非金屬激光切割機煙霧檢測裝置的設(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。本文以STM32單片機為控制核心，設(shè)計了一款由STM32芯片、抽風機、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機加速處理廢氣。

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單片機作為主控核心，主要由裝置外殼、報警裝置、電源模塊、抽風機、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。有害氣體傳感器準確檢測到激光切割機內(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同時通過抽風機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

激光切割機與煙霧檢測裝置的連接安裝簡圖如圖2所示。 激光切割機噴頭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-激光切割機機床；2-激光噴頭傳動桿；3-LCD顯示器；4-抽風機；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，用于對激光切割機內(nèi)的有害氣體進行處理。通過抽風機將廢氣吸入裝置內(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)，達到對廢氣的處理吸收，最后再排出到空氣中?；瘜W(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)物品進行更換，以達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，對常見的可燃氣體具有較低的靈敏度，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，當氣敏材料與煙霧接觸時，電導(dǎo)率會產(chǎn)生變化。當煙霧的濃度增大時，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，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的信號控制抽風機實現(xiàn)將廢氣排出至處理裝置。對抽風機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。自動模式運行流程如圖4所示，手動模式運行流程如圖5所示。煙霧檢測裝置系統(tǒng)運行情況如圖6所示。

4 結(jié)語

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

圖4 自動模式運行流程

圖5 手動模式運行流程

圖6 煙霧檢測裝置運行情況