用微處理器改造FANUC數(shù)控機(jī)床操作面板

佘 劍

（四川成都飛機(jī)（集團(tuán)）公司設(shè)備公司，四川成都 610091）

1 機(jī)床操作面板存在問(wèn)題及解決方案

XK536三坐標(biāo)數(shù)控銑床是青海第一機(jī)床廠1975年生產(chǎn)的產(chǎn)品，原為一臺(tái)電液伺服的數(shù)控銑床，采用的是FANUC－0MD系統(tǒng)。在我公司的生產(chǎn)任務(wù)中曾經(jīng)發(fā)揮了巨大的作用。隨著使用年限的增加，在使用過(guò)程中逐漸暴露出故障率高、加工精度低、維護(hù)保養(yǎng)不方便等問(wèn)題。特別是該數(shù)控銑床的機(jī)床操作控制面板，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用后，面板上的按鍵標(biāo)示已經(jīng)被磨損掉，不能正確地判斷其對(duì)應(yīng)的功能;同時(shí)，有部分按鍵已經(jīng)損壞，不能進(jìn)行功能操作;少數(shù)的按鍵操作也不靈敏，這給操作員工帶來(lái)極大的不便。由于原廠家在設(shè)計(jì)該控制面板時(shí)采用每個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)到數(shù)控系統(tǒng)的PMC一個(gè)輸入端口（X地址），每個(gè)指示燈都需要數(shù)控系統(tǒng)的PMC一個(gè)輸出端口（Y地址）來(lái)驅(qū)動(dòng)的工作方式，使其懸掛操作站與機(jī)床電氣控制柜之間的連接線較多，且非常復(fù)雜，容易造成人為失誤。同時(shí)占用了大量的 PMC輸入/輸出端口數(shù)量，使得 FANUC系統(tǒng)PMC的端口可用資源大大減少，負(fù)荷變大，降低了數(shù)控系統(tǒng)的利用率和機(jī)床使用的可靠性。

通過(guò)查找資料，我們了解到目前國(guó)內(nèi)的數(shù)控設(shè)備在機(jī)床操作面板的控制方面絕大多數(shù)采用FANUC系統(tǒng)所配套的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床操作面板，或使用XK536數(shù)控銑床原有的電路結(jié)構(gòu)形式，即點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，線連線。這樣使機(jī)床操作面板要么成本提高，要么結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障率高。為此我們決定采用在諸多領(lǐng)域得到極為廣泛應(yīng)用的MCS－51系列中的AT89S52單片機(jī)作為核心，利用單片機(jī)高可靠性、高性價(jià)比的特點(diǎn)，通過(guò)軟件的編碼處理，完成按鍵與FANUC數(shù)控系統(tǒng)PMC之間的實(shí)時(shí)通訊，同時(shí)PMC輸出相應(yīng)編碼信號(hào)送入指示燈處理電路實(shí)現(xiàn)機(jī)床操作面板的控制，替代FANUC系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床操作面板的所有功能，從而完成操作站機(jī)床操作面板的設(shè)計(jì)改造。

2 機(jī)床操作面板的工作原理及設(shè)計(jì)

2．1 機(jī)床操作面板的工作原理

在此次XK536數(shù)控銑床的技術(shù)改造中，受到電腦、收款機(jī)等矩陣鍵盤的啟發(fā)，決定自行研發(fā)、設(shè)計(jì)該矩陣鍵盤的硬件電路，通過(guò)單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)機(jī)床操作功能按鍵的編碼輸出，在FANUC數(shù)控系統(tǒng)的PMC中通過(guò)梯形圖編程內(nèi)部處理單片機(jī)輸出的按鍵編碼信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)各個(gè)按鍵的功能，同時(shí)PMC輸出相應(yīng)指示燈的編碼信號(hào)送入指示燈處理電路，從而實(shí)現(xiàn)按鍵指示燈的實(shí)時(shí)顯示。

根據(jù)FANUC控制系統(tǒng)和我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)床操作面板以及一些輔助功能的要求，整個(gè)機(jī)床操作站整體面板布局圖如圖1所示。

2．2 硬件電路

在設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)，根據(jù)該數(shù)控銑床的使用功能，結(jié)合使用單位的實(shí)際應(yīng)用等各方面因素，該XK536數(shù)控銑床需要35個(gè)按鍵滿足機(jī)床各個(gè)操作功能的實(shí)現(xiàn)，完成所有的加工要求。所以，通過(guò)多方面綜合設(shè)計(jì)評(píng)審，確定按鍵編碼方式為矩陣編碼，指示燈為分組地址綜合編碼。該操作面板的硬件設(shè)計(jì)電路框圖如圖2所示。

