人機(jī)交互 HMI 在普通車床控制中的應(yīng)用
2023-9-13 來(lái)源： 天水星火機(jī)床有限責(zé)任公司 作者：張周平
隨著科技事業(yè)突飛猛進(jìn)，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(jī)床已不能滿足現(xiàn)在的加工市場(chǎng)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(dòng)化等諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在我國(guó)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(jī)床，用于特殊零件的加工，但專用機(jī)床制造成本高，國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)不能滿足加工要求，專用進(jìn)口高端控制系統(tǒng)花費(fèi)巨額成本。
在走訪用戶時(shí)，碰到典型的兩個(gè)問(wèn)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(dòng)機(jī)床再配有國(guó)外高技術(shù)的編程軟件才能加工完成，一般工廠沒有這樣的設(shè)備，工人們憑借著自己的加工經(jīng)驗(yàn)?zāi)茉谄胀C(jī)床上手動(dòng)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(jī)床上手動(dòng)加工精度太差，差不多等同手動(dòng)砂輪機(jī)打磨出來(lái)的效果，精度完全靠著手感，而且要不斷更換機(jī)械齒輪，完成一個(gè)工件幾乎需要一個(gè)多月時(shí)間，價(jià)格低廉又實(shí)用的專用機(jī)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(gè)大型企業(yè)供貨，常年同一種型號(hào)，比如石油鉆桿等，需要批量加工這種工件，有數(shù)控機(jī)床當(dāng)然更好，但是用數(shù)控機(jī)床只是固定一種工件有點(diǎn)浪費(fèi)，最好能像普通機(jī)床一樣加工，再能用更少的人力看管這樣效率會(huì)更高，操作者可以同時(shí)操作多臺(tái)機(jī)床。
為此，針對(duì)專用數(shù)控加工設(shè)備成本問(wèn)題，我們?cè)谄胀C(jī)床的基礎(chǔ)上開發(fā)了一種專用機(jī)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(jī)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(hù)開關(guān)等。
這里選用一種人機(jī)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(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的部分?jǐn)?shù)控車床功能，而且能更加簡(jiǎn)便。人機(jī)界面 HMI對(duì)計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)要求如下。
CPU:INTEL Pentium Ⅱ以上等級(jí)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(jī)交互選擇和連接
觸摸屏軟件是通過(guò) VB 語(yǔ)言編輯控制觸摸屏，觸摸屏選擇國(guó)產(chǎn)，支持Windows CE.net5.0系統(tǒng)，帶有 RS-232 串口功能即可。人機(jī)界面與計(jì)算機(jī)和 PLC 的連接如下圖 1 所示，其中計(jì)算機(jī)與人機(jī)界面通過(guò) USB 接口連接，計(jì)算機(jī)與 PLC 通過(guò)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(jī)床位置和加工參數(shù)設(shè)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(lái)修改顯示信息。對(duì)觸摸屏有以下兩方面的具體需求 :
1.HMI參數(shù)設(shè)置
所有的參數(shù)只在手動(dòng)加工界面下可以設(shè)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(jī)械參數(shù)是根據(jù)機(jī)械的實(shí)際情況預(yù)置好的，不能進(jìn)行設(shè)定。
進(jìn)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(shí)的電子齒輪比，反向間隙補(bǔ)償脈沖。
主軸參數(shù)包括 : 點(diǎn)動(dòng)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(diǎn)動(dòng)增量，長(zhǎng)按時(shí)間，最大周長(zhǎng)以及高低速檔位時(shí)的找零頻率。
2．HMI的信息顯示部分
控制系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中顯示多項(xiàng)機(jī)床信息 :已裝入觸摸屏部分存儲(chǔ)器內(nèi)部的程序表 ;X 軸和Z 軸的坐標(biāo)值，主軸旋轉(zhuǎn)角度 ; 目前的運(yùn)行方式 ;或者正在執(zhí)行某個(gè)特定程序 ; 后臺(tái)是否同時(shí)編輯程序或程序段 ;XZ 軸的進(jìn)給率、主軸轉(zhuǎn)速變化實(shí)時(shí)顯示 ; 刀具信息和多種故障提示等。
