基于西门子 840Dsl 的轧辊磨削软件开发

　　摘要: 选择 Sinumerik 840Dsl 数控系统作为开发平台，以轧辊磨削作为研究对象，开发轧辊磨削系统软件。在 Qt Creator 跨平台的开发框架下进行 GUI 应用程序的开发，采用 OPC UA 通信技术实时获取数控机床信息，依靠 MySQL 数据库保存并管理得到的机床加工信息; 设计全局变量，生成轧辊加工 G 代码程序，实现轧辊磨削加工。相较于传统软件开发方式，该方法具有开放性好、兼容性强等优点，有利于制造单元之间的互联互通，有效地解决了 “信息孤岛”的问题，提高了加工效率。

　　本文源自机床与液压 发表时间：2021-02-15 《机床与液压》杂志是中国科协主管，由中国机械工程学会、广州机械科学研究院联合主办的全国性刊物，创刊于1973年，国内外公开发行。

　　关键词: 轧辊磨削; Sinumerik 840Dsl; OPC UA; Qt Creator

　　前言

　　板材成形加工工艺中，轧辊是主要的工作部件，其质量和尺寸大，使用后的待磨表面伤痕和裂纹随机分布、深浅不一、形貌各异，不仅磨削精度和效率要求高，而且磨削余量大。轧辊磨削的质量直接影响轧制产品的板型和表面质量，提高轧辊磨削装备的智能化程度是改善加工质量和提升加工效率的途径，也是轧辊数控磨削技术发展的重要方向[1]。

　　王云平和陈渊[2]采用 PMAC 运动控制卡为核心开发轧辊磨削数控系统，其系统开发性弱、二次开发比较复杂、稳定性较低。丁国龙等[3]基于华中 HNC808 数控系统，开发了数控插齿机专机系统。闫利文和俞涛[4]采用 VB6. 0 与西门子 OEM 动态链接库相结合的方式开发轧辊应用软件，用 VB6. 0 进行界面开发具有效率低、开发局限性大、无法跨平台的缺点。刘倩等人[5]基于西门子 840Ds 数控系统，采用西门子官方提供 Sinumerik Operate 编程库进行凸轮轴磨削系统开发，虽然能够实现远程连接等功能，但通用性不强，不能较好地兼容其他平台。卢 志 远 等[6] 采 用 OPC UA 通 信 技 术 在 线 采 集 与 存 储 数 控 机 床 信 息。 GUTIERREZ 和 HOLGADO-TERRIZA[7]在工业物联网 ( IIoT) 的背景下，识别出 PLC 设备后，通过同一以太网 网 络 上 的 Modbus 协 议 直 接 与 OPC 交 换 信 息。 OPC 服务器允许客户端实现对制造现场数据的采集、传输、显示、存储以及数据的分析应用，因此可以利用 OPC UA 采集加工过程中机床内部的信息来监测当前的加 工 状 态[8-14]。张 弛 等 人[15] 设 计 了 一 套 基 于 OPC UA 的数控机床远程监控系统。

　　结合轧辊磨削工艺和数控加工特点，选用西门子 840Dsl 数控系统，在 PCU 与 NCU 编程框架下采用 Qt Creator 进行开发，运用 OPC UA 架构进行通信。利用这种方法开发的应用软件与数控系统的源代码可分离，有兼容性好、可跨平台的优点。

　　1 系统架构

　　轧辊磨削软件作为轧辊磨削的生产单元中心控制系统，选用 Sinumerik 840Dsl 数控系统作为数控开发平台。采用 NCU 模块与 PCU 模块搭配组合的形式， PCU 模块上搭载 Windows 系统，NCU 上搭载 Sinumerik 840Dsl 数控系统，在 Windows 系统上搭载轧辊磨削软件，以 C/S 的 形 式 通 过 OPC 统 一 架 构 ( OPC UA) 与 Sinumerik 840Dsl 数控系统进行数据交互。这样的方式提高了系统的兼容程度和数据处理能力。系统架构如图 1 所示。