表1 按鍵編碼輸入地址

表2 指示燈為分組地址綜合編碼

2．2．1 鍵盤處理

采用5×8矩陣鍵盤。列接由89S51單片機(jī)的P0口，行接89S51單片機(jī)的P2口?？臻e時(shí)，每一行接有上拉電阻，使之呈現(xiàn)高電平。鍵盤采用逐列掃描查詢工作方式，通過(guò)軟件控制使單片機(jī)的P0口輪流輸出掃描碼，經(jīng)74LS244緩沖器輸出到列。單片機(jī)的P2口循環(huán)采集輸入的信號(hào)，當(dāng)有低電平時(shí)，CPU判斷有按鍵按下。由于矩陣式鍵盤的按鍵位置由行號(hào)和列號(hào)唯一確定，所有分別對(duì)行號(hào)和列號(hào)進(jìn)行二進(jìn)制編碼，然后通過(guò)軟件將兩值合成一個(gè)字節(jié)就形成了按鍵的編碼。每一個(gè)編碼對(duì)應(yīng)一個(gè)按鍵功能，如表1所示。此編碼經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路輸出到PMC，通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)梯形圖編程判斷，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能操作。

2．2．2 指示燈顯示處理

指示燈顯示電路主要由信號(hào)輸出端、信號(hào)比較轉(zhuǎn)換電路、譯碼電路、鎖存輸出電路組成。為了節(jié)約輸出端連線，降低因連線多而造成的人為故障，所以采用分組地址綜合編碼方式來(lái)點(diǎn)亮相應(yīng)的指示燈。

數(shù)控系統(tǒng)PMC輸出的8位二進(jìn)制編碼信號(hào)直接送入指示燈處理電路。信號(hào)按照表2編碼，分為兩部分，其中低四位作為位信號(hào)，高四位作為片選信號(hào)。PMC輸出的24 V編碼信號(hào)通過(guò)LM339電壓比較器后轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖電路使用的5 V電平信號(hào)，其中經(jīng)過(guò)限流電阻送到雙路4位D類邊沿觸發(fā)器74HC874;另外四路信號(hào)通過(guò)74HC154譯碼器譯出16個(gè)信號(hào)通過(guò)反向器輸入觸發(fā)器的使能端，控制相應(yīng)的觸發(fā)器激活，使位信號(hào)輸出，點(diǎn)亮相應(yīng)的指示燈。由于74HC847具有數(shù)據(jù)鎖存功能，所以即使使能信號(hào)消失，也能保持指示燈的導(dǎo)通狀態(tài)，只有當(dāng)?shù)诙斡|發(fā)，有不同的位信號(hào)輸出時(shí)才會(huì)改變。由于PMC輸出的每一個(gè)編碼信號(hào)對(duì)應(yīng)于每一個(gè)指示燈，所以通過(guò)PMC控制程序就能使相應(yīng)的指示燈點(diǎn)亮。

2．3 軟件設(shè)計(jì)

對(duì)鍵盤、指示燈的硬件電路設(shè)計(jì)完成后，需進(jìn)行軟件編程以實(shí)現(xiàn)硬件電路的功能。相應(yīng)的程序框圖如圖3所示。

3 抗干擾設(shè)計(jì)

（1）充分考慮電源對(duì)單片機(jī)的影響。電源做得好，整個(gè)電路的抗干擾就解決了一大半。許多單片機(jī)對(duì)電源噪聲很敏感，要給單片機(jī)電源加濾波電路或穩(wěn)壓器，以減小電源噪聲對(duì)單片機(jī)的干擾。比如，可以利用磁珠和電容組成π形濾波電路，當(dāng)然條件要求不高時(shí)也可用100 Ω電阻代替磁珠。

（2）注意晶振布線。晶振與單片機(jī)引腳盡量靠近，用地線把時(shí)鐘區(qū)隔離起來(lái)，晶振外殼接地并固定。此措施可解決許多疑難問(wèn)題。

（3）電路板合理分區(qū)，如強(qiáng)、弱信號(hào)，數(shù)字、模擬信號(hào)。盡可能把干擾源（如電機(jī)，繼電器）與敏感元件（如單片機(jī)）遠(yuǎn)離。

（4）用地線把數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)隔離，數(shù)字地與模擬地要分離，最后在一點(diǎn)接于電源地。A/D、D/A芯片布線也以此為原則，廠家分配A/D、D/A芯片引腳排列時(shí)已考慮此要求。

（5）單片機(jī)和大功率器件的地線要單獨(dú)接地，以減小相互干擾。大功率器件盡可能放在電路板邊緣。

（6）在單片機(jī)I/O口，電源線，電路板連接線等關(guān)鍵地方使用抗干擾元件如磁珠、磁環(huán)、電源濾波器、屏蔽罩，可顯著提高電路的抗干擾性能。

（7）為防止按鍵受到電磁干擾誤輸出，在軟件上增加了10 ms延時(shí)去除抖動(dòng)等抗干擾措施。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本次改造，使得XK536數(shù)控銑床操作方便，并節(jié)約大量PMC的I/O端口數(shù)，減少接線，簡(jiǎn)化控制電路，降低人為出錯(cuò)的機(jī)會(huì);降低制造成本，縮短改造周期。

［1］閻石．?dāng)?shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］．北京:高等教育出版杜，1988．

［2］謝自美．電子線路設(shè)計(jì)．實(shí)驗(yàn)．測(cè)試［M］．武漢:華中科技大學(xué)出版社，2002．

［3］張毅剛．MCS－51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)［M］．哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1997．