需要預(yù)先設(shè)置HMI及PLC的名稱、設(shè)備類型、接口類型等信息，設(shè)置完成方可在圖 2 的觸摸屏軟件編輯界面進(jìn)行軟件的初始化編寫，PLC 通過(guò)RS232 串口傳輸數(shù)據(jù)到觸摸屏，通過(guò) VB 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，以上操作都是通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行的。圖 3 是通過(guò) 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(shè)計(jì)的需要，設(shè)計(jì)相應(yīng)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(jī)界面，具體介紹如下。
1.手動(dòng)操作
車床手動(dòng)操作需要進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、XZ 軸進(jìn)給控制、主軸控制、主軸換擋、刀塔換刀、功能選擇、坐標(biāo)清零、記錄及返回記錄點(diǎn)等工作，這些動(dòng)作均由按鈕操作。
其中 : 所有的參數(shù)只在手動(dòng)加工界面下可以設(shè)置 ; 在手動(dòng)工作狀態(tài)下，可以通過(guò) HMI 選擇其他三種不同的功能，分別是 : 定長(zhǎng)加工、直線插補(bǔ)和螺紋加工。選擇時(shí)只需點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的按鈕即可。
觸摸屏顯示按功能分為五個(gè)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(zhǎng)度加工操作
確定長(zhǎng)度加工用于進(jìn)給設(shè)定的長(zhǎng)度，以便能準(zhǔn)確、簡(jiǎn)便的加工有確定的一定長(zhǎng)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(dòng)加工狀態(tài)將刀具移動(dòng)至工件加工的起始點(diǎn)，即我們常說(shuō)的對(duì)刀。
b）切換至定長(zhǎng)加工工作畫面。
c）切換至定長(zhǎng)加工工作畫面。
d）設(shè)定定長(zhǎng)加工的長(zhǎng)度，調(diào)節(jié)倍率旋鈕設(shè)定定長(zhǎng)加工的速度。
e）啟動(dòng)主軸，等待主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到指令轉(zhuǎn)速，和變頻器配合有個(gè)轉(zhuǎn)速到達(dá)指令。
f）按下進(jìn)給方向按鈕（X+,X-,Z+,Z-），也可手動(dòng)搬動(dòng)方向手柄來(lái)啟動(dòng)對(duì)應(yīng)方向的定長(zhǎng)進(jìn)給。
g）定長(zhǎng)完成后，進(jìn)給自動(dòng)停止，等待下一次啟動(dòng)信號(hào)。
（2）直線插補(bǔ)和多臺(tái)階操作
直線插補(bǔ)用于加工有錐度的工件，這種設(shè)計(jì)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(dòng)強(qiáng)度，提高了勞動(dòng)效率 ;還有確定尺寸的臺(tái)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(dòng)循
環(huán)加工完成。
圖 4 中選擇直線插補(bǔ)功能，除了左下區(qū)域的加工區(qū)是插補(bǔ)功能的特有區(qū)域外，其余區(qū)域與手動(dòng)狀態(tài)一致。在加工區(qū)中，顯示了插補(bǔ)的方向，以及 X 軸和 Z 軸的設(shè)定長(zhǎng)度。進(jìn)給速度顯示方面，由于系統(tǒng)采用 X 軸運(yùn)動(dòng)插補(bǔ) Z 軸運(yùn)動(dòng)的方式，運(yùn)行期間 X 軸的進(jìn)給速度取決于 Z 軸的進(jìn)給速度，所以只顯示了 Z 軸進(jìn)給速度的設(shè)定值，Z 軸的進(jìn)給速度由進(jìn)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(dòng)狀態(tài)一致。
螺紋加工用于車削螺紋工件，這樣的設(shè)計(jì)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?cè)谘邪l(fā)過(guò)程中試切過(guò)多種螺紋，甚至雙頭螺紋，三頭螺紋，經(jīng)過(guò)計(jì)算我們可以設(shè)置完成多種多頭螺紋的加工。
四、以 PLC 作為紐帶，連接機(jī)床和 HMI
在 “傻瓜” 類車床中，除了控制系統(tǒng)對(duì)車床各軸進(jìn)行連續(xù)控制外，還需要對(duì)車床的多種機(jī)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(hào)讀取和傳輸，這些工作大多需要 PLC 來(lái)完成。
