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[摘 要]信息技术与工业化进程的加快，很多数控机床产品的操作面板发生了变化，操作面板不仅美观经济还能方便操作员操作机床，提高操作效率。本文阐述了数控机床操作面板的设计原则及可实现的功能，对操作面板的显示设置、色彩设计、符号设计、按键大小以及按键排版布局等设计做了详尽的分析并得出设计结果。操作面板的设计要结合操作人员的建议，还要注重经济性与操作性。
[关键词]数控机床；操作面板；设计；应用
中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）08-0288-02
引言
随着信息技术与工业的快速发展，数控机床的操作面板设计地越来越人性化，应用也越广泛了。操作面板是操作员与机床之间交换信息的一个接口工具，操作面板的设计水平高低直接影响到数控机床操作的效率，也会对操作者的人身安全有着极大的影响。操作面板设计能够体现出机床整体的技术水平，好的操作面板美观，易于被操作员掌握，经济又适用，操作简单，并且提高机床操作效率，还能起到引导操作员操作运行机床的作用，所以操作面板的设计与应用是数控机床产品中的一个重要环节。
数控机床的操作人员通过操作面板来使用数控机床系统，进行编程、调试以及修改等操作步骤，还可以通过操作面板查询到数控机床的运行状态。操作面板是数控机床的重要组成部分，操作面板是一个输入输出部件，是操作人员与数控机床进行信息交换的接口工具。本文从操作面板的设计原则及实现的功能、操作面板在数控机床中的设计与应用出发，分析操作面板的设计与制造，节省了成本，提高了操作员工作效率。
1 数控机床中操作面板的设计原则及实现的功能
1.1 操作面板设计时遵循的原则
操作面板的作用是提供一个人机交互的接口进而方便操作人员运行操作数控机床，所以操作面板要具有普遍适用性，这样，每个操作员都可以很快地上手操作数控机床，节省时间，提高工作效率。操作面板在设计的时候，要遵循以下几个原则：
（1）设计前要收集、采纳操作人员的意见与建议，从而改进操作面板。
（2）设计的时候要注重符合大多数操作人员的操作习惯，每个操作人员都有自己的工作习惯，但是作为数控产品的一个交互工具，虽然不能标准化设计生产操作面板，还是可以控制的，符合大多数人的操作习惯，从而使操作面板的适用范围扩大。
（3）设计的操作界面要保持统一，操作人员习惯某一个界面了，如果界面设计的不一样，操作人员需要时间去习惯，既浪费时间又降低工作效率，反而是成本加大。
（4）设计的界面尺寸大小要与机床的前控钣金尺寸、数控系统显示界面配合，确保操作面板在数控机床外观上的完整性和实用性。
（5）按键选型目前主要以轻触式电子按键、工业按钮开关和其它复合按键开关为主。
（6）按键的作用力程度也要符合操控者的感受，作用力过大会让操作人员感觉到不舒服，容易产生思想情绪上的波动；过小时则容易发生错误操作，我们通常对轻触式按键选型于130-180克力时比较容易接受。
（7）减震降噪生设计，该设计虽不能作为硬性指标，但是还是有必要提出来，现代工业设计不仅仅满足于低故障率和实用性，还应考虑舒适性，就像我们在购买汽车时还会考虑油耗和舒适性是一样的道理。对于按键操作时产生的机械噪音我们还应该进行噪音消除，比如我设计操作面板时首先采用了100万次机械寿命，130克力的轻触式电子按键，同時在结构上将按键帽与外置亚克力按键键铺设有带防水设计的硅胶，这样在操作按键时硅胶起到了吸收、隔离噪声和防水、放油等多重功能，同时相比130克力的按键动作噪声要远远小于180克力的按键，这个参数不仅可以通过零件规格书获得，还可以通过实验验证。
（8）每个操作键所代表的功能都要配合文自和图形符号，方便操作者快速识别和助记忆，保证操作者能够很容易地辨别出来；
（9）操作界面的布局设计要符合操作人员的操作习惯，操作员每天盯着数控机床的动态变化，很是消耗体力脑力，所以设计时要控制在操作员手的活动范围内，遵循其运动方向，尽可能地减少操作员体力的消耗，避免跑到这边按个键再返回看数据变动的情况。
