北京航天數(shù)控系統(tǒng)有限公司　李　悅　杜瑞芳

車床數(shù)控系統(tǒng)人機(jī)操作界面設(shè)計(jì)研究

北京航天數(shù)控系統(tǒng)有限公司李悅杜瑞芳

人機(jī)操作界面是用戶和機(jī)床相互傳遞信息的媒介，良好的操作界面能夠提高數(shù)控系統(tǒng)操作效率和準(zhǔn)確性。通過(guò)分析車床數(shù)控系統(tǒng)的加工特點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)功能，提出車床數(shù)控系統(tǒng)的人機(jī)操作界面的設(shè)計(jì)原則和規(guī)范，并應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品開發(fā)中，提升了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

工業(yè)設(shè)計(jì)；數(shù)控機(jī)床；數(shù)控技術(shù)；人機(jī)操作

0　引言

數(shù)控技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的核心，是制造業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化、集成化的基礎(chǔ)。數(shù)控系統(tǒng)正朝著高速度、高精度、智能化、高可靠性方向發(fā)展。人機(jī)操作作界面作為操作者和機(jī)床之間交互的紐帶，直接影響到數(shù)控系統(tǒng)的加工效率、操作性、安全性和可靠性等。因此人機(jī)操作界面設(shè)計(jì)是數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

1　人機(jī)操作界面組成

人機(jī)操作界面是操作者實(shí)時(shí)控制和了解機(jī)床狀態(tài)的窗口，是數(shù)控指令輸入和信息反饋的接口。人機(jī)操作界面由若干頁(yè)面組成，每個(gè)頁(yè)面包含若個(gè)反映系統(tǒng)狀態(tài)的信息。根據(jù)信息內(nèi)容的不同，可分為靜態(tài)信息和動(dòng)態(tài)信息。靜態(tài)信息是指頁(yè)面中提示性信息、說(shuō)明性文字、修飾性圖形等，由字母、字符和圖形構(gòu)成；動(dòng)態(tài)信息指頁(yè)面中需要實(shí)時(shí)刷新的數(shù)字或能夠被用戶修改的數(shù)值信息，見圖1所示。

圖1　人機(jī)操作界面組成示意圖

2　人機(jī)操作界面設(shè)計(jì)原則

1）總體性原則，即對(duì)系統(tǒng)人機(jī)界面作整體規(guī)劃和布局；

2）重要性原則，即把操作者最為關(guān)心和重要的內(nèi)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(duì)所有系統(tǒng)功能進(jìn)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(nèi)容布置在界面最佳視野和控制區(qū)；

5）操作次序原則，即按照操作過(guò)程的先后順序進(jìn)行布局設(shè)計(jì)；

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

7）直觀簡(jiǎn)潔性原則，即讓用戶的操作方便順手；

8）提供幫助原則，即應(yīng)提供給用戶基本的操作指導(dǎo)說(shuō)明。

3　車床數(shù)控系統(tǒng)人機(jī)操作界面設(shè)計(jì)規(guī)范

根據(jù)車床數(shù)控系統(tǒng)及其加工工藝特點(diǎn)，把系統(tǒng)分為自動(dòng)方式、手動(dòng)方式、文件管理、參數(shù)管理、信息檢測(cè)、報(bào)警信息、數(shù)據(jù)傳輸七個(gè)功能模塊。根據(jù)每個(gè)功能模塊所實(shí)現(xiàn)的功能不同分別設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的人機(jī)操作界面。

3.1自動(dòng)方式

自動(dòng)方式是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)按照用戶預(yù)先編制的零件加工文件，自動(dòng)執(zhí)行每一條加工程序的功能。

自動(dòng)方式界面顯示系統(tǒng)自動(dòng)加工過(guò)程中的相關(guān)信息，包含以下信息：

1）運(yùn)行方式：包括自動(dòng)方式、單段方式、MDI方式；

2）運(yùn)行狀態(tài)：顯示當(dāng)前機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)：停止、運(yùn)行、停止等待；

