基于PLC的全自動(dòng)牙刷柄供料機(jī)的設(shè)計(jì)

戴亦宗

(揚(yáng)州職業(yè)大學(xué) 電氣與汽車工程學(xué)院， 江蘇 楊州 225009)

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基于PLC的全自動(dòng)牙刷柄供料機(jī)的設(shè)計(jì)

戴亦宗

(揚(yáng)州職業(yè)大學(xué) 電氣與汽車工程學(xué)院， 江蘇 楊州 225009)

摘要:在牙刷的生產(chǎn)過(guò)程中，大多數(shù)是通過(guò)手工方式將牙刷柄放進(jìn)自動(dòng)植毛機(jī)上的夾具中進(jìn)行植毛，這種方式過(guò)于依賴人工，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，成本高。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題,本文采用模塊化、層次化的思想設(shè)計(jì)了基于永宏P(guān)LC的牙刷柄自動(dòng)供料機(jī)；闡述了系統(tǒng)中各個(gè)模塊的機(jī)械結(jié)構(gòu)、伺服定位控制技術(shù)；介紹了一種聲波傳感器電路。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)大大縮短了牙刷制作時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了牙刷的全自動(dòng)化生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞:整體設(shè)計(jì)； 供料系統(tǒng)； 吹氣檢測(cè)裝置； 牙刷翻轉(zhuǎn)裝置； 控制系統(tǒng)

現(xiàn)在牙刷的制作是通過(guò)將牙刷柄放入數(shù)控植毛機(jī)中將牙刷毛植入牙刷孔，自動(dòng)植毛機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛[1]，但是如何將牙刷柄放入植毛機(jī)夾具中植毛，目前大多數(shù)牙刷生產(chǎn)企業(yè)是通過(guò)手工方式將牙刷柄放進(jìn)自動(dòng)植毛機(jī)的夾具中，勞動(dòng)強(qiáng)度高，成本大。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題,本文采用模塊化、層次化結(jié)構(gòu)的思想研制了一種基于永宏P(guān)LC的牙刷柄自動(dòng)供料系統(tǒng)[2],具備傳輸，正反面檢測(cè)、機(jī)械手抓取、人機(jī)對(duì)話等一系列功能,控制系統(tǒng)采用高精度的伺服電機(jī)將牙刷柄準(zhǔn)確的送入植毛機(jī)植毛夾具中，實(shí)現(xiàn)了牙刷制作的完全自動(dòng)化，大大提高了生產(chǎn)效率,降低了生產(chǎn)成本。

1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，如圖1所示。由牙刷柄分揀模塊，牙刷柄調(diào)整模塊、牙刷柄抓取機(jī)械手組成，將成捆的牙刷放入牙刷料倉(cāng)中，牙刷分揀模塊抖動(dòng)將牙刷分成一支一支，通過(guò)定位板定位后送入牙刷傳輸帶進(jìn)行位置調(diào)整。牙刷在傳送帶上經(jīng)過(guò)4個(gè)工位，分別是牙刷柄頭尾檢測(cè)、牙刷柄掉頭裝置、牙刷頭孔面正反檢測(cè)、牙刷頭孔面正反翻轉(zhuǎn)，牙刷機(jī)械手將位置擺放正確的牙刷抓取后放入植毛機(jī)夾具中植毛，完成一支牙刷的制作[1]。

圖1　系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Diagram of system structure

