非金屬激光切割機(jī)煙霧檢測裝置的設(shè)計與研究

劉國豪,楊應(yīng)洪,蒲俊濤,張紫妍,王 占

(西南科技大學(xué) 工程技術(shù)中心,四川 綿陽 621010)

0 引言

隨著科技的發(fā)展，作為特種加工技術(shù)的激光加工受到了人們的關(guān)注，激光加工的便捷性使其被應(yīng)用于多種領(lǐng)域[1]。但在提高生產(chǎn)力的同時，激光加工過程中所產(chǎn)生的有害氣體也危害著使用者的健康。為此，保障操作人員的健康是今后工業(yè)發(fā)展的趨勢，將現(xiàn)今的檢測技術(shù)融入生產(chǎn)，借助科技手段降低生產(chǎn)危害，創(chuàng)造一個更為舒適與安全的生產(chǎn)環(huán)境是我們追求的目標(biāo)。本文以STM32單片機(jī)為控制核心，設(shè)計了一款由STM32芯片、抽風(fēng)機(jī)、各類傳感器等組成的非金屬激光切割煙霧檢測裝置，在激光切割加工過程中實時顯示多種有害氣體的濃度并通過抽風(fēng)機(jī)加速處理廢氣。

1 非金屬激光切割煙霧檢測裝置總體設(shè)計

非金屬激光切割煙霧檢測裝置采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103C8T6單片機(jī)作為主控核心，主要由裝置外殼、報警裝置、電源模塊、抽風(fēng)機(jī)、廢氣處理模塊、主控模塊、LCD顯示模塊、有害氣體傳感器模塊等組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。有害氣體傳感器準(zhǔn)確檢測到激光切割機(jī)內(nèi)部的苯、甲醛、硫化氫等有害氣體的含量并實時反映到顯示屏上提示操作者。當(dāng)有害氣體濃度超過閾值時，提示操作者不宜打開激光切割機(jī)同時通過抽風(fēng)機(jī)將廢氣排到廢氣處理裝置，直到濃度下降到合適范圍時報警提示[2-3]。通過在顯示屏上觸摸對應(yīng)功能選項可以進(jìn)行相應(yīng)操作。

2 煙霧檢測裝置硬件設(shè)計

2.1 裝置安裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計

激光切割機(jī)與煙霧檢測裝置的連接安裝簡圖如圖2所示。 激光切割機(jī)噴頭6位于激光噴頭傳動桿2上，通過激光噴頭傳動桿2的移動切割材料；煙霧檢測裝置只需要固定安裝在激光噴頭上，即可實時檢測激光切割機(jī)的內(nèi)部環(huán)境。

圖1 非金屬激光切割煙霧檢測裝置結(jié)構(gòu)框圖

1-激光切割機(jī)機(jī)床；2-激光噴頭傳動桿；3-LCD顯示器；4-抽風(fēng)機(jī)；5-廢氣處理裝置；6-激光切割噴頭；7-檢測裝置主體

2.2 廢氣檢測與處理模塊

選擇ST公司生產(chǎn)的STM32型單片機(jī)作為煙霧檢測裝置的主控制器，選擇AMS公司生產(chǎn)的AMS1117-3.3與AMS1117-5兩款DC-DC穩(wěn)壓器作為電源部分，分別實現(xiàn)3.3 V與5 V電壓的維穩(wěn)。

2.2.1 廢氣處理裝置

廢氣處理裝置是在煙霧檢測裝置外加設(shè)的處理部分，用于對激光切割機(jī)內(nèi)的有害氣體進(jìn)行處理。通過抽風(fēng)機(jī)將廢氣吸入裝置內(nèi)，然后廢氣與裝置內(nèi)過濾部分中的化學(xué)物品發(fā)生反應(yīng)，達(dá)到對廢氣的處理吸收，最后再排出到空氣中。化學(xué)反應(yīng)吸收有害氣體是目前比較成熟的一種處理廢氣方法，唯一的缺點就是需要定期對裝置內(nèi)的化學(xué)物品進(jìn)行更換，以達(dá)到更好的吸收廢氣效果。

2.2.2 氣體傳感器模塊

煙霧檢測裝置采用多種類型的氣體傳感器采集環(huán)境中有害氣體的濃度，可檢測非金屬激光加工過程中產(chǎn)生的大部分有害氣體[4-5]。各傳感器模塊如圖3所示。

圖3 各傳感器模塊

(1) 甲醛傳感器選用MQ-138型傳感器。該傳感器由清潔空氣中具有較低電導(dǎo)率的二氧化錫作為氣敏材料，在滿足需求的范圍內(nèi)對甲醛有較好的靈敏度。一定濃度的甲醛存在于傳感器所處的環(huán)境中時，傳感器的電導(dǎo)率將隨空氣中甲醛濃度的增大而增大,僅需要簡單的驅(qū)動電路，即可將電導(dǎo)率轉(zhuǎn)換為與甲醛濃度呈正比的模擬信號，并將其傳遞至處理器。

(2) 硫化氫傳感器選用MQ-136型傳感器。該傳感器的結(jié)構(gòu)和原理基本與MQ-138型傳感器相同，但其對硫化氫氣體敏感，對常見的可燃?xì)怏w具有較低的靈敏度，適合于多種場合，具有成本低廉、驅(qū)動簡單的優(yōu)點。

(3) 煙霧傳感器選用MQ-2型傳感器。該傳感器的氣敏材料屬于二氧化錫，當(dāng)氣敏材料與煙霧接觸時，電導(dǎo)率會產(chǎn)生變化。當(dāng)煙霧的濃度增大時，電導(dǎo)率同樣會增大，輸出電阻的阻值會下降，輸出的模擬信號將隨之增大。

3 煙霧檢測裝置軟件設(shè)計

煙霧檢測裝置的主控制器選用STM32F103系列單片機(jī)，編程軟件選擇了較為常見的Keil，編程語言選擇了基礎(chǔ)的C語言，通過各類型有害氣體傳感器獲取環(huán)境數(shù)據(jù)。光耦繼電器通過接收主控傳達(dá)的信號控制抽風(fēng)機(jī)實現(xiàn)將廢氣排出至處理裝置。對抽風(fēng)機(jī)的控制有自動模式和手動模式，觸摸顯示屏上有模式選擇按鈕，可自主選擇控制模式。自動模式運(yùn)行流程如圖4所示，手動模式運(yùn)行流程如圖5所示。煙霧檢測裝置系統(tǒng)運(yùn)行情況如圖6所示。

4 結(jié)語

本裝置在現(xiàn)有激光切割機(jī)基礎(chǔ)上，輔以傳感器檢測技術(shù)與單片機(jī)控制技術(shù)，組成了非金屬激光切割機(jī)煙霧檢測裝置。實踐表明：該裝置運(yùn)行穩(wěn)定，效果良好，提高了生產(chǎn)效率，可為后續(xù)產(chǎn)品的改進(jìn)提供參考。

圖4 自動模式運(yùn)行流程

圖5 手動模式運(yùn)行流程

圖6 煙霧檢測裝置運(yùn)行情況