（10）在遵循以上的设计原则以外，还需要考虑到操作面板的操作性以及设计生产的成本。
1.2 操作面板可实现的功能
不同的数控机床有着不一样功能的操作面板，但是大部分的操作面板都能实现这个功能，即显示机床目前运行状态的数据，把用户的命令转变成数控机床可以执行的命令。大部分的数控机床的操作面板都有机床电源开关、机床工作模式选择开关、紧急停止开关、程序执行与停止开关、轴向运动选择开关、进给速率与主轴速率控制选择开关以及电子手轮及M＼S＼T辅助功能开关等。
2 操作面板在数控机床产品中的设计与应用
操作面板包含了显示装置、机床控制面板、状态灯、NC键盘、手持单元等部分。从操作面板的显示装置、色彩设计、符号设计、按键大小以及按键位置布局这五个角度进行分析操作面板在数控机床产品中的设计与应用。
2.1 显示装置
在显示装置上，操作人员可以获取到数控机床系统的相关信息，如正在运行或编辑的程序、机床的加工状态、故障报警警示信号、加工轨迹图形仿真等。简单的显示装置上配有若干个只显示字符的数码管，并且展示的信息也有限，而高级版的显示装置会配能够显示图形的点阵式液晶显示器或CRT显示器，展示的信息比较丰富。另外，在数控机床上的显示装置还有LED灯、小灯泡、LCD屏等，发光二极管结构的LED灯和数码管亮度高但功耗低，使用寿命比较长，价格低廉，这是由二极管决定的，二极管在现代设备上的使用非常广泛。
2.2 面板的色彩设计
操作面板和按键底色美观度受操作者工作效率受的影响。很多设备的操作面板都是以黑色或颜色比较深的的蓝、灰为底色，白色字体和图形符号为主，以此来清晰显示指示灯和功能按键的颜色及位置。较深颜色的底色可以现显得比较高贵典雅，而红色则起到醒目提示的作用。面板中红色的按钮键则是提示操作员小心使用操作这类按键，主要有程序暂停键、主轴的停止、系统上电，操作红色键要慎重小心。翠绿色一般是正常生长的意思，所以被广泛运用在设备运行状态中，表示该功能正在运行，如系统上电、程序启动及其他功能运行的指示灯。还有一个醒目的颜色就是柠檬黄，是为了方便操作人员找到，如面板中的过行程解锁开关和紧急停止开关都是用这个颜色的。 2.3 面板中的符号设计
面板的空间大小，如果用文字描述的话，不够用并且太过繁琐，所以面板用符号设计。符号是一种简洁抽象的图形语言，面板设计中使用文字与符号，可以使操作员更容易感知、记忆及注意每个键的功能，从而提高操作人员的效率。
2.4 面板中位置布局设计
不同的操作人员操作数控车床的方式不一样，有的单手操作，有的双手同时操作。操作面板中的开关按钮也是不一样的，有轻触式开关、扭转式开关、扳动式开关及分旋钮式开关。操作人员对不同方式的按钮采用不同的手指，如一般用拇指或食指操作轻触式按钮，右手操作旋转式按钮。每个按钮开关的功能都是不一样的，如紧急停止功能是为了防止机床发生意外、关系机床与操作员人身安全而设立的功能。在设计过程中，根据开关功能的不同分为电源开关、程序启动停止开关、紧急停止功能开关、主轴运动及速率调整开关、进给速率调整开关、轴向运动控制开关、模式选择功能开关、电子手轮、刀塔运动控制开关及其他辅助功能开关。再根据操作员的操作习惯，把这些输入性开关进行排版布局，刀塔刀号和主轴倍率放在顶部中间的位置，也可以通过系统PLC的编辑显示到系统显示屏上，在在操作面板的左上角区域则放置夹头状态、坐标原点指示灯、NC运行状态或其他运行异常报警信息。
2.5 面板中的按键大小设计
（1）除了设计以外，还要考虑到操作面板的生产制造环节以及所需要耗费的成本。在按键大小设计时，要规范大小，保持统一，确定长宽均为18厘米的尺寸按键，每个键之间的间距为7厘米。另外，在制造按键的选材上，可以选择水晶材料的，因为水晶按键的制模只需要一个就好了，节省生产制造成本和加工时间。在具體设计制造之前，可以通过不同尺寸大小按键的操作测试，让操作人员觉得哪一种比较适应，从而提高工作效率。
（2）关于防油和防水措施是每个操作面板必须要有考虑的，因为数控机床使用环境的特殊性和必要性，假设没有采取任何措施时极易产生线路板腐蚀和操作异常故障。通常的解决办法主要有面板外层粘贴PVC膜印刷设计、硅胶（mSiO2·nH2O）制模与线路板支撑底架配合设计及线路板底架配合PU膜阻断设计的办法。
