基于PLC的全自动牙刷柄供料机的设计

戴亦宗

(扬州职业大学 电气与汽车工程学院， 江苏 杨州 225009)



基于PLC的全自动牙刷柄供料机的设计

戴亦宗

(扬州职业大学 电气与汽车工程学院， 江苏 杨州 225009)

摘要:在牙刷的生产过程中，大多数是通过手工方式将牙刷柄放进自动植毛机上的夹具中进行植毛，这种方式过于依赖人工，工人劳动强度大，成本高。针对这个问题,本文采用模块化、层次化的思想设计了基于永宏PLC的牙刷柄自动供料机；阐述了系统中各个模块的机械结构、伺服定位控制技术；介绍了一种声波传感器电路。实验表明，该系统大大缩短了牙刷制作时间，实现了牙刷的全自动化生产。

关键词:整体设计； 供料系统； 吹气检测装置； 牙刷翻转装置； 控制系统

现在牙刷的制作是通过将牙刷柄放入数控植毛机中将牙刷毛植入牙刷孔，自动植毛机的应用已经十分广泛[1]，但是如何将牙刷柄放入植毛机夹具中植毛，目前大多数牙刷生产企业是通过手工方式将牙刷柄放进自动植毛机的夹具中，劳动强度高，成本大。针对这个问题,本文采用模块化、层次化结构的思想研制了一种基于永宏PLC的牙刷柄自动供料系统[2],具备传输，正反面检测、机械手抓取、人机对话等一系列功能,控制系统采用高精度的伺服电机将牙刷柄准确的送入植毛机植毛夹具中，实现了牙刷制作的完全自动化，大大提高了生产效率,降低了生产成本。

1系统整体结构

本设计采用模块化设计，如图1所示。由牙刷柄分拣模块，牙刷柄调整模块、牙刷柄抓取机械手组成，将成捆的牙刷放入牙刷料仓中，牙刷分拣模块抖动将牙刷分成一支一支，通过定位板定位后送入牙刷传输带进行位置调整。牙刷在传送带上经过4个工位，分别是牙刷柄头尾检测、牙刷柄掉头装置、牙刷头孔面正反检测、牙刷头孔面正反翻转，牙刷机械手将位置摆放正确的牙刷抓取后放入植毛机夹具中植毛，完成一支牙刷的制作[1]。

图1　系统整体结构图Fig.1　Diagram of system structure

1.1　牙刷柄分拣上料装置

该系统将成捆的牙刷柄分成一支一支送入传送系统，如图2所示。在支架上有左右两个斜楔，斜楔上安装一个主气缸安装板，安装板上装有一个主气缸,在主气缸上设有一个活塞杆，活塞杆顶部通过主气缸连接块连接，水平调节块上设有一个过渡板，通过水平调节块可以调节过渡板的受力位置。过渡板上有左右2个连杆座，7个动板各用2个连杆与连杆座活动相连，在动板与动板之间各设有一个定板，在两端的动板外侧还设有一个底板和一个定板，底板和所有定板均与两侧的侧板固定相连，各板之间均留有0.5mm的间隙，这样动板就能相对于定板做上下运动[3]。料斗两侧固定连接在侧板上，料斗的底部与底板固定相连。在定板的外侧设有一个闸门,闸门的外侧还装有一个承接板，在定板的左右2侧固定连接着2个龙门立柱，龙门立柱上方固定连接着一个龙门横梁，龙门横梁上分别设有一个挡板和左右2个对位气缸，实现每支牙刷柄的定位[4]。

图2　牙刷分拣上料装置Fig.2　Sorting and feeding device

系统运行时闸门上升，主气缸经连杆带动7块动板上下运动，将杂乱的牙刷柄一支支地依次向上输送，当牙刷柄到达定板上方时，光纤传感器获得信号[5]，对位气缸对位，承接气缸带动承接板上升，闸门气缸带动闸门向下运动，打开闸门，此时处于定板上方的牙刷柄滑向承接板，承接板下移，将其上的牙刷柄送入传送带进入下一流程。

