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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：天水星火機床有限責任公司（sī）作者：張周平（píng）

隨著科技（jì）事業突飛猛進，加（jiā）工（gōng）製造業也在不（bú）斷更新換代，現有的普通車床及常用的數控機床已不（bú）能滿足現在的（de）加工市場需求（qiú）。各種專用數控車（chē）床由於其具有高度專（zhuān）業（yè）性、高精度、高效率、柔性自動化等諸多優點，已經在我國的加工製造業中占有（yǒu）舉（jǔ）足輕重的地位。目前（qián）已經有大（dà）量專（zhuān）業的專用機床，用（yòng）於特殊零件的加工，但專用機床製造成本高，國產數控係統不能（néng）滿足加工要求，專用進口高端控製係統花費（fèi）巨額成本。

在走訪用戶時，碰（pèng）到典型的兩個問（wèn）題 : 第一種（zhǒng）是很多（duō）用戶需（xū）要車削特殊零件，要用到五軸聯動機床再配（pèi）有國外高技術的編程軟件才能加工完成，一般工廠沒（méi）有這樣的設備，工人們憑借著自己的加工經驗能在普通機床上（shàng）手（shǒu）動完成這種特殊零件的加工，比如船舶工業上的螺（luó）旋（xuán）槳葉片，但是普通機（jī）床上手動加工精度太差，差不多等同手（shǒu）動砂輪機打磨出來（lái）的效果，精度完全靠著（zhe）手感，而且要不斷更換機械齒輪，完成一個工件幾乎（hū）需要一個多月時間，價（jià）格低廉又實用的專（zhuān）用機床就迫切需要 ; 另（lìng）外一種是（shì）有很多的私人用（yòng）戶（hù），有的甚（shèn）至小作坊，完全給（gěi）特定的某個大型企業供貨，常年同一（yī）種型號，比如石油鑽杆等，需要（yào）批量加（jiā）工這種工件（jiàn），有數控機床當然更好，但是用數控機床隻是固定一（yī）種工件（jiàn）有點（diǎn）浪費（fèi），最好能像普通機床（chuáng）一樣加（jiā）工，再能用更少的人力看管這（zhè）樣效（xiào）率會更高，操作者可以同時（shí）操作多台機床。

為此，針對專用數控加工設備成本問題，我們在普通機床的基礎上開發了一種專用機床，為（wéi）特殊零件（jiàn）的加工優化提供了典型（xíng）範例。

一、硬件條件（jiàn）

普通車床基本結構 : 床身、床（chuáng）頭、床鞍、尾座（zuò）、縱橫向的絲杠副總成，除了這（zhè）些機械結構，還需要電氣控製的部分硬件（jiàn）條件，如 PLC、接觸器、保護開（kāi）關等。

這裏（lǐ）選用（yòng）一種人機交互的觸摸屏控製方式，可以讓具（jù）備以上（shàng）條件的普通（tōng）車床實現簡單的部分數控車（chē）床功能，而（ér）且能更加簡便。人機界麵 HMI對計算機硬件及操作係統要求如（rú）下。

CPU:INTEL Pentium Ⅱ以上等級內存 :64MB 以上硬盤 :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（hé）連（lián）接

觸摸屏軟件是通過 VB 語（yǔ）言編輯控製觸摸屏，觸（chù）摸屏選擇（zé）國產，支持windows ces.net5.0係（xì）統，帶有 RS-232 串口功能即可。人機界麵與計算機（jī）和 PLC 的連接如下圖 1 所示，其中計算機與人機界麵通過 USB 接口連（lián）接，計算機與 PLC 通過RS232 串口連接。

圖（tú） 1 觸（chù）摸屏係統連接圖

臥式車床觸摸屏的顯示畫麵中（zhōng）要有展示機床位置（zhì）和加工參數設置兩部分，觸摸屏顯示部分完全（quán）由程序控製，顯示方式完全可以多樣化，也比較靈活，更能根據特殊需（xū）要來修改顯（xiǎn）示信息。對觸摸屏有以下兩方麵的具體需求 :

