田延娟
山東電子職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250014
摘 要：針對(duì)塑料管材切割過(guò)程，提出一種基于單片機(jī)控制的自動(dòng)切割同時(shí)進(jìn)行校驗(yàn)的技術(shù)研究方案。該方案主要基于單片機(jī)程序進(jìn)行切割動(dòng)作的控制，以紅外傳感為輔助判斷切割動(dòng)作是否完成，從而保證切割動(dòng)作正常執(zhí)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該自動(dòng)切割系統(tǒng)很好地滿足了切割過(guò)程的需求，保證了切割動(dòng)作的準(zhǔn)確度和精確度，對(duì)于塑料管材自動(dòng)切割技術(shù)的研究有一定指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞： 單片機(jī)；塑料管材；紅外傳感；自動(dòng)切割
隨著塑料工業(yè)的持續(xù)發(fā)展，人們對(duì)于塑料產(chǎn)品的質(zhì)量提出了更高的要求，而隨著城市化步伐的加快，對(duì)于塑料產(chǎn)品的需求也日益增長(zhǎng)[1-3]。為此，我國(guó)塑料制品行業(yè)不斷進(jìn)行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、優(yōu)化和轉(zhuǎn)型，呈現(xiàn)出蒸蒸日上的發(fā)展趨勢(shì)，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)塑料制品生產(chǎn)企業(yè)的制造工藝、生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量仍然存在一定差距，這些問(wèn)題有待于進(jìn)一 步解決，以提高我國(guó)塑料企業(yè)的持續(xù)競(jìng)爭(zhēng)力。塑料管材是塑料產(chǎn)品的重要組成部分，其制造工藝的發(fā)
展對(duì)于塑料行業(yè)非常重要。而塑料管材制造中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是管材切割，它屬于管材制造的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，直接關(guān)乎產(chǎn)品的外觀和精度[4-5]。本研究提出了一種基于單片機(jī)控制的自動(dòng)切割(同時(shí)進(jìn)行校驗(yàn))技術(shù)方案，該方案的切割動(dòng)作通過(guò)單片機(jī)程序進(jìn)行控制，同時(shí)以紅外傳感為輔助判斷切割動(dòng)作是否完成，從而保證切割動(dòng)作的正常執(zhí)行[6-8]。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.1 設(shè)計(jì)思路
本研究選用易于操作和編程的單片機(jī)為系統(tǒng)控制核心，以紅外傳感技術(shù)為檢測(cè)方式，通過(guò)液晶 屏與報(bào)警裝置的搭配使用實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)切割過(guò)程的狀態(tài)判斷顯示[9-10]。該自動(dòng)切割系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理為：(1)根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求，使用單片機(jī)進(jìn)行編程，控制切割工具進(jìn)行切割；(2)切割動(dòng)作完成之后，單片機(jī)根據(jù)傳回的紅外傳感信號(hào)進(jìn)行動(dòng)作判斷并在液晶 屏顯示，若切割正常則發(fā)出指令控制生產(chǎn)線繼續(xù)運(yùn) 行，并進(jìn)行下一次切割動(dòng)作，若不正常則進(jìn)行報(bào)警。 系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)如圖1所示。
1.2 硬件設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)的硬件選型分析包括紅外傳感、單片機(jī)、切割電機(jī)、液晶屏及報(bào)警裝置。紅外傳感主要用于對(duì)切割元件切割處判斷是否切割完成，選取型號(hào)為QT30CM的對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)紅外傳感器(NPN 三線常開(kāi)型)，其工作電壓(直流)為5 V，無(wú)遮擋時(shí)輸出信號(hào)為低電平，加1 kΩ上拉電阻即可與單片機(jī)進(jìn)行通信，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求[11-13]；單片機(jī)選取宏晶公司STC15W4K32S4系列單片機(jī)，具有大容量、 高速度、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，且采用了高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，其性能完全符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求[14-15]；切割工具通常采用高功率電機(jī)，由于切割精確度的設(shè)計(jì)要求，本研究將選取小型步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，該電機(jī)型號(hào)為57BYG250B，輸出力矩1.2 N·m、輸出電流3 A，其功率能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求[16]；報(bào)警裝置選取高電平信號(hào)觸發(fā)繼電器來(lái)模擬報(bào)警；液晶屏主要用來(lái)顯示切割動(dòng)作的狀態(tài)，本設(shè)計(jì)選取LCD12864液晶顯示屏，其具有操作簡(jiǎn)單、控制方便的特點(diǎn)，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求[17-18]。