1.1　牙刷柄分揀上料裝置

該系統(tǒng)將成捆的牙刷柄分成一支一支送入傳送系統(tǒng)，如圖2所示。在支架上有左右兩個(gè)斜楔，斜楔上安裝一個(gè)主氣缸安裝板，安裝板上裝有一個(gè)主氣缸,在主氣缸上設(shè)有一個(gè)活塞桿，活塞桿頂部通過(guò)主氣缸連接塊連接，水平調(diào)節(jié)塊上設(shè)有一個(gè)過(guò)渡板，通過(guò)水平調(diào)節(jié)塊可以調(diào)節(jié)過(guò)渡板的受力位置。過(guò)渡板上有左右2個(gè)連桿座，7個(gè)動(dòng)板各用2個(gè)連桿與連桿座活動(dòng)相連，在動(dòng)板與動(dòng)板之間各設(shè)有一個(gè)定板，在兩端的動(dòng)板外側(cè)還設(shè)有一個(gè)底板和一個(gè)定板，底板和所有定板均與兩側(cè)的側(cè)板固定相連，各板之間均留有0.5mm的間隙，這樣動(dòng)板就能相對(duì)于定板做上下運(yùn)動(dòng)[3]。料斗兩側(cè)固定連接在側(cè)板上，料斗的底部與底板固定相連。在定板的外側(cè)設(shè)有一個(gè)閘門,閘門的外側(cè)還裝有一個(gè)承接板，在定板的左右2側(cè)固定連接著2個(gè)龍門立柱，龍門立柱上方固定連接著一個(gè)龍門橫梁，龍門橫梁上分別設(shè)有一個(gè)擋板和左右2個(gè)對(duì)位氣缸，實(shí)現(xiàn)每支牙刷柄的定位[4]。

圖2　牙刷分揀上料裝置Fig.2　Sorting and feeding device

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)閘門上升，主氣缸經(jīng)連桿帶動(dòng)7塊動(dòng)板上下運(yùn)動(dòng)，將雜亂的牙刷柄一支支地依次向上輸送，當(dāng)牙刷柄到達(dá)定板上方時(shí)，光纖傳感器獲得信號(hào)[5]，對(duì)位氣缸對(duì)位，承接氣缸帶動(dòng)承接板上升，閘門氣缸帶動(dòng)閘門向下運(yùn)動(dòng)，打開閘門，此時(shí)處于定板上方的牙刷柄滑向承接板，承接板下移，將其上的牙刷柄送入傳送帶進(jìn)入下一流程。

1.2　傳輸及牙刷柄位置調(diào)整系統(tǒng)

每支牙刷柄進(jìn)入傳輸模塊，通過(guò)皮帶上的相對(duì)的兩個(gè)V型齒固定，伺服電動(dòng)機(jī)控制皮帶精確步進(jìn)到4個(gè)工位，第1個(gè)工位通過(guò)檢測(cè)牙刷柄的頭尾位置是否正確；第2個(gè)工位旋轉(zhuǎn)掉頭臺(tái)抬起將牙刷柄旋轉(zhuǎn)180°，頭尾對(duì)調(diào)；第3個(gè)工位由吹氣傳感器檢測(cè)牙刷柄頭孔面正反；第4個(gè)工位旋轉(zhuǎn)夾將牙刷柄夾緊旋轉(zhuǎn)180°，使牙刷柄頭孔面朝上。經(jīng)這4個(gè)工位，牙刷柄前后，正反位置調(diào)整正確，供機(jī)械手抓取，送入植毛機(jī)植毛夾具中[6]。

圖3　牙刷位置調(diào)整裝置Fig.3　Toothbrush position adjusting device

1.2.1牙刷柄孔面檢測(cè)裝置機(jī)械手將牙刷柄抓取后放入夾具中，必須使牙刷頭孔面正面朝上，如反面朝上，當(dāng)植毛針頭植毛時(shí)，會(huì)將針頭打壞；因此，在傳送帶上設(shè)計(jì)牙刷柄頭孔面檢測(cè)裝置及翻轉(zhuǎn)裝置，調(diào)整牙刷柄頭孔面的位置。如圖4所示，該系統(tǒng)將輸氣管及聲波傳感器安裝在安裝座上，安裝座安裝在豎直調(diào)節(jié)支架上，在輸氣管入口處增加了節(jié)流調(diào)速閥，通過(guò)節(jié)流調(diào)速閥調(diào)節(jié)壓縮空氣的流量，提高吹氣過(guò)程的穩(wěn)定性。在輸氣管及聲傳感器安裝座下端設(shè)有錐形聲音定向收集孔，有效屏蔽其他雜音，保證檢測(cè)結(jié)果不失真。當(dāng)傳輸帶把牙刷柄送到該工位時(shí)，通過(guò)輸氣管向牙刷柄的頭部輸入壓縮空氣，壓縮空氣吹向牙刷柄的頭部表面，遇到有孔的一面和沒(méi)有孔的一面時(shí)會(huì)發(fā)出不同頻率的聲音，通過(guò)聲波傳感器判斷孔面的正反，并將信號(hào)傳輸給PLC控制器。

