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人機交互 HMI 在普通車床控製中的應（yīng）用

2023-9-13 來（lái）源：天水星火機床有限責任公司作者：張周平

隨著科技事（shì）業（yè）突飛猛進，加工製造（zào）業也在不斷更新換代，現有（yǒu）的普通車床及常用的數控機床已不能滿足現在的加工市場需求。各種專用數控車床由於其具（jù）有高度專業性、高精度、高效率、柔性自動化等諸多優點（diǎn），已經在我國的加工製造業（yè）中占有舉足輕重的地位（wèi）。目（mù）前已經有大量專業的專用（yòng）機床（chuáng），用於（yú）特殊零件的加工，但專用機床製造成本高，國產數控（kòng）係統不能滿（mǎn）足加工要求（qiú），專用進口高端控製係統花費巨額成本（běn）。

在走訪用戶時，碰到典型的兩個問題 : 第一種是很多用戶需要車（chē）削特殊零件，要用到五軸聯（lián）動機床再配有國外高技術的（de）編（biān）程（chéng）軟件才能加工完成，一般工廠沒有這樣的設備，工人們（men）憑借著自己的加工經驗能在普通機床上手動完成這種特殊零件的加工，比如船舶工（gōng）業（yè）上的螺（luó）旋槳葉片，但是普通機床（chuáng）上（shàng）手動加（jiā）工精度太差，差不（bú）多等同（tóng）手動砂輪機打磨出（chū）來的效（xiào）果，精度（dù）完（wán）全靠著手感，而且要不斷更換機械齒輪，完成一個（gè）工件幾乎需（xū）要（yào）一個多（duō）月時間（jiān），價格低廉又實用的專用（yòng）機床就迫（pò）切需要 ; 另外一種是有很多的私（sī）人用戶（hù），有的甚（shèn）至（zhì）小作坊，完全給特定的某個大型企業供貨，常年（nián）同一種（zhǒng）型號，比如石油鑽杆等，需要批量加工這種工件，有（yǒu）數控機床（chuáng）當然更好，但是用數控機床隻是固定一種工件有點浪費，最好能像普通機床一樣加工，再（zài）能（néng）用更少的人力看管這樣效率會更高，操作者可以同時操作多（duō）台機床。

為此，針對專用數控加工（gōng）設（shè）備成本問題，我們在普通機床的基礎上開發了一種專（zhuān）用機床（chuáng），為特殊零件的（de）加工優化提供了典型範例。

一、硬件條件

普通車床基本結構 : 床身、床頭、床鞍、尾座、縱（zòng）橫向的絲杠副總成，除了這些機械結構，還需（xū）要電氣控製的部分硬件條件，如 PLC、接觸器、保護開關等（děng）。

這裏選用一種人機交互的觸摸屏控製方（fāng）式，可（kě）以讓具備以上條件（jiàn）的普通車床實現（xiàn）簡單的部分數控車（chē）床功能，而且能更加簡便。人機界麵 HMI對計算機硬件（jiàn）及操作係統要求如下。

CPU:INTEL Pentium Ⅱ以上等級（jí）內存 :64MB 以上硬盤 :2.5GB 以上，最少有 10MB 以上的磁盤空（kōng）間操作係統 :Windows 2000/ Windows NT/Windows XP/ Windows VISIA 等。

二、人機交互（hù）選擇和連接（jiē）

觸摸屏軟件是通過（guò） VB 語言編輯控製觸摸屏，觸摸屏選擇國（guó）產，支持windows ces.net5.0係統，帶（dài）有 RS-232 串口功能即可。人機界麵與計算機和 PLC 的連接如下圖 1 所示，其中計（jì）算機與人機界麵通過 USB 接口（kǒu）連接，計算機與 PLC 通過RS232 串口連接。

圖 1 觸摸（mō）屏係統連接圖

臥式車床觸摸（mō）屏（píng）的顯示畫麵中要有展示機床位置和加工參數（shù）設置兩部分，觸摸屏顯示部分（fèn）完全由（yóu）程序控（kòng）製，顯示方式（shì）完全可（kě）以多樣化，也（yě）比較靈活，更能根據特殊需要來修改顯示信（xìn）息。對觸摸屏有以下兩方麵的具體需求 :

1.HMI參（cān）數設置

所有的參數（shù）隻在手動加（jiā）工界麵下（xià）可以設置，其中包括（kuò） :X 軸參數、Z 軸參數、主軸參數以及其他參數（輔助功能參數（shù））。機械參數是根（gēn）據機械（xiè）的實際情況預置好的，不能進行設定。

進給軸參數包括（kuò） : 快速速率，I 檔、II 檔最（zuì）大速率以及速度（dù）分（fèn）辨率，手（shǒu）脈 x100 倍率時的電（diàn）子齒輪比，反向間隙補償脈衝。