1.3 工作流程設(shè)計(jì)
硬件選型后，對(duì)系統(tǒng)工作流程進(jìn)行設(shè)計(jì)(如圖2所示)：(1)啟動(dòng)系統(tǒng)，單片機(jī)開(kāi)始工作，連接于單片機(jī)輸入端的對(duì)射式紅外傳感器向單片機(jī)持續(xù)傳送信號(hào)，單片機(jī)程序根據(jù)紅外傳感信號(hào)判斷工件是否就位(即起始端是否到達(dá)切割開(kāi)始位置)，判斷正常后開(kāi)始切割動(dòng)作；(2)根據(jù)對(duì)射式紅外傳感信號(hào)判斷切割動(dòng)作完成度，當(dāng)接收到所有傳感器(安裝于工件上下處)的低電平信號(hào)時(shí)，表明工件切割完成；
(3)每完成一次切割動(dòng)作，單片機(jī)即通過(guò)液晶屏對(duì)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行顯示，同時(shí)進(jìn)行一次計(jì)數(shù)，并判斷整個(gè)管材是否切割完成，在此過(guò)程中若出現(xiàn)切割異常情況，則會(huì)啟動(dòng)報(bào)警裝置。
2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析
2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
在硬件選型與系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)之后，將進(jìn)行實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建設(shè)計(jì)。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，將選取直徑分別為20、32、40、50 mm的4種家用塑料PVC管材進(jìn)行系統(tǒng)可靠性驗(yàn)證(傳感器組數(shù)根據(jù)直徑分別設(shè)為3、4、5、6)；同時(shí)每種管材需設(shè)置不同的截取長(zhǎng)度，從而通過(guò)所獲數(shù)據(jù)對(duì)切割系統(tǒng)的精確度進(jìn)行驗(yàn)證。
2.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試與數(shù)據(jù)分析
將每組實(shí)驗(yàn)的管材長(zhǎng)度均統(tǒng)一為2 m，且進(jìn)行5種截取長(zhǎng)度設(shè)置，分別為10、20、40、50、100 cm。由于各組實(shí)驗(yàn)的管材截取長(zhǎng)度及管材直徑均不相同，故需對(duì)程序進(jìn)行不斷修正，從而驗(yàn)證不同情況下的系統(tǒng)可靠程度，結(jié)果如表1~表4所示。
由表1數(shù)據(jù)可知，對(duì)于直徑20 mm的管材，系統(tǒng)計(jì)數(shù)值與理論計(jì)數(shù)值完全一致，而系統(tǒng)認(rèn)定的切割完整(數(shù)量)與人眼觀察的結(jié)果存在一定差異。
由表2數(shù)據(jù)可知，對(duì)于直徑32 mm的管材，系統(tǒng)計(jì)數(shù)值與理論計(jì)數(shù)值完全一致，而系統(tǒng)認(rèn)定的切割完整與人眼觀察結(jié)果亦存在一定差異，且該差異比表1更大。
由表3數(shù)據(jù)可知，對(duì)于直徑40 mm的管材，系統(tǒng)計(jì)數(shù)值與理論計(jì)數(shù)值完全一致，系統(tǒng)認(rèn)定的切割完整與人眼觀察結(jié)果存在一定差異，而該差異比表1、表2更大。
由表4數(shù)據(jù)可知，對(duì)于直徑50 mm的管材，系統(tǒng)計(jì)數(shù)值與理論計(jì)數(shù)值完全一致，系統(tǒng)認(rèn)定的切割完整與人眼觀察結(jié)果存在一定差異，而該差異比表1、表2、表3更大。
以上4組實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)對(duì)次數(shù)的認(rèn)定與理論次數(shù)相同，但系統(tǒng)認(rèn)定的切割完整數(shù)量要高于人眼觀察的結(jié)果。隨著管徑的增加，系統(tǒng)認(rèn)定的切割完整量與人眼觀察結(jié)果的差值明顯增大；隨著切割次數(shù)的增加(即切割長(zhǎng)度減小)，系統(tǒng)認(rèn)定的切割完整量與人眼觀察結(jié)果的差值明顯增大。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，系統(tǒng)的判斷明顯優(yōu)于人眼觀察，且系統(tǒng)認(rèn)定準(zhǔn)確率很高，滿足設(shè)計(jì)要求。
3 結(jié)論
本設(shè)計(jì)的自動(dòng)切割系統(tǒng)能夠滿足塑料管材切割過(guò)程的需求，其切割動(dòng)作具有良好的準(zhǔn)確度和精確度，對(duì)塑料管材自動(dòng)切割技術(shù)研究有一定參考意義。
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