一種便捷式的基于Arduino控制的剪線機的軟件設計

［關鍵詞］單片機；Arduino ；剪線機；控制系統；軟件

［中圖分類號］TU857 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）10–0163–03

1傳統手工剝線的缺點

（1）效率低下。手工剝線明顯低效，難以滿足現代生產線對效率和盈利的需求。

（2）成本較高。大量人工操作增加了勞動力成本，尤其在處理大量電線時。

（3）操作環境差。長時間坐姿或彎腰操作對工人健康不利。

（4）質量不穩定。手工剝皮的質量受工人技能和疲勞程度影響，影響后續使用。

2總體設計

剪線機系統構成如圖1所示。

圖1中，電源作為整個系統的能源供應，為其他組件提供穩定的電力，確保系統的正常運行。步進電機是一種能夠精確控制其運動步數的電機，通常用于需要精確控制位置和速度的場合。在圖1中，步進電機通過滾輪與剪切機構相連接，使得剪切機構能夠在設定的位置實現精確的剪切。單片機是一種集成度高、功能豐富的微控制器，能夠實現各種復雜的控制邏輯和數據處理功能。在文章設計的機器中，單片機通過與Arduino的連接，實現對步進電機、舵機等設備的控制。舵機是一種能夠精確控制其角度的電機，通常用于需要精確控制角度和位置的場合。在圖1中，舵機通過剪切轉換與液晶顯示屏相連接，使得液晶顯示屏能夠按照特定的角度進行旋轉，從而實現精確的控制。紅外感應校正是一種非接觸式的傳感器，能夠檢測物體距離和位置等信息。在圖1中，紅外感應校正用于檢測物體的位置和距離，從而實現精確的控制和調整。

剪線機實物成品如圖2所示。

剪線機具體操作流程為：先在觸摸屏上輸入需要剪切的每一段導線的長度，系統可以輸入3段導線的長度及剝線數量，輸入觸摸屏的數據傳輸到Arduino單片機中，單片機控制步進電機進行轉動，步進電機帶動滾輪實現電線送料，電線通過導管向前移動，導管同時起到校直電線的功能。當電線往前移動的距離達到輸入的數據時，步進電機開始轉動，同時帶動減速器，最后帶動剪切機構進行剪切（單片機控制舵機轉動，進而控制切、剝線轉換，從而實現剝線和裁線），同時，電線移動的長度可以通過紅外傳感器進行二次檢測，保證電線向前移動的距離為觸摸屏所輸入的數據，實現了閉環控制。

3軟件設計

3.1程序開發平臺

程序開發平臺選用ArduinoIDE，其是一款開源編程工具，基于ProcessingIDE開發，兼容Windows、MacOS和Linux系統，提供了跨平臺的靈活性。相比其他僅限Windows的控制器，ArduinoIDE的兼容性更廣泛。并且，界面簡潔，適合新手快速上手，無需深厚基礎也能輕松開發。

ArduinoIDE軟件特點如下。

（1）電路圖和源代碼開放，可以免費下載程序開發接口，還可以根據自己的需求進行修改。

（2）采用了性價比高的微處理控制器，支持USB接口供電，無需額外外接電源，同時也支持9VVD輸入，為用戶提供了更為便捷的電源選擇方案。

（3）Arduino開發板可以在線燒錄，能夠將新的“bootloader”燒入芯片。

（4）支持多種程序編寫，如Max、PD、C、Processing等。

（5）利用Arduino可以簡單的實現游戲互動，互動方式更加豐富多樣。

3.2主程序設計

本系統的軟件設計主要通過編寫C語言程序實現。主程序流程如圖3所示，開機啟動，電源同時給步進電機和CPU供電，系統開始啟動，觸摸屏開始工作，在觸摸屏上輸入加工線前端口距離、中間距離、后端口距離，再輸入所要剝線根數，輸入完成后，點擊確認，設備開始運行，每當加工完一條線時，系統內部計數器就會進行加一運算，直至達到要求的剝線數量，加工完成，系統結束。

3.3舵機程序設計

舵機的旋轉與普通電機的旋轉不同，其具備出色的旋轉能力，可輕松調整至任意所需角度，并實現精準定位。舵機的旋轉角度可通過精細調節PWM信號的占空比進行有效控制，為用戶提供了靈活且精準的操作體驗。通常，舵機普遍用于對角度要求比較高的場合，如機器人的手抓、攝像頭和機械臂。

舵機信號線內傳輸的是特定類型的PWM信號，該信號具備固定的20ms周期，并呈現為方波形態。其中，高電平持續時間的變動范圍為0.5～2.5ms。具體而言，當高電平持續0.5ms時，舵機將旋轉至0°位置；而當高電平為1.5ms時，舵機則旋轉至90°位置。這種精確的信號控制為舵機提供了可靠的旋轉指令。舵機控制流程如圖4所示，舵機旋轉角控制如圖5所示。

3.4步進電機程序設計

市面上存在多種步進電機驅動，除了文章所提的A4988，還有A3988和DRV8871等型號。這些驅動在工作原理上具有一定的相似性，都是通過向電機每個相位施加數倍于額定電壓的電壓值，并控制每個相位的最大電流來實現步進電機的驅動。這種驅動方式被稱為chopperdriver，其主要特點是，為了確保電流不超過設定的上限，會在特定的時間點停止為電機提供電壓。這種方式有助于保護電機，避免電流過大造成的損壞，并保障電機的穩定運行。

4結束語

通過以上軟件設計，剪線機可以剪切的電線直徑為0.75～2.5mm。機構可以通過步進電機在導管中輸送電線，保證電線的直線度，同時，利用步進電機可以實現精確的剝線而不傷害電線。該設備選型為常用標準件，價格便宜。目前，該設備已實現基本的剝線功能，進入調試、改進、完善階段。預期數控剪線機的研制成功將能大幅節省人力成本，提升生產效率，在各種電子行業的線束加工中都能得到應用。