王世珠+刘扬+费继友+刘晓东

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。

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

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-40℃～85℃。

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通用輸出口连接，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

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以提高抗干扰的能力，在电源电路的设计中借助多级滤波的方式消除影响，考虑到干扰和稳定，输入输出信号通过隔离输入，经过放大进行输出。在实际测试中，所设计的模块化人机接口维修方便，能够满足机床的应用需求。

参考文献

[1]孙克争.基于EtherMAC平台的数控切割机控制系统研究[D].山东大学，2012.

[2]陈洁，郑鹏.数控等离子切割技术及应用[J].新技术新工艺，2009，（6）：80-82.

[3]孔德杰，张光先，乔立强，等.数控等离子切割技术在我国的现状与发展[J].电焊机，2005，35（1）：6-7.

[4]刘扬.数控切割机通用模块化人机接口的设计[D].大连交通大学，2014.

[5]宋凯.基于STM32数控弯管切割机控制系统的研究与开发[D].重庆大学，2014.

[6]袁涛.H桥功率驱动电路的设计与研究[D].重庆：电子科技大学，2006.