　　为了实现功能，开发软件采用 Qt Creator 的 C++ 类库，利用 Qt 跨平台的特性，提高系统间的兼容性。选用 Sinumerik 840Dsl 4. 5 SP3 版本，可以配置 OPC UA Server 功能块，供 OPC UA 客户端进行访问。

　　2 数据来源与处理

　　轧辊磨削软件对加工设备状态进行监控，需要实时获取加工过程中的信息，并反映到 HMI 界面上以便于操作员及时地掌握加工工件的信息，同时要结合历史加工数据进行比对，将轧辊在磨削过程中出现的质量问题降到最低，因此系统数据分为实时数据和数据库数据。

　　2. 1 基于 OPC UA 对机床实时数据进行采集

　　在 Sinumerik 840Dsl 数控系统平台下，以 C++为编译环境，依靠 OPC UA 基金会提供的开源库 Open 62541，开发了集成在轧辊磨削软件中的 OPC UA 客服端，对轧辊磨床的实时数据进行采集。在物理层，数控系统会接收到轧辊磨床的各种信息，经过数控系统 NCU 处理后，通过内部总线发送到 PCU 模块的NCDDE 服务器中，协调数控系统中各个应用的信息交互，再将数据传递到 OPC UA 服务器中，根据预设的命名空间和节点信息，对数据进行分类封装。

　　运行在 PCU 模块上的 OPC UA 客户端，按照协议访问 Sinumerik 840Dsl 数控系统中的 OPC UA 服务器功能模块，实现对 OPC UA 节点的添加、删除、引用和订阅，通信过程如图 2 所示。不同于以往定时刷新的方式，OPC UA 采用 Triggering 方式，降低了系统的通信开销，也使得数据传递更加安全。

　　2. 2 数据库数据管理

　　根据 远 程 访 问 的 需 求， 选 用 Oracle 公 司 的 MySQL 关系型数据库作为数据支撑，使 用 MySQL Workbench 图形管理软件进行数据管理，依据轧辊磨削功能模块和表格之间的关系创建数据表格，分别建立了用户管理表、轧辊信息表、砂轮参数表、机床状态表、辊形曲线表、加工进程表、历史信息表、报警信息表 8 个数据总表。各个总表还有许多的子表，这种方式易于数据的管理和查询，提高加工和检索的效率。

　　表 1 为加工进程表，加工进程表作为主表格，通过外键的形式链接研磨、轧辊、修整和辊形 4 个从表，并从中索引所需的参数，数据表之间结构关系采用实体-属性的结构，E-R 数据库如图 3 所示。4 个子表从属于加工进程表，采用 N-M 关系，即进程表可以搭配多种子表的组合，子表也可以独立设置参数以适应于加工工件的多样性。

　　3 界面的开发

　　3. 1 软件开发基本流程

　　采用 Qt 图形框架在 Qt Creator 中进行人机交互界面软件的开发，窗体界面 UI 文件和应用程序分离，结构分明、逻辑清晰。创建 Widget Application 项目，选用 MinGW 编译器，设置类名、继承基类等，项目配置完成后，开始对软件进行设计开发。通过 Windows 编译器执行对源代码编译执行，最终把生成的文件嵌入 PCU 中，从而实现整个开发过程。

　　轧辊磨削软件界面分为 4 个部分: 用户管理界面、操作者界面、辊形曲线界面和磨床数据界面。其中，操作者界面和磨床数据界面需要配置 OPC UA 文件，在项 目 工 程 中 添 加 C99 相 关 编 译 器 和 静 态 库 WS2 _ 32. lib，在 Qt 的 xx. Pro 文 件 中 添 加 语 句: “QMAKE_ CFLAGS + = - std = c99; LIBS + = - lpthread libwsock32 libws2_32”，运行完成配置; 用户管理界面、磨床数据界面和辊形曲线界面需要添加 MySQL 驱动配置，在 xx. Pro 文件中添加 “QT+ = core sql”语句然后运行，就可以调用 QSQL 类来完成对数据库增、删、改、查的操作。

　　3. 2 轧辊磨削功能模块

　　根据轧辊磨削加工的要求，以工件的加工为主线，按照 4 个主要加工界面进行模块的划分，包含以下 4 个模块: 用户信息管理模块、机床状态模块、磨床数据库模块、辊形曲线模块，然后对各模块进行独立的开发与设计。系统的主要功能模块如图 4 所示。

