數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：隨著制造業對生產效率、高精度、智能化要求的不斷提高，數控切割機因其在數控領域的優點而占領市場，但目前數控切割機配備的人機接口大多缺乏通用性，針對這一問題，本文對等離子數控切割機和火焰式數控切割機的人機接口硬件進行通用模塊化設計。首先介紹了數控切割機的系統組成和各部分功能，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

隨著制造業的發展，數控切割由于具有精度和效率高[1]，而且智能化、動化程度高等優點，擁有廣闊的市場潛力和發展空間[2-3]。因此，越來越多的數控系統可以被用戶進行選擇，但其數控系統通常沒有人機接口。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，我國數控切割機的人機接口仍沒有實現完全通用，缺乏可維修性。因此，促進數控切割機人機接口的功能模塊化發展，能夠減少不同平臺相互切換時程序的移植量，對數控切割機的發展具有重要意義。

本文從模塊化設計理念出發，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成本，縮短生產周期，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效率得到提高。

2 功能控制面板總體方案設計

數控切割機通用模塊化人機接口是指人與數控切割機數控系統之間建立聯系、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接口板上，由系統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到執行器件，實現控制機床的目的。

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USB轉換模塊CH340G與UART1相連，當采用光纖進行信息的接受與發送時，光纖通信端子與UART2連接；上位機采用TTL電路實現與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過電壓變換，整流電路將交流變為直流電、濾波電路濾去雜波、并經過穩壓過程。

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的穩壓芯片的穩壓濾波電路如圖3所示，LM2576S-5.0是美國國家半導體公司生產的3A電流輸出降壓開關型集成穩壓電路[2]，通常，LM2576S-5.0芯片用作降壓穩壓器，可以實現將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穩壓方能接入LM2576S-5.0，得到的5V電壓仍需經由電容和電感組成的濾波電路輸出。提高穩壓電源的輸入可以大大加強抗跌落干擾能力，從而體現出穩壓電源的“熱損失”少的特點[6]。

3.3 通訊模塊

通訊模塊用于實現上位機與功能控制板數據通信，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，將運算的結果發到上位機上，實現切割機去驅動相應的執行機構動作。

由于輸出口的輸出電流較小，無法直接接執行部件。一般，利用外接驅動電路實現對執行件的驅動。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

人機接口是實現數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，考慮到干擾和穩定，輸入輸出信號通過隔離輸入，經過放大進行輸出。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平臺的數控切割機控制系統研究[D].山東大學，2012.

[2]陳潔，鄭鵬.數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.數控等離子切割技術在我國的現狀與發展[J].電焊機，2005，35（1）：6-7.

[4]劉揚.數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數控彎管切割機控制系統的研究與開發[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.