人機交互 HMI 在普通車床控制中的應用
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(yè)突飛猛進，加工制造業(yè)也在不斷更新?lián)Q代，現(xiàn)有的普通車床及常用的數(shù)控機床已不能滿足現(xiàn)在的加工市場需求。各種專用數(shù)控車床由于其具有高度專業(yè)性、高精度、高效率、柔性自動化等諸多優(yōu)點，已經(jīng)在我國的加工制造業(yè)中占有舉足輕重的地位。目前已經(jīng)有大量專業(yè)的專用機床，用于特殊零件的加工，但專用機床制造成本高，國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)不能滿足加工要求，專用進口高端控制系統(tǒng)花費巨額成本。
在走訪用戶時，碰到典型的兩個問題 : 第一種是很多用戶需要車削特殊零件，要用到五軸聯(lián)動機床再配有國外高技術的編程軟件才能加工完成，一般工廠沒有這樣的設備，工人們憑借著自己的加工經(jīng)驗能在普通機床上手動完成這種特殊零件的加工，比如船舶工業(yè)上的螺旋槳葉片，但是普通機床上手動加工精度太差，差不多等同手動砂輪機打磨出來的效果，精度完全靠著手感，而且要不斷更換機械齒輪，完成一個工件幾乎需要一個多月時間，價格低廉又實用的專用機床就迫切需要 ; 另外一種是有很多的私人用戶，有的甚至小作坊，完全給特定的某個大型企業(yè)供貨，常年同一種型號，比如石油鉆桿等，需要批量加工這種工件，有數(shù)控機床當然更好，但是用數(shù)控機床只是固定一種工件有點浪費，最好能像普通機床一樣加工，再能用更少的人力看管這樣效率會更高，操作者可以同時操作多臺機床。
為此，針對專用數(shù)控加工設備成本問題，我們在普通機床的基礎上開發(fā)了一種專用機床，為特殊零件的加工優(yōu)化提供了典型范例。
一、硬件條件
普通車床基本結(jié)構(gòu) : 床身、床頭、床鞍、尾座、縱橫向的絲杠副總成，除了這些機械結(jié)構(gòu)，還需要電氣控制的部分硬件條件，如 PLC、接觸器、保護開關等。
這里選用一種人機交互的觸摸屏控制方式，可以讓具備以上條件的普通車床實現(xiàn)簡單的部分數(shù)控車床功能，而且能更加簡便。人機界面 HMI對計算機硬件及操作系統(tǒng)要求如下。
CPU:INTEL Pentium Ⅱ以上等級內(nèi)存 :64MB 以上硬盤 :2.5GB 以上，最少有 10MB 以上的磁盤空間操作系統(tǒng) :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 語言編輯控制觸摸屏，觸摸屏選擇國產(chǎn)，支持Windows CE.net5.0系統(tǒng)，帶有 RS-232 串口功能即可。人機界面與計算機和 PLC 的連接如下圖 1 所示，其中計算機與人機界面通過 USB 接口連接，計算機與 PLC 通過RS232 串口連接。
圖 1 觸摸屏系統(tǒng)連接圖
臥式車床觸摸屏的顯示畫面中要有展示機床位置和加工參數(shù)設置兩部分，觸摸屏顯示部分完全由程序控制，顯示方式完全可以多樣化，也比較靈活，更能根據(jù)特殊需要來修改顯示信息。對觸摸屏有以下兩方面的具體需求 :
1.HMI參數(shù)設置
所有的參數(shù)只在手動加工界面下可以設置，其中包括 :X 軸參數(shù)、Z 軸參數(shù)、主軸參數(shù)以及其他參數(shù)（輔助功能參數(shù)）。機械參數(shù)是根據(jù)機械的實際情況預置好的，不能進行設定。
進給軸參數(shù)包括 : 快速速率，I 檔、II 檔最大速率以及速度分辨率，手脈 x100 倍率時的電子齒輪比，反向間隙補償脈沖。
主軸參數(shù)包括 : 點動頻率，轉(zhuǎn)速方式最大、最小速率，恒線速方式最大、最小線速度，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
控制系統(tǒng)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(zhuǎn)角度 ; 目前的運行方式 ;或者正在執(zhí)行某個特定程序 ; 后臺是否同時編輯程序或程序段 ;XZ 軸的進給率、主軸轉(zhuǎn)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、接口類型等信息，設置完成方可在圖 2 的觸摸屏軟件編輯界面進行軟件的初始化編寫，PLC 通過RS232 串口傳輸數(shù)據(jù)到觸摸屏，通過 VB 語言實現(xiàn)，以上操作都是通過計算機進行的。圖 3 是通過 VB 軟件編輯觸摸屏畫面。觸摸屏讀取 PLC 的數(shù)據(jù)的通訊程序如下 :
圖 2 VB 軟件初始化編寫界面
圖 3 軟件編寫界面
三、界面操作模式選擇
HMI的軟件開發(fā)主要是根據(jù)車床設計的需要，設計相應的顯示界面。這里根據(jù)特定臥式車床工作模式需要選擇了 5 種人機界面，具體介紹如下。
1.手動操作
車床手動操作需要進行參數(shù)設置、XZ 軸進給控制、主軸控制、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，這些動作均由按鈕操作。
其中 : 所有的參數(shù)只在手動加工界面下可以設置 ; 在手動工作狀態(tài)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。選擇時只需點擊對應的按鈕即可。
