數(shù)控切割機人機接口硬件模塊化設計

王世珠+劉揚+費繼友+劉曉東

摘要：隨著制造業(yè)對生產(chǎn)效率、高精度、智能化要求的不斷提高，數(shù)控切割機因其在數(shù)控領域的優(yōu)點而占領市場，但目前數(shù)控切割機配備的人機接口大多缺乏通用性，針對這一問題，本文對等離子數(shù)控切割機和火焰式數(shù)控切割機的人機接口硬件進行通用模塊化設計。首先介紹了數(shù)控切割機的系統(tǒng)組成和各部分功能，提出人機接口的總體設計方案；其次，以STM32系列芯片為核心微處理器，圍繞STM32對其輔助硬件電路進行相關設計（電源模塊、通信模塊、I/O模塊）。在實際使用中，此硬件電路可以滿足切割機功能控制要求。

關鍵詞：數(shù)控切割機；通用模塊化；人機接口；STM32

中圖分類號：TP31 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）01-0150-02

1 引言

隨著制造業(yè)的發(fā)展，數(shù)控切割由于具有精度和效率高[1]，而且智能化、動化程度高等優(yōu)點，擁有廣闊的市場潛力和發(fā)展空間[2-3]。因此，越來越多的數(shù)控系統(tǒng)可以被用戶進行選擇，但其數(shù)控系統(tǒng)通常沒有人機接口。為滿足眾多消費者的各種需求，使機床型號和配備的人機接口都不盡相同。

目前，我國數(shù)控切割機的人機接口仍沒有實現(xiàn)完全通用，缺乏可維修性。因此，促進數(shù)控切割機人機接口的功能模塊化發(fā)展，能夠減少不同平臺相互切換時程序的移植量，對數(shù)控切割機的發(fā)展具有重要意義。

本文從模塊化設計理念出發(fā)，采用集成器件來提高PCB板的抗干擾能力，并能夠大大減少生產(chǎn)成本，縮短生產(chǎn)周期，首先，人機接口的總體設計方案；其次，選取STM32為主處理單元，在此基礎上對電源模塊、通信模塊、I/O模塊、USB接口模塊進行設計。人機接口的模塊化設計使生產(chǎn)效率得到提高。

2 功能控制面板總體方案設計

數(shù)控切割機通用模塊化人機接口是指人與數(shù)控切割機數(shù)控系統(tǒng)之間建立聯(lián)系、交換信息的輸入/輸出設備的接口[4]，主要由切割機功能控制板、鍵盤和顯示器三部分組成。功能控制板用來連接可編程控制器，實現(xiàn)通訊的接口，功能控制板的按鍵被按下時，通過串口將按鍵信息傳到系統(tǒng)接口板上，由系統(tǒng)接口板然傳到可編程控制器，可編程控制器按照程序運行，將可編程控制器的輸出發(fā)到執(zhí)行器件，實現(xiàn)控制機床的目的。

3 功能控制面板硬件設計

3.1 核心處理器選擇

本文選擇STM32系列[5]微處理器STM32F103VCT6作為控制部分的核心，是考慮切割機軟件、硬件開發(fā)工具以及芯片的性價比等方面因素。STM32F103VCT6擁有ARM7內核，其引腳的數(shù)目能達到100，而且工作頻率高達72MHz，芯片的允許工作溫度為-40℃～85℃。

以STM32F103C8T6為核心處理器的硬件模塊如圖1所示。人們通過按鍵將輸入的信息與GPIO通用輸入口相連接，指示燈模塊與GPIO通用輸出口連接，用于顯示按鍵是否被按下。USB1經(jīng)USB轉換模塊CH340G與UART1相連，當采用光纖進行信息的接受與發(fā)送時，光纖通信端子與UART2連接；上位機采用TTL電路實現(xiàn)與STM32F103VCT6的UART3連接。

