基于STM32技術(shù)的鋯鉆磨削機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 浪，李香泉，陳玉明

（景德鎮(zhèn)高等?？茖W(xué)校 數(shù)學(xué)與信息工程系，景德鎮(zhèn) 333000）

0 引言

目前寶石市場大量采用全穩(wěn)定立方晶相氧化釔穩(wěn)定氧化鋯（yttria stabilized zirconias）作為較廉價(jià)替代品來替代鉆品，并且由氧化鋯加工成各式各樣的飾品如：表鏈、頸鏈、手鏈越來越得到廣泛新潮青年愛好者的青睞。而目前大多鋯寶石的加工和生產(chǎn)采用的是手工定位（采用游標(biāo)尺）和半自動加工的方式，具有效率低下，人員費(fèi)用高，次品率高等特點(diǎn)，所以與鋯寶石加工相適應(yīng)的特殊夾具和數(shù)控系統(tǒng)的研發(fā)具有非常重要的意義；一套與此相適應(yīng)的數(shù)控系統(tǒng)的研制成功將大大加快生產(chǎn)的效率，節(jié)省勞動力成本。

目前對于鋯寶石的加工還處于半自動和手工階段，而對于此類機(jī)床的自動化改造方案有：

1）基于經(jīng)濟(jì)型單片機(jī)（MCU）核心控制器數(shù)控系統(tǒng)：功能較為簡單，加工精度比較低，運(yùn)行速度有限，多軸聯(lián)動實(shí)現(xiàn)比較困難；在中低檔的軸類控制機(jī)床應(yīng)用中性價(jià)比較高。

2）基于PLC+文本顯示的方案：優(yōu)勢是靈動性好，編程簡單，適合目前從事電氣工程技術(shù)員的需求；但對于較為復(fù)雜的算法和功能軟件編寫較復(fù)雜，價(jià)格中檔偏高。

3）基于ARM(或DSP、FPGA等)32位高性能芯片方案、觸摸屏等：針對大型數(shù)控加工機(jī)床；目前國外采用此類高端芯片的數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)成熟，國內(nèi)的華中數(shù)控、大連數(shù)控等企業(yè)也有類似產(chǎn)品。特點(diǎn)是功能全，造價(jià)高。綜合比較，本系統(tǒng)采用了集單片機(jī)與ARM芯片與一體的STM32F103VCT6這款核心芯片來實(shí)現(xiàn)控制主體的功能，同時(shí)采用了工業(yè)觸摸屏來作為人機(jī)交互的界面，這樣就滿足了傳統(tǒng)電氣工程師的操作習(xí)慣，同時(shí)保證了系統(tǒng)的性價(jià)比。

1 系統(tǒng)總體及硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)擬對上述鋯鉆磨削機(jī)床進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研制，采用嵌入式ARM技術(shù)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，實(shí)現(xiàn)機(jī)床工作步驟的在線編程與存儲功能，實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)精準(zhǔn)控制與調(diào)節(jié)，提高和實(shí)現(xiàn)磨削機(jī)床的自動化。目前步進(jìn)電機(jī)控制仍占主流地位，步進(jìn)電機(jī)的精度高且誤差不累計(jì)，成本比伺服系統(tǒng)低很多。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法，集成電源隔離、步進(jìn)電機(jī)控制、繼電器控制、DA輸出，232、485通信功能，輸入口信號獲取，編碼器信號反饋等功能，應(yīng)用范圍更廣[2,3]。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.1 電源模塊

采用開關(guān)隔離電源，比普通電源發(fā)熱更小，更安全。完成24V電源到5V電源的轉(zhuǎn)換；同時(shí)采用LM117-3.3V，輸出STM32F103VCT6系統(tǒng)所需要的3.3V電壓，詳細(xì)設(shè)計(jì)如圖2所示。

