基于PLC的全自動牙刷柄供料機的設計

戴亦宗

(揚州職業大學 電氣與汽車工程學院， 江蘇 楊州 225009)

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基于PLC的全自動牙刷柄供料機的設計

戴亦宗

(揚州職業大學 電氣與汽車工程學院， 江蘇 楊州 225009)

摘要:在牙刷的生產過程中，大多數是通過手工方式將牙刷柄放進自動植毛機上的夾具中進行植毛，這種方式過于依賴人工，工人勞動強度大，成本高。針對這個問題,本文采用模塊化、層次化的思想設計了基于永宏PLC的牙刷柄自動供料機；闡述了系統中各個模塊的機械結構、伺服定位控制技術；介紹了一種聲波傳感器電路。實驗表明，該系統大大縮短了牙刷制作時間，實現了牙刷的全自動化生產。

關鍵詞:整體設計； 供料系統； 吹氣檢測裝置； 牙刷翻轉裝置； 控制系統

現在牙刷的制作是通過將牙刷柄放入數控植毛機中將牙刷毛植入牙刷孔，自動植毛機的應用已經十分廣泛[1]，但是如何將牙刷柄放入植毛機夾具中植毛，目前大多數牙刷生產企業是通過手工方式將牙刷柄放進自動植毛機的夾具中，勞動強度高，成本大。針對這個問題,本文采用模塊化、層次化結構的思想研制了一種基于永宏PLC的牙刷柄自動供料系統[2],具備傳輸，正反面檢測、機械手抓取、人機對話等一系列功能,控制系統采用高精度的伺服電機將牙刷柄準確的送入植毛機植毛夾具中，實現了牙刷制作的完全自動化，大大提高了生產效率,降低了生產成本。

1系統整體結構

本設計采用模塊化設計，如圖1所示。由牙刷柄分揀模塊，牙刷柄調整模塊、牙刷柄抓取機械手組成，將成捆的牙刷放入牙刷料倉中，牙刷分揀模塊抖動將牙刷分成一支一支，通過定位板定位后送入牙刷傳輸帶進行位置調整。牙刷在傳送帶上經過4個工位，分別是牙刷柄頭尾檢測、牙刷柄掉頭裝置、牙刷頭孔面正反檢測、牙刷頭孔面正反翻轉，牙刷機械手將位置擺放正確的牙刷抓取后放入植毛機夾具中植毛，完成一支牙刷的制作[1]。

圖1　系統整體結構圖Fig.1　Diagram of system structure

1.1　牙刷柄分揀上料裝置

該系統將成捆的牙刷柄分成一支一支送入傳送系統，如圖2所示。在支架上有左右兩個斜楔，斜楔上安裝一個主氣缸安裝板，安裝板上裝有一個主氣缸,在主氣缸上設有一個活塞桿，活塞桿頂部通過主氣缸連接塊連接，水平調節塊上設有一個過渡板，通過水平調節塊可以調節過渡板的受力位置。過渡板上有左右2個連桿座，7個動板各用2個連桿與連桿座活動相連，在動板與動板之間各設有一個定板，在兩端的動板外側還設有一個底板和一個定板，底板和所有定板均與兩側的側板固定相連，各板之間均留有0.5mm的間隙，這樣動板就能相對于定板做上下運動[3]。料斗兩側固定連接在側板上，料斗的底部與底板固定相連。在定板的外側設有一個閘門,閘門的外側還裝有一個承接板，在定板的左右2側固定連接著2個龍門立柱，龍門立柱上方固定連接著一個龍門橫梁，龍門橫梁上分別設有一個擋板和左右2個對位氣缸，實現每支牙刷柄的定位[4]。

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

系統運行時閘門上升，主氣缸經連桿帶動7塊動板上下運動，將雜亂的牙刷柄一支支地依次向上輸送，當牙刷柄到達定板上方時，光纖傳感器獲得信號[5]，對位氣缸對位，承接氣缸帶動承接板上升，閘門氣缸帶動閘門向下運動，打開閘門，此時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入下一流程。

1.2　傳輸及牙刷柄位置調整系統

每支牙刷柄進入傳輸模塊，通過皮帶上的相對的兩個V型齒固定，伺服電動機控制皮帶精確步進到4個工位，第1個工位通過檢測牙刷柄的頭尾位置是否正確；第2個工位旋轉掉頭臺抬起將牙刷柄旋轉180°，頭尾對調；第3個工位由吹氣傳感器檢測牙刷柄頭孔面正反；第4個工位旋轉夾將牙刷柄夾緊旋轉180°，使牙刷柄頭孔面朝上。經這4個工位，牙刷柄前后，正反位置調整正確，供機械手抓取，送入植毛機植毛夾具中[6]。

