數(shù)控機(jī)床加工中心操作面板設(shè)計(jì)

李 力，陳江輝

（仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院，廣東廣州510225）

數(shù)控機(jī)床加工中心操作面板設(shè)計(jì)

李 力，陳江輝

（仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院，廣東廣州510225）

針對(duì)加工中心操作面板所需I／O點(diǎn)位多和系統(tǒng)I／O LINK點(diǎn)位有限的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款適用于機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的新型加工中心操作面板。該面板利用單片機(jī)控制電路、矩陣編碼電路和輸出信號(hào)鎖存電路減少I／O點(diǎn)位；詳細(xì)介紹了硬件電路和控制軟件的設(shè)計(jì)，最后給出了面板的試驗(yàn)和分析結(jié)果；該操作面板克服了采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、線連線方式帶來(lái)的所需I／O點(diǎn)位多和電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺陷，具有廣泛的應(yīng)用前景。

操作面板；單片機(jī)；矩陣編碼電路；輸出信號(hào)鎖存

1 引言

操作面板是人與機(jī)床進(jìn)行信息交換的接口，主要通過(guò)旋鈕開關(guān)、按鍵和指示燈對(duì)機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制和顯示。加工中心操作面板和普通機(jī)床操作面板相比，功能增加了，增大了人機(jī)交換的信息量。傳統(tǒng)的操作面板與可編程控制器之間多采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、線連線的通信方式，當(dāng)操作面板功能增強(qiáng)時(shí)，其所需的I／O點(diǎn)位增多，從而使系統(tǒng)I／O LINK的可用點(diǎn)位減少，降低了數(shù)控系統(tǒng)I／O點(diǎn)位的利用率。因此設(shè)計(jì)一種能節(jié)省所需I／O點(diǎn)位的加工中心操作面板已成為一種趨勢(shì)。

圖1所示為設(shè)計(jì)的加工中心操作面板，包含35個(gè)按鍵、4個(gè)按鈕開關(guān)、4個(gè)波段旋鈕開關(guān)、1個(gè)急停開關(guān)、1個(gè)鑰匙開關(guān)、47個(gè)指示燈和6個(gè)數(shù)碼管。其中RESET按鍵和SHIFT按鍵的信號(hào)不會(huì)進(jìn)入可編程控制器，其指示燈的狀態(tài)也不受可編程控制器控制。設(shè)計(jì)的按鍵矩陣編碼電路用13路輸入實(shí)現(xiàn)4行9列按鍵編碼功能；鎖存電路用29路輸出實(shí)現(xiàn)對(duì)45路狀態(tài)指示燈的控制；部分按鍵具有第二按鍵功能，主要為配合單片機(jī)實(shí)現(xiàn)面板的加密；在與可編程控制器的接口設(shè)計(jì)上，分別設(shè)計(jì)了2組50芯／40芯的插座，實(shí)現(xiàn)與數(shù)控系統(tǒng)的連接。操作面板僅用2組I／O點(diǎn)位實(shí)現(xiàn)了面板的所有功能，不但節(jié)省了點(diǎn)位，而且簡(jiǎn)化了與系統(tǒng)I／O LINK的連接，提高了數(shù)控系統(tǒng)I／O點(diǎn)位的利用效率，節(jié)約了成本，具有廣泛的應(yīng)用前景。

圖1 操作面板整體布局圖

2 操作面板整體結(jié)構(gòu)

整個(gè)操作面板可分為外圍接口電路和單片機(jī)驅(qū)動(dòng)、控制電路，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，外圍接口電路包括4個(gè)波段旋鈕開關(guān)電路、按鍵矩陣和編碼電路、鎖存電路和狀態(tài)指示燈驅(qū)動(dòng)電路；單片機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制電路主要包括第二功能按鍵輸入電路、時(shí)鐘電路和數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路。單片機(jī)功能主要為：①對(duì)比輸入密碼和預(yù)設(shè)密碼，讀取時(shí)鐘電路的信息，并通過(guò)控制三態(tài)門OE端口控制按鍵編碼將信號(hào)輸入到PMC／PLC，從而實(shí)現(xiàn)加密功能；②接收來(lái)自PMC機(jī)床狀態(tài)和刀號(hào)信息，并在數(shù)碼管上顯示。

圖2 操作面板整體結(jié)構(gòu)

3 操作面板硬件設(shè)計(jì)

3．1 按鍵矩陣編碼的實(shí)現(xiàn)

按鍵S1按下時(shí)，二極管D1、D2導(dǎo)通［2］，原理如圖3所示，若三態(tài)門U1開通，列信號(hào)和行信號(hào)分別驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管Q1、Q2導(dǎo)通，經(jīng)變換成標(biāo)準(zhǔn)電平信號(hào)后，從OUT1、OUT2輸出至PMC／PLC；若三態(tài)門沒(méi)有導(dǎo)通，則只有列信號(hào)從OUT1輸出至可編程控制器，行信號(hào)丟失，禁止按鍵信號(hào)輸出［1］。在PMC／PLC中，只要對(duì)輸入信號(hào)按表1進(jìn)行查詢，就可以獲取按下按鍵的信息。

