1、 CHANGSHA UNIVERSITY OF SCIENCE step motor; PLC 牙刷植 毛设备控制器的研制 目 录 1 绪论 . .1 1.1 课题研究的背景及意义 1 1.1.1 牙刷植毛控制器设计的背景 1 1.1.2 牙刷机设计的意义 2 1.2 牙刷植毛机的研究内容 3 2 系统设计 . 5 2.1 总体设计方案 5 2.2 牙刷植毛控制器的设计方案 6 3 系统设计 . 8 3.1 系统功能设计 8 3.1.1 植毛机构 8 3.1.2 高精度 X、 Y 运动平台 8 3.1.3 单片机控制系统 8 3.2 系统结构设计 8 3.3 硬件系统 . 8 3.3.1 CP
2、U 模块 10 3.3.2 通讯模块 12 3.3.3 传动驱动模块 15 3.3.4 电气工作模块设计 19 3.4 软件系统 .19 4 结论 . 27 参考文献 . 28 致谢 . .29 附录 . .30 附录 A . 30 附录 B . 31 牙刷植 毛设备控制器的研制 第 1 页 共 31 页 1 绪论 1.1 课题研究的背景及意义 1.1.1 牙刷 植 毛控制器设计的背景 东汉金丹全书记载： “ 饮食之毒，积于牙缝，于当夜 晚洗刷，则垢污尽去，齿自不坏 ” 。 “ 故晨漱不如夜漱，此善于养齿者 ” 。西汉名医谆于意认为龋齿是 ：“ 食而不漱 ” 所致，说明我国古人已认识到 刷牙
3、对口腔卫生重要性，这也符合现代口腔卫生概念。有关刷牙习俗始于印度，随佛教传入中国，根据敦煌莫高窟壁画刷牙图可以分为两类：一类是揩齿图，另一类是齿木刷牙图 （牙刷的发展见图 1.1） 。现代社会牙齿已成为健康美丽的标志，牙刷的需求也在逐渐增加。目前，全球牙刷年需求量已经超过 90 亿支，并以每年 10%的速度递增。中国人口众多，牙刷作为现代生活必需品需求相当的大。牙刷虽小却是一个消费巨 大市场成熟的大商品，并且伴随着生活质量的提高，对于牙刷的质量同样提高，优质的保健牙刷设备的生产效率以及生产质量需求促进了高速牙刷植毛机设备 的 开发。 牙刷植 毛设备控制器的研制 第 2 页 共 31 页 图 1
4、.1 牙刷的发展 一只普通的牙刷一般由刷头、手柄和牙刷毛三部分组成。 传统 牙刷制作 工艺是采用以下方法制作的：先通过模具得到塑胶刷柄 ，该过程被称为“注塑”； 然后是植毛，通过植毛机将刷毛植入到塑胶刷柄上去；植毛后通过打磨机 把毛切成各种需要的形状；第 四 步 是拉应力检测 ，将生产出来的牙刷进行测试，检验其质量是否符 合标准；最后 ，将经检测合格的产品进行包装，就得到了我们在超市里看到的牙刷。制作过程 如图 1.2 所示。 一把牙刷的好坏，消费者更看重的是刷头部分，因此，第二步植毛在整个生产过程中起到了至关重要的作用。 图 1.2 牙刷制作 过程 1.1.2 牙刷机设计的意义 目前，牙刷作
5、为一种日常用品在国内外的需求都是非常大的，因此需要适应大批量、高效率、多样式的制刷机械。国外产品的可靠性和效率都很高，但是其现代高科技的 电动牙刷 现代工业设计的普通牙刷 1498 年世界上第一支牙刷诞生 明清的牙刷 注塑 植毛 打磨 拉应力 检测 包装 牙刷植 毛设备控制器的研制 第 3 页 共 31 页 结构比较复杂，价格昂贵。国内机器由于简单仿造传统植毛机构造和早期低速 运动的工作台，不适合大负荷高速工作，故可靠性和效率都比较低。 进入 20世纪 80年代 ，电路的集成度越来越高，对运动控制系统产生了很重要的影响，运动控制系统的控制方式迅速向微机控制方向发展，并由硬件控制转向软件控制，智
