人（rén）機交互 HMI 在普（pǔ）通（tōng）車床控製中（zhōng）的應用-齒輪加工機床網-數控機床市場網

您現在的位置：齒輪加工機床網> 加工與維修>人機（jī）交（jiāo）互 HMI 在普通車床控（kòng）製中的應用

人機交互 HMI 在普通車床控製中（zhōng）的應用

2023-9-13 來源：天水星火機床有限責任公司作者：張周平

隨著科技事業突飛猛進，加工製（zhì）造業也在不斷更新換代，現有的普通車床及常用的數控機床已不能滿足現（xiàn）在的加工市場需求。各種專用數控（kòng）車床由於其具有高度專（zhuān）業性、高（gāo）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（zào）業中占有舉足輕重的地位。目前已經有大量專業的專用機床（chuáng），用於特（tè）殊零件的加工，但專用機床製造成本高，國產數控係統不能滿足加工要（yào）求，專用進口高端控製係統花費巨額成本。

在走訪用戶時，碰到典型的兩個問題 : 第一種是很多用戶（hù）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才能加工（gōng）完成，一般工（gōng）廠沒有（yǒu）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手動（dòng）完成（chéng）這種特殊零件的（de）加工，比如船舶工業（yè）上的螺旋槳（jiǎng）葉片，但是普通機（jī）床上手動加工精（jīng）度太（tài）差，差不多等同手動砂輪機打磨（mó）出來的效果（guǒ），精度完全靠著手感，而（ér）且要（yào）不斷更換機械齒（chǐ）輪，完成一個工件幾（jǐ）乎需（xū）要一個多（duō）月時間，價格低廉又實用的專（zhuān）用機床就迫切需要 ; 另外一種是有很多的私人用（yòng）戶（hù），有的甚至小作坊，完全給特定的某（mǒu）個大型企業供貨，常年同（tóng）一種型號，比如石油鑽（zuàn）杆等，需要批量加工這種工件，有（yǒu）數（shù）控機床當然更好，但是用數控機床隻是固定一種工（gōng）件有點浪費，最好能像普通機床一樣加工，再能用更少的人力看（kàn）管這（zhè）樣效率會更高，操作者（zhě）可以同時操作（zuò）多台（tái）機床。

為（wéi）此，針對專用（yòng）數控加（jiā）工設備成（chéng）本（běn）問題，我們在普通機床的基礎（chǔ）上開發了一種專用機床，為特殊零件的加（jiā）工優化提供了典型範例（lì）。

一（yī）、硬件條（tiáo）件

普通車床基本結構 : 床身、床頭、床鞍（ān）、尾座、縱橫向的絲杠副總成，除了這些機械結（jié）構，還需要電（diàn）氣控製的（de）部分硬件條件，如 PLC、接觸器、保護開（kāi）關等。

這裏選用一種人機交互的觸摸屏控製方式，可以讓具備以上條件的普通車床實現（xiàn）簡單的（de）部分數控車床功能，而且（qiě）能更加簡便（biàn）。人機界麵 HMI對計（jì）算機硬（yìng）件及操作係統要求（qiú）如下。

CPU:INTEL Pentium Ⅱ以上等級內存 :64MB 以上（shàng）硬（yìng）盤 :2.5GB 以上，最少有 10MB 以上的磁盤空間操作係統 :Windows 2000/ Windows NT/Windows XP/ Windows VISIA 等。

二、人機交互選擇和連接

觸摸屏軟件是通過 VB 語（yǔ）言編輯控製（zhì）觸摸（mō）屏，觸摸屏選擇（zé）國（guó）產，支持windows ces.net5.0係統，帶有 RS-232 串口功能即可。人機界麵與計算機和 PLC 的（de）連接（jiē）如下（xià）圖 1 所示，其中計算機（jī）與人機界麵通過 USB 接口連接，計算機與 PLC 通過RS232 串口連接。

圖 1 觸摸屏係統連接圖

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

1.HMI參（cān）數設置

所有的參數隻在手動加工界麵下可以設置，其（qí）中包括 :X 軸參數、Z 軸參數、主軸參數以及其（qí）他參數（輔（fǔ）助功能（néng）參數）。機械參數是（shì）根據（jù）機械的實際情況預（yù）置好（hǎo）的，不能進（jìn）行設定。

進給軸參數（shù）包括 : 快速速率，I 檔、II 檔最大（dà）速率以及速度分辨率（lǜ），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（lǜ），轉速方式最大、最小速率，恒線速方式最大、最小線（xiàn）速度，點動增量，長按時間（jiān），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 :已裝入觸摸屏（píng）部分存（cún）儲器內部的程序表 ;X 軸和Z 軸的坐標值，主軸（zhóu）旋轉角度 ; 目前的運行方式 ;或者正在執行某個特定程序 ; 後台是（shì）否同時編（biān）輯程序或程序段 ;XZ 軸的進給率、主軸轉速變化實時顯示 ; 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（kǒu）類（lèi）型等信息，設置完成方可在圖 2 的觸摸屏軟件編輯界麵進行軟件的（de）初始化編寫，PLC 通（tōng）過RS232 串口（kǒu）傳輸數據到觸摸屏，通過 VB 語言實現，以上操作都是通過計算機進行的。圖（tú） 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 軟件初始化編寫界麵

圖 3 軟件編寫界麵

三、界麵操作模式選擇

HMI的軟件開（kāi）發主要是根（gēn）據車床設計（jì）的需要，設計相應的顯示界麵。這裏根據特定臥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（xū）要進行參數（shù）設置、XZ 軸進給控製（zhì）、主軸控製、主軸換擋、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（dòng）作均由按鈕操作。