3）程序名：正在執(zhí)行或已加載的加工程序

4）切削時(shí)間：當(dāng)前程序的執(zhí)行時(shí)間（時(shí)、分、秒）；

5）主軸倍率：以百分比顯示主軸倍率；

6）進(jìn)給倍率：以百分比顯示進(jìn)給倍率；

7）快速進(jìn)給倍率：以百分比顯示快速進(jìn)給倍率；

8）當(dāng)前進(jìn)給速度F：以毫米/分為單位顯示；

9）M代碼：最后執(zhí)行的M功能；

10）S代碼：最后執(zhí)行的S功能；

11）T代碼：最后執(zhí)行的T功能；

12）X、Z軸名：顯示當(dāng)前運(yùn)動(dòng)軸的名稱；

13）X、Z坐標(biāo)值：顯示當(dāng)前運(yùn)動(dòng)軸的坐標(biāo)；

14）坐標(biāo)類型：當(dāng)前坐標(biāo)值類型；

15）無(wú)刀偏工件坐標(biāo)顯示區(qū)：顯示不包含刀具位置補(bǔ)償數(shù)據(jù)的工件坐標(biāo)值；

16）報(bào)警顯示區(qū)：包括PLC報(bào)警顯示和系統(tǒng)報(bào)警顯示；

17）指令輸入?yún)^(qū)”在MDI方式下，輸入要執(zhí)行的系統(tǒng)代碼；

18）工件計(jì)數(shù)：顯示已加工工件件數(shù)；

19）功能選擇鍵：切換進(jìn)入手動(dòng)方式、切換進(jìn)入?yún)?shù)方式、切換進(jìn)入文件管理方式、切換進(jìn)入系統(tǒng)診斷方式；

20）自動(dòng)運(yùn)行方式選擇鍵：實(shí)現(xiàn)自動(dòng)方式/單段方式切換；

21）坐標(biāo)類型選擇鍵：實(shí)現(xiàn)工件坐標(biāo)、相對(duì)坐標(biāo)、機(jī)床坐標(biāo)、跟蹤誤差、反饋脈沖、剩余量間的切換；

22）顯示方式選擇鍵：實(shí)現(xiàn)工件坐標(biāo)、綜合坐標(biāo)（工件坐標(biāo)、相對(duì)坐標(biāo)、機(jī)床坐標(biāo)、剩余量）、程序方式、圖形方式、MDI方式間的切換。

3.2手動(dòng)方式

手動(dòng)方式是實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制各坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)功能。

手動(dòng)方式界面顯示系統(tǒng)手動(dòng)控制各坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的相關(guān)信息，包含以下信息及功能：

1）運(yùn)行方式：包括手動(dòng)連續(xù)、手動(dòng)增量、手動(dòng)回零、手輪方式；

2）運(yùn)行狀態(tài)：顯示當(dāng)前機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)：停止、運(yùn)行；

