李敏 胡彬鋌 王慧

摘要：針對通過數(shù)控銑床存在的功能單一、系統(tǒng)開放性差、數(shù)據(jù)管理困難等問題，研究基于PLC+HMI的協(xié)同控制策略，構(gòu)建基于PLC+HMI集成的桌面型數(shù)控雕銑系統(tǒng)方案，探討基于PLC平臺的二軸聯(lián)動插補(bǔ)運動控制策略，開發(fā)基于HMI平臺的人機(jī)交互界面，進(jìn)而通過軟硬件集成開發(fā)基于PLC+HMI的桌面型雕銑系統(tǒng)。

Abstract： In view of the problems of single function， poor system openness and data management difficulties existing in CNC milling machine， the collaborative control strategy based on PLC+HMI is studied， the desktop CNC engraving and milling system scheme based on PLC+HMI integration is constructed， the two axis linkage interpolation motion control strategy based on PLC platform is discussed， and human-computer interaction interface based on HMI platform is developed， and then desktop engraving and milling system based on PLC+HMI is developed through software and hardware integration.

關(guān)鍵詞：PLC+HMI;雕銑系統(tǒng);設(shè)計與開發(fā)

Key words： PLC+HMI;engraving and milling system;design and development

中圖分類號：TP273? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）21-0174-03

0? 引言

數(shù)控雕銑機(jī)的誕生，彌補(bǔ)了加工中心加工小批量產(chǎn)品時成本高，而銑床、鉆床等通用數(shù)控機(jī)床加工功能、對象單一等不足，在許多應(yīng)用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如模型制造業(yè)、煙草行業(yè)、電子行業(yè)等[1]。隨著新型材料的不斷發(fā)展，雕銑加工的材料種類日益繁多，數(shù)控雕銑機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域也隨之不斷擴(kuò)大[2]。

當(dāng)前，國外數(shù)控機(jī)床以歐美、日本為代表，其發(fā)展重點是“高速、高精度、環(huán)保、智能化、復(fù)合化”[3]。國內(nèi)針對開放式數(shù)控雕銑機(jī)控制系統(tǒng)的研究趨向于以IPC（Industrial Personal Computer，工控機(jī)）為基礎(chǔ)，充分利用IPC的軟硬件資源，并在硬件結(jié)構(gòu)和軟件開發(fā)環(huán)境的支持下，利用面向?qū)ο蟮姆椒?，針?CAD/CAM 系統(tǒng)生成的G、M指令代碼，完成指令代碼的解釋與編譯、預(yù)處理、插補(bǔ)處理及伺服控制，從而構(gòu)建開放式、模塊化硬件體系結(jié)構(gòu)，包括IPC+運動控制器、IPC+系統(tǒng)總線等[4-6]。但該體系結(jié)構(gòu)存在系統(tǒng)軟硬件體系相對復(fù)雜，開發(fā)難度大，且PC端實時響應(yīng)速度較低等不足。

PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）是一種集成計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)的工業(yè)裝置控制器，具有可靠性高、靈活性強(qiáng)、操作性強(qiáng)等優(yōu)點，不僅能實現(xiàn)工業(yè)環(huán)境中的數(shù)值計算、邏輯判斷和運動控制等功能，而且能與其他工業(yè)裝備進(jìn)行組合拓展連接，從而完成多機(jī)協(xié)同控制[7]。HMI（Human Machine Interface，人機(jī)界面）是一種簡潔、靈活、自然的人機(jī)對話設(shè)備，能夠便捷地與PLC進(jìn)行通信，以友好的交互界面顯示讀取的PLC數(shù)據(jù)，并根據(jù)交互結(jié)果將數(shù)據(jù)發(fā)送到PLC中，調(diào)用PLC完成用戶指令[8]。構(gòu)建基于PLC+HMI的桌面型雕銑系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，不僅具有可靠性高、實時性好的優(yōu)點，而且具有開發(fā)難度較小、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、交互友好的優(yōu)點。然而，現(xiàn)有針對基于PLC+HMI的桌面型雕銑系統(tǒng)的研究依然甚少[9]。因此，充分利用PLC強(qiáng)大的邏輯計算能力、插補(bǔ)運動能力和HMI友好的人機(jī)交互能力，開發(fā)一種基于PLC+HMI的數(shù)控雕銑系統(tǒng)，具有重要理論與現(xiàn)實意義。

1? 系統(tǒng)方案

基于PLC+HMI的數(shù)控雕銑系統(tǒng)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。該架構(gòu)包括3層，分別是硬件控制層、數(shù)據(jù)管理層和人機(jī)界面層，數(shù)據(jù)信息在3層之間傳遞。硬件控制層實現(xiàn)根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)驅(qū)動PLC完成相應(yīng)的操作。數(shù)據(jù)管理層不僅實現(xiàn)組織、管理HMI交互等到的指令信息以及PLC返回的坐標(biāo)、工作狀態(tài)等信息，同時實現(xiàn)根據(jù)獲取的信息進(jìn)行運算處理后以指令的形式發(fā)送到硬件控制層驅(qū)動PLC進(jìn)行工作。人機(jī)界面層包括界面框架、曲線獲取、曲線加工、系統(tǒng)參數(shù)等3個基本模塊，提供良好的人機(jī)界面，通過HMI實現(xiàn)人機(jī)交互。

基于上述系統(tǒng)架構(gòu)，構(gòu)建基于PLC+HMI的數(shù)控雕銑系統(tǒng)工作流程如圖2所示。具體流程如下：

①軟件初始化和硬件初始化。硬件上電并執(zhí)行PLC底層驅(qū)動軟件和HMI的人機(jī)交互程序，顯示人機(jī)界面。運行時，底層驅(qū)動軟件和人機(jī)交互程序分別通過指令對PLC和HMI進(jìn)行工作狀態(tài)初始化。

