自动剪切机人机界面设计.docx

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自动剪切机人机界面设计

目录

1.概述……………………………………………………………………………….1

2.人机界面的简介……………………………………………………………….....1

2.1人机界面的风格……………………………………………………………….1

2.2人机界面的设计原则………………………………………………………….1

2.3人机界面的设计过程………………………………………………………….2

3.自动剪切机控制部分……………………………………………………………....3

3.1自动剪切机的简介…………………………………………………………….....3

3.2控制方案的确定……………………………………………………………..…4

3.3PLC型号的选择…………………………………………………………………4

4结构图……………………………………………………………………………....8

4.1硬件结构图………………………………………………………………………8

4.2软件结构图………………………………………………………………………8

4.3剪切机程序设计………………………………………………………………..9

5图形用户界面………………………………………………………………..……9

6总结………………………………………………………………………………14

8.参考文献………………………………………………………………………….15

自动剪切机控制系统人机界面设计

1.概述

由于受传统观念的影响，很长一段时间里，人机界面一直不为软件开发人员所重视，认为这纯粹是为了取悦用户而进行的低级活动，没有任何实用价值。

评价一个应用软件质量高低的唯一标准，就是看它是否具有强大的功能，能否顺利帮助用户完成他们的任务。

近年来，随着计算机硬件技术的迅猛发展，计算机的存储容量、运行速度和可靠性等技术性能指标有了显著的提高，计算机硬件的生产成本却大幅度下跌，个人计算机日益普及。

新一代的计算机用户，在应用软件的可操作性以及软件操作的舒适性等方面对应用软件提出了更高的要求除期望所用的软件拥有强大的功能外，更期望应用软件能尽可能的为他们提供一个轻松、愉快、感觉良好的操作环境。

这表明，人机界面的质量已成为一个大问题，友好的人机界面设计已经成为应用软件开发的一个重要组成部分。

2.人机界面的简介

2.1人机界面的风格分析

这里所指的人机界面的风格，是指计算机系统的用户界面上控制输入的方法，大致经过了四代的演变：

2.1.1命令语言：

在图形显示、鼠标、高速工作站等技术出现之前，现实可行的界面方式只能是命令和询问方式，通信完全以正文形式并通过用户命令和用户对系统询问的响应来完成。

这种方式使用灵活，便于用户发挥其创造性，对熟练的用户有很高的工作效率，但对一般用户来说要求高，易出错，不友善并难于学习，它的错误处理能力也较弱。

2.1.2菜单选项：

这种方式与命令行方式相比不易出错，可以大大缩短用户的培训时间，减少用户的击键次数，可以使用对话管理工具，错误处理能力有了显著提高。

但使用起来仍然乏味，可能出现菜单层次过多及菜单选项复杂的情形，必须逐级进行选择，不能一步到位，导致交互速度显得太慢。

2.1.3面向窗口的点选界面此类界面亦称WIMP界面，即窗口（Windows）、图标（Icons）、菜单（Menus）、指示器（PointingDevice）四位一体，形成桌面（Desktop）。

这种方式能同时显示不同种类的信息，使用户可在几个工作环境中切换而不丢失几个工作之间的联系，用户可通过下拉式菜单方便执行控制型和对话型任务，引入图标、按钮和滚动杆技术，大大减少键盘输入，对不精于打字的用户无疑提高了交互效率。

2.1.4自然语言使用自然语言与应用软件进行通信，把第三代界面技术与超文本、多任务概念结合起来，使用户可同时执行多个任务（以用户的观点）。

2.2人机界面的设计原则

原则一：

在同一用户界面中，所有的菜单选择、命令输入、数据显示和其他功能应保持风格的一致性。

风格一致的人机界面会给人一种简洁、和谐的美感。

原则二：

对所有可能造成损害的动作，坚持要求用户确认，例如提问“你肯定……?

