車床數控系統人機操作界面設計研究

北京航天數控系統有限公司　李　悅　杜瑞芳

車床數控系統人機操作界面設計研究

北京航天數控系統有限公司李悅杜瑞芳

人機操作界面是用戶和機床相互傳遞信息的媒介，良好的操作界面能夠提高數控系統操作效率和準確性。通過分析車床數控系統的加工特點及實現功能，提出車床數控系統的人機操作界面的設計原則和規范，并應用于實際產品開發中，提升了產品的市場競爭力。

工業設計；數控機床；數控技術；人機操作

0　引言

數控技術是先進制造技術的核心，是制造業實現自動化、網絡化、柔性化、集成化的基礎。數控系統正朝著高速度、高精度、智能化、高可靠性方向發展。人機操作作界面作為操作者和機床之間交互的紐帶，直接影響到數控系統的加工效率、操作性、安全性和可靠性等。因此人機操作界面設計是數控系統設計中的一個重要環節。

1　人機操作界面組成

人機操作界面是操作者實時控制和了解機床狀態的窗口，是數控指令輸入和信息反饋的接口。人機操作界面由若干頁面組成，每個頁面包含若個反映系統狀態的信息。根據信息內容的不同，可分為靜態信息和動態信息。靜態信息是指頁面中提示性信息、說明性文字、修飾性圖形等，由字母、字符和圖形構成；動態信息指頁面中需要實時刷新的數字或能夠被用戶修改的數值信息，見圖1所示。

圖1　人機操作界面組成示意圖

2　人機操作界面設計原則

1）總體性原則，即對系統人機界面作整體規劃和布局；

2）重要性原則，即把操作者最為關心和重要的內容突出顯示在界面中，以方便用戶的操作和觀察；

3）功能分組原則，即對所有系統功能進行歸類，將具有相同功能的類劃分到同一界面；

4）操作頻率原則，即把用戶頻繁操作的內容布置在界面最佳視野和控制區；

5）操作次序原則，即按照操作過程的先后順序進行布局設計；

6）界面舒適性和一致性原則，即應采用合理的界面主色彩，同時保證用戶始終思考和操作的連續性；

7）直觀簡潔性原則，即讓用戶的操作方便順手；

8）提供幫助原則，即應提供給用戶基本的操作指導說明。

3　車床數控系統人機操作界面設計規范

根據車床數控系統及其加工工藝特點，把系統分為自動方式、手動方式、文件管理、參數管理、信息檢測、報警信息、數據傳輸七個功能模塊。根據每個功能模塊所實現的功能不同分別設計相對應的人機操作界面。