3）系統(tǒng)時(shí)間：顯示當(dāng)前系統(tǒng)的時(shí)間（時(shí)、分、秒）；

4）主軸倍率：以百分比顯示主軸倍率；

5）進(jìn)給倍率：以百分比顯示進(jìn)給倍率；

6）快速進(jìn)給倍率：以百分比顯示快速進(jìn)給倍率；

7）當(dāng)前進(jìn)給速度F：以毫米/分為單位顯示；

8）M代碼：最后執(zhí)行的M功能；

9）S代碼：最后執(zhí)行的S功能；

10）T代碼：最后執(zhí)行的T功能；

11）X、Z軸名：顯示當(dāng)前運(yùn)動(dòng)軸的名稱；

12）X、Z坐標(biāo)值：顯示當(dāng)前運(yùn)動(dòng)軸的坐標(biāo)；

13）無(wú)刀偏工件坐標(biāo)顯示區(qū)：顯示不包含刀具位置補(bǔ)償數(shù)據(jù)的工件坐標(biāo)值；

14）報(bào)警顯示區(qū)：包括PLC報(bào)警顯示和系統(tǒng)報(bào)警顯示；

15）指令輸入?yún)^(qū)：輸入要的執(zhí)行M、S、T代碼；輸入要設(shè)定的軸名和坐標(biāo)值；

16）刀偏設(shè)置區(qū)：設(shè)置刀偏數(shù)據(jù)；

17）坐標(biāo)類型選擇鍵：實(shí)現(xiàn)工件坐標(biāo)、相對(duì)坐標(biāo)、機(jī)床坐標(biāo)、跟蹤誤差、反饋脈沖、剩余量間的切換；

18）功能選擇鍵：切換進(jìn)入自動(dòng)方式、切換進(jìn)入?yún)?shù)方式、切換進(jìn)入文件管理方式、切換進(jìn)入系統(tǒng)診斷方式；

19）手動(dòng)運(yùn)行方式選擇鍵：實(shí)現(xiàn)手動(dòng)連續(xù)、手動(dòng)增量、手動(dòng)回零、手輪方式間切換。

3.3文件管理

用戶可以對(duì)存儲(chǔ)在文件存儲(chǔ)區(qū)的文件進(jìn)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(tǒng)內(nèi)存儲(chǔ)的零件加工程序相關(guān)信息，文件編輯界面顯示編寫某個(gè)程序時(shí)相關(guān)信息。

文件管理界面包含以下信息及功能：

1）運(yùn)行方式：顯示當(dāng)前運(yùn)行方式為文件管理方式；

2）系統(tǒng)內(nèi)存區(qū)：顯示系統(tǒng)當(dāng)前可用的存儲(chǔ)空間大小、已存儲(chǔ)文件個(gè)數(shù)及文件大??；

3）文件屬性區(qū)：顯示文件的名字、文件的大小、文件的創(chuàng)建時(shí)間；

4）系統(tǒng)內(nèi)存區(qū)：顯示系統(tǒng)當(dāng)前可用的存儲(chǔ)空間大?。?/p>

5）文件管理功能：（1）拷貝：文件的復(fù)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(yè)：上翻頁(yè)、下翻頁(yè)；（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(dāng)前編輯的文件名字；

2）編輯狀態(tài)：插入/修改狀態(tài)；3）光標(biāo)位置信息：光標(biāo)所在行數(shù)、列數(shù)；4）編輯區(qū)：代碼輸入?yún)^(qū)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(biāo)跳轉(zhuǎn)：調(diào)整光標(biāo)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(jì)算器。

3.4參數(shù)管理

數(shù)控系統(tǒng)的參數(shù)繁多，按照參數(shù)的功能分類可以方便用戶查找和編輯。通常分為機(jī)床參數(shù)、螺補(bǔ)參數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)、刀補(bǔ)參數(shù)、工作原點(diǎn)參數(shù)、PLC參數(shù)等。

參數(shù)管理界面顯示系統(tǒng)參數(shù)的相關(guān)信息，包含以下信息及功能：1）運(yùn)行方式：顯示當(dāng)前運(yùn)行方式為參數(shù)管理方式；

2）參數(shù)管理區(qū)：根據(jù)參數(shù)的功能不同對(duì)所有參數(shù)進(jìn)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(shí)現(xiàn)參數(shù)的分級(jí)管理；

5）參數(shù)清零：清除所有參數(shù)；6）參數(shù)信息：顯示參數(shù)名；7）參數(shù)值：顯示參數(shù)值；

8）參數(shù)說(shuō)明：參數(shù)提示信息；9）頁(yè)碼：當(dāng)前參數(shù)所在頁(yè)數(shù)；10）光標(biāo)移動(dòng)：上、下、左、右移動(dòng)光標(biāo)。

3.5系統(tǒng)診斷

系統(tǒng)診斷是實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)接口的檢測(cè)，包含以下信息及功能：1）鍵盤診斷：系統(tǒng)操作面板上的按鍵進(jìn)行檢測(cè)；