”等，对大多数动作应允许恢复（UNDO），对用户出错采取宽容的态度。

原则三：

用户界面应能对用户的决定做出及时的响应，提高对话、移动和思考的效率，最大可能的减少击键次数，缩短鼠标移动距离，避免使用户产生无所适从的感觉。

原则四：

人机界面应该提供上下文敏感的求助系统，让用户及时获得帮助，尽量用简短的动词和动词短语提示命令。

原则五：

合理划分并高效使用显示屏。

仅显示与上下文有关的信息，允许用户对可视环境进行维护：

如放大、缩小图像；用窗口分隔不同种类的信息，只显示有意义的出错信息，避免因数据过于费解造成用户烦恼。

原则六：

保证信息显示方式与数据输入方式的协调一致，尽量减少用户输入的动作，隐藏当前状态下不可选用的命令，允许用户自选输入方式，能够删除无现实意义的输入，允许用户控制交互过程。

2.3人机界面设计的过程

人机界面的设计过程可分为以下几个步骤：

2.3.1创建系统功能的外部模型设计模型

创建系统功能的外部模型设计模型主要是考虑软件的数据结构、总体结构和过程性描述，界面设计一般只作为附属品，只有对用户的情况有所了解，才能设计出有效的用户界面；根据终端用户对未来系统的假想（简称系统假想）设计用户模型，最终使之与系统实现后得到的系统映象（系统的外部特征）相吻合，用户才能对系统感到满意并能有效的使用它；建立用户模型时要充分考虑系统假想给出的信息，系统映象必须准确地反映系统的语法和语义信息。

总之，只有了解用户、了解任务才能设计出好的人机界面。

2.3.2确定为完成此系统功能人和计算机应分别完成的任务

任务分析有两种途径。

一种是从实际出发，通过对原有处于手工或半手工状态下的应用系统的剖析，将其映射为在人机界面上执行的一组类似的任务；另一种是通过研究系统的需求规格说明，导出一组与用户模型和系统假想相协调的用户任务。

逐步求精和面向对象分析等技术同样适用于任务分析。

逐步求精技术可把任务不断划分为子任务，直至对每个任务的要求都十分清楚；而采用面向对象分析技术可识别出与应用有关的所有客观的对象以及与对象关联的动作。

2.3.3考虑界面设计中的典型问题

设计任何一个机界面，一般必须考虑系统响应时间、用户求助机制、错误信息处理和命令方式四个方面。

系统响应时间过长是交互式系统中用户抱怨最多的问题，除了响应时间的绝对长短外，用户对不同命令在响应时间上的差别亦很在意，若过于悬殊用户将难以接受；用户求助机制宜采用集成式，避免叠加式系统导致用户求助某项指南而不得不浏览大量无关信息；错误和警告信息必须选用用户明了、含义准确的术语描述，同时还应尽可能提供一些有关错误恢复的建议。

此外，显示出错信息时，若再辅以听觉（铃声）、视觉（专用颜色）刺激，则效果更佳；命令方式最好是菜单与键盘命令并存，供用户选用。

2.3.4借助CASE工具构造界面原型，并真正实现设计模型软件模型一旦确定，即可构造一个软件原形，此时仅有用户界面部分，此原形交用户评审，根据反馈意见修改后再交给用户评审，直至与用户模型和系统假想一致为止。

一般可借助于用户界面工具箱（Userinterfacetoolkits）或用户界面开发系统（Userinterfacedevelopmentsystems）提供的现成的模块或对象创建各种界面基本成分的工作。

3.自动剪切机机控制部分

3.1自动剪切机机简介

有些剪切机由于采用传统的继电逻辑控制,存在自动化程度不高、功能不完善、效率较低、可靠性差等明显缺点。

因此很需要用可编程控制器或单片机对其进行改造，以提高自动化程度、提高生产效率、增加可靠性。

改进后的自动剪切机总体组成和工作示意图见图1,其中k0至k6为位置传感器,A4为剪切刀,A3是把被剪切板材压紧在平台上的上梁。

图1

3.2．控制方案确定

工作时首先要自动初始化：

就是先根据压力传感开关K0的状态判断运输小车A1是否空车，若不空车就让小车右行至位置传感器K2所在的卸货处卸车，卸完后让小车左行至剪切机下面的位置传感开关K1处；再把剪切刀A4上移到限位开关K4处，把用于压住被剪切板材的上梁A3上移到限位开关K3处。

