田延娟
山东电子职业技术学院，山东 济南 250014
摘 要：针对塑料管材切割过程，提出一种基于单片机控制的自动切割同时进行校验的技术研究方案。该方案主要基于单片机程序进行切割动作的控制，以红外传感为辅助判断切割动作是否完成，从而保证切割动作正常执行。实验结果表明：该自动切割系统很好地满足了切割过程的需求，保证了切割动作的准确度和精确度，对于塑料管材自动切割技术的研究有一定指导意义。
关键词： 单片机；塑料管材；红外传感；自动切割
随着塑料工业的持续发展，人们对于塑料产品的质量提出了更高的要求，而随着城市化步伐的加快，对于塑料产品的需求也日益增长[1-3]。为此，我国塑料制品行业不断进行产业结构调整、优化和转型，呈现出蒸蒸日上的发展趋势，但与发达国家相比，我国塑料制品生产企业的制造工艺、生产效率、产品质量仍然存在一定差距，这些问题有待于进一 步解决，以提高我国塑料企业的持续竞争力。塑料管材是塑料产品的重要组成部分，其制造工艺的发
展对于塑料行业非常重要。而塑料管材制造中的一个重要环节就是管材切割，它属于管材制造的最后一个环节，直接关乎产品的外观和精度[4-5]。本研究提出了一种基于单片机控制的自动切割(同时进行校验)技术方案，该方案的切割动作通过单片机程序进行控制，同时以红外传感为辅助判断切割动作是否完成，从而保证切割动作的正常执行[6-8]。
1 系统设计
1.1 设计思路
本研究选用易于操作和编程的单片机为系统控制核心，以红外传感技术为检测方式，通过液晶 屏与报警装置的搭配使用实现对自动切割过程的状态判断显示[9-10]。该自动切割系统的设计原理为：(1)根据产品设计需求，使用单片机进行编程，控制切割工具进行切割；(2)切割动作完成之后，单片机根据传回的红外传感信号进行动作判断并在液晶 屏显示，若切割正常则发出指令控制生产线继续运 行，并进行下一次切割动作，若不正常则进行报警。 系统框图设计如图1所示。
1.2 硬件设计
本设计的硬件选型分析包括红外传感、单片机、切割电机、液晶屏及报警装置。红外传感主要用于对切割元件切割处判断是否切割完成，选取型号为QT30CM的对射式光电开关红外传感器(NPN 三线常开型)，其工作电压(直流)为5 V，无遮挡时输出信号为低电平，加1 kΩ上拉电阻即可与单片机进行通信，满足系统设计需求[11-13]；单片机选取宏晶公司STC15W4K32S4系列单片机，具有大容量、 高速度、低功耗的优点，且采用了高速模数转换器 (ADC)，其性能完全符合系统设计需求[14-15]；切割工具通常采用高功率电机，由于切割精确度的设计要求，本研究将选取小型步进电机进行设计，该电机型号为57BYG250B，输出力矩1.2 N·m、输出电流3 A，其功率能够满足系统设计需求[16]；报警装置选取高电平信号触发继电器来模拟报警；液晶屏主要用来显示切割动作的状态，本设计选取LCD12864液晶显示屏，其具有操作简单、控制方便的特点，满足系统设计需求[17-18]。
1.3 工作流程设计
硬件选型后，对系统工作流程进行设计(如图2所示)：(1)启动系统，单片机开始工作，连接于单片机输入端的对射式红外传感器向单片机持续传送信号，单片机程序根据红外传感信号判断工件是否就位(即起始端是否到达切割开始位置)，判断正常后开始切割动作；(2)根据对射式红外传感信号判断切割动作完成度，当接收到所有传感器(安装于工件上下处)的低电平信号时，表明工件切割完成；
(3)每完成一次切割动作，单片机即通过液晶屏对当前状态进行显示，同时进行一次计数，并判断整个管材是否切割完成，在此过程中若出现切割异常情况，则会启动报警装置。
2 实验设计及结果分析
2.1 实验设计
在硬件选型与系统流程设计之后，将进行实验平台搭建设计。由于实验条件的限制，将选取直径分别为20、32、40、50 mm的4种家用塑料PVC管材进行系统可靠性验证(传感器组数根据直径分别设为3、4、5、6)；同时每种管材需设置不同的截取长度，从而通过所获数据对切割系统的精确度进行验证。
2.2 系统稳定性测试与数据分析
将每组实验的管材长度均统一为2 m，且进行5种截取长度设置，分别为10、20、40、50、100 cm。由于各组实验的管材截取长度及管材直径均不相同，故需对程序进行不断修正，从而验证不同情况下的系统可靠程度，结果如表1~表4所示。
由表1数据可知，对于直径20 mm的管材，系统计数值与理论计数值完全一致，而系统认定的切割完整(数量)与人眼观察的结果存在一定差异。
由表2数据可知，对于直径32 mm的管材，系统计数值与理论计数值完全一致，而系统认定的切割完整与人眼观察结果亦存在一定差异，且该差异比表1更大。
由表3数据可知，对于直径40 mm的管材，系统计数值与理论计数值完全一致，系统认定的切割完整与人眼观察结果存在一定差异，而该差异比表1、表2更大。
由表4数据可知，对于直径50 mm的管材，系统计数值与理论计数值完全一致，系统认定的切割完整与人眼观察结果存在一定差异，而该差异比表1、表2、表3更大。
以上4组实验中，系统对次数的认定与理论次数相同，但系统认定的切割完整数量要高于人眼观察的结果。随着管径的增加，系统认定的切割完整量与人眼观察结果的差值明显增大；随着切割次数的增加(即切割长度减小)，系统认定的切割完整量与人眼观察结果的差值明显增大。实验数据证明，系统的判断明显优于人眼观察，且系统认定准确率很高，满足设计要求。
3 结论
本设计的自动切割系统能够满足塑料管材切割过程的需求，其切割动作具有良好的准确度和精确度，对塑料管材自动切割技术研究有一定参考意义。
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