佘 劍

（四川成都飛機（集團）公司設備公司，四川成都 610091）

1 機床操作面板存在問題及解決方案

XK536三坐標數控銑床是青海第一機床廠1975年生產的產品，原為一臺電液伺服的數控銑床，采用的是FANUC－0MD系統(tǒng)。在我公司的生產任務中曾經發(fā)揮了巨大的作用。隨著使用年限的增加，在使用過程中逐漸暴露出故障率高、加工精度低、維護保養(yǎng)不方便等問題。特別是該數控銑床的機床操作控制面板，在經過一段時間的使用后，面板上的按鍵標示已經被磨損掉，不能正確地判斷其對應的功能;同時，有部分按鍵已經損壞，不能進行功能操作;少數的按鍵操作也不靈敏，這給操作員工帶來極大的不便。由于原廠家在設計該控制面板時采用每個按鍵對應到數控系統(tǒng)的PMC一個輸入端口（X地址），每個指示燈都需要數控系統(tǒng)的PMC一個輸出端口（Y地址）來驅動的工作方式，使其懸掛操作站與機床電氣控制柜之間的連接線較多，且非常復雜，容易造成人為失誤。同時占用了大量的 PMC輸入/輸出端口數量，使得 FANUC系統(tǒng)PMC的端口可用資源大大減少，負荷變大，降低了數控系統(tǒng)的利用率和機床使用的可靠性。

通過查找資料，我們了解到目前國內的數控設備在機床操作面板的控制方面絕大多數采用FANUC系統(tǒng)所配套的標準機床操作面板，或使用XK536數控銑床原有的電路結構形式，即點對點，線連線。這樣使機床操作面板要么成本提高，要么結構復雜，故障率高。為此我們決定采用在諸多領域得到極為廣泛應用的MCS－51系列中的AT89S52單片機作為核心，利用單片機高可靠性、高性價比的特點，通過軟件的編碼處理，完成按鍵與FANUC數控系統(tǒng)PMC之間的實時通訊，同時PMC輸出相應編碼信號送入指示燈處理電路實現機床操作面板的控制，替代FANUC系統(tǒng)標準機床操作面板的所有功能，從而完成操作站機床操作面板的設計改造。

2 機床操作面板的工作原理及設計

2．1 機床操作面板的工作原理

在此次XK536數控銑床的技術改造中，受到電腦、收款機等矩陣鍵盤的啟發(fā)，決定自行研發(fā)、設計該矩陣鍵盤的硬件電路，通過單片機編程實現機床操作功能按鍵的編碼輸出，在FANUC數控系統(tǒng)的PMC中通過梯形圖編程內部處理單片機輸出的按鍵編碼信號，以實現各個按鍵的功能，同時PMC輸出相應指示燈的編碼信號送入指示燈處理電路，從而實現按鍵指示燈的實時顯示。

根據FANUC控制系統(tǒng)和我們設計的機床操作面板以及一些輔助功能的要求，整個機床操作站整體面板布局圖如圖1所示。

2．2 硬件電路

在設計硬件電路時，根據該數控銑床的使用功能，結合使用單位的實際應用等各方面因素，該XK536數控銑床需要35個按鍵滿足機床各個操作功能的實現，完成所有的加工要求。所以，通過多方面綜合設計評審，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計電路框圖如圖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單片機的P0口，行接89S51單片機的P2口?？臻e時，每一行接有上拉電阻，使之呈現高電平。鍵盤采用逐列掃描查詢工作方式，通過軟件控制使單片機的P0口輪流輸出掃描碼，經74LS244緩沖器輸出到列。單片機的P2口循環(huán)采集輸入的信號，當有低電平時，CPU判斷有按鍵按下。由于矩陣式鍵盤的按鍵位置由行號和列號唯一確定，所有分別對行號和列號進行二進制編碼，然后通過軟件將兩值合成一個字節(jié)就形成了按鍵的編碼。每一個編碼對應一個按鍵功能，如表1所示。此編碼經過電平轉換電路輸出到PMC，通過數控系統(tǒng)梯形圖編程判斷，實現相應的功能操作。

2．2．2 指示燈顯示處理

指示燈顯示電路主要由信號輸出端、信號比較轉換電路、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點亮相應的指示燈。

數控系統(tǒng)PMC輸出的8位二進制編碼信號直接送入指示燈處理電路。信號按照表2編碼，分為兩部分，其中低四位作為位信號，高四位作為片選信號。PMC輸出的24 V編碼信號通過LM339電壓比較器后轉換成數字脈沖電路使用的5 V電平信號，其中經過限流電阻送到雙路4位D類邊沿觸發(fā)器74HC874;另外四路信號通過74HC154譯碼器譯出16個信號通過反向器輸入觸發(fā)器的使能端，控制相應的觸發(fā)器激活，使位信號輸出，點亮相應的指示燈。由于74HC847具有數據鎖存功能，所以即使使能信號消失，也能保持指示燈的導通狀態(tài)，只有當第二次觸發(fā)，有不同的位信號輸出時才會改變。由于PMC輸出的每一個編碼信號對應于每一個指示燈，所以通過PMC控制程序就能使相應的指示燈點亮。

2．3 軟件設計

對鍵盤、指示燈的硬件電路設計完成后，需進行軟件編程以實現硬件電路的功能。相應的程序框圖如圖3所示。

3 抗干擾設計

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

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

（3）電路板合理分區(qū)，如強、弱信號，數字、模擬信號。盡可能把干擾源（如電機，繼電器）與敏感元件（如單片機）遠離。

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

（5）單片機和大功率器件的地線要單獨接地，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I/O口，電源線，電路板連接線等關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延時去除抖動等抗干擾措施。

4 結語

通過本次改造，使得XK536數控銑床操作方便，并節(jié)約大量PMC的I/O端口數，減少接線，簡化控制電路，降低人為出錯的機會;降低制造成本，縮短改造周期。

［1］閻石．數字電子技術基礎［M］．北京:高等教育出版杜，1988．

［2］謝自美．電子線路設計．實驗．測試［M］．武漢:華中科技大學出版社，2002．

［3］張毅剛．MCS－51單片機應用設計［M］．哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社，1997．