基于西門子 840Dsl 的軋輥磨削軟件開發

　　摘要: 選擇 Sinumerik 840Dsl 數控系統作為開發平臺，以軋輥磨削作為研究對象，開發軋輥磨削系統軟件。在 Qt Creator 跨平臺的開發框架下進行 GUI 應用程序的開發，采用 OPC UA 通信技術實時獲取數控機床信息，依靠 MySQL 數據庫保存并管理得到的機床加工信息; 設計全局變量，生成軋輥加工 G 代碼程序，實現軋輥磨削加工。相較于傳統軟件開發方式，該方法具有開放性好、兼容性強等優點，有利于制造單元之間的互聯互通，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 發表時間：2021-02-15 《機床與液壓》雜志是中國科協主管，由中國機械工程學會、廣州機械科學研究院聯合主辦的全國性刊物，創刊于1973年，國內外公開發行。

　　關鍵詞: 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，其質量和尺寸大，使用后的待磨表面傷痕和裂紋隨機分布、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。軋輥磨削的質量直接影響軋制產品的板型和表面質量，提高軋輥磨削裝備的智能化程度是改善加工質量和提升加工效率的途徑，也是軋輥數控磨削技術發展的重要方向[1]。

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

　　結合軋輥磨削工藝和數控加工特點，選用西門子 840Dsl 數控系統，在 PCU 與 NCU 編程框架下采用 Qt Creator 進行開發，運用 OPC UA 架構進行通信。利用這種方法開發的應用軟件與數控系統的源代碼可分離，有兼容性好、可跨平臺的優點。

　　1 系統架構

　　軋輥磨削軟件作為軋輥磨削的生產單元中心控制系統，選用 Sinumerik 840Dsl 數控系統作為數控開發平臺。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，NCU 上搭載 Sinumerik 840Dsl 數控系統，在 Windows 系統上搭載軋輥磨削軟件，以 C/S 的 形 式 通 過 OPC 統 一 架 構 ( OPC UA) 與 Sinumerik 840Dsl 數控系統進行數據交互。這樣的方式提高了系統的兼容程度和數據處理能力。系統架構如圖 1 所示。

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

　　2 數據來源與處理

　　軋輥磨削軟件對加工設備狀態進行監控，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，同時要結合歷史加工數據進行比對，將軋輥在磨削過程中出現的質量問題降到最低，因此系統數據分為實時數據和數據庫數據。

　　2. 1 基于 OPC UA 對機床實時數據進行采集

　　在 Sinumerik 840Dsl 數控系統平臺下，以 C++為編譯環境，依靠 OPC UA 基金會提供的開源庫 Open 62541，開發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據進行采集。在物理層，數控系統會接收到軋輥磨床的各種信息，經過數控系統 NCU 處理后，通過內部總線發送到 PCU 模塊的NCDDE 服務器中，協調數控系統中各個應用的信息交互，再將數據傳遞到 OPC UA 服務器中，根據預設的命名空間和節點信息，對數據進行分類封裝。

　　運行在 PCU 模塊上的 OPC UA 客戶端，按照協議訪問 Sinumerik 840Dsl 數控系統中的 OPC UA 服務器功能模塊，實現對 OPC UA 節點的添加、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，降低了系統的通信開銷，也使得數據傳遞更加安全。

　　2. 2 數據庫數據管理

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

　　表 1 為加工進程表，加工進程表作為主表格，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，數據表之間結構關系采用實體-屬性的結構，E-R 數據庫如圖 3 所示。4 個子表從屬于加工進程表，采用 N-M 關系，即進程表可以搭配多種子表的組合，子表也可以獨立設置參數以適應于加工工件的多樣性。

　　3 界面的開發

　　3. 1 軟件開發基本流程

　　采用 Qt 圖形框架在 Qt Creator 中進行人機交互界面軟件的開發，窗體界面 UI 文件和應用程序分離，結構分明、邏輯清晰。創建 Widget Application 項目，選用 MinGW 編譯器，設置類名、繼承基類等，項目配置完成后，開始對軟件進行設計開發。通過 Windows 編譯器執行對源代碼編譯執行，最終把生成的文件嵌入 PCU 中，從而實現整個開發過程。

