摘 要
中国2011年大约产生了1亿1570万吨的废铁屑，而2011年中国的铁屑消费量约为1亿2250万吨[1]。回收的切屑除了熔块再加工外，其自身的强还原性也经常被工厂用于含磷、含铬污水的处理以及铅、锰等物质的提取。近年切屑被回收后的利用率极高。但切屑的收集运输方面仍存在较大的问题，即使经过切削液的降温，也仍然很热，且格外锋利，因此在回收切屑的过程中经常会造成回收车间环境的污染，甚至划伤、烫伤工作人员。切屑的形状各异且不规则，所以其收集和运输常常要耗费大量的人力和物力。
针对目前金属减材加工制造行业中存在的切屑处理问题，本文设计了一种基于单片机控制的切屑运输系统，此系统提供了切屑由机床排屑器到切屑处理车间过程中所需面临的切屑收集、运输、排放等全部问题的自动化解决方案，并通过对比，选择了性价比更高的设计方案，具有较高的可推广性。
最后通过模型对厂区布局及本系统进行还原，实践证明了本系统在工厂中可使切屑处理的工作效率得到了显著的提高，并对智能工厂建设起到了推进作用。
关键词： 切屑运输；单片机； 生产安全； 智能工厂
1 项目总体设计
系统硬件设计主要由主控芯片、AGV运输模块、寻迹模块、切屑检测模块和卸载模块组成。主控芯片由单片机作为控制核心，主要负责处理传感器传回的数据，并通过驱动模块控制系统中AGV运输模块的运行[10]。AGV运输模块的驱动部分主要由电机驱动芯片构成，当芯片接收到来自单片机的信号时，会将放大后的信号输出给电机，从而控制整车的移动与转弯；寻迹模块主要负责将路径信息转换为电信号，并经过比较器比较后传回至单片机，单片机将信号输出给AGV运输模块，实现整车的转向及行驶；切屑检测模块由传感器组成，主要负责对货仓内切屑容量进行检测，当小车位于排屑器下方时，切屑检测模块会启动，当单片机获取到由切屑检测模块传回的反馈信息时，意味着货仓已经装满切屑，即开始向切屑处理车间移动。当本系统位于切屑处理车间的压屑机上料口时，卸载模块即开始工作，将切屑全部置于压屑机中，完成卸货工作后，系统将自动返回至机床排屑器处，各模块间关系如图1.1所示。
图1.1 各模块间关系图
2 机床切屑运输系统的优势
在应用了机床切屑运输系统后，可以很好的避免在转运过程中人力的不必要损耗，同时有效的避免了工人在转运切屑过程中被划伤烫伤的风险，对安全生产起到了很大的帮助。此外，系统运输过程中，转运速度可由系统进行统一调整，极大程度上减少了不必要的时间损耗，切屑也不会因操作不当导致的洒落而污染环境，影响加工现场的整洁度，同时系统中可安排多套转运车进行转运，每台机床也可配置多台转运车进行切屑的转运，极大程度的减少了转运过程中的等待时间，切屑运输效率得到了极大提升，在7×24小时不间断加工过程中，切屑转运效率提高两倍以上。此外，随着夜间切屑转运的问题解决后，也为工厂中黑灯工厂及自动化工厂项目的普及起到了推动作用，可以更加放心的推进项目改进的进程[11]。
3 单片机电路工作原理
STC89C52单片机的工作电路由电源电路、时钟电路和复位电路三个主要部分构成。
在单片机最小系统中，首先要解决的就是电源供电部分，电源电路的稳定可靠是整个系统平稳运行的前提和基础。在本设计中，电源部分由锂电池提供稳定的供电，同时电源电路中接入了LED作为电源指示，单片机电源电路如图2.2所示。
图2.2 单片机电源电路
单片机时钟电路是晶体振荡器以及单片机的内部电路所构成。其主要作用是为单片机提供信号脉冲。在STC89C52单片机内部存在一种高增益反相放大器。其输入引脚为XTAL1，输出引脚为XTAL2。在这两个引脚与晶体振荡器之间接入两个微调电容C1和C2，就可以构造出稳定的自激振荡回路。该设计使用了如图2.3所示的电路。通常，晶体振荡器或晶体振荡器的频率范围为1.2MHz~12MHz，一般使用振荡频率为6MHz或12MHz的晶体振荡器。此次设计中选用12MHz的晶体振荡器。
图2.3 时钟电路原理图
4 总体设计电路图
综合上述各部分的考虑，本设计方案决定采用STC89C52单片机作为主控芯片的主控模块，以L293D芯片作为核心的AGV运输模块，使用红外对管传感器搭建的的寻迹模块和切屑检测模块及通过电磁继电器控制的传送带构成的卸载模块五部分组成，各部分统一使用由锂电池组成的电源供电模块供电，本设计总体电路图如图2.7所示。
图2.7 总体电路图
5 项目调试
5.1 系统硬件测试
在系统中，对于硬件电路的检测主要是看焊接时是否有毛刺、无光泽，电路是否有短路、开路、一些具有方向的元件是否方向弄错、电路设计错误等情况。
