激光切割數(shù)控系統(tǒng)的遙控器設(shè)計(jì)

李奉順?陸榮鑑?張建紅?唐子焓

摘 要：由于激光切割機(jī)床比較大，工人在操作時，需要在操作面板和床身之間來回跑動，很不方便。為解決這個問題，需采用無線遙控的方式。本系統(tǒng)分為兩個部分，一部分是按鍵的識別，另一部分是無線發(fā)送與接收部分。按鍵的識別是采用ZLG7290芯片進(jìn)行按鍵掃描、識別;無線發(fā)射是由2.4G的無線模塊完成，它將按鍵編碼通過無線的方式發(fā)送給數(shù)控系統(tǒng)，由數(shù)控系統(tǒng)完成相應(yīng)的動作。

關(guān)鍵詞：激光切割;遙控器;2.4G無線模塊;ZLG7290

0 引言

激光切割就是用聚焦鏡將CO2激光束聚焦在材料表面，使材料熔化，同時用與激光束同軸的壓縮氣體吹走被熔化的材料，使激光束與材料沿一定軌跡作相對運(yùn)動，從而形成一定形狀的切縫。1970年以后，由于數(shù)控技術(shù)及CO2激光器的不斷完善和發(fā)展，激光切割技術(shù)慢慢體現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)勢。相比較其他的切割方法，激光切割以其高速、高精度和高適應(yīng)性的特點(diǎn)，以及切割面質(zhì)量好、割縫細(xì)、切割時噪聲小、低污染等優(yōu)點(diǎn)，已然成為工業(yè)中板材切割的一種相對較為先進(jìn)的加工方法。[1，2，3]

激光切割的應(yīng)用十分廣泛，包括機(jī)床、工程機(jī)械、電氣開關(guān)制造、電梯制造、糧食機(jī)械、紡織機(jī)械、機(jī)車制造、農(nóng)林機(jī)械、食品機(jī)械、特種汽車、石油機(jī)械制造、航空航天、環(huán)保設(shè)備、家用電器制造、大電機(jī)硅鋼片等各種機(jī)械制造加工行業(yè)的眾多領(lǐng)域。因此，提高激光切割的安全性以及效率必然會帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。[2，3]目前，我國對于無線工業(yè)遙控器的研發(fā)很少，而且其性能不穩(wěn)定，安全等級也達(dá)不到相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，遙控器之間易發(fā)生干擾?？梢?，國產(chǎn)遙控器產(chǎn)品相比于歐洲產(chǎn)品，存在相當(dāng)大的差距;因此，對無線工業(yè)遙控器的研究設(shè)計(jì)具有現(xiàn)實(shí)意義。[4，5]

本遙控器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究主要采用德國PA8000LW系統(tǒng)設(shè)計(jì)出廉價(jià)、高精度、高可靠性、柔性化、網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)控系統(tǒng)。其主要利用2.4G無線通信與PA8000數(shù)控系統(tǒng)的控制面板相連，實(shí)現(xiàn)PA8000數(shù)控系統(tǒng)的手動遠(yuǎn)程控制，具有手動、點(diǎn)動、回原點(diǎn)、調(diào)高控制等功能。

1 遙控器控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

遙控器控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)包含了硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)：本系統(tǒng)通過兩個部分來組成，一個部分是按鍵的識別，這部分是采用ZLG7690芯片進(jìn)行按鍵的掃描和識別;另外一部分是由2.4G的無線模塊完成的，它將按鍵編碼通過無線的方式發(fā)送給數(shù)控系統(tǒng)，由數(shù)控系統(tǒng)完成相應(yīng)的動作。軟件設(shè)計(jì)：以MPLAB為開發(fā)平臺，使用C30進(jìn)行程序的編寫和設(shè)計(jì);根據(jù)不同部分不同的功能編寫出不同的程序，使系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。

2 遙控器系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

遙控器系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)是本文的設(shè)計(jì)重點(diǎn)之一，主要介紹了遙控器系統(tǒng)中的硬件設(shè)計(jì)和功能實(shí)現(xiàn);并且對電源、2.4G無線模塊、鍵盤、仿真器以及控制面板的硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 電源電路板設(shè)計(jì)

電源電路的主要芯片為LM1117，LM1117只用兩個外接電阻便可以控制輸出電壓。

2.2 鍵盤接口電路設(shè)計(jì)

ZLG7290采用I?C總線接口，與微控制器的連接僅需兩根信號線，硬件電路比較簡單;可以驅(qū)動8位共陰數(shù)碼管或64只獨(dú)立LED、64只獨(dú)立按鍵，并可提供自動消除抖動、連擊鍵計(jì)數(shù)等功能。[6，7，8]