　　用户管理模块。不同的登录者拥有自己的登录用户名，依据用户在加工过程中的身份设置不同的管理权限，如技术人员才能编辑数据库中的信息，操作人员只允许浏览数据。自登录开始，每位人员的登录时长、加工工件信息、参数设置等工作情况都会保留在日志纪录中，以便于责任追溯。

　　机床状态模块。该模块中包含了 7 个子模块，操作界面如图 5 所示，分别是当前轧辊、下一支轧辊、选项、循环显示、研磨程序、机床状态、轧辊对中，用来设置轧辊数据、研磨选项、数据库中的代码、配对轧辊数据，同时监控加工过程中的加工进度、砂轮修整代码、砂轮直径、轧辊头座直径和尾座直径、砂轮主轴温度、砂轮转速、主轴转速、累积锥度等数据指标。

　　磨床数据库模块。该模块主要用于加工程序的设置、历史数据的保存与检索、报警信息的收集，磨床数据界面如图 6 所示。通过 Qt 中的 QDataMapper 类将数据库中表格属性与界面上的 LineEdit、Combox 等填充类进行一一对应，实现数据双向传递。加工前分别设置轧辊、辊形、修整、研磨的程序代码或者选择数据库中历史加工数据，通过客户端发送至 NCU 进行加工; 在加工过程中，通过 OPC UA 客户端获取加工时的信息，保存到 MySQL 数据库对应的表格中，数据显示在操作界面上，方便加工人员查看。

　　辊形曲线模块。该模块用来确定在轧辊磨床所采用的轧辊辊形或者砂轮修磨。辊形曲线生成界面如图7 所示，所生成的辊形曲线可以直接传送到数控系统，以用于轧辊磨削或修磨砂轮。可以用公式计算产生辊形曲线，也可以将不同辊形的不同部位结合起来，从而获得所需要的辊形。为了简化操作，提供了一组预先设定且容易修改的辊形曲线。

　　3. 3 G 代码功能实现

　　自动生成数控程序是轧辊磨削加工软件主要功能模块，图 8 为软件代码生成流程。通过设定轧辊参数、进程参数、机床参数和砂轮参数，输出数控程序，实现轧辊磨削加工参数化编程。

　　软件从轧辊数据库加载轧辊参数，包括轧机号、轧辊类型、轧辊材料、配对轧辊号码、砂轮类型、砂轮号，从进程数据库中加载研磨程序代码、锥度、真圆度、偏心度、Z 轴速度、端进刀速度、趟数。机床参数包括砂轮法兰、砂轮宽度、砂轮修整 Z 轴的位置、修整 X 轴的位置、轴颈支架润滑时间、套筒退回时间。砂轮参数包括砂轮类型、砂轮号、道次、粗砂轮转速、加工时间。设定粗砂轮速度，根据加工数学模型，可以计算出加工时间。表 2 为生成 G 代码中主要的全局变量。

　　4 加工验证

　　轧辊磨床型号为 Pomini HD-425 型数控万能轧辊磨床，如图 9 所示。加工砂轮和工件等工艺参数如表 3 所示。

　　轧辊磨削加工软件配合 G 代码成功进行了轧辊加工，结果表明所开发的轧辊磨削软件可以参与实际加工，生产出的轧辊合格。

　　5 结论

　　( 1) 采用 Qt 图形框架与 C++编程语言，在 PCU+ NCU 构架下对 Sinumerik 840Dsl 数控系统进行软件开发的方法是可行的。

　　( 2) 采用 Oracle 公司的 MySQL 关系型数据库，通过外键的方式设置表格之间的从属关系，利于数据的管理，优化数据查询过程，节省系统资源的开支。

　　( 3) 基于 Sinumerik 840Dsl 数控系统的开放性，通过 OPC UA ( 过程控制的对象链接与嵌入统一架构) 通信技术，实现与轧辊磨削软件跨平台通信，使得轧辊磨削加工更智能化、自动化，对于推广轧辊加工具有积极意义。