1.HMI參數設置

所有的參數隻在（zài）手動加工界麵下可（kě）以設置，其中包括（kuò） :X 軸參數、Z 軸參數、主軸（zhóu）參數以及其他參（cān）數（輔助功（gōng）能參數）。機械參數（shù）是根據機械的實際情況預置好的，不能進行設定。

進給軸（zhóu）參數包括 : 快速速率，I 檔、II 檔最大（dà）速率以及速度分（fèn）辨率，手脈 x100 倍率時的電子齒（chǐ）輪比，反向間隙補（bǔ）償脈衝。

主（zhǔ）軸參數包括 : 點動頻率，轉速方式最大、最小速率，恒線速方式最大、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（xiǎn）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（nèi）部的程序表 ;X 軸和Z 軸的坐標值，主軸旋轉角度 ; 目前（qián）的運（yùn）行方式 ;或者正在執（zhí）行（háng）某個特定程序 ; 後台是否同時編輯（jí）程（chéng）序或程序段 ;XZ 軸的進給率、主軸轉速變化實時（shí）顯示 ; 刀具（jù）信（xìn）息和多種故障（zhàng）提示等。

需要預先（xiān）設置HMI及PLC的名稱、設備類型、接口類型等信息，設置完成方可在圖 2 的觸摸屏（píng）軟件編輯界麵進行軟件的初（chū）始化編寫，PLC 通過RS232 串口傳輸數（shù）據到觸摸屏，通過 VB 語（yǔ）言實現，以上操作都是通過（guò）計算機進行的（de）。圖 3 是通過 VB 軟件編輯觸摸屏畫麵。觸（chù）摸屏讀取 PLC 的數據的通訊程序如下（xià） :

圖 2 VB 軟件初始化編寫界麵

圖 3 軟件編（biān）寫界麵

三、界麵（miàn）操作模式選（xuǎn）擇

HMI的軟件開發主要是（shì）根據車（chē）床設計的需要，設計相應的（de）顯示界麵。這（zhè）裏根（gēn）據特定臥式車床工作模式需要選擇了 5 種人機界麵，具（jù）體介紹如下。

1.手（shǒu）動操作

車床（chuáng）手動操作（zuò）需要進行參數設置、XZ 軸進給控製、主軸控製、主軸換（huàn）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（qí）中 : 所（suǒ）有的參數隻在手動加工界麵下可以設置 ; 在手動工作狀態下，可以通過 HMI 選擇其他三種不同的功能，分別是 : 定長加工、直線插補和螺紋加工。選擇時隻需點擊（jī）對應的（de）按（àn）鈕即可。

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

圖（tú） 4 觸摸屏功能顯示界麵

2．各類加（jiā）工操作

（1）確定長度加工操作

確定長度加工用於進給（gěi）設定的長度（dù），以（yǐ）便能準確（què）、簡便（biàn）的加工有確定的一定長度要求的工件，這樣的操作可以減化操作工人的操（cāo）作流程，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（jiā）工的起始點，即我們常說的對刀。

b）切換至（zhì）定長加工工作（zuò）畫麵。

c）切換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（dìng）定長加工的速度。

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

f）按下進給（gěi）方向按鈕（X+,X-,Z+,Z-），也可手動（dòng）搬動方向手（shǒu）柄來啟動對應方向的定長進給。

g）定長完成後，進給自動停止，等待下一次啟動信號。

（2）直線插補和多（duō）台階操作

直線插補用於加工有錐度的工件，這種設計改變了普通臥車調節（jiē）刀塔角度車削錐度的操作方法，減輕（qīng）了工人的勞動強度，提高了勞動效率 ;還有確定尺寸的台階類軸類零（líng）件（jiàn），可根據加工（gōng）尺寸確定圖（tú）形尺寸，控製係統可根據圖形能自動（dòng）循

環加工完成。

圖 4 中選擇直線（xiàn）插補功能，除了左下區（qū）域的加工區（qū）是插（chā）補功能的特有區域外（wài），其餘區域與手動狀態一致。在加工區中（zhōng），顯示了插補的方向，以及 X 軸和（hé） Z 軸的設（shè）定長度。進給速度顯示方麵，由於係統采（cǎi）用 X 軸（zhóu）運動插補 Z 軸運（yùn）動的方式，運行期間 X 軸的進（jìn）給速度取決於 Z 軸（zhóu）的進給速度，所以（yǐ）隻顯示了 Z 軸進給速度的設（shè）定值，Z 軸的進給速度由進給倍率旋鈕調節。