2.3 2.4G無線模塊接口電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用的2.4G無線模塊是NRF24L01，該模塊通過SPI與MCU進(jìn)行通信，無線模塊的相關(guān)參數(shù)的設(shè)置可以通過SPI發(fā)送指令控制，能夠較好地適應(yīng)各種MCU。

2.4 仿真器接口電路設(shè)計(jì)

目前，一般使用的仿真器接口電路有SWD和JTAG等，仿真器接口電路可以控制MCU的運(yùn)行。

3 遙控器控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)整個系統(tǒng)開始工作的時候，首先初始化，檢測模塊是否響應(yīng)，若沒有則重新開始，若響應(yīng)則開始設(shè)置無線發(fā)送模塊的模式;然后按下鍵盤檢測有沒有鍵值，如果沒有鍵值重新按下鍵盤，如果有鍵值則讀取鍵值;最后檢測是否讀完，若讀完發(fā)送鍵值結(jié)束，沒有讀完重新按下鍵盤繼續(xù)檢測。本程序采用了模塊化的編程方法，[9]用具體的程序進(jìn)行仿真后證明該課題研究的可行性。

3.1 nRF2401無線模塊簡略工作流程

當(dāng)無線模塊開始工作時，先檢查有沒有磁場，當(dāng)有磁場時，配置NRF24L01發(fā)送數(shù)據(jù)。無線模塊芯片檢測是否收到應(yīng)答信號，若收到信號則LED燈閃爍，結(jié)束;若沒有接收到信號，重新配置發(fā)送數(shù)據(jù)。

3.2 鍵盤模塊ZLG7290簡略工作流程

首先初始化鍵盤模塊，然后啟動鍵盤模塊，開始掃描鍵盤。如果有按鍵按下的話，就將該鍵盤的鍵碼值傳給數(shù)字信號控制芯片dsPIC33EP502通過I2C通訊。

3.3 I2C簡略工作流程

首先初始化，然后主控方發(fā)送從動方地址信息，從動方發(fā)出認(rèn)可信號，如果收到則繼續(xù)進(jìn)行讀寫操作，然后結(jié)束。如果沒有收到則繼續(xù)上面的步驟。

3.4 SPI簡略工作流程

首先初始化DSP時鐘，SPI中斷，SPI控制寄存器;然后檢測是否接收到了時鐘信號。如果沒有收到則重新接收;如果收到信號，再查看是否接收到主處理器發(fā)送的非零數(shù)據(jù)，如果沒有收到非零數(shù)據(jù)則繼續(xù)重新接收，如果收到，循環(huán)給主處理器發(fā)送當(dāng)前數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

本文提出的激光切割數(shù)控系統(tǒng)的遙控器設(shè)計(jì)的課題，和目前現(xiàn)有的遙控器系統(tǒng)相比，首先，先將原先有PLC或者單片機(jī)作為主控芯片的系統(tǒng)換成了現(xiàn)在的數(shù)字信號控制芯片DSPIC33EPMC502。這個類型的芯片是由Microchip開發(fā)，針對此類遙控系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的專用芯片，從而能夠更加方便地處理不同的信號，來控制使之實(shí)現(xiàn)遙控器的控制功能。其次采用基于ZLG7290芯片的獨(dú)立鍵盤模塊，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的模塊化，為日后進(jìn)一步研究或其他提供了方便與可能性。最后選用了NRF24L01型號的2.4G無線模塊，此模塊的一些優(yōu)點(diǎn)，能夠使整個系統(tǒng)的信號接收和發(fā)送更加完整和方便。當(dāng)然，本系統(tǒng)也存在一些不足，相信在后期調(diào)整工作中會不斷改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

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[5] 段龍.熱封切制袋機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].廈門大學(xué)，2007.

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[7] 陸榮鑑，韓凌.基于ARM嵌入式的制袋機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].包裝工程，2012（17）：88-93.

[8] 畢楚瑜，薛偉.制袋機(jī)系統(tǒng)的伺服控制[J].微計(jì)算機(jī)信息自動化技術(shù)與應(yīng)用，2013（1）：71-73.

[9] 丁奉龍，周海燕.手持噴霧水電解機(jī)的控制裝置設(shè)計(jì)[J].藝術(shù)科技，2019，32（08）：241+243.

作者簡介：李奉順（1996—），男，研究生在讀，主要從事機(jī)電一體化、嵌入式系統(tǒng)方向的研究。

通訊作者：陸榮鑑（1964—），男，研究生，講師，主要從事機(jī)電一體化、工業(yè)控制系統(tǒng)方向的研究。