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汤彩萍（常州机电职业技术学院，213164）
摘要：在数控系统的应用中，除了能够充分实现用户要求的功能之外，友好的人机界面设计是数控系统应用的一个重要组成部分。本文以加工中心换刀故障的恢复为例，探讨了专用数控系统的应用（二次开发）过程中，数控机床的用户友好界面设计的方法和思路。
关键词：友好界面设计；数控机床；数控系统应用；换刀故障恢复
The userfriendly interface design in the application of the CNC control
TANG Caiping
(Changzhou Institute of Mechatronic Technology, 213164)
Abstract：Userfriendly interface design is an important component in the application of CNC controls with the realization of basic functions. This article discusses the idea and method of userfriendly interface design in the secondary development of the specialpurpose CNC control by taking the example of restoring ATC(Automatic Tool Changer) on the machining center.
Key words：userfriendly interface design; CNC machine; CNC control application; tool changer restore
0 引言
数控机床是一种可编程的通过计算机控制的自动加工设备，其柔性化的特点使之成为现代制造业的基础设备。数控机床的人机界面设计直接影响其工作效率和操作舒适性。因为友好的人机界面操作简单、有效，且具有引导功能，防止出错，使用户感觉愉快、增强兴趣，所以友好的人机界面设计是数控系统应用的一个重要组成部分。在各种品牌（如FANUC、SIEMENS）的专用数控系统中，生产厂家在开发数控系统的过程中，大多能考虑人机界面的友好性，比如数控加工程序的语法自诊断、运行过程的状态监控等，而在机床制造厂对数控系统的应用（二次开发）时，尤其是在PLC程序的设计中，往往忽略了用户界面的友好性设计。本文以TH6363和VF-3加工中心换刀故障的恢复的操作界面的设计为例，探讨了数控机床中的用户友好界面设计的方法和思路。
1 提供信息反馈，引导操作
信息反馈是指机床对用户的操作所作的反应，它可以表明用户的操作是否为机床所接受，是否正确，以及操作的效果怎样，反馈方式可以是文本、图形和声音等。
自动换刀是加工中心上的一项复杂的顺序动作控制。在TH6363卧式加工中心的设计中，除了完成该加工中心正常的动作、进行周全的互锁控制之外，可以从提高机床工作效率和操作者舒适性的角度出发，提供很多引导性的操作信息，为CNC机床的初学者提供便利。
TH6363（如图1所示）带有一个24把刀的密闭盘式刀库，换刀动作通过刀库的移动及转动实现。换刀时主轴箱上移，同时主轴定位，主轴中的刀具卡入刀库中的空刀爪上，机械凸轮减速器使刀具松开，刀库向外运动，使刀具离开主轴锥孔，系统控制刀库旋转至预选刀处停下。然后刀库向里运动使刀具插入主轴锥孔，松刀凸轮退回，主轴内碟形弹簧回复力使主轴内弹簧卡爪拉紧刀具后部的拉钉，完成换刀动作。
图1 TH6363结构图
该机床采用FANUC 0-MD数控系统作为总的控制系统，内置可编程机床控制器PMC-L完成换刀、冷却等辅助动作的控制。
在手动换刀或自动换刀出现故障需要恢复时，本设计提供了很多操作提示信息。比如，当刀具在主轴中处于松开状态时，按+Y或-Y进给键，将出现“PLEASE CLAMP TOOL（请将刀具夹紧）”的提示信息，因为只有当刀具被完全夹紧时，Y轴才可以运动。在FANUC 0系统中，2000号开头的信息表示操作提示信息，由PMC程序通过行程开关等应答信息触发，信息内容由功能指令DISP写入。部分梯形图如图2和图3所示。
图2操作信息触 图3操作信息显示梯形图
TH6363卧式加工中心操作信息如下：
2000 PERFORM REFERENCE RETURN（执行回参考点）
2001 TOOL NO.GREATER THAN 24（刀号大于24）
2002 TOOL NO.LESS THAN 1（刀号小于1）
2003 REPLACE BATTERY WHILE POWER ON（请在通电时更换电池）
2004 PLEASE CLAMP TOOL（请将刀具夹紧）
2005 PLEASE MOVE MAGAZINE BACKWARD（请将刀库向里移动）
2006 PLEASE UNCLAMP TOOL（请将刀具松开）
2007 PLEASE MOVE Y AXIS TO TOOL CHANGING POINT（请将Y轴移动到换刀点）
2008 PERFORM Y AXIS REFERENCE RETURN（执行Y轴回参考点）
2009 PERFORM SPINDLE ORIENTATION（执行主轴准停）
2010 PLEASE MOVE MAGAZINE FORWARD（请将刀库向外移动）
2011 RETRACT IN REVERSE DIRECTION（反向退出）
2 提供问答对话，防止误操作
一般类似的加工中心往往用面板上的按钮恢复，而在美国HAAS公司生产的VF系列加工中心上，对于换刀过程中断的故障，采用了软件对话式恢复，对可能造成损害的动作，坚持要求用户确认。只要按照屏幕提示操作，就可顺利恢复换刀。
VF系列的刀库为圆盘式，刀具的交换由刀库与机床主轴箱的相对运动实现。换刀时，先将用过的刀具送回刀库，然后再从刀库中取出新刀具，这两个动作不能同时进行，因此换刀时间较长，动作较为复杂。换刀动作过程如下：
a.主轴箱（Z轴）以G00速度上升至Z=0(换刀点)，同时主轴定位→刀库离开原位向前（卡刀）→主轴松刀，吹气→；
b.主轴箱以G00速度上升至Z=105→；
c.刀库旋转，选刀→;
d.主轴箱以G00速度下降至Z=0→主轴拉刀，刀具被夹紧，停止吹气→；
e.刀库退回原位→;
f.换刀动作完成，准备加工。
换刀过程故障有：刀库在前位，刀具已松开（无法夹紧），或夹紧后未发信号，或换刀途中按了紧停按钮（主轴箱在上位或在下位）等。应首先检查主轴上是否有刀，然后检查正对主轴的刀位上是否有刀。详细的恢复过程如图4所示。
图4 VF加工中心换刀故障恢复对话流程图
按下[TOOL CHANGER RESTORE]（换刀装置恢复）键后，系统询问主轴或刀库是否有刀，如有刀，则被告知“刀库后退时刀具可能掉落，应注意采取安全措施
接刀”，并按“Y”；此时，如果刀仍然在主轴上，则用[TOOL RELEASE]（松刀）键取下刀具。如果主轴上无刀，则主轴定向，主轴箱向上，刀库向前。
如主轴或刀库无刀，系统询问正对着主轴的刀位上有刀吗？如有刀，确认刀具安装正确，必要时将刀具卸下，并按“Y”，此时主轴箱向下，夹刀，刀库退后；如果正对着主轴的刀位上无刀，则换刀恢复结束。按“Y”返回正常工作页面。
3 结束语
任何设备的用户都期望应用软件能尽可能的为他们提供一个轻松、可靠的操作环境。以上讨论的是专用数控系统环境下机床用户友好界面的设计，应该说友好性还不强，还需要用户具有一定的操作基础。新一代的开放式的数控系统在人机界面的交互性、美观性、高效使用显示屏、多媒体技术应用等方面将会大大加强。
参考文献：
[1]颜声远,许彧青.数控机床人机界面设计原则初探[Z]. www.lwlm.com.
[2]FANUC公司.PMC编程手册[Z].2000.
[3]侯金奎.浅谈人机界面设计[J].潍坊学院学报,2002,4.
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