本次應(yīng)用中 PLC 的程序主要完成刀架自動(dòng)換刀、主軸自動(dòng)換擋信號(hào)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(diǎn)擊創(chuàng)建新工程（見圖 5），即可進(jìn)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(guò)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(duì)主軸部分的控制主要靠著 PLC 來(lái)實(shí)現(xiàn)，還有主軸部分的各個(gè)動(dòng)作等。主軸換擋的控制過(guò)程也是在 PLC 中實(shí)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(jí)數(shù)表
當(dāng) PLC 接收控制按鈕或者控制系統(tǒng)發(fā)出的換擋信號(hào)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(jī)處于停止時(shí)，給 PLC 設(shè)置定時(shí)器，依據(jù)給定的目標(biāo)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(yīng)油缸，通過(guò)油缸來(lái)推動(dòng)同一個(gè)軸上的齒輪前后移動(dòng)。其中 PLC 必須設(shè)定主軸按照一定速度和頻率來(lái)擺動(dòng)，擺動(dòng)過(guò)程中推動(dòng)齒輪嚙合。換擋完成則進(jìn)行下一個(gè)動(dòng)作，若不能完成設(shè)置超時(shí)時(shí)間，看檔位開關(guān)是否生效，若生效，則換擋完成。否則，PLC 進(jìn)行錯(cuò)誤報(bào)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(shí)，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(gè)檔位檢測(cè)開關(guān)，并對(duì)掃描到的檢測(cè)開關(guān)信號(hào)進(jìn)行初始化處理 ; 上下兩個(gè)油缸分別檢測(cè)到一個(gè)開關(guān)就能確定一個(gè)主軸檔位，再根據(jù)機(jī)械齒輪結(jié)構(gòu)確定這是哪個(gè)主軸檔位，PLC 記住組合的開關(guān)輸出相應(yīng)的檔位，主軸運(yùn)行中換擋指令不生效。
五、總結(jié)
該應(yīng)用中利用 HMI 和 PLC 的配合來(lái)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(jìn)而解決人機(jī)協(xié)調(diào)問(wèn)題 ; 同時(shí)對(duì)需要新開發(fā)的專用車床控制簡(jiǎn)單方便，實(shí)現(xiàn)主軸自動(dòng)換擋，對(duì)普通車床的各機(jī)械部分、液壓部分等控制對(duì)象的邏輯控制。
投稿箱：
如果您有機(jī)床行業(yè)、企業(yè)相關(guān)新聞稿件發(fā)表，或進(jìn)行資訊合作，歡迎聯(lián)系本網(wǎng)編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有機(jī)床行業(yè)、企業(yè)相關(guān)新聞稿件發(fā)表，或進(jìn)行資訊合作，歡迎聯(lián)系本網(wǎng)編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
更多相關(guān)信息
業(yè)界視點(diǎn)
| 更多
行業(yè)數(shù)據(jù)
| 更多
- 2025年1月 新能源汽車銷量情況
- 2024年12月 新能源汽車產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年12月 基本型乘用車（轎車）產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年12月 軸承出口情況
- 2024年12月 分地區(qū)金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年12月 金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 分地區(qū)金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 軸承出口情況
- 2024年11月 基本型乘用車（轎車）產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 新能源汽車產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 新能源汽車銷量情況
- 2024年10月 新能源汽車產(chǎn)量數(shù)據(jù)
博文選萃
| 更多
- 機(jī)械加工過(guò)程圖示
- 判斷一臺(tái)加工中心精度的幾種辦法
- 中走絲線切割機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)
- 國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床何去何從？
- 中國(guó)的技術(shù)工人都去哪里了？
- 機(jī)械老板做了十多年，為何還是小作坊？
- 機(jī)械行業(yè)最新自殺性營(yíng)銷，害人害己！不倒閉才
- 制造業(yè)大逃亡
- 智能時(shí)代，少談點(diǎn)智造，多談點(diǎn)制造
- 現(xiàn)實(shí)面前，國(guó)人沉默。制造業(yè)的騰飛，要從機(jī)床
- 一文搞懂?dāng)?shù)控車床加工刀具補(bǔ)償功能
- 車床鉆孔攻螺紋加工方法及工裝設(shè)計(jì)
- 傳統(tǒng)鉆削與螺旋銑孔加工工藝的區(qū)別