（3）电路控制的设计上，在数控机床领域使用的数控系统通常都是采用2次开发软件实现PLC编程控制的模式，数控系统固定提供有一定数量的输入与输出地址的I/O模块，机床厂家根据自己的特点进行适应性的2次开发，
那么通常能够进行2个方向的设计。
①点对点设计的思路， 将开关、按键的1端共极连接到电源，另一端送入到数控系统基本I/O单元的输入地址，开关共极采用源极和漏极设计取决于数控系统提供的允许范围决定；同理各指示灯、执行机构也是对应于数控系统基本I/O单元的输出地址连接，以此组成各地址功能点的唯一对应关系。
②矩阵电路设计的思路，同等操作功能的条件下该设计相比点对点的设计模式。具有使用数控系统基本I/O单元地址资源少的优势，但是对系统的运行速度和软件控制设计的深度提出挑战，随着电子技术爆发式发展与工业化应用程度，目前完全能够满足要求，并且衍生出各种形式的矩阵式电路设计电路结构，比如：输入地址与输出地址组成的按键扫描电路，输出与输出电路组成的指示灯状态输出电路，还有由1组输入地址与2路输出地址组成的复合型按键与按键指示灯电路等。
（4）结合与矩阵电路设计的思想，还可以衍生出由单片机参与控制的矩阵电路，同时因为有了单片机的参与，还可以再次衍生出具有某种独立或联合控制的加解密电路，提供可视化操控过程将会成为实实在在的产品，甚至于提供具有非法操作判断能力的智能前端产品。
3 结语
结合上文，我们可以从操作面板的显示设置、色彩、符号、按键大小及按键布局这几个角度研究操作面板在数控机床产品中的设计与应用，结合面板制造的材料，制造出美观经济并具有操作性的操作面板，可以说操作面板有广阔的应用前景。在操作面板的设计过程中，要结合操作人员反馈的建议及他们操作机床的习惯，采用最佳的制造材料，节省产品的制造成本，同时把操作性放在重中之重，保护数控机床与操作人员的安全。
参考文献
[1] 余运昌.数控机床操作面板外观设计[J].化学工程与装备，2010，10：89-91.
[2] 聂冰雪.数控机床设计中的人机界面研究[D].沈阳航空工业学院，2010.
[3] 朱毅然.数控机床控制面板设计中的人机界面研究[D].上海交通大学，2007.
[关键词]数控机床；操作面板；设计；应用
中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）08-0288-02
引言
随着信息技术与工业的快速发展，数控机床的操作面板设计地越来越人性化，应用也越广泛了。操作面板是操作员与机床之间交换信息的一个接口工具，操作面板的设计水平高低直接影响到数控机床操作的效率，也会对操作者的人身安全有着极大的影响。操作面板设计能够体现出机床整体的技术水平，好的操作面板美观，易于被操作员掌握，经济又适用，操作简单，并且提高机床操作效率，还能起到引导操作员操作运行机床的作用，所以操作面板的设计与应用是数控机床产品中的一个重要环节。
数控机床的操作人员通过操作面板来使用数控机床系统，进行编程、调试以及修改等操作步骤，还可以通过操作面板查询到数控机床的运行状态。操作面板是数控机床的重要组成部分，操作面板是一个输入输出部件，是操作人员与数控机床进行信息交换的接口工具。本文从操作面板的设计原则及实现的功能、操作面板在数控机床中的设计与应用出发，分析操作面板的设计与制造，节省了成本，提高了操作员工作效率。
1 数控机床中操作面板的设计原则及实现的功能
1.1 操作面板设计时遵循的原则
操作面板的作用是提供一个人机交互的接口进而方便操作人员运行操作数控机床，所以操作面板要具有普遍适用性，这样，每个操作员都可以很快地上手操作数控机床，节省时间，提高工作效率。操作面板在设计的时候，要遵循以下几个原则：
（1）设计前要收集、采纳操作人员的意见与建议，从而改进操作面板。
（2）设计的时候要注重符合大多数操作人员的操作习惯，每个操作人员都有自己的工作习惯，但是作为数控产品的一个交互工具，虽然不能标准化设计生产操作面板，还是可以控制的，符合大多数人的操作习惯，从而使操作面板的适用范围扩大。