主軸參（cān）數包括 : 點動頻率，轉（zhuǎn）速（sù）方式（shì）最大、最小速率，恒線速方式最大、最小線速（sù）度（dù），點動增量，長按時間，最大（dà）周（zhōu）長（zhǎng）以及高低速檔位時的找零頻率。

2．HMI的（de）信息顯示部分

控製係統在運行過程中顯示多項機床信息 :已裝入觸摸屏部分存儲器內部的（de）程序表 ;X 軸和Z 軸的坐標值，主軸旋轉角度 ; 目前的運行方式 ;或者（zhě）正在執行某個特定程序 ; 後台是否同時（shí）編輯程（chéng）序或程序段 ;XZ 軸的進（jìn）給率（lǜ）、主軸轉速變化實時顯示 ; 刀具（jù）信息和多（duō）種故障提示等。

需要預（yù）先設置HMI及PLC的名稱、設備類型、接口類型等信（xìn）息，設置完成方可（kě）在圖 2 的觸摸屏軟（ruǎn）件編輯界麵進行軟件的初始化編寫，PLC 通過RS232 串口傳輸數據到觸摸屏，通過 VB 語言實現，以上操作都是通過（guò）計算機進行的。圖 3 是通過 VB 軟件編輯觸摸屏畫麵。觸摸屏讀取 PLC 的數據的通訊程序如下 :

圖 2 VB 軟（ruǎn）件初始化編寫界麵

圖 3 軟件編寫界麵

三、界（jiè）麵操作模式（shì）選擇

HMI的軟件開發主（zhǔ）要是根據車床設計的需（xū）要，設計相應的（de）顯示界麵。這裏根據特定臥（wò）式車床工作模式需要選擇了 5 種人機界麵，具體介紹如下。

1.手動操作

車床手動操作需要進行參數設置（zhì）、XZ 軸進（jìn）給（gěi）控製、主軸控製、主（zhǔ）軸換擋、刀塔換刀、功能選擇、坐標清零、記錄及返回記錄點等工作，這些動作均由按鈕操作。

其中 : 所有（yǒu）的參數隻在手動加工界麵下可以設置 ; 在（zài）手動工（gōng）作狀態下，可以通過（guò） HMI 選擇（zé）其他（tā）三種（zhǒng）不同（tóng）的功能（néng），分別是 : 定長加工、直線插補（bǔ）和（hé）螺紋加工。選擇時隻需點擊對應的按（àn）鈕（niǔ）即可。

觸摸屏（píng）顯示按功能分為五（wǔ）個（gè）區域，即位（wèi）置顯示區、速度顯示區、輔助（zhù）功能顯示區、加工數據區（qū）以及工作狀態選（xuǎn）擇區，如圖（tú） 4 所示。

圖 4 觸（chù）摸屏功能顯示界麵

2．各類加工操作

（1）確定長度加工操作（zuò）

確定長度加工用於進給設定的長度（dù），以便能準確、簡便的（de）加工有確定的一定（dìng）長度要（yào）求（qiú）的工件，這樣的操作可以減化操作工人的操作流程（chéng），減少操作工的操作誤差。

操作方法 :

a）在手動加工狀態將刀具移動至工件加工的起始點，即我們常說的對刀。

b）切換至定（dìng）長加工工作畫麵。

c）切換（huàn）至定（dìng）長加工（gōng）工作畫麵。

d）設定定長加工的長度，調節（jiē）倍率旋鈕設定定長（zhǎng）加工的速度。

e）啟動主軸，等待主軸轉（zhuǎn）速達到指令轉速（sù），和變頻（pín）器配合有個轉速到達指令。

f）按下進給方向按鈕（X+,X-,Z+,Z-），也可手（shǒu）動搬動方向手柄來啟（qǐ）動對應方向的定長進給。

g）定長（zhǎng）完成後，進給（gěi）自動停止，等待下一次啟動信號。

（2）直線插補和多台階操作

直線插補用於加工有錐（zhuī）度的工件，這種設（shè）計改變了普通臥車（chē）調節刀塔角度車削錐（zhuī）度的操（cāo）作方法，減輕了工人的勞動強度，提（tí）高了勞動效率 ;還有確定尺寸的台階類軸類零件，可根據加工尺寸確定圖形尺寸，控製係統可根據圖形能自動（dòng）循

環加工（gōng）完成。

圖 4 中選擇直線插補功能，除了左下區域的加工區是插補功能的特（tè）有區域外，其餘區域與手動狀態一致。在加工區（qū）中，顯示了插補的方向，以及 X 軸和 Z 軸的設定長度。進給速度（dù）顯示方麵，由於係統采用 X 軸運動插補 Z 軸（zhóu）運動的方式，運行期間 X 軸的進給速度取決於 Z 軸的進給速度，所（suǒ）以隻（zhī）顯示了 Z 軸進給（gěi）速度的（de）設（shè）定值，Z 軸的進給速度由進給倍率旋鈕調（diào）節。

