数控切割机人机接口硬件模块化设计

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 数控切割机人机接口硬件模块化设 计 摘要：随着制造业对生产效率、 高精度、智能化要求的不断提高，数控 切割机因其在数控领域的优点而占领市 场，但目前数控切割机配备的人机接口 大多缺乏通用性，针对这一问题，本文 对等离子数控切割机和火焰式数控切割 机的人机接口硬件进行通用模块化设计。 首先介绍了数控切割机的系统组成和各 部分功能，提出人机接口的总体设计方 案；其次，以 STM32 系列芯片为核心 微处理器，围绕 STM32 对其辅助硬件 电路进行相关设计（电源模块、通信模 块、I/O 模块） 。在实际使用中，此硬件 电路可以满足切割机功能控制要求。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 中国论文网 /8/view-12904749.htm 关键词：数控切割机；通用模块 化；人机接口；STM32 中图分类号：TP31 文献标识码： A 文章编号： 1007-9416（2017）01- 0150-02 1 引言 随着制造业的发展，数控切割由 于具有精度和效率高1，而且智能化、 动化程度高等优点，拥有广阔的市场潜 力和发展空间2-3。因此，越来越多的 数控系统可以被用户进行选择，但其数 控系统通常没有人机接口。为满足众多 消费者的各种需求，使机床型号和配备 的人机接口都不尽相同。 目前，我国数控切割机的人机接 口仍没有实现完全通用，缺乏可维修性。 因此，促进数控切割机人机接口的功能 模块化发展，能够减少不同平台相互切 换时程序的移植量，对数控切割机的发 展具有重要意义。 本文从模块化设计理念出发，采 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 用集成器件来提高 PCB 板的抗干扰能 力，并能够大大减少生产成本，缩短生 产周期，首先，人机接口的总体设计方 案；其次，选取 STM32 为主处理单元， 在此基础上对电源模块、通信模块、 I/O 模块、 USB 接口模块进行设计。人 机接口的模块化设计使生产效率得到提 高。 2 功能控制面板总体方案设计 数控切割机通用模块化人机接口 是指人与数控切割机数控系统之间建立 联系、交换信息的输入/输出设备的接口 4，主要由切割机功能控制板、键盘和 显示器三部分组成。功能控制板用来连 接可编程控制器，实现通讯的接口，功 能控制板的按键被按下时，通过串口将 按键信息传到系统接口板上，由系统接 口板然传到可编程控制器，可编程控制 器按照程序运行，将可编程控制器的输 出发到执行器件，实现控制机床的目的。 3 功能控制面板硬件设计 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 3.1 核心处理器选择 本文选择 STM32 系列 5微处理 器 STM32F103VCT6 作为控制部分的核 心，是考虑切割机软件、硬件开发工具 以及芯片的性价比等方面因素。 STM32F103VCT6 拥有 ARM7 内核，其 引脚的数目能达到 100，而且工作频率 高达 72MHz，芯片的允许工作温度为- 4085。 以 STM32F103C8T6 为核心处理 器的硬件模块如图 1 所示。人们通过按 键将输入的信息与 GPIO 通用输入口相 连接，指示灯模块与 GPIO 通用出口 连接，用于显示按键是否被按下。 USB1 经 USB 转换模块 CH340G 与 UART1 相连，当采用光纤进行信息的 接受与发送时，光纤通信端子与 UART2 连接；上位机采用 TTL 电路实 现与 STM32F103VCT6 的 UART3 连接。 3.2 电源模块 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 电源模块是整个硬件电路的动力 来源，它的性能是否优良将会影响功能 控制面板的性能。一般，电源模块需要 由变压器经过电压变换，整流电路将交 流变为直流电、滤波电路滤去杂波、并 经过稳压过程。 直流 24V/12V 的接口电路如图 2 所示。输入的 220V 交流电首先经过整 流器整流，从 JP2 输入，通过控制面板 上的按键 POWER 来控制继电器 JQX- 115F 的闭合与开断，得到 DC24V/12V。二极管 D40 起保护元件 的作用。 采用 LM2576S-5.0 的稳压芯片的 稳压滤波电路如图 3 所示，LM2576S- 5.0 是美国国家半导体公司生产的 3A 电 流输出降压开关型集成稳压电路2，通 常，LM2576S-5.0 芯片用作降压稳压器， 可以实现将 24V 的电压降到 5V 使用。 输入的 24V 的电压首先需要通过电容和 电感组成的滤波电路，并由 CP1 稳压方 能接入 LM2576S-5.0，得到的 5V 电压 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 仍需经由电容和电感组成的滤波电路输 出。提高稳压电源的输入可以大大加强 抗跌落干扰能力，从而体现出稳压电源 的“热损失”少的特点6。 3.3 通讯模块 通讯模块用于实现上位机与功能 控制板数据通信，选择常用的 RS232 通 讯标准。为使 RS232 所需的电平能够和 单片机控制部分的电平标准相匹配，因 此，TTL 电平转化电路被用来实现电 平转化。图 4 所示是 TTL 电平转换电 路连接 ARM 芯片和 PC 机。 3.4 输入输出模块 功能控制板的输入为具有各种作 用的按钮，操作人员通过对按钮进行操 作，从而将需要执行的功能传给 STM32 控制核心。该输入信号由 STM32 控制运行相应的内部程序，将 运算的结果发到上位机上，实现切割机 去驱动相应的执行机构动作。 由于输出口的输出电流较小，无 法直接接执行部件。一般，利用外接驱 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 动电路实现对执行件的驱动。同时，相 应的器件隔离需要进行考虑。当遇到紧 急危险条件，ESTOP 急停按钮需要被 按下。用光耦隔离 ESTOP 和 ARM 芯 片的电路如图 5 所示。 4 结语 人机接口是实现数控机床与操作 技术者之间信息交流的桥梁与平台，一 个设计合理的人机接口能够大大提高操 作效率。本文对数控切割机人机接口的 硬件部分进行通用模块化设计。在元器 件的选择上多采用集成芯片