1.2　传输及牙刷柄位置调整系统

每支牙刷柄进入传输模块，通过皮带上的相对的两个V型齿固定，伺服电动机控制皮带精确步进到4个工位，第1个工位通过检测牙刷柄的头尾位置是否正确；第2个工位旋转掉头台抬起将牙刷柄旋转180°，头尾对调；第3个工位由吹气传感器检测牙刷柄头孔面正反；第4个工位旋转夹将牙刷柄夹紧旋转180°，使牙刷柄头孔面朝上。经这4个工位，牙刷柄前后，正反位置调整正确，供机械手抓取，送入植毛机植毛夹具中[6]。

图3　牙刷位置调整装置Fig.3　Toothbrush position adjusting device

1.2.1牙刷柄孔面检测装置机械手将牙刷柄抓取后放入夹具中，必须使牙刷头孔面正面朝上，如反面朝上，当植毛针头植毛时，会将针头打坏；因此，在传送带上设计牙刷柄头孔面检测装置及翻转装置，调整牙刷柄头孔面的位置。如图4所示，该系统将输气管及声波传感器安装在安装座上，安装座安装在竖直调节支架上，在输气管入口处增加了节流调速阀，通过节流调速阀调节压缩空气的流量，提高吹气过程的稳定性。在输气管及声传感器安装座下端设有锥形声音定向收集孔，有效屏蔽其他杂音，保证检测结果不失真。当传输带把牙刷柄送到该工位时，通过输气管向牙刷柄的头部输入压缩空气，压缩空气吹向牙刷柄的头部表面，遇到有孔的一面和没有孔的一面时会发出不同频率的声音，通过声波传感器判断孔面的正反，并将信号传输给PLC控制器。

图4　牙刷柄头孔面检测装置Fig.4　Hole surface detector for toothbrush handles

图5　声波传感器Fig.5　Acoustic sensor

由于吹气检测时，现场干扰较大，对声波接收、判断电路系统设计分辨率要求高，声波接收器的设计至关重要[7]，如图5所示。声波传感器电路通过驻极体电容式话筒接收吹气时反射的声波信号转换成0~10mV振荡电压，当牙刷孔面朝上，吹气的声波反馈为16kHz频率的信号，通过带通滤波器选频该信号[8],经过放大电路[9]、直流转换电路[10]、方波整形电路转换成24V高电平信号传送给PLC控制器[11],否则为低电平信号，表示孔面朝下，需在下一工位，翻转过来。1.2.2牙刷柄翻面装置经过孔面检测装置的牙刷柄，在翻面工位对于孔面反面的牙刷柄将正面翻转过来，如图6所示。设计有一个底板，底板上设有左右2个L型支架，底板与左右2个L型支架分别固定相连。左L型支架上有一个180°旋转气缸和一个定位夹紧机构，旋转盘可相对气缸体进行180°旋转。定位夹紧机构由定位夹紧基座、上下连接杆、上下鳄、螺纹气缸、楔块、T型连接板、定位块、销轴和复位弹簧组成，螺纹气缸上有一个可以伸缩的活塞杆。楔块在螺纹气缸上的活塞杆带动下左右运动，使上下鳄围绕销轴摆动，夹住或者松开牙刷头部，复位弹簧则可帮助楔块可靠复位。定位块被T型连接板固定连接在上下鳄之间的空隙里，用以对牙刷柄头进行定位。右L型支架上也装有一个螺纹气缸，螺纹气缸上有一个可以伸缩的活塞杆，活塞杆端部固定连接一个顶块，螺纹气缸通气时，活塞杆带动顶块推顶牙刷柄尾部而使其头部紧贴在定位块上，保证牙刷柄在翻面时不松脱。气缸通气后活塞杆右移，带动楔块右移，使得上下鳄围绕销轴摆动，夹住牙刷的头部，在旋转气缸的带动下，牙刷柄转动180°，实现牙刷头孔面的翻面[12]。