2）PLC診斷：系統(tǒng)PLC狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)：（1）輸入數(shù)據(jù)；（2）輸出數(shù)據(jù)；

3）系統(tǒng)版本信息：顯示系統(tǒng)軟件版本、PLC版本。

3.6報(bào)警信息

報(bào)警是系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的重要記錄，包含以下信息及功能：

1）NC報(bào)警：（1）報(bào)警號(hào)：報(bào)警編號(hào)；（2）報(bào)警時(shí)間：報(bào)警發(fā)生時(shí)間；（3）報(bào)警信息：報(bào)警內(nèi)容；（4）系統(tǒng)時(shí)間；（5）系統(tǒng)日期；（6）保存：存儲(chǔ)報(bào)警信息；（7）清除：清除報(bào)警信息。

2）PLC報(bào)警：（1）報(bào)警位號(hào)：報(bào)警位編號(hào)；（2）報(bào)警時(shí)間：報(bào)警發(fā)生時(shí)間；（3）報(bào)警信息：報(bào)警內(nèi)容；（4）系統(tǒng)時(shí)間；（5）系統(tǒng)日期；（6）保存：存儲(chǔ)報(bào)警信息；（7）清除：清除報(bào)警信息。

3.7數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸主要實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)、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(shù)備份：把系統(tǒng)參數(shù)上傳到PC機(jī)中；

2）參數(shù)加載：把PC中參數(shù)下載到系統(tǒng)參數(shù)存儲(chǔ)區(qū)；

3）文件備份：把系統(tǒng)存儲(chǔ)區(qū)中指定加工程序文件上傳到PC機(jī)中；4）文件加載：把PC中指定加工程序文件下載到系統(tǒng)文件存儲(chǔ)區(qū)；5）梯圖備份：把系統(tǒng)梯圖上傳到PC機(jī)中；

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

4　車床數(shù)控系統(tǒng)人機(jī)操作界面設(shè)計(jì)實(shí)例

根據(jù)車床數(shù)控系統(tǒng)人機(jī)操作界面的設(shè)計(jì)原則和方法，實(shí)現(xiàn)航天數(shù)控2000TA車床數(shù)控系統(tǒng)人機(jī)操作界面設(shè)計(jì)。

2000TA車床數(shù)控系統(tǒng)的人機(jī)操作界面分為自動(dòng)方式、手動(dòng)方式、文件管理方式、PLC狀態(tài)顯示方式、參數(shù)設(shè)置方式、鍵盤檢測(cè)方式。人機(jī)操作界面的結(jié)構(gòu)圖見圖2。

圖2　人機(jī)操作界面結(jié)構(gòu)圖

每種方式的界面設(shè)計(jì)見圖3、4、5、6、7、8所示。

圖3　自動(dòng)方式界面

圖4　手動(dòng)方式界面

圖5　參數(shù)設(shè)置方式界面

圖6　文件管理方式界面

圖7　PLC狀態(tài)顯示方式界面

圖8　鍵盤檢測(cè)方式界面

5　總結(jié)

人機(jī)操作界面是機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的重要組成部分，是人與機(jī)器交互的主要渠道。只有注重?cái)?shù)控系統(tǒng)人機(jī)操作界面的設(shè)計(jì)，才提高數(shù)控機(jī)床操作的人機(jī)交互性能，從而增強(qiáng)我國(guó)數(shù)控機(jī)床在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。

［1］王侃夫.機(jī)床數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

［2］溫麗.淺談數(shù)控機(jī)床人機(jī)界面設(shè)計(jì)［M］.四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院，2007，4.

［3］朱曉春.數(shù)控技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［4］鮑珊.現(xiàn)代機(jī)電產(chǎn)品人機(jī)界面設(shè)計(jì)研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)電系，2003.

李悅（1979—），男，碩士，工程師，主要從事自動(dòng)化控制、數(shù)控技術(shù)相關(guān)設(shè)計(jì)工作。