3.2 電源模塊

電源模塊是整個硬件電路的動力來源，它的性能是否優(yōu)良將會影響功能控制面板的性能。一般，電源模塊需要由變壓器經(jīng)過電壓變換，整流電路將交流變?yōu)橹绷麟?、濾波電路濾去雜波、并經(jīng)過穩(wěn)壓過程。

直流24V/12V的接口電路如圖2所示。輸入的220V交流電首先經(jīng)過整流器整流，從JP2輸入，通過控制面板上的按鍵POWER來控制繼電器JQX-115F的閉合與開斷，得到DC24V/12V。二極管D40起保護元件的作用。

采用LM2576S-5.0的穩(wěn)壓芯片的穩(wěn)壓濾波電路如圖3所示，LM2576S-5.0是美國國家半導體公司生產(chǎn)的3A電流輸出降壓開關型集成穩(wěn)壓電路[2]，通常，LM2576S-5.0芯片用作降壓穩(wěn)壓器，可以實現(xiàn)將24V的電壓降到5V使用。輸入的24V的電壓首先需要通過電容和電感組成的濾波電路，并由CP1穩(wěn)壓方能接入LM2576S-5.0，得到的5V電壓仍需經(jīng)由電容和電感組成的濾波電路輸出。提高穩(wěn)壓電源的輸入可以大大加強抗跌落干擾能力，從而體現(xiàn)出穩(wěn)壓電源的“熱損失”少的特點[6]。

3.3 通訊模塊

通訊模塊用于實現(xiàn)上位機與功能控制板數(shù)據(jù)通信，選擇常用的RS232通訊標準。為使RS232所需的電平能夠和單片機控制部分的電平標準相匹配，因此，TTL 電平轉化電路被用來實現(xiàn)電平轉化。圖4所示是TTL電平轉換電路連接ARM芯片和PC機。

3.4 輸入輸出模塊

功能控制板的輸入為具有各種作用的按鈕，操作人員通過對按鈕進行操作，從而將需要執(zhí)行的功能傳給STM32控制核心。該輸入信號由STM32控制運行相應的內部程序，將運算的結果發(fā)到上位機上，實現(xiàn)切割機去驅動相應的執(zhí)行機構動作。

由于輸出口的輸出電流較小，無法直接接執(zhí)行部件。一般，利用外接驅動電路實現(xiàn)對執(zhí)行件的驅動。同時，相應的器件隔離需要進行考慮。當遇到緊急危險條件，ESTOP急停按鈕需要被按下。用光耦隔離ESTOP和ARM芯片的電路如圖5所示。

4 結語

人機接口是實現(xiàn)數(shù)控機床與操作技術者之間信息交流的橋梁與平臺，一個設計合理的人機接口能夠大大提高操作效率。本文對數(shù)控切割機人機接口的硬件部分進行通用模塊化設計。在元器件的選擇上多采用集成芯片以提高抗干擾的能力，在電源電路的設計中借助多級濾波的方式消除影響，考慮到干擾和穩(wěn)定，輸入輸出信號通過隔離輸入，經(jīng)過放大進行輸出。在實際測試中，所設計的模塊化人機接口維修方便，能夠滿足機床的應用需求。

參考文獻

[1]孫克爭.基于EtherMAC平臺的數(shù)控切割機控制系統(tǒng)研究[D].山東大學，2012.

[2]陳潔，鄭鵬.數(shù)控等離子切割技術及應用[J].新技術新工藝，2009，（6）：80-82.

[3]孔德杰，張光先，喬立強，等.數(shù)控等離子切割技術在我國的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].電焊機，2005，35（1）：6-7.

[4]劉揚.數(shù)控切割機通用模塊化人機接口的設計[D].大連交通大學，2014.

[5]宋凱.基于STM32數(shù)控彎管切割機控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].重慶大學，2014.

[6]袁濤.H橋功率驅動電路的設計與研究[D].重慶：電子科技大學，2006.