（3）设计的操作界面要保持统一，操作人员习惯某一个界面了，如果界面设计的不一样，操作人员需要时间去习惯，既浪费时间又降低工作效率，反而是成本加大。
（4）设计的界面尺寸大小要与机床的前控钣金尺寸、数控系统显示界面配合，确保操作面板在数控机床外观上的完整性和实用性。
（5）按键选型目前主要以轻触式电子按键、工业按钮开关和其它复合按键开关为主。
（6）按键的作用力程度也要符合操控者的感受，作用力过大会让操作人员感觉到不舒服，容易产生思想情绪上的波动；过小时则容易发生错误操作，我们通常对轻触式按键选型于130-180克力时比较容易接受。
（7）减震降噪生设计，该设计虽不能作为硬性指标，但是还是有必要提出来，现代工业设计不仅仅满足于低故障率和实用性，还应考虑舒适性，就像我们在购买汽车时还会考虑油耗和舒适性是一样的道理。对于按键操作时产生的机械噪音我们还应该进行噪音消除，比如我设计操作面板时首先采用了100万次机械寿命，130克力的轻触式电子按键，同時在结构上将按键帽与外置亚克力按键键铺设有带防水设计的硅胶，这样在操作按键时硅胶起到了吸收、隔离噪声和防水、放油等多重功能，同时相比130克力的按键动作噪声要远远小于180克力的按键，这个参数不仅可以通过零件规格书获得，还可以通过实验验证。
（8）每个操作键所代表的功能都要配合文自和图形符号，方便操作者快速识别和助记忆，保证操作者能够很容易地辨别出来；
（9）操作界面的布局设计要符合操作人员的操作习惯，操作员每天盯着数控机床的动态变化，很是消耗体力脑力，所以设计时要控制在操作员手的活动范围内，遵循其运动方向，尽可能地减少操作员体力的消耗，避免跑到这边按个键再返回看数据变动的情况。
（10）在遵循以上的设计原则以外，还需要考虑到操作面板的操作性以及设计生产的成本。
1.2 操作面板可实现的功能
不同的数控机床有着不一样功能的操作面板，但是大部分的操作面板都能实现这个功能，即显示机床目前运行状态的数据，把用户的命令转变成数控机床可以执行的命令。大部分的数控机床的操作面板都有机床电源开关、机床工作模式选择开关、紧急停止开关、程序执行与停止开关、轴向运动选择开关、进给速率与主轴速率控制选择开关以及电子手轮及M＼S＼T辅助功能开关等。
2 操作面板在数控机床产品中的设计与应用
操作面板包含了显示装置、机床控制面板、状态灯、NC键盘、手持单元等部分。从操作面板的显示装置、色彩设计、符号设计、按键大小以及按键位置布局这五个角度进行分析操作面板在数控机床产品中的设计与应用。
2.1 显示装置
在显示装置上，操作人员可以获取到数控机床系统的相关信息，如正在运行或编辑的程序、机床的加工状态、故障报警警示信号、加工轨迹图形仿真等。简单的显示装置上配有若干个只显示字符的数码管，并且展示的信息也有限，而高级版的显示装置会配能够显示图形的点阵式液晶显示器或CRT显示器，展示的信息比较丰富。另外，在数控机床上的显示装置还有LED灯、小灯泡、LCD屏等，发光二极管结构的LED灯和数码管亮度高但功耗低，使用寿命比较长，价格低廉，这是由二极管决定的，二极管在现代设备上的使用非常广泛。
2.2 面板的色彩设计
操作面板和按键底色美观度受操作者工作效率受的影响。很多设备的操作面板都是以黑色或颜色比较深的的蓝、灰为底色，白色字体和图形符号为主，以此来清晰显示指示灯和功能按键的颜色及位置。较深颜色的底色可以现显得比较高贵典雅，而红色则起到醒目提示的作用。面板中红色的按钮键则是提示操作员小心使用操作这类按键，主要有程序暂停键、主轴的停止、系统上电，操作红色键要慎重小心。翠绿色一般是正常生长的意思，所以被广泛运用在设备运行状态中，表示该功能正在运行，如系统上电、程序启动及其他功能运行的指示灯。还有一个醒目的颜色就是柠檬黄，是为了方便操作人员找到，如面板中的过行程解锁开关和紧急停止开关都是用这个颜色的。 2.3 面板中的符号设计
面板的空间大小，如果用文字描述的话，不够用并且太过繁琐，所以面板用符号设计。符号是一种简洁抽象的图形语言，面板设计中使用文字与符号，可以使操作员更容易感知、记忆及注意每个键的功能，从而提高操作人员的效率。
