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人機交互 HMI 在普通車床控製中的應用

2023-9-13 來源：天（tiān）水星火機床（chuáng）有限責任公司作者：張周（zhōu）平

隨（suí）著科技事業突飛猛（měng）進，加工製造業（yè）也在不斷更新換代，現（xiàn）有的普通車床及（jí）常用的（de）數控機床已（yǐ）不能（néng）滿足現在的加工市（shì）場需求。各（gè）種專用數控車床由於（yú）其具（jù）有（yǒu）高度專業性、高精（jīng）度、高效率、柔性自動化等諸（zhū）多優點，已經在我國的加工製造（zào）業中占（zhàn）有舉足輕重的地位。目前已（yǐ）經有大量專業的專用機床，用於特殊零（líng）件的加工，但專用機床製造成本高，國產數控係統不（bú）能滿足（zú）加工要求，專用進口（kǒu）高端控製係統花費（fèi）巨額成本。

在走訪用戶時，碰（pèng）到典型的兩（liǎng）個問題 : 第一種是很多用戶需要車削特殊零件，要用到五軸聯動機床再配有國外高技術的編程軟件（jiàn）才能加工完成，一般工廠沒有這樣的（de）設備，工人們憑借（jiè）著自己的加（jiā）工經驗能在普（pǔ）通機床上手動完成這種（zhǒng）特殊零件的加工（gōng），比如船舶工業上的螺旋槳葉片，但是普通機床上手（shǒu）動加工精度太差，差不多等同手動砂輪機（jī）打磨出來的效果，精度完全靠著手感，而且要不斷更換機械齒輪，完成一個（gè）工件幾乎（hū）需要一（yī）個多月時間，價格低廉又實用的專用機床就迫切（qiē）需要 ; 另外一種是有很多的私人用戶，有的甚至小作坊，完（wán）全給特（tè）定的某個大型企業供貨，常年同一種型號，比如石油鑽杆等，需要批（pī）量加工這種工件，有數控機床當然更好，但是用數控機床隻（zhī）是固定一種工（gōng）件有點浪費，最好能像普通機（jī）床一樣加工，再能用更少的人（rén）力看管（guǎn）這樣效率會更（gèng）高，操作者可以同時操（cāo）作多（duō）台機床。

為此，針對專用數控加工設備成本問題，我們在普（pǔ）通機床的基礎上開發了一種專用機床，為特殊零件的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（chuáng）身（shēn）、床頭、床鞍、尾座、縱橫向的絲杠副總成，除了這些機械結構，還需要（yào）電氣控製的（de）部（bù）分硬件條件，如 PLC、接（jiē）觸器、保護開關等。

這裏選用一（yī）種人機交互的觸摸屏控製方式，可以讓具備（bèi）以上條件（jiàn）的普通車床實現簡（jiǎn）單的部分數控車床功能（néng），而且能（néng）更加簡便。人（rén）機界（jiè）麵 HMI對計算機硬件及操作（zuò）係統要求如下。

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

二、人機交互選擇和連接

觸（chù）摸屏軟件是通過 VB 語言編輯控製觸摸屏，觸摸屏（píng）選（xuǎn）擇國產，支持windows ces.net5.0係統，帶有 RS-232 串口功能即可。人機界（jiè）麵與計（jì）算機和 PLC 的連接如下圖 1 所示，其中計算（suàn）機與（yǔ）人機界麵通過 USB 接（jiē）口連（lián）接（jiē），計算機與 PLC 通過RS232 串口連接（jiē）。

圖 1 觸摸（mō）屏係統連接圖

臥式車床觸摸屏的顯示畫麵中要有展示（shì）機床位置和加工參數（shù）設置兩部分，觸摸屏顯示部分完全由程序控製，顯示方式完全可（kě）以多（duō）樣化，也比較靈活，更能根據特殊需要來修（xiū）改顯示信（xìn）息。對觸摸屏有以下兩方麵（miàn）的具體需求 :

1.HMI參數設置

所有（yǒu）的參數隻在手動加工界麵下可以設置，其中包括 :X 軸參數、Z 軸參數、主軸參數（shù）以及其他（tā）參數（輔（fǔ）助功能參數）。機械參（cān）數是根據機械的實際情況預置好的，不能進行（háng）設定。