图6　牙刷翻面装置Fig.6　Toothbrush surface turning device

2控制系统设计

本系统以永宏PLC作为控制器，该系列PLC有数字量控制模块、模拟量输入/输出模块、高速计数器模块、位置控制模块、通信模块等可选模块，可以实现模拟量控制、位置控制和联网功能，如图7所示。系统主机为FBS-32MA，伺服控制器100W、400W各1台，分别驱动牙刷传输带及抓取机械手的运动，其他各个部件的的运动全部用气动方式，通过PLC控制电磁阀，触摸屏为MCGS-TPC7062[13]。

图7　控制系统图Fig.7　Control system

2.1　伺服控制

系统共有2台伺服电机，即传送带伺服电机、抓取机械手运行伺服电机，采用皮带传动。牙刷柄从分拣系统模块进入传送带通过V型齿固定位置，分拣模块的承接缸下移，牙刷柄必须准确的进入V型齿随传送带移动，传送带移动每步的距离精度要求达到0.01mm。同时，循环运行过程中，不能有累积误差，才能使牙刷柄准确到位，不会滑落。根据编码器反馈脉冲的来源不同，伺服控制分为半闭环、全闭环控制这2种控制方式[14]，半闭环控制使用电机侧编码器，与伺服放大器构成闭环控制，不需要添加额外设备，具有成本低、受机械共振影响小、伺服放大器增益大以及响应时间短等优点,但是位置反馈脉冲并不直接给PLC,控制系统不能直接测量机械位置，所以定位运行会产生误差。全闭环控制使用负载编码器，将反馈脉冲直接给PLC控制，构成大闭环控制，保证了定位精度，但容易受机械共振等因素影响。伺服放大器增益小。因此，本系统传送带伺服控制采用全闭环控制方式，在电机轴上套接光电旋转编码器，PLC控制器用高速计数方式接收反馈脉冲，位置控制为相对位置方式。抓取机械手的位置精度为1mm，采用半闭环控制，位置控制为绝对位置方式[15]。

使用永宏伺服设置软件可以对伺服放大器独立运行测试，从而完成对伺服系统动态性能的调整，通过设置电子齿轮比设定伺服发出一个脉冲，机械移动的距离。各个环的增益可以由伺服放大器自动调整，在加减速有震动时，既可以通过调整参数QN502，也可以通过适当延长加减速时间加以解决,通过永宏编程软件伺服命令表格设置运行过程及回原点方式。

2.2　PLC程序设计

系统PLC程序采用模块化结构，便于系统的修改、调试与维护。系统模块主要包括伺服控制模块、当前工位牙刷位置检测模块、牙刷位置调整模块、人机界面数据通信模块和报警处理模块等[15]，流程简图如图8所示。

图8　程序流程简图Fig.8　Program flow chart

图9　牙刷制作时间对比图Fig.9　Comparison of production time

3实验结果及分析

系统现场实验，取1000个同型号牙刷柄，分别人工和系统给植毛机供牙刷柄，每100个计算每个牙刷成品的时间，实验结果如图9所示。根据图9分析，系统供料时，每支牙刷制作时间快于人工供料，且稳定，人工供料时，每支牙刷制作时间慢，并且波动较大。因此，自动牙刷柄供料机效率远高于人工供料，适合牙刷企业大规模、标准化生产，可完全替代人工供料。

4结语

本文设计了基于PLC的全自动牙刷柄供料系统，提出了PLC、伺服系统构成的全闭环位置控制方法，实现了系统部件的准确定位，通过设计一种全新的声波传感器，解决了系统运行时如何判

断牙刷柄孔面正反的问题。该系统与数控植毛机结合构成了牙刷全自动生产线，运行时流畅稳定，生产效率远高于人工供料，减少了人工，大大降低了成本，有一定的市场前景。

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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

文献标志码:A

中图分类号:TP 273;TS 959.12

文章编号2095 - 0020(2015)01 -0029 - 05

作者简介：戴亦宗(1981-)，男，讲师，主要研究方向为自动化控制、机电一体化，E-mail： daiyizong@163.com

收稿日期：2015 - 01 - 26