　　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據界面。其中，操作者界面和磨床數據界面需要配置 OPC UA 文件，在項 目 工 程 中 添 加 C99 相 關 編 譯 器 和 靜 態 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、磨床數據界面和輥形曲線界面需要添加 MySQL 驅動配置，在 xx. Pro 文件中添加 “QT+ = core sql”語句然后運行，就可以調用 QSQL 類來完成對數據庫增、刪、改、查的操作。

　　3. 2 軋輥磨削功能模塊

　　根據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、機床狀態模塊、磨床數據庫模塊、輥形曲線模塊，然后對各模塊進行獨立的開發與設計。系統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，依據用戶在加工過程中的身份設置不同的管理權限，如技術人員才能編輯數據庫中的信息，操作人員只允許瀏覽數據。自登錄開始，每位人員的登錄時長、加工工件信息、參數設置等工作情況都會保留在日志紀錄中，以便于責任追溯。

　　機床狀態模塊。該模塊中包含了 7 個子模塊，操作界面如圖 5 所示，分別是當前軋輥、下一支軋輥、選項、循環顯示、研磨程序、機床狀態、軋輥對中，用來設置軋輥數據、研磨選項、數據庫中的代碼、配對軋輥數據，同時監控加工過程中的加工進度、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、砂輪轉速、主軸轉速、累積錐度等數據指標。

　　磨床數據庫模塊。該模塊主要用于加工程序的設置、歷史數據的保存與檢索、報警信息的收集，磨床數據界面如圖 6 所示。通過 Qt 中的 QDataMapper 類將數據庫中表格屬性與界面上的 LineEdit、Combox 等填充類進行一一對應，實現數據雙向傳遞。加工前分別設置軋輥、輥形、修整、研磨的程序代碼或者選擇數據庫中歷史加工數據，通過客戶端發送至 NCU 進行加工; 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 數據庫對應的表格中，數據顯示在操作界面上，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控系統，以用于軋輥磨削或修磨砂輪。可以用公式計算產生輥形曲線，也可以將不同輥形的不同部位結合起來，從而獲得所需要的輥形。為了簡化操作，提供了一組預先設定且容易修改的輥形曲線。

　　3. 3 G 代碼功能實現

　　自動生成數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。通過設定軋輥參數、進程參數、機床參數和砂輪參數，輸出數控程序，實現軋輥磨削加工參數化編程。

　　軟件從軋輥數據庫加載軋輥參數，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，從進程數據庫中加載研磨程序代碼、錐度、真圓度、偏心度、Z 軸速度、端進刀速度、趟數。機床參數包括砂輪法蘭、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。砂輪參數包括砂輪類型、砂輪號、道次、粗砂輪轉速、加工時間。設定粗砂輪速度，根據加工數學模型，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 型數控萬能軋輥磨床，如圖 9 所示。加工砂輪和工件等工藝參數如表 3 所示。

　　軋輥磨削加工軟件配合 G 代碼成功進行了軋輥加工，結果表明所開發的軋輥磨削軟件可以參與實際加工，生產出的軋輥合格。

　　5 結論

　　( 1) 采用 Qt 圖形框架與 C++編程語言，在 PCU+ NCU 構架下對 Sinumerik 840Dsl 數控系統進行軟件開發的方法是可行的。

　　( 2) 采用 Oracle 公司的 MySQL 關系型數據庫，通過外鍵的方式設置表格之間的從屬關系，利于數據的管理，優化數據查詢過程，節省系統資源的開支。

　　( 3) 基于 Sinumerik 840Dsl 數控系統的開放性，通過 OPC UA ( 過程控制的對象鏈接與嵌入統一架構) 通信技術，實現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。