圖4　牙刷柄頭孔面檢測(cè)裝置Fig.4　Hole surface detector for toothbrush handles

圖5　聲波傳感器Fig.5　Acoustic sensor

由于吹氣檢測(cè)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)干擾較大，對(duì)聲波接收、判斷電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)分辨率要求高，聲波接收器的設(shè)計(jì)至關(guān)重要[7]，如圖5所示。聲波傳感器電路通過(guò)駐極體電容式話筒接收吹氣時(shí)反射的聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成0~10mV振蕩電壓，當(dāng)牙刷孔面朝上，吹氣的聲波反饋為16kHz頻率的信號(hào)，通過(guò)帶通濾波器選頻該信號(hào)[8],經(jīng)過(guò)放大電路[9]、直流轉(zhuǎn)換電路[10]、方波整形電路轉(zhuǎn)換成24V高電平信號(hào)傳送給PLC控制器[11],否則為低電平信號(hào)，表示孔面朝下，需在下一工位，翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)。1.2.2牙刷柄翻面裝置經(jīng)過(guò)孔面檢測(cè)裝置的牙刷柄，在翻面工位對(duì)于孔面反面的牙刷柄將正面翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，如圖6所示。設(shè)計(jì)有一個(gè)底板，底板上設(shè)有左右2個(gè)L型支架，底板與左右2個(gè)L型支架分別固定相連。左L型支架上有一個(gè)180°旋轉(zhuǎn)氣缸和一個(gè)定位夾緊機(jī)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)盤可相對(duì)氣缸體進(jìn)行180°旋轉(zhuǎn)。定位夾緊機(jī)構(gòu)由定位夾緊基座、上下連接桿、上下鱷、螺紋氣缸、楔塊、T型連接板、定位塊、銷軸和復(fù)位彈簧組成，螺紋氣缸上有一個(gè)可以伸縮的活塞桿。楔塊在螺紋氣缸上的活塞桿帶動(dòng)下左右運(yùn)動(dòng)，使上下鱷圍繞銷軸擺動(dòng)，夾住或者松開牙刷頭部，復(fù)位彈簧則可幫助楔塊可靠復(fù)位。定位塊被T型連接板固定連接在上下鱷之間的空隙里，用以對(duì)牙刷柄頭進(jìn)行定位。右L型支架上也裝有一個(gè)螺紋氣缸，螺紋氣缸上有一個(gè)可以伸縮的活塞桿，活塞桿端部固定連接一個(gè)頂塊，螺紋氣缸通氣時(shí)，活塞桿帶動(dòng)頂塊推頂牙刷柄尾部而使其頭部緊貼在定位塊上，保證牙刷柄在翻面時(shí)不松脫。氣缸通氣后活塞桿右移，帶動(dòng)楔塊右移，使得上下鱷圍繞銷軸擺動(dòng)，夾住牙刷的頭部，在旋轉(zhuǎn)氣缸的帶動(dòng)下，牙刷柄轉(zhuǎn)動(dòng)180°，實(shí)現(xiàn)牙刷頭孔面的翻面[12]。

圖6　牙刷翻面裝置Fig.6　Toothbrush surface turning device

2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以永宏P(guān)LC作為控制器，該系列PLC有數(shù)字量控制模塊、模擬量輸入/輸出模塊、高速計(jì)數(shù)器模塊、位置控制模塊、通信模塊等可選模塊，可以實(shí)現(xiàn)模擬量控制、位置控制和聯(lián)網(wǎng)功能，如圖7所示。系統(tǒng)主機(jī)為FBS-32MA，伺服控制器100W、400W各1臺(tái)，分別驅(qū)動(dòng)牙刷傳輸帶及抓取機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，其他各個(gè)部件的的運(yùn)動(dòng)全部用氣動(dòng)方式，通過(guò)PLC控制電磁閥，觸摸屏為MCGS-TPC7062[13]。

