自研系统在普镗机床上的数字化改造应用

王震霞

（通用技术集团机床工程研究院有限公司上海分公司，上海 200433）

普镗机床的机械结构复杂，且要求操作人员有一定的经验。通常普镗机床专业操作人员的培养周期在5 年以上，人力成本较高。随着自动化发展水平的不断提高，伺服系统成本不断下降，且电气系统响应快、维护简便，用部分电气系统代替传统复杂的机械结构成为一种趋势。普镗机床这种过于复杂的机床，不但生产成本、维护成本、人力成本较高，而且已经很难满足客户的个性化需求。因此，本次改造的目的是简化机械机构，用电气方案取代机械装置，达到满足80%镗床用户的需求，实现无须对操作人员进行专业培训就能快速上手的普镗机床，同时降低整机成本，使其具有更好的市场竞争力[1]。

1 原方案

原普镗机床如图1 所示。机床结构采用齿轮变速箱进行各机床轴切换。想要移动某个机床轴，要先利用床身上的操作手柄进行拨档切换，然后通过面板上的按钮进行轴移动操作。不但机床轴移动操作烦琐，而且由于机械传动机构较多，机械传动间隙导致轴的定位和重复定位精度较差。

图1 原普镗机床

2 改造方案

普镗机床整机改造包括机械和操控系统两大部分，本文重点关注普镗机床操控系统部分的改造。

普镗机床操控系统部分的升级改造主要体现在两个方面。一方面，依托X86 控制平台自主研发的i5数控系统定制开发普镗人机系统。另一方面，全新设计铝合金框架结构的硬件机头，其中人机系统软件操作界面部分会根据普镗机床的使用习惯和工艺特点，定制开发全新的交互界面，实现“傻瓜式”对话编程、操作，并进行常用工艺循环的定制开发。

从操控系统的实现方案入手，着重体现经过数字化改造后普镗机床整体操控性的提升，不仅降低了成本，而且提升了产品的竞争力[2]。

2.1 系统软件

2.1.1 i5 系统

i5 系统是在Linux 操作系统上开发的系统。不同于Windows 系统，Linux 是一个开源的操作系统，安装环境灵活且不会占用太多资源。基于此，平台自主开发的i5 系统专注于运动控制底层研发，结合各领域的技术沉淀进行行业专属定制研发。它的优点是可以根据普镗机床的工艺特点、操作经验等裁剪和修订操作系统，实现专属操作系统的定制开发[3]。

2.1.2 数字总线

开放式的EtherCAT 总线，是一种基于以太网开发架构的实时工业现场总线通信协议。在工业控制领域，EtherCAT 总线在传输形式、拓扑结构、实时性以及同步精度等方面都具有独特优势。EtherCAT 总线的最大优点在于能够支撑数控系统未来的扩展应用，并且具有丰富的开放资源和第三方设备支持[4]。

机床在加工不同零件时需要不同的工艺设计，而工艺设计的背后实际上是不断沉淀的知识和经验，只有经验丰富的老师傅才能熟练地设定加工参数，对话式引导编程，把不断沉淀的经验转换为程序代码[5]。

2.2 系统硬件

2.2.1 普镗机床硬件机头

基于简单、易学的普镗机床使用原则，进行全新的人机设计，如图2 所示。机头采用全铝合金框架结构，防水防尘，杜绝了现场油污对内部电子元器件的影响。

图2 普镗硬件机头改造

2.2.2 操作面板

操作面板包括系统按键、倍率旋钮、急停按钮和通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）接口。面板按键设计更加合理，操作区域易区分，且按键的防油、防水等防护等级完全符合加工环境要求。利用人机功能学设计按键大小，方便操作，也能有效防止误触。面板按键采用大图标配小字方案，使初学者容易上手，降低了操作者的使用难度。

3 对话式操作系统

3.1 主页面

操作界面采用触控屏操作，界面操作信息一目了然，如图3 所示。根据普镗机床的使用习惯进行全面的人机界面设计，使其操作体现出简单易用性。

图3 主页面

通过主页面中的轴选按键选择轴，加上面板的方向键可进行手动单轴移动或多轴移动。通过清零按键快速建立“零点”，亦可通过设置具体的位置信息快速定位到指定位置，无须烦琐的手动操作切换逻辑，如表1 所示。轴选操作后，系统内部通过多轴切换逻辑进行自动切换，包括控制参数的自动切换。

表1 定位执行到设定点

人机界面按钮定义清晰，可通过触控屏操作系统，实现轴选、定位、清零等功能，还可以通过定制的工艺循环快速建立加工程序，无须G 指令输入，即可完成面铣、钻孔、攻丝等加工工艺，极大地降低了对操作人员的要求。

3.2 定制工艺循环

普镗机床定制开发的工艺循环包括单孔加工、矩形阵列、圆周阵列、铣平面以及圆孔铣削等。

3.2.1 单孔加工

点击主页面的“单孔”功能按钮，进入孔加工工艺设定页面，如图4 所示。通过选择“孔种类”实现一般孔、深孔断屑、深孔排屑以及攻丝工艺功能。选择的工艺不同，可设置的工艺参数也会随着改变。设置完成后可点击“执行”按钮，配合面板的“循环启动”按键，进行单孔的自动加工。

图4 单孔加工

3.2.2 矩形阵列/圆周阵列

点击主页面的“矩形阵列”功能按钮，进入矩形阵列工艺参数设定页面，如图5 所示。通过设置工件特征参数，可定义矩形阵列孔的具体分布位置。切削参数可设置孔的加工工艺种类，包括一般孔、深孔钻削、深孔排屑以及攻丝工艺。

图5 矩形阵列

选择合适的工艺参数，点击“计算”按钮可生成具体孔的位置信息。然后可对具体的孔位进行编辑，或者取消不需要加工的孔位。确定要加工的孔位信息后，可点“执行”按钮（后台生成可执行的G 代码程序），按面板的“循环启动”键进行自动加工。整个编程过程无须了解G 代码格式，无须考虑具体的走刀路径，只要完成要加工的孔位设置和相关的工艺设置，即可实现自动加工。圆周阵列原理同矩形阵列，不再赘述。

3.2.3 铣平面

点击主页面的“铣平面”功能按钮，进入铣平面工艺参数设定页面，如图6 所示。通过图形引导可快速设置加工件的工件特征（加工件的长度、宽度、厚度）、切削参数（退回平面、走刀方式等）和工艺参数（坐标系、刀具信息等）。所需参数设置完成后，按“执行”按钮，系统内部生成可执行的工艺程序，再按操作面板的“循环启动”键，即可自动完成平面铣削。

图6 铣平面

3.3 工艺的读取和保存

每个定制工艺循环中都有“读取”和“保存”按钮，系统可以对已经完成设置的加工参数进行自动保存。用户也可以直接读取先前保存过的工艺数据。系统显示被保存参数的文件列表，在文件列表中选择所需的参数文件（文件按保存的时间命名），点击“打开”按钮，所选参数即被载入自动加工页面，可以直接进行程序加工，无须重复设置相同的工艺数据。

4 结语

该普镗机床主要针对阀门、减速机、箱体等中大型零件进行铣平面、镗孔、钻孔、扩孔、锪平面以及刚性攻丝等工序，已经进行精度检验且已完成样件加工和测量，总体的加工精度在1.5 道以内，满足设计要求。后续可根据实际应用情况扩充工艺循环，拓宽其应用场景。