進給軸參數包括 : 快速速率，I 檔、II 檔最（zuì）大速率以及速度分辨率，手脈 x100 倍率（lǜ）時的電子齒輪比，反向間隙補償脈衝。

主軸參數包括 : 點動頻率，轉速方式最大（dà）、最小速率，恒線速方（fāng）式最大、最（zuì）小線速度，點動增量，長按時間，最大周長以及高低速檔位時的找零頻率。

2．HMI的信息顯示部分

控製係統在運行過程中顯示多項機床信息 :已裝入觸摸（mō）屏部分存（cún）儲器內部的程序表 ;X 軸（zhóu）和Z 軸的坐（zuò）標值，主軸旋轉角度 ; 目前的運行方（fāng）式 ;或者正在執行某個特定程序 ; 後（hòu）台（tái）是否同時編輯程序或程序段 ;XZ 軸的進給率、主軸轉速變化實（shí）時顯示 ; 刀具信息和多種故障提示等。

需要預先設置HMI及PLC的名稱、設備類型、接口類（lèi）型等信（xìn）息，設置完成方可在圖 2 的觸（chù）摸屏軟（ruǎn）件（jiàn）編輯界（jiè）麵（miàn）進行軟件的初始化編寫，PLC 通過RS232 串口傳（chuán）輸數據到觸摸屏，通過（guò） VB 語言實現（xiàn），以上操作都是通過計算（suàn）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（chéng）序如（rú）下 :

圖 2 VB 軟件初始化編（biān）寫（xiě）界麵

圖 3 軟件編寫界麵

三、界麵操（cāo）作模式選擇

HMI的軟件開發主要是根據車床設計的（de）需要，設計相應的顯（xiǎn）示界麵。這裏根據特定臥式（shì）車床工作模式需要選擇（zé）了 5 種人機界麵，具體介紹如下。

1.手（shǒu）動操作

車床手動操作需要進行參數設置、XZ 軸進給控（kòng）製、主軸控製、主軸換擋、刀塔換刀、功能選擇、坐標（biāo）清零、記錄及返回記錄（lù）點等工作（zuò），這些動作均由按鈕操作。

其中 : 所有的參數（shù）隻在手動加工界麵下可以設置 ; 在手動工作狀態（tài）下，可以通（tōng）過 HMI 選擇其（qí）他三種不同（tóng）的功能，分別是 : 定長加（jiā）工、直線插補和（hé）螺紋加工。選擇時隻需（xū）點擊對應的按鈕即可。

觸摸屏顯示按功能分為五個區域，即位置顯示區、速度顯示區、輔助功能顯示區、加工數據區（qū）以及工作狀態選擇區，如圖 4 所示。

圖 4 觸摸屏功能顯示（shì）界麵（miàn）

2．各類加工操作

（1）確定長度加工操作

確定長度（dù）加工用於進給設（shè）定的長度，以便能準確、簡便的加工有確定的一定長度要求的工件，這樣的操作可（kě）以減化操作工人的操作流程，減少操作（zuò）工的操作誤差。

操（cāo）作方法 :

a）在（zài）手動加工狀態將刀具移動至工（gōng）件加工的起始點（diǎn），即我們常說的對刀。

b）切換至定長加工工作畫（huà）麵。

c）切換（huàn）至定長加工工作畫麵。

d）設定定長加工的長度，調節倍率旋鈕設定定長加工的速度。

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

f）按下進給方向按鈕（X+,X-,Z+,Z-），也可手動搬（bān）動方向手柄（bǐng）來啟動對應方向的（de）定長進給。

g）定長完（wán）成後，進給自動停止，等待下一次啟（qǐ）動信號（hào）。

（2）直線插補和多台階操作

直線插（chā）補用於（yú）加工有錐度的（de）工件，這（zhè）種設計改變了普通臥（wò）車調節刀（dāo）塔角度車（chē）削錐度（dù）的操作方法，減輕了工（gōng）人的勞動強度，提高了勞動效率 ;還有確定尺寸的台階類軸（zhóu）類零件，可根據加工尺（chǐ）寸確定圖形尺寸，控製係統可根（gēn）據圖形能自動循

環加工完（wán）成。

圖 4 中選擇（zé）直（zhí）線插補功能，除了左下區域的加工區是插補功能的（de）特有區域外，其餘區域與手動狀態一（yī）致。在加工區中，顯示了插補的方向，以及 X 軸和 Z 軸（zhóu）的設定長度。進給速度顯示方（fāng）麵，由於係統采用 X 軸運動插補 Z 軸運動的（de）方式，運行期間 X 軸（zhóu）的（de）進給速度取決於 Z 軸的進給速度，所以隻顯示了 Z 軸進給（gěi）速度的設（shè）定值，Z 軸的進給速度由進給倍（bèi）率旋鈕調節。