圖3 按鍵矩陣編碼電路

表1 按鍵矩陣掃描編碼

3．2 指示燈驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

面板狀態(tài)指示燈的驅(qū)動(dòng)采用分時(shí)處理的方式。指示燈分為兩組，分別與D觸發(fā)器組1和組2相連，可編程控制器分兩個(gè)周期把指示燈驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別輸出至D觸發(fā)器組，并控制其上升沿進(jìn)行鎖存；在第三個(gè)周期把刀號(hào)信息鎖存到D觸發(fā)器組3，觸發(fā)器組3的輸出與單片機(jī)相連，接收到刀號(hào)信息后在數(shù)碼管上顯示。經(jīng)三個(gè)周期后，可編程控制器在同一組輸出點(diǎn)位上把指示燈信息和刀號(hào)信息輸出。

3．3 單片機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)

在單片機(jī)控制電路如圖4所示，單片機(jī)P2端口讀入數(shù)碼管鎖存組的信息，并在數(shù)碼管上顯示。其中，數(shù)碼管的段選信號(hào)從P1口經(jīng)三態(tài)門后輸出至數(shù)碼管，P3．0、P3．1、P3．6構(gòu)成譯碼器的通道，選通信號(hào)選中要點(diǎn)亮的數(shù)碼管［3］。其他端口用于接收來(lái)自第二功能按鍵的信息，進(jìn)行密碼輸入和面板鎖定時(shí)間的設(shè)定。當(dāng)輸入鎖定時(shí)間后，鎖定時(shí)間寫入ATMLH244中，并從DS1302讀取時(shí)間值進(jìn)行比較。

圖4 單片機(jī)控制電路

4 操作面板軟件設(shè)計(jì)

4．1 單片機(jī)程序的設(shè)計(jì)

程序包括主循環(huán)流程圖如圖5所示、中斷服務(wù)流程圖如圖6所示，Shift按鍵處理程序如圖7所示。為避免頻繁調(diào)用，定義一個(gè)變量counter用于計(jì)數(shù)，當(dāng)2ms中斷10次后，程序往下執(zhí)行，完成讀取刀庫(kù)刀號(hào)和主軸刀號(hào)，并根據(jù)鎖定與否執(zhí)行各操作；若Shift鍵按下，則根據(jù)輸入情況執(zhí)行鎖定或解鎖操作。中斷程序主要為更新R＿LEDBuff＿0到R＿LEDBuff＿5數(shù)據(jù)并至送數(shù)碼管顯示。

圖5 主循環(huán)流程圖

圖6 中斷處理流程圖

圖7 解碼流程圖

4．2 可編程控制器程序的設(shè)計(jì)

在可編程控制器中通過(guò)編寫按鍵解碼程序，來(lái)確定每個(gè)按鍵的狀態(tài)，并用寄存器的位狀態(tài)來(lái)存儲(chǔ)按鍵的狀態(tài)信息［4］；輸出指示燈驅(qū)動(dòng)信號(hào)和刀號(hào)信息到鎖存器并鎖存，流程圖如圖8所示。

圖8 可編程控制器程序設(shè)計(jì)流程圖

5 系統(tǒng)試驗(yàn)與分析

為了測(cè)試操作面板的運(yùn)行效果，在加工中心VMC850上實(shí)際使用面板，對(duì)面板的各功能進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，結(jié)果如表2所示。

表2 面板運(yùn)行結(jié)果

從表2可看出，面板各部分運(yùn)行結(jié)果良好，符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)床加工中心操作面板存在的不足，結(jié)合數(shù)字電路，設(shè)計(jì)了一款機(jī)床加工中心操作面板；詳述了操作面板的按鍵矩陣編碼電路、指示燈驅(qū)動(dòng)電路和控制電路設(shè)計(jì)，并給出控制程序流程圖；該操作面板克服了傳統(tǒng)操作面板采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和線連線不足，適用于FANUC和三菱數(shù)控系統(tǒng)加工中心，且具有鎖碼加密功能，具有廣泛的應(yīng)用前景。

［1］閻石．?dāng)?shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］．北京：高等教育出版社，2006．

［2］童詩(shī)白，華成英．模擬電子技術(shù)［M］．北京：高等教育出版社，2006．

［3］李全利．單片機(jī)原理及接口技術(shù)［M］．北京：高等教育出版社，2009．

［4］FANUC數(shù)控系統(tǒng)PMC編程技術(shù)［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013．

Design of operation panel for CNC machine tool center

LI Li，CHEN Jiang－h(huán)ui

（Automation School，Zhongkai University of Agriculture and Engineering，Guangzhou 510225，China）

Aiming at the problem of I／O point more and I／O LINK point insufficient，of I／O system are limited in the operation center of the machining center，a new type of the operation panel which suitable for FANUC and MITSUBISHI CNC machining center system is designed．The panel uses the MCU control circuit，matrix encoding circuit and the latch circuit of the output signals to reduce the I／O points．The design of the hardware circuits and the control software is introduced．The testing and analysis results of the panel are given．This operating panel overcomes the shortcomings of I／O point more and circuit structure complex which caused by point－to－point and line－connection－line mode，and it has wide application prospect．

operating panel；MCU；matrix coding circuit；output signal latching

TP273

B

1005—7277（2016）06—0054—04

李力（1996－），男，廣東梅州人，仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院2014級(jí)自動(dòng)化（工化）專業(yè)在讀本科生。

2016－11－15

陳江輝（1975－），男，博士，講師，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮与娐泛托履茉垂╇娤到y(tǒng)、數(shù)控設(shè)備與機(jī)器人。