圖7　控制系統(tǒng)圖Fig.7　Control system

2.1　伺服控制

系統(tǒng)共有2臺(tái)伺服電機(jī)，即傳送帶伺服電機(jī)、抓取機(jī)械手運(yùn)行伺服電機(jī)，采用皮帶傳動(dòng)。牙刷柄從分揀系統(tǒng)模塊進(jìn)入傳送帶通過(guò)V型齒固定位置，分揀模塊的承接缸下移，牙刷柄必須準(zhǔn)確的進(jìn)入V型齒隨傳送帶移動(dòng)，傳送帶移動(dòng)每步的距離精度要求達(dá)到0.01mm。同時(shí)，循環(huán)運(yùn)行過(guò)程中，不能有累積誤差，才能使牙刷柄準(zhǔn)確到位，不會(huì)滑落。根據(jù)編碼器反饋脈沖的來(lái)源不同，伺服控制分為半閉環(huán)、全閉環(huán)控制這2種控制方式[14]，半閉環(huán)控制使用電機(jī)側(cè)編碼器，與伺服放大器構(gòu)成閉環(huán)控制，不需要添加額外設(shè)備，具有成本低、受機(jī)械共振影響小、伺服放大器增益大以及響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn),但是位置反饋脈沖并不直接給PLC,控制系統(tǒng)不能直接測(cè)量機(jī)械位置，所以定位運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生誤差。全閉環(huán)控制使用負(fù)載編碼器，將反饋脈沖直接給PLC控制，構(gòu)成大閉環(huán)控制，保證了定位精度，但容易受機(jī)械共振等因素影響。伺服放大器增益小。因此，本系統(tǒng)傳送帶伺服控制采用全閉環(huán)控制方式，在電機(jī)軸上套接光電旋轉(zhuǎn)編碼器，PLC控制器用高速計(jì)數(shù)方式接收反饋脈沖，位置控制為相對(duì)位置方式。抓取機(jī)械手的位置精度為1mm，采用半閉環(huán)控制，位置控制為絕對(duì)位置方式[15]。

使用永宏伺服設(shè)置軟件可以對(duì)伺服放大器獨(dú)立運(yùn)行測(cè)試，從而完成對(duì)伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的調(diào)整，通過(guò)設(shè)置電子齒輪比設(shè)定伺服發(fā)出一個(gè)脈沖，機(jī)械移動(dòng)的距離。各個(gè)環(huán)的增益可以由伺服放大器自動(dòng)調(diào)整，在加減速有震動(dòng)時(shí)，既可以通過(guò)調(diào)整參數(shù)QN502，也可以通過(guò)適當(dāng)延長(zhǎng)加減速時(shí)間加以解決,通過(guò)永宏編程軟件伺服命令表格設(shè)置運(yùn)行過(guò)程及回原點(diǎn)方式。

2.2　PLC程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)PLC程序采用模塊化結(jié)構(gòu)，便于系統(tǒng)的修改、調(diào)試與維護(hù)。系統(tǒng)模塊主要包括伺服控制模塊、當(dāng)前工位牙刷位置檢測(cè)模塊、牙刷位置調(diào)整模塊、人機(jī)界面數(shù)據(jù)通信模塊和報(bào)警處理模塊等[15]，流程簡(jiǎn)圖如圖8所示。

圖8　程序流程簡(jiǎn)圖Fig.8　Program flow chart

圖9　牙刷制作時(shí)間對(duì)比圖Fig.9　Comparison of production time

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，取1000個(gè)同型號(hào)牙刷柄，分別人工和系統(tǒng)給植毛機(jī)供牙刷柄，每100個(gè)計(jì)算每個(gè)牙刷成品的時(shí)間，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。根據(jù)圖9分析，系統(tǒng)供料時(shí)，每支牙刷制作時(shí)間快于人工供料，且穩(wěn)定，人工供料時(shí)，每支牙刷制作時(shí)間慢，并且波動(dòng)較大。因此，自動(dòng)牙刷柄供料機(jī)效率遠(yuǎn)高于人工供料，適合牙刷企業(yè)大規(guī)模、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，可完全替代人工供料。