圖3　牙刷位置調整裝置Fig.3　Toothbrush position adjusting device

1.2.1牙刷柄孔面檢測裝置機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，當植毛針頭植毛時，會將針頭打壞；因此，在傳送帶上設計牙刷柄頭孔面檢測裝置及翻轉裝置，調整牙刷柄頭孔面的位置。如圖4所示，該系統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節支架上，在輸氣管入口處增加了節流調速閥，通過節流調速閥調節壓縮空氣的流量，提高吹氣過程的穩定性。在輸氣管及聲傳感器安裝座下端設有錐形聲音定向收集孔，有效屏蔽其他雜音，保證檢測結果不失真。當傳輸帶把牙刷柄送到該工位時，通過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有孔的一面時會發出不同頻率的聲音，通過聲波傳感器判斷孔面的正反，并將信號傳輸給PLC控制器。

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

圖5　聲波傳感器Fig.5　Acoustic sensor

由于吹氣檢測時，現場干擾較大，對聲波接收、判斷電路系統設計分辨率要求高，聲波接收器的設計至關重要[7]，如圖5所示。聲波傳感器電路通過駐極體電容式話筒接收吹氣時反射的聲波信號轉換成0~10mV振蕩電壓，當牙刷孔面朝上，吹氣的聲波反饋為16kHz頻率的信號，通過帶通濾波器選頻該信號[8],經過放大電路[9]、直流轉換電路[10]、方波整形電路轉換成24V高電平信號傳送給PLC控制器[11],否則為低電平信號，表示孔面朝下，需在下一工位，翻轉過來。1.2.2牙刷柄翻面裝置經過孔面檢測裝置的牙刷柄，在翻面工位對于孔面反面的牙刷柄將正面翻轉過來，如圖6所示。設計有一個底板，底板上設有左右2個L型支架，底板與左右2個L型支架分別固定相連。左L型支架上有一個180°旋轉氣缸和一個定位夾緊機構，旋轉盤可相對氣缸體進行180°旋轉。定位夾緊機構由定位夾緊基座、上下連接桿、上下鱷、螺紋氣缸、楔塊、T型連接板、定位塊、銷軸和復位彈簧組成，螺紋氣缸上有一個可以伸縮的活塞桿。楔塊在螺紋氣缸上的活塞桿帶動下左右運動，使上下鱷圍繞銷軸擺動，夾住或者松開牙刷頭部，復位彈簧則可幫助楔塊可靠復位。定位塊被T型連接板固定連接在上下鱷之間的空隙里，用以對牙刷柄頭進行定位。右L型支架上也裝有一個螺紋氣缸，螺紋氣缸上有一個可以伸縮的活塞桿，活塞桿端部固定連接一個頂塊，螺紋氣缸通氣時，活塞桿帶動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不松脫。氣缸通氣后活塞桿右移，帶動楔塊右移，使得上下鱷圍繞銷軸擺動，夾住牙刷的頭部，在旋轉氣缸的帶動下，牙刷柄轉動180°，實現牙刷頭孔面的翻面[12]。

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

2控制系統設計

本系統以永宏PLC作為控制器，該系列PLC有數字量控制模塊、模擬量輸入/輸出模塊、高速計數器模塊、位置控制模塊、通信模塊等可選模塊，可以實現模擬量控制、位置控制和聯網功能，如圖7所示。系統主機為FBS-32MA，伺服控制器100W、400W各1臺，分別驅動牙刷傳輸帶及抓取機械手的運動，其他各個部件的的運動全部用氣動方式，通過PLC控制電磁閥，觸摸屏為MCGS-TPC7062[13]。

圖7　控制系統圖Fig.7　Control system

2.1　伺服控制

系統共有2臺伺服電機，即傳送帶伺服電機、抓取機械手運行伺服電機，采用皮帶傳動。牙刷柄從分揀系統模塊進入傳送帶通過V型齒固定位置，分揀模塊的承接缸下移，牙刷柄必須準確的進入V型齒隨傳送帶移動，傳送帶移動每步的距離精度要求達到0.01mm。同時，循環運行過程中，不能有累積誤差，才能使牙刷柄準確到位，不會滑落。根據編碼器反饋脈沖的來源不同，伺服控制分為半閉環、全閉環控制這2種控制方式[14]，半閉環控制使用電機側編碼器，與伺服放大器構成閉環控制，不需要添加額外設備，具有成本低、受機械共振影響小、伺服放大器增益大以及響應時間短等優點,但是位置反饋脈沖并不直接給PLC,控制系統不能直接測量機械位置，所以定位運行會產生誤差。全閉環控制使用負載編碼器，將反饋脈沖直接給PLC控制，構成大閉環控制，保證了定位精度，但容易受機械共振等因素影響。伺服放大器增益小。因此，本系統傳送帶伺服控制采用全閉環控制方式，在電機軸上套接光電旋轉編碼器，PLC控制器用高速計數方式接收反饋脈沖，位置控制為相對位置方式。抓取機械手的位置精度為1mm，采用半閉環控制，位置控制為絕對位置方式[15]。