觸摸屏顯示按功能分為五個區(qū)域，即位置顯示區(qū)、速度顯示區(qū)、輔助功能顯示區(qū)、加工數(shù)據(jù)區(qū)以及工作狀態(tài)選擇區(qū)，如圖 4 所示。
圖 4 觸摸屏功能顯示界面
2．各類加工操作
（1）確定長度加工操作
確定長度加工用于進給設定的長度，以便能準確、簡便的加工有確定的一定長度要求的工件，這樣的操作可以減化操作工人的操作流程，減少操作工的操作誤差。
操作方法 :
a）在手動加工狀態(tài)將刀具移動至工件加工的起始點，即我們常說的對刀。
b）切換至定長加工工作畫面。
c）切換至定長加工工作畫面。
d）設定定長加工的長度，調(diào)節(jié)倍率旋鈕設定定長加工的速度。
e）啟動主軸，等待主軸轉(zhuǎn)速達到指令轉(zhuǎn)速，和變頻器配合有個轉(zhuǎn)速到達指令。
f）按下進給方向按鈕（X+,X-,Z+,Z-），也可手動搬動方向手柄來啟動對應方向的定長進給。
g）定長完成后，進給自動停止，等待下一次啟動信號。
（2）直線插補和多臺階操作
直線插補用于加工有錐度的工件，這種設計改變了普通臥車調(diào)節(jié)刀塔角度車削錐度的操作方法，減輕了工人的勞動強度，提高了勞動效率 ;還有確定尺寸的臺階類軸類零件，可根據(jù)加工尺寸確定圖形尺寸，控制系統(tǒng)可根據(jù)圖形能自動循
環(huán)加工完成。
圖 4 中選擇直線插補功能，除了左下區(qū)域的加工區(qū)是插補功能的特有區(qū)域外，其余區(qū)域與手動狀態(tài)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。進給速度顯示方面，由于系統(tǒng)采用 X 軸運動插補 Z 軸運動的方式，運行期間 X 軸的進給速度取決于 Z 軸的進給速度，所以只顯示了 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(diào)節(jié)。
（3）螺紋加工操作
圖 4 中選擇螺紋加工的顯示畫面，除了左下區(qū)域的加工區(qū)是螺紋功能特有區(qū)域外，其余區(qū)域與手動狀態(tài)一致。
螺紋加工用于車削螺紋工件，這樣的設計與數(shù)控臥車一致，加工工藝幾乎完全同數(shù)控系統(tǒng)的螺紋加工，給定螺距，再根據(jù)螺紋加工工藝給定主軸轉(zhuǎn)速即可完成螺紋切削，我們在研發(fā)過程中試切過多種螺紋，甚至雙頭螺紋，三頭螺紋，經(jīng)過計算我們可以設置完成多種多頭螺紋的加工。
四、以 PLC 作為紐帶，連接機床和 HMI
在 “傻瓜” 類車床中，除了控制系統(tǒng)對車床各軸進行連續(xù)控制外，還需要對車床的多種機械行為做狀態(tài)監(jiān)控和邏輯控制，完成控制裝置、執(zhí)行部件和電氣控制系統(tǒng)相互之間信號讀取和傳輸，這些工作大多需要 PLC 來完成。
本次應用中 PLC 的程序主要完成刀架自動換刀、主軸自動換擋信號處理等。
這里以歐姆龍 PLC 為例，選擇 OMRON 編程軟件，打開 CXP 軟件，左上角點擊創(chuàng)建新工程（見圖 5），即可進入梯形圖程序編寫界面如圖6 所示，這里不再贅述 PLC 軟件的編輯過程和操作方式等，很多 PLC 軟件操作大同小異，只是
輸入輸出的 I/O 代碼有所區(qū)別。
圖 5 在 CXP 軟件中創(chuàng)建新的梯形圖
圖 6 PLC 編寫畫面
通車床對主軸部分的控制主要靠著 PLC 來實現(xiàn)，還有主軸部分的各個動作等。主軸換擋的控制過程也是在 PLC 中實現(xiàn)的。普通臥式車床主軸分為四檔，具體如表 1。
表 1 主軸檔位及級數(shù)表
當 PLC 接收控制按鈕或者控制系統(tǒng)發(fā)出的換擋信號命令后，先查看換擋壓力是否正常，在正常狀態(tài)且主軸電機處于停止時，給 PLC 設置定時器，依據(jù)給定的目標檔位。主軸部分換擋梯形圖如圖 7 所示，主軸換擋控制流程如圖 8 所示。
圖 7 主軸換檔部分梯形圖
圖 8 主軸換擋控制流程
為其換擋電磁閥給出開合指令控制相應油缸，通過油缸來推動同一個軸上的齒輪前后移動。其中 PLC 必須設定主軸按照一定速度和頻率來擺動，擺動過程中推動齒輪嚙合。換擋完成則進行下一個動作，若不能完成設置超時時間，看檔位開關是否生效，若生效，則換擋完成。否則，PLC 進行錯誤報警處理，并能在顯示屏幕上顯示主軸換擋未完成字樣。
主軸在換擋時，主軸檔位較多，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，并對掃描到的檢測開關信號進行初始化處理 ; 上下兩個油缸分別檢測到一個開關就能確定一個主軸檔位，再根據(jù)機械齒輪結(jié)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位，主軸運行中換擋指令不生效。
五、總結(jié)
該應用中利用 HMI 和 PLC 的配合來控制普通車床，可大大提高車床的可操作性，便于人性化操作，進而解決人機協(xié)調(diào)問題 ; 同時對需要新開發(fā)的專用車床控制簡單方便，實現(xiàn)主軸自動換擋，對普通車床的各機械部分、液壓部分等控制對象的邏輯控制。
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