其中 : 所有的參數隻在手動加工界麵下可以設置 ; 在（zài）手動工作狀態下，可（kě）以通過（guò） HMI 選擇其他三種不同（tóng）的（de）功能，分別是 : 定（dìng）長加工、直線插補和螺紋加工。選擇時隻需點擊對應的按鈕即可。

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

圖 4 觸摸屏功能顯示界麵

2．各類加（jiā）工操作

（1）確定長度（dù）加工操作（zuò）

確定長度（dù）加工用於進（jìn）給設定的長度，以便能準確、簡便的加工有確定的一定長度要求的（de）工件，這樣的（de）操作可以（yǐ）減化操作工人的操作流程，減少（shǎo）操作工的操作誤（wù）差。

操作方（fāng）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（zhì）定長加工工作畫麵。

c）切換至定長加工工作畫麵。

d）設定定長加工的（de）長度，調節倍率旋鈕設定定長加工的速度。

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

f）按下進（jìn）給方向按鈕（X+,X-,Z+,Z-），也可手動搬動方向（xiàng）手柄來（lái）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（xià）一次啟動信號。

（2）直線插補和多台階操作

直（zhí）線插（chā）補用於加工有錐度的工件，這種設計改變了（le）普通臥車調節刀塔角度車削錐（zhuī）度的操作方法，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（jiē）類軸類零件，可根（gēn）據加（jiā）工尺寸確定圖形尺寸（cùn），控（kòng）製係統可根據圖形能自動循

環（huán）加工（gōng）完成。

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

（3）螺紋加工（gōng）操（cāo）作

圖 4 中選擇（zé）螺紋加工的顯示（shì）畫麵，除了左下區域的加工區是螺紋（wén）功能特有區域外，其餘區域與手動狀態一致。

螺紋加工（gōng）用於車削螺紋工件，這樣的設計與數控臥車一致，加工工藝幾乎完全同數（shù）控係統的螺紋加工，給定螺距，再根據螺紋加工工藝給定主軸轉速即可完成（chéng）螺紋切削，我們在研發（fā）過程中試（shì）切過多種螺紋，甚至（zhì）雙頭螺紋（wén），三頭螺紋，經過（guò）計算我們可（kě）以設置完（wán）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（guā）” 類車床中，除（chú）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為做狀態監控和邏輯控製，完（wán）成控製裝置、執行部件（jiàn）和（hé）電氣控製係統相互之間信號讀取和（hé）傳輸，這些工作大多需要 PLC 來完成。

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

這裏以歐姆龍 PLC 為例，選擇 OMRON 編程軟件，打開 CXP 軟件，左（zuǒ）上角點擊創建新（xīn）工程（見圖 5），即可進入梯形圖程序編寫界麵如圖6 所示，這裏不再贅述 PLC 軟件（jiàn）的（de）編輯過程和操作方式等，很多 PLC 軟件（jiàn）操作大同（tóng）小異，隻是

輸入輸（shū）出的 I/O 代碼有所區別（bié）。

圖 5 在 CXP 軟件（jiàn）中創建新的梯形圖

圖 6 PLC 編（biān）寫畫麵

通（tōng）車床對主（zhǔ）軸部分的控製主要靠著 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也是在 PLC 中（zhōng）實現的。普通臥式（shì）車床主（zhǔ）軸分為四檔，具體（tǐ）如表（biǎo） 1。

表 1 主軸檔位及級數表

當 PLC 接收控製按（àn）鈕（niǔ）或者控製係統發出的換擋信號（hào）命令後，先查看換擋壓力是否正常，在正常狀態（tài）且主（zhǔ）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（zhǔ）軸部分換擋梯（tī）形圖（tú）如圖 7 所示，主軸換擋控製流程如圖 8 所示。

圖 7 主軸換檔部分梯形圖

圖 8 主軸換擋控製流程

為（wéi）其換擋電磁閥給出開合指令控製（zhì）相應油缸，通過油（yóu）缸來推動同一個軸（zhóu）上的齒輪前後移動。其中 PLC 必須（xū）設定主軸按照一定速度和頻率來擺動，擺動過程中推動（dòng）齒輪齧合。換擋完成則進行下一（yī）個動作，若不能（néng）完成設（shè）置超時時間，看檔位（wèi）開關是否生效，若生效，則換擋完成。否則，PLC 進行錯誤報（bào）警處理，並能在顯示屏幕上顯示主軸換擋未完成字（zì）樣。

主（zhǔ）軸在換擋時，主軸檔位（wèi）較多，需在 PLC程序初始化模塊中掃描主軸油（yóu）缸部分的 5 個檔位檢測開關，並對掃描到的檢測開關信（xìn）號進行初（chū）始化處理 ; 上下兩個油缸分別檢測到一個開關（guān）就能確定一個主軸檔位，再根據機械（xiè）齒輪結構（gòu）確定這是哪個主軸檔位，PLC 記住組合的開關輸出相應的檔（dàng）位，主軸運行中換擋指令不（bú）生效（xiào）。

五、總結

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

投稿（gǎo）箱：
如（rú）果您有機床行業、企業相關新（xīn）聞稿件發表，或進行資訊合作（zuò），歡（huān）迎聯係本網編輯部，郵箱：skjcsc@vip.sina.com

更多相關（guān）信息

名企推薦

業界視點

| 更多

行業數據

| 更多

博文選（xuǎn）萃

| 更多