初始化后工作时在PLC的控制下先自动把被剪切的板材向右传送，直到其右边沿到达限位开关K6处为止；然后令上梁A3下行压住被剪切的板材，再让剪切刀A4快速下切。

被剪切下来的成品下落到下面的运输小车里。

每剪切一次，光电反射式传感器K5就会被遮挡一次，此脉冲信号送给PLC就可对剪切次数自动计数。

每剪切80张就让剪切机自动暂停，让小车右行至K2处卸货，然后让小车返回K1处继续下一周期循环工作。

3.3、PLC型号的选择

本方案中由于只需要8个输入接点和7个输出接点，所以PLC可以选用欧姆龙公司（OMRON）的C20P。

C20P可编程控制器的主机（基本单元）有12个输入点（0000～0011）、8个输出点（0500～0507）、编程容量为1194个地址、还有48个定时器、计数器（TIM00～TIM47），另外还有辅助继电器等，完全可以满足要求。

本系统中，I/O接点的分配详见表1，PLC接线图详见图2，软件程序流程图详见图3。

3.3.1I/O接点分配表

表1I/O接点的分配

（I/Oassignment）

输入信号

编程元件

车已卸空K0

0000

车已在K1处

0001

车已在K2处

0002

上梁已在K3处

0003

剪切刀在K4处

0004

光电传感器K5

0005

料已到位K6

0006

总停开关K7

0007

输出信号

编程元件

上梁下压

0500

车左行

0501

车右行

0502

上梁上移

0503

剪切刀上移

0504

剪切刀下移

0505

进料

0506

3.3.2PLC接线图

图2PLC接线图

3.3.3PLC配置示意图

对剪切机懂的控制系统设置相应的输入输出点.输入点分别设置启动按钮输入信号和检测信号,包括板材到位、上梁原始位、上梁压力到、剪刀原始位、剪刀剪切位。

输出点考虑到系统的需求，设置板材输送信号，上梁上移和下移信号、剪刀上移和下移信号5个输出。

对于这样的小型控制系统，可以选用一些小型可编程控制器来实现设计。

下图给出的是一个通用的PLC配置示意图。

C

P

U

输

入

单

元

输

出

单

元

板材送料

启动

上梁上移

上梁原始位

上梁压力到

上梁下移

剪刀原始位

剪刀上移

剪刀剪断位

板材到位

剪刀下移

图3PLC配置示意图

3.3.4系统流程图（下页）

4.结构图

4.1硬件结构图

图4

该系统以PMAC为核心,以工控机为平台,构成上下位机分层递阶控制框架。

工控机作为上位机,负责各种资源管理,对下位机的程序调度与控制,与下位机实时通讯以及人机交互功能的实现;PMAC作为下位机,完成对剪切机运动部件的轨迹控制和各种辅助操作的动作控制,系统其他配置均采用标准模块的嵌入形式。

这种设计方案兼顾了控制系统的可靠性、高效性,便于软件系统开发,易于与设备集成,维护和升级方便,可以进行人机接口、实时控制部件及非实时控制部件的定制和参数化,实现了两个级别的开放度。