4結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于PLC的全自動(dòng)牙刷柄供料系統(tǒng)，提出了PLC、伺服系統(tǒng)構(gòu)成的全閉環(huán)位置控制方法，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)部件的準(zhǔn)確定位，通過(guò)設(shè)計(jì)一種全新的聲波傳感器，解決了系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)如何判

斷牙刷柄孔面正反的問(wèn)題。該系統(tǒng)與數(shù)控植毛機(jī)結(jié)合構(gòu)成了牙刷全自動(dòng)生產(chǎn)線，運(yùn)行時(shí)流暢穩(wěn)定，生產(chǎn)效率遠(yuǎn)高于人工供料，減少了人工，大大降低了成本，有一定的市場(chǎng)前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]崔強(qiáng)．?dāng)?shù)控牙刷植毛機(jī)工作臺(tái)設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)業(yè)月刊,2012，25(9)： 182-183.

[2]李勇,李偉光.小型牙刷植毛機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械與液壓,2004(7)： 95-98.

[3]董景新,趙長(zhǎng)德.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京： 機(jī)械出版社，2007： 27-58.

[4]斯克萊特，奇羅尼斯.機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用機(jī)構(gòu)與裝置圖冊(cè)[M].鄒平，譯.北京： 機(jī)械出版社，2007： 5-68.

[5]彭利標(biāo),田野,李冰玉,等.光纖傳感器及其應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)工程,2014，22(21)： 189-192.

[6]常德功,樊智敏,孟兆明.帶傳送和鏈傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2010： 20-136.

[7]劉竹琴,白澤生.傳感器電路的噪聲及其抗干擾技術(shù)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2011，34(14)： 161-165.

[8]談雪梅,俞亞珍.寬帶可控增益放大器的設(shè)計(jì)[J].常州輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2008(Z1)： 32-34.

[9]唐治德.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京： 科學(xué)出版社，2009： 181-220.

[10]晏杰,閆英敏,趙霞,等.基于單片機(jī)的中頻電源檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù),2012，36(7)：1027-1029.

[11]胡鳳忠,趙廣廈.基于AT89C2051單片機(jī)的汽車倒車?yán)走_(dá)技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2010，18(5)：1174-1175，1192.

[12]楊平,葛云.液壓、液力與氣動(dòng)傳動(dòng)技術(shù)[M].北京： 科學(xué)出版社，2007： 260-290.

[13]蔡錦達(dá),黃樹根,尤黔林,等.雙PLC技術(shù)在多軸運(yùn)動(dòng)控制中的應(yīng)用[J].電氣傳動(dòng)，2012，42(5)： 42-45.

[14]孟志強(qiáng),張恒,陳燕東,等.基于PLC伺服控制的甘油霧化噴涂系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，37(7)： 42-46.

[15]梁錦濤,趙升噸,謝嘉,等.雙肘桿機(jī)械壓力機(jī)實(shí)現(xiàn)柔性加工的混合閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)的研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，50(7)：120-127.

Design of Automatic Toothbrush Handle Feeder Based on PLC

DAIYizong

(Department of Electrical and Automobile, Yangzhou Polytechnic College,

Yangzhou 225009, Jiangsu, China)

Abstract:Currently, in most toothbrush production lines, toothbrush handles are manually sent to the position in an automatic hair planting machine. This process is highly dependent on the operating personnel, the labor is intense and the cost high. To solve the problem, an automatic toothbrush feeding machine is designed based on a PLC with a modular and hierarchical structure. This paper explains the designs of each module and the servo control technique, and introduces an acoustic sensor circuit used in the system. Experiments show that the system can greatly save the production time and realize the full automation of toothbrush production.

Key words:overall design； feeding system； blowing； detection device toothbrush turning device； control system

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

中圖分類號(hào):TP 273;TS 959.12

文章編號(hào)2095 - 0020(2015)01 -0029 - 05

作者簡(jiǎn)介：戴亦宗(1981-)，男，講師，主要研究方向?yàn)樽詣?dòng)化控制、機(jī)電一體化，E-mail： daiyizong@163.com

收稿日期：2015 - 01 - 26