數控機床加工中心操作面板設計

李 力，陳江輝

（仲愷農業工程學院自動化學院，廣東廣州510225）

數控機床加工中心操作面板設計

李 力，陳江輝

（仲愷農業工程學院自動化學院，廣東廣州510225）

針對加工中心操作面板所需I／O點位多和系統I／O LINK點位有限的問題，設計了一款適用于機床數控系統的新型加工中心操作面板。該面板利用單片機控制電路、矩陣編碼電路和輸出信號鎖存電路減少I／O點位；詳細介紹了硬件電路和控制軟件的設計，最后給出了面板的試驗和分析結果；該操作面板克服了采用點對點、線連線方式帶來的所需I／O點位多和電路結構復雜等缺陷，具有廣泛的應用前景。

操作面板；單片機；矩陣編碼電路；輸出信號鎖存

1 引言

操作面板是人與機床進行信息交換的接口，主要通過旋鈕開關、按鍵和指示燈對機床的運行狀態進行控制和顯示。加工中心操作面板和普通機床操作面板相比，功能增加了，增大了人機交換的信息量。傳統的操作面板與可編程控制器之間多采用點對點、線連線的通信方式，當操作面板功能增強時，其所需的I／O點位增多，從而使系統I／O LINK的可用點位減少，降低了數控系統I／O點位的利用率。因此設計一種能節省所需I／O點位的加工中心操作面板已成為一種趨勢。

圖1所示為設計的加工中心操作面板，包含35個按鍵、4個按鈕開關、4個波段旋鈕開關、1個急停開關、1個鑰匙開關、47個指示燈和6個數碼管。其中RESET按鍵和SHIFT按鍵的信號不會進入可編程控制器，其指示燈的狀態也不受可編程控制器控制。設計的按鍵矩陣編碼電路用13路輸入實現4行9列按鍵編碼功能；鎖存電路用29路輸出實現對45路狀態指示燈的控制；部分按鍵具有第二按鍵功能，主要為配合單片機實現面板的加密；在與可編程控制器的接口設計上，分別設計了2組50芯／40芯的插座，實現與數控系統的連接。操作面板僅用2組I／O點位實現了面板的所有功能，不但節省了點位，而且簡化了與系統I／O LINK的連接，提高了數控系統I／O點位的利用效率，節約了成本，具有廣泛的應用前景。

圖1 操作面板整體布局圖

2 操作面板整體結構

整個操作面板可分為外圍接口電路和單片機驅動、控制電路，其結構如圖2所示，外圍接口電路包括4個波段旋鈕開關電路、按鍵矩陣和編碼電路、鎖存電路和狀態指示燈驅動電路；單片機驅動和控制電路主要包括第二功能按鍵輸入電路、時鐘電路和數碼管驅動電路。單片機功能主要為：①對比輸入密碼和預設密碼，讀取時鐘電路的信息，并通過控制三態門OE端口控制按鍵編碼將信號輸入到PMC／PLC，從而實現加密功能；②接收來自PMC機床狀態和刀號信息，并在數碼管上顯示。

圖2 操作面板整體結構

3 操作面板硬件設計

3．1 按鍵矩陣編碼的實現

按鍵S1按下時，二極管D1、D2導通［2］，原理如圖3所示，若三態門U1開通，列信號和行信號分別驅動場效應管Q1、Q2導通，經變換成標準電平信號后，從OUT1、OUT2輸出至PMC／PLC；若三態門沒有導通，則只有列信號從OUT1輸出至可編程控制器，行信號丟失，禁止按鍵信號輸出［1］。在PMC／PLC中，只要對輸入信號按表1進行查詢，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 指示燈驅動電路的設計

面板狀態指示燈的驅動采用分時處理的方式。指示燈分為兩組，分別與D觸發器組1和組2相連，可編程控制器分兩個周期把指示燈驅動信號分別輸出至D觸發器組，并控制其上升沿進行鎖存；在第三個周期把刀號信息鎖存到D觸發器組3，觸發器組3的輸出與單片機相連，接收到刀號信息后在數碼管上顯示。經三個周期后，可編程控制器在同一組輸出點位上把指示燈信息和刀號信息輸出。

3．3 單片機控制電路的設計

在單片機控制電路如圖4所示，單片機P2端口讀入數碼管鎖存組的信息，并在數碼管上顯示。其中，數碼管的段選信號從P1口經三態門后輸出至數碼管，P3．0、P3．1、P3．6構成譯碼器的通道，選通信號選中要點亮的數碼管［3］。其他端口用于接收來自第二功能按鍵的信息，進行密碼輸入和面板鎖定時間的設定。當輸入鎖定時間后，鎖定時間寫入ATMLH244中，并從DS1302讀取時間值進行比較。

圖4 單片機控制電路

4 操作面板軟件設計

4．1 單片機程序的設計

程序包括主循環流程圖如圖5所示、中斷服務流程圖如圖6所示，Shift按鍵處理程序如圖7所示。為避免頻繁調用，定義一個變量counter用于計數，當2ms中斷10次后，程序往下執行，完成讀取刀庫刀號和主軸刀號，并根據鎖定與否執行各操作；若Shift鍵按下，則根據輸入情況執行鎖定或解鎖操作。中斷程序主要為更新R＿LEDBuff＿0到R＿LEDBuff＿5數據并至送數碼管顯示。

圖5 主循環流程圖

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計

在可編程控制器中通過編寫按鍵解碼程序，來確定每個按鍵的狀態，并用寄存器的位狀態來存儲按鍵的狀態信息［4］；輸出指示燈驅動信號和刀號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計流程圖

5 系統試驗與分析

為了測試操作面板的運行效果，在加工中心VMC850上實際使用面板，對面板的各功能進行實際測試，結果如表2所示。

表2 面板運行結果

從表2可看出，面板各部分運行結果良好，符合設計標準。

6 結束語

針對傳統機床加工中心操作面板存在的不足，結合數字電路，設計了一款機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、指示燈驅動電路和控制電路設計，并給出控制程序流程圖；該操作面板克服了傳統操作面板采用點對點和線連線不足，適用于FANUC和三菱數控系統加工中心，且具有鎖碼加密功能，具有廣泛的應用前景。

［1］閻石．數字電子技術基礎［M］．北京：高等教育出版社，2006．

［2］童詩白，華成英．模擬電子技術［M］．北京：高等教育出版社，2006．

［3］李全利．單片機原理及接口技術［M］．北京：高等教育出版社，2009．

［4］FANUC數控系統PMC編程技術［M］．北京：化學工業出版社，2013．

Design of operation panel for CNC machine tool center

LI Li，CHEN Jiang－hui

（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，仲愷農業工程學院自動化學院2014級自動化（工化）專業在讀本科生。

2016－11－15

陳江輝（1975－），男，博士，講師，主要研究方向為電力電子電路和新能源供電系統、數控設備與機器人。