对于元件方向错误及元件漏焊的检测方法是将实物电路板与原理图的线路进行对照，仔细检查每个器件和导线有没有出现在实物中。如果发现实物与原理图对不上的情况下需及时的确认，当确定存在漏焊时，要对元件进行补焊，之后再进行后续检测。
对于短路、断路、虚焊这些情况，应采用数字万用表检测。将数字万用表打到蜂鸣档，当红表笔与黑表笔导通导通，万用表会发出蜂鸣声提示使用者。根据这个原理就可以用来检测短路、断路或虚焊。在需要检测的元件或导线的两端分别连接两支表笔，如果蜂鸣器响了，则线路导通，如果蜂鸣器不响，则说明电路可能存在短路、断路或虚焊。
经过测试，实物电路板与原理图一致，所有元器件的插接、方向均正确，本系统最终实现了所有硬件功能。
确定电路连接正确后，制作压屑机上料口模型，并铺设道路制作厂区模型，再将本设计置于模型中进行模拟实验，在进行模拟实验的过程中，检测各模块间配合是否合理，通过模拟实验，发现切屑检测模块对切屑的检测不够灵敏，通过调整切屑检测模块灵敏度，使系统更加完善，再次测试时，发现轮胎抓地力较弱，在转弯时会产生空转，导致切屑无法转运，经过多次实验，在轮胎上贴一圈胶带即可将此问题解决。经过反复测试，本设计能够成功实现切屑的转运工作。
5.2 系统软件测试
本设计基于STC89C52单片机进行设计，利用单片机主程序完成对切屑检测模块及执行机构之间的联系和控制。使用的单片机型号为STC89C52系列，这个系列的单片机应用非常广泛，编译语言以C语言为主。Keil uVision4软件界面如图4.1所示。
图4.1 Keil uVision4软件界面
Keil uVision 4使用的基本方法，首先需要建立一个新的项目，选择使用的单片机类型（AT89C52），可以编写一个新的文件，编写完程序后进行编译，编译就是检测程序是否有错误和警告，警告不会影响程序的运行。在编译程序之后，生成.HEX文件。将十六进制文件编译并写入单片机[20]。
单片机控制测试：程序写入控制芯片STC89C52后，接通电源，电源指示灯亮，系统启动。切屑检测模块开始工作，如果货仓装满，则执行运输作业；如果未装满，则继续停在原地等待。
STC-ISP是将程序下载到单片机的软件工具，适用于STC系列单片机，首先选择。将单片机按照方向置于烧写器中，安装好驱动程序连接好计算机，启动软件选择对应的COM口。选中事先编辑好的.HEX文件，确定后点击下载，断电上电令单片机进行重启。此时软件会先对单片机里的原程序就行擦处，擦除后进行新程序的下载，这样单片机程序就烧写成功了，STC89C52烧录软件STC-ISP软件界面如图4.2所示。
图4.2 STC-ISP软件界面
程序烧写完成后，将本设计置于模拟环境中进行测试，在系统运行过程中，发现AGV转运模块速度过快导致系统无法对路径进行合理规划，修改程序中的PWM参数后，再一次烧写程序，AGV转运模块速度降低，系统可以顺利对路径进行规划。此外，在测试中还发线，程序会因同时检测到多个信号导致陷入死循环，重新修改程序，将判断条件进行修改，并在部分条件中增加延时条件，尽量避免较多信号导致的死循环产生，多次烧写程序，完成测试，通过多次修改程序，系统软件部分更加完善。
6 结 论
控制器方面采用STC89C52单片机完全符合本设计的控制需求，拥有数据处理功能的CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多个I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能；L293D电机驱动芯片可以与STC89C52单片机完美的融合兼容，小车运行平稳；传动带机构运行稳定可靠，准确。电源可以共用整合，该设计方案达到了我们的预期设计。
在机床或加工中心加工过程中产生的切屑将会通过排屑器排入到系统的货仓中，此时系统检测模块将对切屑运载量进行检测，并将信号传回给单片机，当切屑满载时，单片机会优先使AGV运输模块及寻迹模块上电，并通过寻迹模块反馈的路径信息控制本系统进行切屑的运输工作，当系统检测到运输模块位于切屑处理端时，单片机即通过控制继电器使传送带开始平稳运行并将切屑排入压屑机料斗进行后续处理，当检测模块检测到货仓空载时，系统运输模块即执行返回程序。当运输模块返回至排屑器处即完成一次完整的切屑处理过程。
采用了切屑运输系统后，机床切屑的处理效率大大提高，极大地减少了人力物力的损耗，避免了工人被烫伤划伤的风险。由此，更快速、便捷的完成切屑后处理过程中运输的问题。
