田延娟
山東電子職業技術學院，山東 濟南 250014
摘 要：針對塑料管材切割過程，提出一種基于單片機控制的自動切割同時進行校驗的技術研究方案。該方案主要基于單片機程序進行切割動作的控制，以紅外傳感為輔助判斷切割動作是否完成，從而保證切割動作正常執行。實驗結果表明：該自動切割系統很好地滿足了切割過程的需求，保證了切割動作的準確度和精確度，對于塑料管材自動切割技術的研究有一定指導意義。
關鍵詞： 單片機；塑料管材；紅外傳感；自動切割
隨著塑料工業的持續發展，人們對于塑料產品的質量提出了更高的要求，而隨著城市化步伐的加快，對于塑料產品的需求也日益增長[1-3]。為此，我國塑料制品行業不斷進行產業結構調整、優化和轉型，呈現出蒸蒸日上的發展趨勢，但與發達國家相比，我國塑料制品生產企業的制造工藝、生產效率、產品質量仍然存在一定差距，這些問題有待于進一 步解決，以提高我國塑料企業的持續競爭力。塑料管材是塑料產品的重要組成部分，其制造工藝的發
展對于塑料行業非常重要。而塑料管材制造中的一個重要環節就是管材切割，它屬于管材制造的最后一個環節，直接關乎產品的外觀和精度[4-5]。本研究提出了一種基于單片機控制的自動切割(同時進行校驗)技術方案，該方案的切割動作通過單片機程序進行控制，同時以紅外傳感為輔助判斷切割動作是否完成，從而保證切割動作的正常執行[6-8]。
1 系統設計
1.1 設計思路
本研究選用易于操作和編程的單片機為系統控制核心，以紅外傳感技術為檢測方式，通過液晶 屏與報警裝置的搭配使用實現對自動切割過程的狀態判斷顯示[9-10]。該自動切割系統的設計原理為：(1)根據產品設計需求，使用單片機進行編程，控制切割工具進行切割；(2)切割動作完成之后，單片機根據傳回的紅外傳感信號進行動作判斷并在液晶 屏顯示，若切割正常則發出指令控制生產線繼續運 行，并進行下一次切割動作，若不正常則進行報警。 系統框圖設計如圖1所示。
1.2 硬件設計
本設計的硬件選型分析包括紅外傳感、單片機、切割電機、液晶屏及報警裝置。紅外傳感主要用于對切割元件切割處判斷是否切割完成，選取型號為QT30CM的對射式光電開關紅外傳感器(NPN 三線常開型)，其工作電壓(直流)為5 V，無遮擋時輸出信號為低電平，加1 kΩ上拉電阻即可與單片機進行通信，滿足系統設計需求[11-13]；單片機選取宏晶公司STC15W4K32S4系列單片機，具有大容量、 高速度、低功耗的優點，且采用了高速模數轉換器 (ADC)，其性能完全符合系統設計需求[14-15]；切割工具通常采用高功率電機，由于切割精確度的設計要求，本研究將選取小型步進電機進行設計，該電機型號為57BYG250B，輸出力矩1.2 N·m、輸出電流3 A，其功率能夠滿足系統設計需求[16]；報警裝置選取高電平信號觸發繼電器來模擬報警；液晶屏主要用來顯示切割動作的狀態，本設計選取LCD12864液晶顯示屏，其具有操作簡單、控制方便的特點，滿足系統設計需求[17-18]。
1.3 工作流程設計
硬件選型后，對系統工作流程進行設計(如圖2所示)：(1)啟動系統，單片機開始工作，連接于單片機輸入端的對射式紅外傳感器向單片機持續傳送信號，單片機程序根據紅外傳感信號判斷工件是否就位(即起始端是否到達切割開始位置)，判斷正常后開始切割動作；(2)根據對射式紅外傳感信號判斷切割動作完成度，當接收到所有傳感器(安裝于工件上下處)的低電平信號時，表明工件切割完成；
(3)每完成一次切割動作，單片機即通過液晶屏對當前狀態進行顯示，同時進行一次計數，并判斷整個管材是否切割完成，在此過程中若出現切割異常情況，則會啟動報警裝置。
2 實驗設計及結果分析
2.1 實驗設計
在硬件選型與系統流程設計之后，將進行實驗平臺搭建設計。由于實驗條件的限制，將選取直徑分別為20、32、40、50 mm的4種家用塑料PVC管材進行系統可靠性驗證(傳感器組數根據直徑分別設為3、4、5、6)；同時每種管材需設置不同的截取長度，從而通過所獲數據對切割系統的精確度進行驗證。
2.2 系統穩定性測試與數據分析
將每組實驗的管材長度均統一為2 m，且進行5種截取長度設置，分別為10、20、40、50、100 cm。由于各組實驗的管材截取長度及管材直徑均不相同，故需對程序進行不斷修正，從而驗證不同情況下的系統可靠程度，結果如表1~表4所示。
由表1數據可知，對于直徑20 mm的管材，系統計數值與理論計數值完全一致，而系統認定的切割完整(數量)與人眼觀察的結果存在一定差異。
由表2數據可知，對于直徑32 mm的管材，系統計數值與理論計數值完全一致，而系統認定的切割完整與人眼觀察結果亦存在一定差異，且該差異比表1更大。
由表3數據可知，對于直徑40 mm的管材，系統計數值與理論計數值完全一致，系統認定的切割完整與人眼觀察結果存在一定差異，而該差異比表1、表2更大。
由表4數據可知，對于直徑50 mm的管材，系統計數值與理論計數值完全一致，系統認定的切割完整與人眼觀察結果存在一定差異，而該差異比表1、表2、表3更大。
以上4組實驗中，系統對次數的認定與理論次數相同，但系統認定的切割完整數量要高于人眼觀察的結果。隨著管徑的增加，系統認定的切割完整量與人眼觀察結果的差值明顯增大；隨著切割次數的增加(即切割長度減小)，系統認定的切割完整量與人眼觀察結果的差值明顯增大。實驗數據證明，系統的判斷明顯優于人眼觀察，且系統認定準確率很高，滿足設計要求。
3 結論
本設計的自動切割系統能夠滿足塑料管材切割過程的需求，其切割動作具有良好的準確度和精確度，對塑料管材自動切割技術研究有一定參考意義。
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