②工作參數(shù)設(shè)定。通過HMI界面中的參數(shù)設(shè)置模塊交互，設(shè)定系統(tǒng)工作參數(shù)，包括快速點定位模式運動參數(shù)、插補(bǔ)模式運動運動參數(shù)等。

③加工數(shù)據(jù)獲取。通過HMI界面中的曲線獲取模塊交互，獲取加工數(shù)據(jù)。加工數(shù)據(jù)的獲取方式包括交互編程和導(dǎo)入外部數(shù)據(jù)等2種方式。交互編程方式可以直接通過HMI定義由直線、圓弧組成的簡單加工曲線。導(dǎo)入外部數(shù)據(jù)方式可以導(dǎo)入第三方工具軟件生成dxf格式數(shù)據(jù)，能夠繪制復(fù)雜的加工曲線。

④雕銑加工。加工數(shù)據(jù)獲取后，通過HMI中的曲線加工模塊可以實現(xiàn)對加工數(shù)據(jù)進(jìn)行雕銑加工。加工前，先設(shè)定加工起點和主軸轉(zhuǎn)速、切深、循環(huán)次數(shù)等加工參數(shù)后，即可對。加工過程中，PLC實時監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài)并將狀態(tài)參數(shù)反饋給HMI以實時顯示。當(dāng)系統(tǒng)工作異常時，PLC將自動停止加工，以避免出現(xiàn)安全事故。（圖2）

2? 硬件方案設(shè)計

基于PLC+HMI的數(shù)控雕銑系統(tǒng)硬件包括PLC主體、HMI主體、X軸總成、Y軸總成、Z軸總成、主軸總成及整機(jī)機(jī)械本體與附件組成等，硬件平臺連接方案如圖3所示。HMI作為上位機(jī)，負(fù)責(zé)人機(jī)對話，并與PLC進(jìn)行通信。PLC作為下位機(jī)，驅(qū)動X軸、Y軸、Z軸和主軸執(zhí)行HMI交互得到的工作任務(wù)。

PLC各個引腳定義如圖4所示。X0-X6引腳分別用于讀取手輪的A+、B+、X軸軸選、Y軸軸選、Z軸軸選、X10倍率、X100倍率信號。X11-X13引腳分別用于讀取X軸、Y軸、Z軸的正限位信號，X10引腳用于讀取急停輸入信號。Y0-Y2引腳分別用于輸出X軸、Y軸、Z軸的正向脈沖信號。Y3引腳用于輸出主軸電機(jī)的PWM波。Y4-Y6引腳分別用于輸出X軸、Y軸、Z軸的正向方向信號。

基于上述方案，采用模塊式拼接法，搭建基于PLC+HMI的數(shù)控雕銑系統(tǒng)硬件實物平臺如圖5所示。

3? 人機(jī)界面設(shè)計

HMI中人機(jī)界面采用模塊化的編程思想，基于HMI提供的圖形化開發(fā)環(huán)境開發(fā)。利用開發(fā)環(huán)境提供的界面素材進(jìn)行開發(fā)，具有界面簡潔、開發(fā)工作量低、效率高的優(yōu)點。根據(jù)系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計，首先構(gòu)建了系統(tǒng)界面框架，并在界面框架的基礎(chǔ)上開發(fā)了曲線獲取、曲線加工、參數(shù)設(shè)置等3個模塊。如圖6所示為曲線加工模塊界面。其中，界面框架將界面分成3個區(qū)域，包括頂部的標(biāo)題區(qū)域，底部的控制按鈕區(qū)域和中間的界面顯示區(qū)域。頂部的標(biāo)題區(qū)域右側(cè)提供了“曲線導(dǎo)入”按鈕，便于快速導(dǎo)入外部曲線數(shù)據(jù)。底部的控制按鈕區(qū)域提供了“曲線獲取”、“曲線加工”、“系統(tǒng)參數(shù)”和“系統(tǒng)復(fù)位”按鈕。任何時刻，點擊“曲線獲取”、“曲線加工”、“系統(tǒng)參數(shù)”按鈕均可快速進(jìn)入相應(yīng)模塊。點擊“系統(tǒng)復(fù)位”按鈕可以快速進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位。需要注意的是，當(dāng)系統(tǒng)從異常中恢復(fù)以后，必須點擊“系統(tǒng)復(fù)位”按鈕進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位后，方可進(jìn)行下一步操作。

4? 小結(jié)

①研究了PLC運動控制調(diào)用機(jī)制和PLC與HMI之間的通訊機(jī)制，構(gòu)建了基于PLC+HMI的桌面型數(shù)控雕銑控制系統(tǒng)方案，探討了系統(tǒng)工作流程。

②搭建了基于PLC+HMI的桌面型數(shù)控雕銑系統(tǒng)硬件平臺，定義了PLC引腳功能，搭建了基于PLC+HMI的桌面型數(shù)控雕銑系統(tǒng)實物平臺。

③探討了HMI中的繪圖機(jī)制，設(shè)計友好的人機(jī)界面交互程序，實現(xiàn)圖形繪制、系統(tǒng)控制等功能，并研究HMI的數(shù)據(jù)接口及外部加工曲線導(dǎo)入機(jī)制。

④研究HMI與PLC的協(xié)同控制，通過系統(tǒng)的軟硬件聯(lián)調(diào)測試驗證系統(tǒng)功能的可行性和有效性。

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