（3）螺紋加工操作

圖 4 中選擇螺紋（wén）加工的顯示畫麵（miàn），除了左下區域（yù）的加工區是螺紋（wén）功能特有區域外（wài），其餘區域與手動（dòng）狀態一致。

螺紋加工（gōng）用於車（chē）削螺紋工件，這樣的設計與數控臥車一致，加工工藝幾乎完全同數控（kòng）係統的螺紋加（jiā）工，給定螺距，再根據螺紋加工工藝給定主軸轉速即可完成螺（luó）紋切削，我（wǒ）們在研發（fā）過程中試切過多（duō）種螺紋，甚至（zhì）雙頭螺紋（wén），三（sān）頭螺紋，經過計算我們可以設置完成多種多頭螺紋的加工。

四（sì）、以 PLC 作為紐帶，連接機床和 HMI

在 “傻瓜” 類車（chē）床中，除了控製係統對車床各軸進行連續控製外，還需要對車床的多種機械行（háng）為做狀態監控和邏輯控製，完成控（kòng）製裝置、執行部件和（hé）電氣控製係統相互之間信號讀取和傳輸（shū），這些工作大多需（xū）要 PLC 來完成。

本次應用中（zhōng） PLC 的程序（xù）主要完成刀架自動換刀、主軸（zhóu）自動換擋信號處理等。

這裏以歐姆龍 PLC 為例，選擇 OMRON 編（biān）程軟件，打開 CXP 軟件，左上角點擊創建（jiàn）新（xīn）工（gōng）程（見圖 5），即可（kě）進入（rù）梯（tī）形圖程序編寫界麵如圖6 所示，這裏不再贅述 PLC 軟件的編輯過程和（hé）操作方式等（děng），很多 PLC 軟件操作大同小異（yì），隻是

輸入輸出的 I/O 代碼有所（suǒ）區別。

圖 5 在 CXP 軟件中創建新的梯形（xíng）圖

圖 6 PLC 編寫畫麵

通車床對主軸部分的控（kòng）製主要（yào）靠著（zhe） PLC 來實現，還有主軸部（bù）分的各個動作等。主（zhǔ）軸換擋的控製過程也是在（zài） PLC 中實現的。普通臥式車（chē）床主軸（zhóu）分為四檔，具體如表 1。

表 1 主軸檔位及級數表

當 PLC 接收控製按鈕或（huò）者（zhě）控製係統（tǒng）發出的（de）換擋信（xìn）號命（mìng）令後，先查看換擋壓力是否正常，在正常狀態且主軸電（diàn）機處於停止時，給 PLC 設置定時器，依據給定的目標檔位。主軸部分換擋梯形圖如圖（tú） 7 所示（shì），主軸換（huàn）擋控製流程如圖 8 所示。

圖（tú） 7 主軸換檔部分梯形（xíng）圖

圖 8 主軸換擋控製（zhì）流（liú）程

為其換擋電磁閥給出開合指令控製相應油缸，通過油缸來推動同（tóng）一個軸上的（de）齒輪前後移動。其中 PLC 必須設定主軸按照一定速度和頻率來擺動，擺（bǎi）動過程中推動齒輪齧合。換擋完成則（zé）進行下一個動作（zuò），若不能完成設置超時（shí）時（shí）間（jiān），看檔位開（kāi）關是否生效，若生效，則換擋完成（chéng）。否則（zé），PLC 進行錯誤報警（jǐng）處理，並能在顯示屏幕上顯示主軸換擋未完成字樣。

主軸在換擋時，主（zhǔ）軸（zhóu）檔位較多，需在 PLC程序初始化模塊中掃描主軸（zhóu）油缸部分的 5 個檔位檢測開關，並對掃（sǎo）描（miáo）到的檢測開關信號進（jìn）行初始化處理 ; 上下（xià）兩個（gè）油缸分別檢測到一個開（kāi）關就能確定一個主軸檔位，再根據機械齒輪結構確定這是哪個主軸檔位，PLC 記住組合的開關輸（shū）出相應的檔位，主軸運行中換（huàn）擋指令（lìng）不生效（xiào）。

五、總結

該應用中利（lì）用 HMI 和 PLC 的配合來控製普通車床，可大（dà）大提高車床的可操（cāo）作性，便於人性化操作，進而解決人機協調問題 ; 同時對需（xū）要新（xīn）開發（fā）的專（zhuān）用車床控製簡單方便（biàn），實現主軸自動（dòng）換擋，對普通車床的各機（jī）械部（bù）分（fèn）、液壓部分等控製對象的邏輯控製。

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