使用永宏伺服設置軟件可以對伺服放大器獨立運行測試，從而完成對伺服系統動態性能的調整，通過設置電子齒輪比設定伺服發出一個脈沖，機械移動的距離。各個環的增益可以由伺服放大器自動調整，在加減速有震動時，既可以通過調整參數QN502，也可以通過適當延長加減速時間加以解決,通過永宏編程軟件伺服命令表格設置運行過程及回原點方式。

2.2　PLC程序設計

系統PLC程序采用模塊化結構，便于系統的修改、調試與維護。系統模塊主要包括伺服控制模塊、當前工位牙刷位置檢測模塊、牙刷位置調整模塊、人機界面數據通信模塊和報警處理模塊等[15]，流程簡圖如圖8所示。

圖8　程序流程簡圖Fig.8　Program flow chart

圖9　牙刷制作時間對比圖Fig.9　Comparison of production time

3實驗結果及分析

系統現場實驗，取1000個同型號牙刷柄，分別人工和系統給植毛機供牙刷柄，每100個計算每個牙刷成品的時間，實驗結果如圖9所示。根據圖9分析，系統供料時，每支牙刷制作時間快于人工供料，且穩定，人工供料時，每支牙刷制作時間慢，并且波動較大。因此，自動牙刷柄供料機效率遠高于人工供料，適合牙刷企業大規模、標準化生產，可完全替代人工供料。

4結語

本文設計了基于PLC的全自動牙刷柄供料系統，提出了PLC、伺服系統構成的全閉環位置控制方法，實現了系統部件的準確定位，通過設計一種全新的聲波傳感器，解決了系統運行時如何判

斷牙刷柄孔面正反的問題。該系統與數控植毛機結合構成了牙刷全自動生產線，運行時流暢穩定，生產效率遠高于人工供料，減少了人工，大大降低了成本，有一定的市場前景。

參考文獻：

[1]崔強．數控牙刷植毛機工作臺設計[J].科技創業月刊,2012，25(9)： 182-183.

[2]李勇,李偉光.小型牙刷植毛機數控系統的模塊化設計[J].機械與液壓,2004(7)： 95-98.

[3]董景新,趙長德.機電一體化系統設計[M].北京： 機械出版社，2007： 27-58.

[4]斯克萊特，奇羅尼斯.機械設計實用機構與裝置圖冊[M].鄒平，譯.北京： 機械出版社，2007： 5-68.

[5]彭利標,田野,李冰玉,等.光纖傳感器及其應用[J].電子設計工程,2014，22(21)： 189-192.

[6]常德功,樊智敏,孟兆明.帶傳送和鏈傳動設計手冊[M].北京： 化學工業出版社，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研究[J].現代電子技術,2011，34(14)： 161-165.

[8]談雪梅,俞亞珍.寬帶可控增益放大器的設計[J].常州輕工職業技術學院學報,2008(Z1)： 32-34.

[9]唐治德.模擬電子技術基礎[M].北京： 科學出版社，2009： 181-220.

[10]晏杰,閆英敏,趙霞,等.基于單片機的中頻電源檢測系統的設計[J].電源技術,2012，36(7)：1027-1029.

[11]胡鳳忠,趙廣廈.基于AT89C2051單片機的汽車倒車雷達技術[J].計算機測量與控制，2010，18(5)：1174-1175，1192.

[12]楊平,葛云.液壓、液力與氣動傳動技術[M].北京： 科學出版社，2007： 260-290.

[13]蔡錦達,黃樹根,尤黔林,等.雙PLC技術在多軸運動控制中的應用[J].電氣傳動，2012，42(5)： 42-45.

[14]孟志強,張恒,陳燕東,等.基于PLC伺服控制的甘油霧化噴涂系統設計[J].湖南大學學報(自然科學版)，2010，37(7)： 42-46.

[15]梁錦濤,趙升噸,謝嘉,等.雙肘桿機械壓力機實現柔性加工的混合閉環伺服控制系統的研究[J].機械工程學報，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

文獻標志碼:A

中圖分類號:TP 273;TS 959.12

文章編號2095 - 0020(2015)01 -0029 - 05

作者簡介：戴亦宗(1981-)，男，講師，主要研究方向為自動化控制、機電一體化，E-mail： daiyizong@163.com

收稿日期：2015 - 01 - 26