2.4 面板中位置布局设计
不同的操作人员操作数控车床的方式不一样，有的单手操作，有的双手同时操作。操作面板中的开关按钮也是不一样的，有轻触式开关、扭转式开关、扳动式开关及分旋钮式开关。操作人员对不同方式的按钮采用不同的手指，如一般用拇指或食指操作轻触式按钮，右手操作旋转式按钮。每个按钮开关的功能都是不一样的，如紧急停止功能是为了防止机床发生意外、关系机床与操作员人身安全而设立的功能。在设计过程中，根据开关功能的不同分为电源开关、程序启动停止开关、紧急停止功能开关、主轴运动及速率调整开关、进给速率调整开关、轴向运动控制开关、模式选择功能开关、电子手轮、刀塔运动控制开关及其他辅助功能开关。再根据操作员的操作习惯，把这些输入性开关进行排版布局，刀塔刀号和主轴倍率放在顶部中间的位置，也可以通过系统PLC的编辑显示到系统显示屏上，在在操作面板的左上角区域则放置夹头状态、坐标原点指示灯、NC运行状态或其他运行异常报警信息。
2.5 面板中的按键大小设计
（1）除了设计以外，还要考虑到操作面板的生产制造环节以及所需要耗费的成本。在按键大小设计时，要规范大小，保持统一，确定长宽均为18厘米的尺寸按键，每个键之间的间距为7厘米。另外，在制造按键的选材上，可以选择水晶材料的，因为水晶按键的制模只需要一个就好了，节省生产制造成本和加工时间。在具體设计制造之前，可以通过不同尺寸大小按键的操作测试，让操作人员觉得哪一种比较适应，从而提高工作效率。
（2）关于防油和防水措施是每个操作面板必须要有考虑的，因为数控机床使用环境的特殊性和必要性，假设没有采取任何措施时极易产生线路板腐蚀和操作异常故障。通常的解决办法主要有面板外层粘贴PVC膜印刷设计、硅胶（mSiO2·nH2O）制模与线路板支撑底架配合设计及线路板底架配合PU膜阻断设计的办法。
（3）电路控制的设计上，在数控机床领域使用的数控系统通常都是采用2次开发软件实现PLC编程控制的模式，数控系统固定提供有一定数量的输入与输出地址的I/O模块，机床厂家根据自己的特点进行适应性的2次开发，
那么通常能够进行2个方向的设计。
①点对点设计的思路， 将开关、按键的1端共极连接到电源，另一端送入到数控系统基本I/O单元的输入地址，开关共极采用源极和漏极设计取决于数控系统提供的允许范围决定；同理各指示灯、执行机构也是对应于数控系统基本I/O单元的输出地址连接，以此组成各地址功能点的唯一对应关系。
②矩阵电路设计的思路，同等操作功能的条件下该设计相比点对点的设计模式。具有使用数控系统基本I/O单元地址资源少的优势，但是对系统的运行速度和软件控制设计的深度提出挑战，随着电子技术爆发式发展与工业化应用程度，目前完全能够满足要求，并且衍生出各种形式的矩阵式电路设计电路结构，比如：输入地址与输出地址组成的按键扫描电路，输出与输出电路组成的指示灯状态输出电路，还有由1组输入地址与2路输出地址组成的复合型按键与按键指示灯电路等。
（4）结合与矩阵电路设计的思想，还可以衍生出由单片机参与控制的矩阵电路，同时因为有了单片机的参与，还可以再次衍生出具有某种独立或联合控制的加解密电路，提供可视化操控过程将会成为实实在在的产品，甚至于提供具有非法操作判断能力的智能前端产品。
3 结语
结合上文，我们可以从操作面板的显示设置、色彩、符号、按键大小及按键布局这几个角度研究操作面板在数控机床产品中的设计与应用，结合面板制造的材料，制造出美观经济并具有操作性的操作面板，可以说操作面板有广阔的应用前景。在操作面板的设计过程中，要结合操作人员反馈的建议及他们操作机床的习惯，采用最佳的制造材料，节省产品的制造成本，同时把操作性放在重中之重，保护数控机床与操作人员的安全。
参考文献
[1] 余运昌.数控机床操作面板外观设计[J].化学工程与装备，2010，10：89-91.
[2] 聂冰雪.数控机床设计中的人机界面研究[D].沈阳航空工业学院，2010.
[3] 朱毅然.数控机床控制面板设计中的人机界面研究[D].上海交通大学，2007.