4.2软件结构图

实时Linux系统中,进程的执行模式可划分为实时任务内核模式和非实时任务用户模式。

在自动剪切机数控系统中,采取按任务实时性的不同,将任务分别按内核模式和用户模式运行的方法,来提高系统的实时信息处理能力。

即将数控系统的强实时任务放在操作系统的内核模式中运行,以加快执行速度。

而将弱实时性任务或非实时性任务放在用户模式中运行,减少对系统的资源占用,从而达到多任务并行处理的目的。

其软件结构如下图所示。

图5

4.3剪切机程序设计

根据上面分析,可以完成对剪切机控制程序的编写工作.在编程中,要充分使用PLC的中间状态寄存器和锁存、计数器功能，从而得到简洁实用的程序组。

其控制梯形图如图6所示。

5.图形用户界面（GUI）

作为一个实用的数控系统,图形用户界面的设计也十分重要。

标准Linux的大部分程序的图形显示功能由Xwindow实现。

但是,Xwindow过于庞大,占用了大量系统资源,影响了系统的实时性能,它作为数控系统的GUI是不合适的。

本系统采用MiniGUI作为自动剪切机数控系统的GUI解决方案。

MiniGUI由原清华大学教师魏永明先生开发,它基于SVGALib及LinuxThread库,是一种面向基于Linux的实时嵌入式系统的图形用户界面支持系统。

它采用了类Win32的API接口,实现了简化的类Windows98风格的图形用户界面,具有占用资源少、可配置、可移植、可扩展的特点。

将其用于自动剪切机数控系统的GUI开发上,可以克服Xwindow的缺点,开发出体积小巧、性能可靠的数控系统用户界面。

对系统的资源占用,从而达到多任务并行处理的目的。

整个控制是在界面上实行的，用户可以直接在界面上编写数控程序，也可以直接调用已写好的程序直接运行。

各种功能均采用模块化的界面设计。

而且我们的软件界面采用多面切换模式，包括：

●系统参数设置页

●手动增量调整页

●两轴运动显示

图7

（1）系统参数设置模块

对于这个界面来说它主要完成用户与系统内的数据传递。

因为不同的用户需要不同的参数比如说伺服周期，它的大小直接影响到系统能不能正常运行。

伺服周期如果太大或太小导致系统瘫痪。

伺服周期是各轴速度的转换参数，如果伺服周期设置得对于X轴的精度就可以控制到很小，可是如果设置不好就恰恰相反了。

我们在计算时一定要把稳定系数当做一个参数，否则会影响系统的加工精度。

（2）手动增量模块调整

手动调整模块顾名思义就是用手动的方式来调整Y轴和X轴的位置。

我们在这个模块中加了进给速度调整。

用户可以改变在手动调整中的进给速度。

这也是为了方便用户能更好的完成手动调整而添加的。

另外我们还可以在手动调整的同时观察当前运动对轴坐标的改变，并且还对改变后的坐标进行保存。

（3）两轴运动显示模块

运动显示模块简单的可以分为四个部分：

1.当前运动位置显示

2.当前运动坐标显示

3.当前两轴速度显示

4.轴目标位置显示

两轴当前速度显示：

对于一个数控系统来说各轴之间的协调运动是整个系统的灵魂所在，所以对于两轴的合成速度便变的相当重要了。

所以我们在这里加了这个参数，让用户可以随时查看系统的合成速度和合成加速度，方便了对系统的监控。

轴目标位置显示：

对于普通机床来说数控机床的精度是非常高的，但是再精密的机床都是有误差的，对于普通机床因为它的精度低所以它的加工完全看操作者的能力。

而对于数控机床它的加工要看的是它对已经知道误差的处理。

所以为了方便用户实现对误差的掌握我们在这里显示了各轴的目标位置。

（4）触控板的介绍

手动/自动、零位、请求送料、卸车状态、剪切、梁上移、梁下移、梁到位、复位、刀上移、刀下移、车左移、车右移、故障提示为显示灯。

手动/自动是切换系统是采用手动控制还是按编程自动控制。

按下零位按钮，剪刀回到起始位置。

按下请求送料按钮，送料机把料送到指定位置，料到位指示灯变亮，表明可以剪切。

剪切完后，剪切指示灯亮，然后车右移，显示灯亮，请求卸车。

如果出现故障，故障提示灯亮，此时可以按下急停按钮，剪切机将停止工作。

总结

随着计算机硬件技术的迅猛发展，计算机的存储容量、运行速度和可靠性等技术性能指标有了显著的提高，计算机硬件的生产成本却大幅度下跌，个人计算机日益普及。

人机界面作为一个新型的研究课题，在今后的发展中有着广阔的发展前景。

通过这次课程设计，使我从中学到了许多新的知识，不仅将以前学过的知识运用到了设计之中，比如PLC，数控技术以及机电控制等知识，是对以前知识的一个很好的复习。

但同时也认识到了自己知识的匮乏，其中许多知识是书本上所没有涉及到的，比如说人机界面的相关知识，可是通过课程设计，我了解了更多新的学科内容。

在这次课程设计中出现了许多问题，比如不能把PLC中的控制理论运用于实际中，数控系统中的伺服驱动，主轴运动掌握的不是太好。

参考文献

1.张凤珊主编.电器控制及可编程序控制器.中国轻工业出版社.

2.陈宇主编.可编程控制基础及编程技巧.华南理工大学出版社.

3.张万中、刘明芹主编.电器与PLC控制技术.化学工业出版.

4.胡学林可编程控制器教程（基础篇）电子工业出版社.

5.贾德胜等编著PLC应用开发实用子程序人民邮电出版社.