（3）螺（luó）紋加工操作

圖 4 中選擇（zé）螺紋加工（gōng）的顯示畫麵，除了左（zuǒ）下區域的加工區是螺紋功能特有區域外，其餘區域與手動狀態（tài）一（yī）致。

螺紋加工用於車（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（wán）全同數控係統的螺紋加工，給定螺距，再根據螺紋加工工藝給定主（zhǔ）軸轉速即可完成螺紋切削，我們在研發過程中試切（qiē）過多種（zhǒng）螺紋，甚（shèn）至雙頭螺紋，三頭（tóu）螺紋，經過計算我們可（kě）以設置完成（chéng）多種多頭（tóu）螺紋的加（jiā）工。

四、以 PLC 作為紐帶，連接機床和 HMI

在 “傻（shǎ）瓜” 類車床（chuáng）中，除了控製係統（tǒng）對（duì）車床各軸進行連續控製外，還需要對（duì）車床的多種機械行為做狀態監控和邏輯控製（zhì），完成（chéng）控製裝置、執行部件和電氣控製係統相互之間信號讀取（qǔ）和傳輸，這些（xiē）工作大多需要 PLC 來完成。

本次應用中 PLC 的程序主要完成刀架自（zì）動換刀、主軸自動（dòng）換擋信號處理等。

這裏以歐姆龍 PLC 為例，選擇（zé） OMRON 編程軟件，打（dǎ）開 CXP 軟件，左上角點擊創建新工程（見圖 5），即可（kě）進入（rù）梯形圖程序編寫界麵如圖（tú）6 所示，這裏不再贅述 PLC 軟件的編輯過程和（hé）操作方式等，很多 PLC 軟件操作大同小異，隻是

輸入輸出的 I/O 代碼有所區別。

圖 5 在 CXP 軟（ruǎn）件中創建新的梯形（xíng）圖

圖 6 PLC 編（biān）寫畫麵

通車（chē）床對主軸部分（fèn）的控製主要靠著 PLC 來實現，還有主軸部分的各個動作等。主軸換擋的控製過程（chéng）也是在 PLC 中實現的。普通臥式車床主軸分為四檔，具體如（rú）表 1。

表 1 主軸檔位及（jí）級數表

當 PLC 接收控製按鈕或者控製係統發出的換擋信號（hào）命（mìng）令後，先查看換擋壓力是否正常，在正（zhèng）常狀態且主軸電機處於停止時，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 7 所示，主軸換擋控製流程如圖 8 所示。

圖 7 主軸（zhóu）換檔部分梯形圖

圖（tú） 8 主軸換擋控製流程

為其換擋電磁閥給出（chū）開合指令控（kòng）製相（xiàng）應油缸，通過油缸來（lái）推動同（tóng）一個軸上的齒輪前後移動。其中 PLC 必須設定（dìng）主軸按照一定速度和頻率（lǜ）來擺動（dòng），擺動過程中推動（dòng）齒輪齧合（hé）。換擋（dǎng）完成則進行下一個動（dòng）作，若不（bú）能完成設置超（chāo）時時（shí）間，看檔位開關是否生效，若生效，則換擋完成。否則，PLC 進行錯誤報警處（chù）理，並能在顯示（shì）屏幕上顯示主軸換擋未完成字樣。

主軸在換擋時，主軸檔位較（jiào）多，需在 PLC程序初始化模塊中掃描主軸油缸部分的 5 個檔位檢測開關（guān），並對掃描（miáo）到的檢測開（kāi）關信（xìn）號進行初始化處理 ; 上下兩個油缸分別檢測到一個開關就能（néng）確定一個主軸（zhóu）檔位，再根據機械齒輪結構確（què）定這是哪個主軸檔位（wèi），PLC 記（jì）住組（zǔ）合（hé）的開關輸（shū）出相應的檔位，主軸運行中換擋指令不生效。

五、總結

該應用中利用 HMI 和 PLC 的配合來控製普通車（chē）床，可大大提高車床的可操作性（xìng），便於人性化操作，進而解決人機協調問題 ; 同時對需要新開發（fā）的專用車床控製簡單方便，實現主軸自（zì）動換擋，對普通（tōng）車床的各機械部分、液壓部分等控製對象（xiàng）的邏輯控製（zhì）。

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