3.1自動方式

自動方式是實現系統按照用戶預先編制的零件加工文件，自動執行每一條加工程序的功能。

自動方式界面顯示系統自動加工過程中的相關信息，包含以下信息：

1）運行方式：包括自動方式、單段方式、MDI方式；

2）運行狀態：顯示當前機床運行狀態：停止、運行、停止等待；

3）程序名：正在執行或已加載的加工程序

4）切削時間：當前程序的執行時間（時、分、秒）；

5）主軸倍率：以百分比顯示主軸倍率；

6）進給倍率：以百分比顯示進給倍率；

7）快速進給倍率：以百分比顯示快速進給倍率；

8）當前進給速度F：以毫米/分為單位顯示；

9）M代碼：最后執行的M功能；

10）S代碼：最后執行的S功能；

11）T代碼：最后執行的T功能；

12）X、Z軸名：顯示當前運動軸的名稱；

13）X、Z坐標值：顯示當前運動軸的坐標；

14）坐標類型：當前坐標值類型；

15）無刀偏工件坐標顯示區：顯示不包含刀具位置補償數據的工件坐標值；

16）報警顯示區：包括PLC報警顯示和系統報警顯示；

17）指令輸入區”在MDI方式下，輸入要執行的系統代碼；

18）工件計數：顯示已加工工件件數；

19）功能選擇鍵：切換進入手動方式、切換進入參數方式、切換進入文件管理方式、切換進入系統診斷方式；

20）自動運行方式選擇鍵：實現自動方式/單段方式切換；

21）坐標類型選擇鍵：實現工件坐標、相對坐標、機床坐標、跟蹤誤差、反饋脈沖、剩余量間的切換；

22）顯示方式選擇鍵：實現工件坐標、綜合坐標（工件坐標、相對坐標、機床坐標、剩余量）、程序方式、圖形方式、MDI方式間的切換。

3.2手動方式

手動方式是實現手動控制各坐標軸運動功能。

手動方式界面顯示系統手動控制各坐標軸運動過程中的相關信息，包含以下信息及功能：

1）運行方式：包括手動連續、手動增量、手動回零、手輪方式；

2）運行狀態：顯示當前機床運行狀態：停止、運行；

3）系統時間：顯示當前系統的時間（時、分、秒）；

4）主軸倍率：以百分比顯示主軸倍率；

5）進給倍率：以百分比顯示進給倍率；

6）快速進給倍率：以百分比顯示快速進給倍率；

7）當前進給速度F：以毫米/分為單位顯示；

8）M代碼：最后執行的M功能；

9）S代碼：最后執行的S功能；

10）T代碼：最后執行的T功能；

11）X、Z軸名：顯示當前運動軸的名稱；

12）X、Z坐標值：顯示當前運動軸的坐標；

13）無刀偏工件坐標顯示區：顯示不包含刀具位置補償數據的工件坐標值；

14）報警顯示區：包括PLC報警顯示和系統報警顯示；

15）指令輸入區：輸入要的執行M、S、T代碼；輸入要設定的軸名和坐標值；

16）刀偏設置區：設置刀偏數據；

17）坐標類型選擇鍵：實現工件坐標、相對坐標、機床坐標、跟蹤誤差、反饋脈沖、剩余量間的切換；

18）功能選擇鍵：切換進入自動方式、切換進入參數方式、切換進入文件管理方式、切換進入系統診斷方式；

19）手動運行方式選擇鍵：實現手動連續、手動增量、手動回零、手輪方式間切換。

3.3文件管理

用戶可以對存儲在文件存儲區的文件進行各種文件操作，包括文件拷貝、文件改名、文件刪除、文件編輯。

文件管理模塊分為文件管理和文件編輯兩部分功能。文件管理界面顯示系統內存儲的零件加工程序相關信息，文件編輯界面顯示編寫某個程序時相關信息。

文件管理界面包含以下信息及功能：

1）運行方式：顯示當前運行方式為文件管理方式；

2）系統內存區：顯示系統當前可用的存儲空間大小、已存儲文件個數及文件大小；

3）文件屬性區：顯示文件的名字、文件的大小、文件的創建時間；

4）系統內存區：顯示系統當前可用的存儲空間大小；

5）文件管理功能：（1）拷貝：文件的復制；（2）編輯：文件的編輯；（3）刪除：文件的刪除；（4）改名：文件的改名；（5）翻頁：上翻頁、下翻頁；（6）文件傳輸：U盤輸入、U盤輸出、RS232輸入、RS232輸出。

文件編輯界面包含以下信息及功能：

1）文件名：當前編輯的文件名字；

2）編輯狀態：插入/修改狀態；3）光標位置信息：光標所在行數、列數；4）編輯區：代碼輸入區域；

5）信息提示行：操作指令的輸入及信息反饋；

6）文件編輯功能：（1）文件存盤：保存文件及退出；（2）字符串查找：查找指定字符串；（3）刪除一行：刪除一行程序；（4）插入一行：插入一行程序；（5）光標跳轉：調整光標位置；（6）塊操作：定義塊首、定義塊尾、塊拷貝、塊刪除、塊取消；（7）計算器。

3.4參數管理

數控系統的參數繁多，按照參數的功能分類可以方便用戶查找和編輯。通常分為機床參數、螺補參數、系統參數、刀補參數、工作原點參數、PLC參數等。

參數管理界面顯示系統參數的相關信息，包含以下信息及功能：1）運行方式：顯示當前運行方式為參數管理方式；

2）參數管理區：根據參數的功能不同對所有參數進行分組歸類；

3）信息提示行：操作指令的輸入及信息反饋；

4）密碼輸入：實現參數的分級管理；

5）參數清零：清除所有參數；6）參數信息：顯示參數名；7）參數值：顯示參數值；

8）參數說明：參數提示信息；9）頁碼：當前參數所在頁數；10）光標移動：上、下、左、右移動光標。

3.5系統診斷

系統診斷是實現對系統接口的檢測，包含以下信息及功能：1）鍵盤診斷：系統操作面板上的按鍵進行檢測；

2）PLC診斷：系統PLC狀態進行檢測：（1）輸入數據；（2）輸出數據；

3）系統版本信息：顯示系統軟件版本、PLC版本。

3.6報警信息

報警是系統運行狀態的重要記錄，包含以下信息及功能：

1）NC報警：（1）報警號：報警編號；（2）報警時間：報警發生時間；（3）報警信息：報警內容；（4）系統時間；（5）系統日期；（6）保存：存儲報警信息；（7）清除：清除報警信息。

2）PLC報警：（1）報警位號：報警位編號；（2）報警時間：報警發生時間；（3）報警信息：報警內容；（4）系統時間；（5）系統日期；（6）保存：存儲報警信息；（7）清除：清除報警信息。

3.7數據傳輸

數據傳輸主要實現對系統參數、文件及梯圖的加載和備份功能，包含以下信息及功能：

1）參數備份：把系統參數上傳到PC機中；

2）參數加載：把PC中參數下載到系統參數存儲區；

3）文件備份：把系統存儲區中指定加工程序文件上傳到PC機中；4）文件加載：把PC中指定加工程序文件下載到系統文件存儲區；5）梯圖備份：把系統梯圖上傳到PC機中；

6）梯圖加載：把PC中指定梯圖下載到系統中；7）信息提示行：操作指令的提示及狀態信息反饋。

4　車床數控系統人機操作界面設計實例

根據車床數控系統人機操作界面的設計原則和方法，實現航天數控2000TA車床數控系統人機操作界面設計。

2000TA車床數控系統的人機操作界面分為自動方式、手動方式、文件管理方式、PLC狀態顯示方式、參數設置方式、鍵盤檢測方式。人機操作界面的結構圖見圖2。

圖2　人機操作界面結構圖

每種方式的界面設計見圖3、4、5、6、7、8所示。

圖3　自動方式界面

圖4　手動方式界面

圖5　參數設置方式界面

圖6　文件管理方式界面

圖7　PLC狀態顯示方式界面

圖8　鍵盤檢測方式界面

5　總結

人機操作界面是機床數控系統的重要組成部分，是人與機器交互的主要渠道。只有注重數控系統人機操作界面的設計，才提高數控機床操作的人機交互性能，從而增強我國數控機床在國際市場上的競爭力。

［1］王侃夫.機床數控技術基礎［M］.北京：機械工業出版社，2001.

［2］溫麗.淺談數控機床人機界面設計［M］.四川職業技術學院，2007，4.

［3］朱曉春.數控技術［M］.北京：機械工業出版社，2006.

［4］鮑珊.現代機電產品人機界面設計研究［D］.合肥：合肥工業大學機電系，2003.

李悅（1979—），男，碩士，工程師，主要從事自動化控制、數控技術相關設計工作。