（3）螺紋加工操作

圖 4 中選擇螺紋加工的顯示畫麵，除了左下（xià）區域（yù）的加工區是螺紋功能特有區域外（wài），其（qí）餘區域與手動（dòng）狀態一（yī）致。

螺紋加工用於車削螺紋工件，這樣的設計與數控（kòng）臥（wò）車一致，加工工藝幾乎完全同數控係統的螺紋加工，給定螺距，再根（gēn）據螺紋加工工藝給（gěi）定（dìng）主軸轉速即可完成螺紋切削，我們在研發過程中（zhōng）試切過多種螺紋，甚至雙頭（tóu）螺（luó）紋，三頭螺紋（wén），經過（guò）計算我們可以設置完成多種多頭螺（luó）紋的加工（gōng）。

四、以 PLC 作為紐帶，連接機床（chuáng）和 HMI

在 “傻瓜（guā）” 類車床（chuáng）中（zhōng），除了控製（zhì）係（xì）統對車床各軸進行（háng）連續控製外，還需（xū）要對車床的多種機械（xiè）行為做狀態監控和邏輯控製，完成控製裝置、執行部件（jiàn）和電氣控製係統相互之間信號讀取（qǔ）和傳輸，這些工（gōng）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動換刀、主（zhǔ）軸自動換擋信號處理等。

這裏以歐姆龍 PLC 為例，選擇 OMRON 編程軟件，打（dǎ）開 CXP 軟件，左上角點擊創建新工程（見（jiàn）圖 5），即可進入梯形圖程序編寫界（jiè）麵如圖6 所示，這裏（lǐ）不再贅述 PLC 軟（ruǎn）件的編輯過程和操作方式等，很多 PLC 軟件（jiàn）操作大同小（xiǎo）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（xīn）的梯形圖（tú）

圖 6 PLC 編（biān）寫畫麵

通車（chē）床對主軸部分的控製（zhì）主要靠著 PLC 來實現，還有（yǒu）主軸部分的各個動作等。主（zhǔ）軸換擋的控製過程也是在（zài） PLC 中實現的。普通臥式（shì）車（chē）床主軸分為四檔（dàng），具體如表 1。

表 1 主軸檔位及（jí）級數表

當 PLC 接收控製（zhì）按鈕或者控製（zhì）係統發出的換擋信號命令後，先查看換擋（dǎng）壓力是否正常，在正常狀態且主軸（zhóu）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（zhóu）部分換擋梯形圖如圖 7 所示，主軸換擋控製流程如圖（tú） 8 所（suǒ）示。

圖 7 主（zhǔ）軸換檔部分梯形圖

圖 8 主軸換擋控製流程

為其（qí）換擋電磁閥給出開合指令控製（zhì）相應油缸，通過油缸來推動同一個軸上的齒（chǐ）輪前（qián）後移動。其中（zhōng） PLC 必須設定主軸按照（zhào）一定速度和頻率來擺動，擺動過程中推動齒輪齧合。換（huàn）擋完成則進行（háng）下一個動（dòng）作，若（ruò）不能完成設置（zhì）超時時間，看檔位開關（guān）是否生效，若生效，則換擋完成。否則，PLC 進行錯（cuò）誤報警處理（lǐ），並能（néng）在顯（xiǎn）示屏（píng）幕上顯示主軸換擋未完成字（zì）樣。

主軸在換擋時，主軸檔位（wèi）較多，需在 PLC程序初始化模（mó）塊中掃描主軸油缸部（bù）分的 5 個檔位檢測開關，並對掃描到的檢測（cè）開關信號進行初始化處理 ; 上下兩個油缸分別檢測（cè）到一個開（kāi）關就能確定一（yī）個主軸檔位，再根據機械齒（chǐ）輪結構確（què）定這是哪個主軸檔位（wèi），PLC 記住組合的開關輸出相應的（de）檔（dàng）位，主（zhǔ）軸運行中換擋（dǎng）指令不生效。

五、總結

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

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