基本流程

　　采用 Qt 圖形框架在 Qt Creator 中進(jìn)行人機交互界面軟件的開發(fā)，窗體界面 UI 文件和應(yīng)用程序分離，結(jié)構(gòu)分明、邏輯清晰。創(chuàng)建 Widget Application 項目，選用 MinGW 編譯器，設(shè)置類名、繼承基類等，項目配置完成后，開始對軟件進(jìn)行設(shè)計開發(fā)。通過 Windows 編譯器執(zhí)行對源代碼編譯執(zhí)行，最終把生成的文件嵌入 PCU 中，從而實現(xiàn)整個開發(fā)過程。

　　軋輥磨削軟件界面分為 4 個部分: 用戶管理界面、操作者界面、輥形曲線界面和磨床數(shù)據(jù)界面。其中，操作者界面和磨床數(shù)據(jù)界面需要配置 OPC UA 文件，在項 目 工 程 中 添 加 C99 相 關(guān) 編 譯 器 和 靜 態(tài) 庫 WS2 _ 32. lib，在 Qt 的 xx. Pro 文 件 中 添 加 語 句: “QMAKE_ CFLAGS + = - std = c99; LIBS + = - lpthread libwsock32 libws2_32”，運行完成配置; 用戶管理界面、磨床數(shù)據(jù)界面和輥形曲線界面需要添加 MySQL 驅(qū)動配置，在 xx. Pro 文件中添加 “QT+ = core sql”語句然后運行，就可以調(diào)用 QSQL 類來完成對數(shù)據(jù)庫增、刪、改、查的操作。

　　3. 2 軋輥磨削功能模塊

　　根據(jù)軋輥磨削加工的要求，以工件的加工為主線，按照 4 個主要加工界面進(jìn)行模塊的劃分，包含以下 4 個模塊: 用戶信息管理模塊、機床狀態(tài)模塊、磨床數(shù)據(jù)庫模塊、輥形曲線模塊，然后對各模塊進(jìn)行獨立的開發(fā)與設(shè)計。系統(tǒng)的主要功能模塊如圖 4 所示。

　　用戶管理模塊。不同的登錄者擁有自己的登錄用戶名，依據(jù)用戶在加工過程中的身份設(shè)置不同的管理權(quán)限，如技術(shù)人員才能編輯數(shù)據(jù)庫中的信息，操作人員只允許瀏覽數(shù)據(jù)。自登錄開始，每位人員的登錄時長、加工工件信息、參數(shù)設(shè)置等工作情況都會保留在日志紀(jì)錄中，以便于責(zé)任追溯。

　　機床狀態(tài)模塊。該模塊中包含了 7 個子模塊，操作界面如圖 5 所示，分別是當(dāng)前軋輥、下一支軋輥、選項、循環(huán)顯示、研磨程序、機床狀態(tài)、軋輥對中，用來設(shè)置軋輥數(shù)據(jù)、研磨選項、數(shù)據(jù)庫中的代碼、配對軋輥數(shù)據(jù)，同時監(jiān)控加工過程中的加工進(jìn)度、砂輪修整代碼、砂輪直徑、軋輥頭座直徑和尾座直徑、砂輪主軸溫度、砂輪轉(zhuǎn)速、主軸轉(zhuǎn)速、累積錐度等數(shù)據(jù)指標(biāo)。

　　磨床數(shù)據(jù)庫模塊。該模塊主要用于加工程序的設(shè)置、歷史數(shù)據(jù)的保存與檢索、報警信息的收集，磨床數(shù)據(jù)界面如圖 6 所示。通過 Qt 中的 QDataMapper 類將數(shù)據(jù)庫中表格屬性與界面上的 LineEdit、Combox 等填充類進(jìn)行一一對應(yīng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向傳遞。加工前分別設(shè)置軋輥、輥形、修整、研磨的程序代碼或者選擇數(shù)據(jù)庫中歷史加工數(shù)據(jù)，通過客戶端發(fā)送至 NCU 進(jìn)行加工; 在加工過程中，通過 OPC UA 客戶端獲取加工時的信息，保存到 MySQL 數(shù)據(jù)庫對應(yīng)的表格中，數(shù)據(jù)顯示在操作界面上，方便加工人員查看。

　　輥形曲線模塊。該模塊用來確定在軋輥磨床所采用的軋輥輥形或者砂輪修磨。輥形曲線生成界面如圖7 所示，所生成的輥形曲線可以直接傳送到數(shù)控系統(tǒng)，以用于軋輥磨削或修磨砂輪。可以用公式計算產(chǎn)生輥形曲線，也可以將不同輥形的不同部位結(jié)合起來，從而獲得所需要的輥形。為了簡化操作，提供了一組預(yù)先設(shè)定且容易修改的輥形曲線。

　　3. 3 G 代碼功能實現(xiàn)

　　自動生成數(shù)控程序是軋輥磨削加工軟件主要功能模塊，圖 8 為軟件代碼生成流程。通過設(shè)定軋輥參數(shù)、進(jìn)程參數(shù)、機床參數(shù)和砂輪參數(shù)，輸出數(shù)控程序，實現(xiàn)軋輥磨削加工參數(shù)化編程。

　　軟件從軋輥數(shù)據(jù)庫加載軋輥參數(shù)，包括軋機號、軋輥類型、軋輥材料、配對軋輥號碼、砂輪類型、砂輪號，從進(jìn)程數(shù)據(jù)庫中加載研磨程序代碼、錐度、真圓度、偏心度、Z 軸速度、端進(jìn)刀速度、趟數(shù)。機床參數(shù)包括砂輪法蘭、砂輪寬度、砂輪修整 Z 軸的位置、修整 X 軸的位置、軸頸支架潤滑時間、套筒退回時間。砂輪參數(shù)包括砂輪類型、砂輪號、道次、粗砂輪轉(zhuǎn)速、加工時間。設(shè)定粗砂輪速度，根據(jù)加工數(shù)學(xué)模型，可以計算出加工時間。表 2 為生成 G 代碼中主要的全局變量。

　　4 加工驗證

　　軋輥磨床型號為 Pomini HD-425 型數(shù)控萬能軋輥磨床，如圖 9 所示。加工砂輪和工件等工藝參數(shù)如表 3 所示。

　　軋輥磨削加工軟件配合 G 代碼成功進(jìn)行了軋輥加工，結(jié)果表明所開發(fā)的軋輥磨削軟件可以參與實際加工，生產(chǎn)出的軋輥合格。

　　5 結(jié)論

　　( 1) 采用 Qt 圖形框架與 C++編程語言，在 PCU+ NCU 構(gòu)架下對 Sinumerik 840Dsl 數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行軟件開發(fā)的方法是可行的。

　　( 2) 采用 Oracle 公司的 MySQL 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，通過外鍵的方式設(shè)置表格之間的從屬關(guān)系，利于數(shù)據(jù)的管理，優(yōu)化數(shù)據(jù)查詢過程，節(jié)省系統(tǒng)資源的開支。

　　( 3) 基于 Sinumerik 840Dsl 數(shù)控系統(tǒng)的開放性，通過 OPC UA ( 過程控制的對象鏈接與嵌入統(tǒng)一架構(gòu)) 通信技術(shù)，實現(xiàn)與軋輥磨削軟件跨平臺通信，使得軋輥磨削加工更智能化、自動化，對于推廣軋輥加工具有積極意義。