6、能化的软件控制将成为运动控制系统的一个发展趋势。运动系统控制器的实现方式也在向硬件方式发展，针对不同行业，市面上已经出现了各种各样的运动控制器，其标准化、开放程度已经给广大的用户带来极大的便利。随着工业自动化改革的不断深入， 运动控制器的应用已走出机械加工行业，越来越多地应用于其它工业自动化设备控制 ，如机器人控制、电子机械、木工机械、包装机械、纺织机械、印刷机械等诸多行业。作为传统工业的制刷机械行业，实现生产自动化是 目前 提高生产效率和产品质量的唯一途径；也是提高国内制刷生产能力和生产水平的迫切要求。因此，在国内对制刷机械自动化改造的探索和研究开发有着十分重要的意义。 1.2 牙 刷 植毛
7、机 的研究内容 经调查研究发现，目前我国多数制刷业所采用的牙刷植毛机为半自动化设备，即在植毛前植毛针与刷柄的第一个植入孔对位时需人工进行，如图 1.3 所示。随着劳动力成本的提高，牙刷的生产成本也相继提高，由于采用人工对位， 就容易出现对位不准的时候，这样，最终进行质量检测的时候，其良率也就成为了一个令人头疼的问题。从管理学角度出发，流水线作业的方式是一个可以提高生产效率和良率的好方法。针对以上问题，我本次所设计的牙刷植毛设备控制器主要为 适用于大批量生产的 自动化 流水线作业。 图 1.3 传统植毛方式 在牙刷植毛设备控制器的 设计 中， 本文中通过采用模块化、层次化的结构思牙刷植 毛设备控
8、制器的研制 第 4 页 共 31 页 想 设计 出了一种基于单片机和 PLC 控制结构的数控牙刷植毛机系统，具备了人机对话、检测、控制等一系列的功能，控制系统采用了高性能的单片机芯片、使用了高精度的步进电机及其 驱动程序、可编程控制器 PLC、位置检测反馈等部件，构成了一个使用高效的闭环驱动 系统 1 。可实现每分钟植毛 400 600 孔，日完成量达 6000 7000 支牙刷的大批量生产，充分满足了市场的需求，为企业带来良好的经济效益。 牙刷植 毛设备控制器的研制 第 5 页 共 31 页 2 设计 方案 2.1 牙刷制造 总体设计方案 鉴于 上 一部分的分析， 本次所设计的牙刷植毛设备控
9、制器主要为适用于大批量生产的 机械 流水线作业，以降低生产成本，提高生产质量及生产效率。 主要 生产 流程为： 首先，将得到的同一型号 的刷柄（手柄朝外）按顺序插入 刷柄槽（即装牙刷刷柄的槽子，大概一个刷柄槽可以装 1010 个刷柄） 中；然后，转盘朝向 刷柄槽的那一侧取出刷柄后，归位，并逆时针旋转 90 度，植毛机进行植毛； 植毛结束 ，转盘 逆时针 旋转 90 度，打磨机把毛刷尖磨成所需的形状，以防因 刷 毛太过尖锐而造成伤害 ；最后，转盘继续逆时针旋转 90 度，此时，一支完整的牙刷 制造完毕，被送到传送带上等待质量检测和最后的包装；接下来，转盘再次逆时针旋转90 度，来进行下一次刷柄的取出，这样连续反复的进行生产。流水线作业过程设计简图见图 2.1 所示。 图 2.1 流水线作业过程设计 其中，转盘的 a、 b、 c、 d 四只“手”向前伸和上下移动互不干扰，转盘的“手”靠重力感应传感器取刷柄，转盘通过步进电机的控制来旋转； 刷柄槽 中放1、刷柄槽 4、传送带 转盘 2、植毛机 3、打磨机 d a b c