1.2 串口通信模塊

系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中，需要與觸摸屏等人機(jī)界面進(jìn)行連接，采用了光耦隔離的RS-232通信芯片進(jìn)行實(shí)現(xiàn)；同時(shí)，為了便于擴(kuò)展，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)還預(yù)留了一路RS-485的通信功能。詳細(xì)設(shè)計(jì)如圖3所示。

1.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動接口模塊

本模塊與步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動器進(jìn)行連接，可以實(shí)現(xiàn)4路步進(jìn)電機(jī)的控制。采用共陽的接法，5V輸出接驅(qū)動器的CP+、DR+（對應(yīng)驅(qū)動器的脈沖和方向的控制信號的正端）；下圖芯片引腳分別接驅(qū)動器的CP-和DR-。圖4中的18-21腳分別對應(yīng)STM32芯片的4個(gè)定時(shí)器輸出口，通過定時(shí)器的方式調(diào)整輸出頻率，以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的加、減速控制。

2 軟件部分設(shè)計(jì)

本作品的控制器的軟件部分也采用了與硬件電路設(shè)計(jì)所對應(yīng)的模塊化設(shè)計(jì)方式，主要包括的軟件模塊有：基于DMA方式的串口通信模塊（實(shí)現(xiàn)了MODBUS RTU協(xié)議）[4]、定時(shí)器模塊（完成了4路步進(jìn)電機(jī)控制功能）、IO口輸入功能、繼電器輸出功能和FLASH數(shù)據(jù)存儲功能；以下重點(diǎn)介紹串口通信與定時(shí)器模塊的實(shí)現(xiàn)。

2.1 串口通信模塊

串口通信模塊是通過一條數(shù)據(jù)發(fā)送口和一條數(shù)據(jù)接收口，來實(shí)現(xiàn)控制器和外部器件的通信工作；我們的文本和控制器之間就是通過該模塊實(shí)現(xiàn)通信的。串口2驅(qū)動：采用PA2口做T2X發(fā)送；PA3口做R2X接收；采用9600波特率；采用8位數(shù)據(jù)發(fā)送接收模式。部分實(shí)現(xiàn)代碼如下所示：

2.2 定時(shí)器模塊

定時(shí)器模塊是通定時(shí)器計(jì)數(shù)達(dá)到某一個(gè)設(shè)定的值后，進(jìn)入中斷函數(shù)，執(zhí)行相應(yīng)的函數(shù)，與此同時(shí)，其中某些IO口輸出高或低電平，從而產(chǎn)生脈沖信號，以便驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)[5,6]。電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)會采用類似下面的梯形圖工作，也會采用S形工作，下面以梯形圖實(shí)現(xiàn)為例，如圖5所示。

定時(shí)器中斷打開函數(shù)：

初始化定時(shí)器一：采用PA8口的CH1通道做定時(shí)器輸出；設(shè)置頻率為1M；設(shè)置模式為向上計(jì)數(shù)模式。

同上還有：

定時(shí)器2初始化 void Tim2_Configuration(void){……}

定時(shí)器3初始化 void Tim3_Configuration(void){……}

定時(shí)器4初始化 void Tim4_Configuration(void){……}

這4路中斷可以控制4路步進(jìn)電機(jī)同時(shí)或各自工作，而且互不影響。

3 結(jié)論

本系統(tǒng)主要根據(jù)儀表車床自動化控制系統(tǒng)的需求，從系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到軟件的實(shí)現(xiàn)，解決了以下三個(gè)問題：

1）實(shí)現(xiàn)多軸步進(jìn)電機(jī)同時(shí)運(yùn)行，解決了加減速問題（定時(shí)器方式）；

2）實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)與文本、觸摸屏等人機(jī)界面進(jìn)行交互（采用了DMA的方式、實(shí)現(xiàn)了MODBUS RTU的協(xié)議），給很多從事電氣的工程人員以方便；

3）結(jié)合實(shí)際的工控行業(yè)背景，有針對性的完成本系統(tǒng)給的設(shè)計(jì)與開發(fā)。通過測試證明：本系統(tǒng)提供的設(shè)計(jì)還是可行的。

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