王世珠+劉揚(yáng)+費(fèi)繼友+劉曉東

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

關(guān)鍵詞：數(shù)控切割機(jī)；通用模塊化；人機(jī)接口；STM32

中圖分類號(hào)：TP31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，擁有廣闊的市場(chǎng)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(jìn)行選擇，但其數(shù)控系統(tǒng)通常沒有人機(jī)接口。為滿足眾多消費(fèi)者的各種需求，使機(jī)床型號(hào)和配備的人機(jī)接口都不盡相同。

目前，我國數(shù)控切割機(jī)的人機(jī)接口仍沒有實(shí)現(xiàn)完全通用，缺乏可維修性。因此，促進(jìn)數(shù)控切割機(jī)人機(jī)接口的功能模塊化發(fā)展，能夠減少不同平臺(tái)相互切換時(shí)程序的移植量，對(duì)數(shù)控切割機(jī)的發(fā)展具有重要意義。

本文從模塊化設(shè)計(jì)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(jī)接口的總體設(shè)計(jì)方案；其次，選取STM32為主處理單元，在此基礎(chǔ)上對(duì)電源模塊、通信模塊、I/O模塊、USB接口模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。人機(jī)接口的模塊化設(shè)計(jì)使生產(chǎn)效率得到提高。

2 功能控制面板總體方案設(shè)計(jì)

數(shù)控切割機(jī)通用模塊化人機(jī)接口是指人與數(shù)控切割機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之間建立聯(lián)系、交換信息的輸入/輸出設(shè)備的接口[4]，主要由切割機(jī)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(shí)現(xiàn)通訊的接口，功能控制板的按鍵被按下時(shí)，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(yùn)行，將可編程控制器的輸出發(fā)到執(zhí)行器件，實(shí)現(xiàn)控制機(jī)床的目的。

3 功能控制面板硬件設(shè)計(jì)

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(jī)軟件、硬件開發(fā)工具以及芯片的性價(jià)比等方面因素。STM32F103VCT6擁有ARM7內(nèi)核，其引腳的數(shù)目能達(dá)到100，而且工作頻率高達(dá)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(zhuǎn)換模塊CH340G與UART1相連，當(dāng)采用光纖進(jìn)行信息的接受與發(fā)送時(shí)，光纖通信端子與UART2連接；上位機(jī)采用TTL電路實(shí)現(xiàn)與STM32F103VCT6的UART3連接。

3.2 電源模塊

電源模塊是整個(gè)硬件電路的動(dòng)力來源，它的性能是否優(yōu)良將會(huì)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(hù)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(dǎo)體公司生產(chǎn)的3A電流輸出降壓開關(guān)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(shí)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(qiáng)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(diǎn)[6]。

3.3 通訊模塊

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

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(duì)按鈕進(jìn)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(hào)由STM32控制運(yùn)行相應(yīng)的內(nèi)部程序，將運(yùn)算的結(jié)果發(fā)到上位機(jī)上，實(shí)現(xiàn)切割機(jī)去驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)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(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行件的驅(qū)動(dòng)。同時(shí)，相應(yīng)的器件隔離需要進(jìn)行考慮。當(dāng)遇到緊急危險(xiǎn)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(jié)語

人機(jī)接口是實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床與操作技術(shù)者之間信息交流的橋梁與平臺(tái)，一個(gè)設(shè)計(jì)合理的人機(jī)接口能夠大大提高操作效率。本文對(duì)數(shù)控切割機(jī)人機(jī)接口的硬件部分進(jìn)行通用模塊化設(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)中借助多級(jí)濾波的方式消除影響，考慮到干擾和穩(wěn)定，輸入輸出信號(hào)通過隔離輸入，經(jīng)過放大進(jìn)行輸出。在實(shí)際測(cè)試中，所設(shè)計(jì)的模塊化人機(jī)接口維修方便，能夠滿足機(jī)床的應(yīng)用需求。

參考文獻(xiàn)

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[6]袁濤.H橋功率驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與研究[D].重慶：電子科技大學(xué)，2006.