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1、牙刷植毛设备控制器的研制毕业论文目 录1 绪论.11.1 课题研究的背景及意义11.1.1 牙刷植毛控制器设计的背景11.1.2 牙刷机设计的意义21.2 牙刷植毛机的研究容32 系统设计.52.1 总体设计方案52.2 牙刷植毛控制器的设计方案63 系统设计.83.1 系统功能设计83.1.1 植毛机构83.1.2 高精度X、Y运动平台83.1.3 单片机控制系统83.2 系统结构设计83.3 硬件系统.83.3.1 CPU模块103.3.2 通讯模块123.3.3 传动驱动模块153.3.4 电气工作模块设计193.4 软件系统.194 结论.27参考文献.28致谢.29附录.30附录A.
2、30附录B.31 .专业.专注. 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
3、，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。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图1.1 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；
4、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。注塑植毛打磨拉应力检测包装图1.2 牙刷制作过程1.1.2 牙刷机设计的意义目前，牙刷作为一种日常用品在国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，但是其结构比较复杂，价格昂贵。国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，
5、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；也是提高国制刷生产能力和生产水平的迫切要求。因此，在国对制刷机械自动化
6、改造的探索和研究开发有着十分重要的意义。1.2 牙刷植毛机的研究容 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
7、次化的结构思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。可实现每分钟植毛400600孔，日完成量达60007000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。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
8、（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。1、刷柄槽4、传送带转盘2、植毛机3、打磨机dabc图2.1 流水线作业过程设计其中，转盘的a、b、c、d四只“手
9、”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；刷柄槽中放置刷柄的位置是等间隔的；植毛机在植毛的过程中是靠植针的运动来完成工作的，这一部分将是本文研究的重点。2.2 牙刷植毛控制器的设计方案牙刷植毛设备控制器的功能是把牙刷毛植入牙刷孔，加工过程主要完成牙刷坯料拾取、植毛头自动定原位、数控工作台 X，Y方向孔位定圆心、分色植毛等一系列动作。牙刷坯料由注塑而成、不同规格的牙刷坯料头部孔位尺寸、位置等参数不同,植毛过程前需要获得牙刷坯料孔位置等几何参数，然后编写出数控加工程序。本设计中，牙刷植毛控制器的植毛过程大致为：首先，启动主机，使工作台回零；然后，
10、取牙刷板，若取到，则夹紧刷板，工作台找到第一孔坐标。此时启动主轴电机，带动主轴旋转，安装在主轴上的3只互成一定角度的凸轮启动，开始植毛。第一凸轮驱动一换向装置，带动拉毛梭芯在梭壳中来回拉丝。从而不断将牙刷丝送人植毛嘴中；同时另一凸轮带动送铁片机构。将铁片送人切片刀盒；此时连杆机构带动刀片切出的薄片。并与梭芯拉人的刷丝一起送人植毛嘴中，由步进电机驱动的装有刷板的工作台移到植毛嘴下，将一束刷丝连同铁片植入当前刷板孔中，这样就完成一次循环。如果在植毛过程中出现机器故障、植毛孔对不准等情况，步进电机会自动停机等待处理，这时候人工进行处理问题，然后机器会重新返回到主轴电机启动重新开始植毛。在植毛过程中，
11、电磁阀控制着毛色的更换，如果需要更换毛色电磁阀开启，植毛机会自动更换毛色，重复上一步则毛色会更换回来，然后电磁阀释放，继续植毛。植毛过程中步进电机会自动计算剩余毛孔数量，如果为零本支牙刷就植毛完毕，主轴电机会自动停转，然后循环第一步更换新的一直牙刷继续植毛。牙刷植毛控制器工作流程图见图2.2所示。主机启动工作台回零取牙刷版取到吗？夹紧刷版，工作台定第一孔坐标主轴电机启动，刹车松，开始植毛重毛吗？继续植毛更换毛色吗？为零吗？剩余孔倒计数牙刷弹出板仓，工作台回零停机，等待处理毛色控制、电磁阀释放本只牙刷植完，主轴停转更换毛色恢复原色吗？日产量、总产量+1处理完吗？N N N N N N N Y Y
12、 Y Y Y Y Y 图2.2 牙刷植毛控制器工作流程图3 系统设计3.1 系统功能设计本设计中的牙刷植毛设备控制器主要由3部分组成：植毛机构，高精度X、Y方向运动平台和单片机控制系统。3.1.1 植毛机构主要完成刷丝传送、铁片传送、铁片剪切、尉丝与铁片合成、植入刷板等动作。其工作原理是：启动主轴电机，带动主轴旋转，安装在主轴上的3只互成一定角度的凸轮启动。第一凸轮驱动一换向装置，带动拉毛梭芯在梭壳中来回拉丝。从而不断将牙刷丝送人植毛嘴中；同时另一凸轮带动送铁片机构。将铁片送入切片刀盒；此时连杆机构带动刀片切出1.6mm1mm0.4rnrn的薄片。并与梭芯拉入的刷丝一起送入植毛嘴中，由步进电机
13、驱动的装有刷板的工作台移到植毛嘴下，将一束刷丝连同铁片植入当前刷板孔中，完成一次循环。如此反复，机器将不停地生产出牙刷，平均每支牙刷植毛时间为57s。3.1.2 高精度X、Y运动平台这是一套精度较高的两轴定位系统，主要完成牙刷取板，刷板定位，X、Y方向移位，牙刷出板等一系列动作。因此这部分精度如何影响到整机性能及牙刷植毛质量，要求运动平稳、移位速度快、到位精度高。通常刷板孔径在1.6nm左右，要能准确地将毛丝及铁片植入刷板每孔中心，给运动平台提出了较高要求。其设计原理是：由微电脑控制步进电机，来驱动X轴与Y轴，而X轴和Y轴采用定制精密滚珠丝杠丝杠导程为9.6rnrn，步距为0.04 mm。工作台的平移运动，由X、Y轴运动基座加装导杆，并在导杆上安装立线轴承以消除晃动及步距误差。夹板装置安装固定在运动平台上，由电磁气动阙完成刷板的夹紧及弹出。3.1.3 单片机控制系统该部分是全自动牙刷植毛机的心脏。它所完成的工作主要包括4个方面：(1)协调整机工作状态，
