张志红
湖北理工学院 湖北 黄石 435000
摘要：文章从机床加工系统的电气系统结构及功能、功能部件、HMI上位机、锁相伺服控制系统、进刀系统操作及运行说明等诸多方面,对数控机床电气中的HMI控制系统进行了全面地论述。文章最后通过对HMI控制系统的详细阐述,从中还介绍了HMI控制系统的运行、操作、维护以及通讯等相关的说明。
关键词：数控机床电气控制HMI系统
HMI是机床完美的自动控制系统。无论是对于小型车间加工,还是大量的成批生产,HMI都是数控机床电气系统的最佳选择。HMI和SIMODRIVE可以被广泛应用于汽车工业、模具制造业、航空制造业、消费类物品制造业、能源和动力设备制造业等制造自动化领域,HMI控制系统都能够充分满足在各种领域内的具体要求。同时,本地化的研发和生产将使HMI数控产品更加贴近中国市场,满足广大用户的需求。我们还致力于中国数控加工领域的人才培养事业,HMI数控教育培训软件已成为大专院校、职业学院进行数控教学的有力工具。
1.数控机床的组成
1.1机械传动机构
机械传动机构可以直接对数控机床的具体运动进行控制，它的精度会对零件加工精度造成直接影响。通常情况下，数控机床中的机械传动机构主要由两个部分组成，其一是主轴传动机构，其二是进给轴传动机构，前者与主轴电动机相配合，对主轴运动进行控制；后者主要和进给电动机相配合，对进给轴的运动进行控制。通过这两个传动机构的相互配合，可以在三维坐标所指定的区域之内实现相应轨迹的控制，以实现毛坯件加工。在此过程中，电气系统可以对其开关量进行控制，以保障每一个机械运动部件动作的顺序性，进而实现机床工作效率的显著提升，并较普通机床实现人力成本的大量节约。
1.2电气系统
在数控机床的应用过程中，电气系统扮演着执行者的角色，它的主要组成部分包括电源、电机以及继电器等模块。电源可以为数控机床提供电流，其电流供给共有两种性质，第一种是直流电，第二种是交流电，前者主要为电机和继电器这两个模块供电，后者主要为传动机构供电。电机可以实现交流电到机械力的转变，然后借助传导功能对机械传动形式进行控制。直流电主要用作三相交流异步电动机中，为其制动提供电能；同时，CNC系统启动和停止按钮和都需要直流电。在整个电气系统中，继电器是一个重要的执行者，该模块主要用来实施电气系统中的动作逻辑，以实现机床各种生产动作的统一规划和控制[4]。
1.3可编程控制器
可编程控制器就是PLC系统，它在数控机床中起到核心性的控制作用。具体运行中，数控机床的控制任务有三个，第一个是主轴控制，第二个是位置控制，第三个是辅助控制，而PLC系统可以借助插补程序的分析与应用来行辅助指令的识别，并以控制数控机床的辅助动作。在数控机床的具体应用中，PC端或编程人员输入的相应插补程序会被翻译为机械语言的形式，然后传输到伺服控制模块，这一模块在接收到了相应的脉冲信息后，会根据信息控制电机驱动，以实现主轴以及位置的同步控制。在此过程中，位置检测装置会对电动机的状态等数据进行检测，并将所有采集到的数据都转换成二进制形式的数据传输到数控系统，以保障数控机床控制的精准度。
1.4保护机制
在数控机床具体的工作中，可能会有一些紧急情况发生，基于此，就需要设计一种相应的保护措施，以避免紧急情况对机床生产的不利影响。在具体设计中，应该设置一个故障急停按钮。在发生故障或误操作时，操作人员只需按下急停按钮，就可以让机床的工作立即停止，有效避免事故。
2.电气系统结构及功能
2.1控制电机
控制电机主要用于对控制信号进行传递和变换,要求有较高的控制性能,如反应快、精度高、运行可靠等;而一般普通旋转电动机主要用于能量变换,要求有较高的性能指标。控制电动机在自动控制系统中通常作为执行元件、检测元件和解算元件,具有体积小、功率小等特点。按功能分:测量、放大、执行、校正电动机四种。
2.2电气系统功能结构框图
系统功能结构图如图1所示。
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图1功能结构图
HMI上位机经串行通讯总线将机床控制、电子锁相伺服控制、进刀控制等系统连接,通过HMI上位机及操作台发送控制命令、传送和接收数据信息,从而控制砂轮主轴(B轴)和工件主轴(C轴)、砂轮径向进给轴(X轴)、砂轮切向进给轴(Y轴)、工件架齿向走刀轴(Z轴)的联动运行,实现对齿轮的精确磨削。
3.功能部件说明
3.1HMI上位机
HMI上位机采用嵌入式一体化触模式工控机,具备RS485、RS232、网口、USB等多种接口,便于今后的功能扩展,本项目主要考虑采用RS485口(内部含光电隔离)。软件部分采用windowsCE平台下的组态软件,这样不需要进行底层驱动软件的开发(部分仅针对PLC的通信驱动软件需自己开发),介面具有动态画面效率,人机交互信息更具亲合力。主要功能包括:基本参数设置,操作及运行控制,报警信息显示及查询,实时状态信息和厂商信息显示等。
3.2锁相伺服控制系统
锁相伺服控制系统是本数控机床的核心部分,控制被磨削齿轮与蜗杆砂轮转速的精确同步运转。该系统是一个带位置反馈的自动控制系统,系统的基本原理是利用输出量反馈给输入端的信号与输入给定值的偏差值,使系统产生控制调节量去抵消运行误差和扰动的作用,以保持输出量在一定精度范围内跟踪给定量。根据反馈量的不同,可以构成不同的控制系统,当引入频率或相位反馈时,构成我们所称的锁相伺服控制系统。
3.3进刀系统
进刀控制系统主要由进刀控制装置(包括:X/Y/Z轴进刀运动控制电路板)、X/Y/Z轴伺服包、X/Y/Z轴驱动电机和相配套的光栅等组成,运动控制器通过RS485/RS422串行通讯总线与上位机连接,收发相关的命令、数据、状态信息等参数,从而控制X/Y/Z轴电机完成相应的运动。
4.操作及运行说明
开机后,上位机进入用户登录窗口,操作人员输入用户名,密码,进入主界面。主界面提供“系统功能管理”和“工作主界面”两部分功能。系统管理包括【登录用户】、【退出登录】、【用户管理】、【修改密码】和【退出系统】组成。主界面由四部分组成:菜单栏,信息栏,操作栏,时间与报警信息显示栏。(1)菜单栏:菜单栏位于界面最下面,用来控制各界面间的切换,点击即可进入相应界面。(2)信息栏:显示当前设置的参数和系统当前的状态信息。(3)操作栏:各轴目标位的设置和相关动作的设置。(4)时间与报警信息显示栏:显示当前的日期、时间和报警信息。
5.使用维护说明
(1)本数控系统具备自诊断功能,并且提供解决方案(会在数控界面控制中显示),供用户参考。(2)厂商信息为系统内部数据转换监视与图纸查看窗口,在系统调试时,可以根据厂商信息窗口实时监视各部件信号是否正常,以方便调试。
结语
本文设计了一种基于HMI控制的数控机床电气控制系统,按 部件对其进行了简单的介绍说明。
参考文献
[1]童晓姝.HMI技术在工业控制领域的广泛应用[J].科技咨询,2010.