专利名称：高速数控牙刷植毛机控制装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及数控牙刷植毛机的控制技术领域，具体是指一种高速数控牙刷植毛机控制装置。
背景技术：
牙刷是人们日常生活必需的消耗品，随着生活水平的提高，对牙刷品种的多样性提出了越来越多的要求，随着市场竞争的加剧，企业生产牙刷的盈利率变得越来越低，企业需要靠节约生产成本，减少生产周期，提高生产速度，增大生产规模和产量来获得更多盈利。其中至关重要的因素之一是提高牙刷孔植毛工序的效率。采用常规牙刷植毛机时，生产一种型号的牙刷就必须配备一套相应的凸轮模具，采用数控装置的牙刷植毛机后，不再需要凸轮模具，生产不同型号的牙刷时只需输入不同的数控程序，就可植毛加工出不同孔位及颜色的牙刷，因而可以减少生产成本，并加快产品开发周期。
牙刷植毛机中的数控装置是采用计算机数字控制原理，按照用户输入的或固化在数控装置芯片中的牙刷形状，检测各个控制信号，控制工作台的运动轨迹、植毛针头、主电机、气缸、分毛器等各个机构的协调运动，从而完成牙刷的整个植毛过程。采用单片机配合外围电路，通过综合处理牙刷形状要求和传感器采集的信号，驱动电机及气缸执行控制动作。其关键技术在于如何检测与控制装有牙刷工作台的高速运动，并保持植毛过程的稳定性。现阶段，国内、外已有单位开展了数控牙刷植毛机的研究，并取得了一定的成果。
目前，国内开发的数控牙刷植毛机的植毛速度都低于300孔/分钟。当植毛速度高于300孔/分钟后，由于工作台频繁、急剧的启停，同时伴随着较大地振动现象，使得植毛时的位置控制不能保证所要求的孔位精度。
发明内容本实用新型的目的就是为了解决上述现有技术中存在的不足之处，提供一种高速数控牙刷植毛机控制装置。该装置配合牙刷植毛机的各种运动，植毛速度达到了550孔/分钟，大大提高了牙刷植毛机的工作效率。
本实用新型所述一种高速数控牙刷植毛机控制装置，其特征是，它由单片机控制板、PLC、键盘、液晶显示器、传感器和执行机构相互连接组成，其相互连接关系为，单片机控制板分别通过控制信号线与PLC、键盘、液晶显示器、传感器和执行机构相互电气连接，PLC分别通过信号线与传感器和执行机构相互电气连接。
为了更好地实现本实用新型，所述执行机构由主电机、位置控制电机、换毛机构、牙刷夹头动作机构相互连接组成，其相互连接关系为，主电机与机床的插毛针头相连接，带动其工作，位置控制电机与机床的工作台相连接，带动其沿X或Z方向运动，换毛机构和牙刷夹头动作机构分别通过控制信号线与PLC相连接。
本实用新型与现有技术相比，具有以下优点和有益效果1.本实用新型自动化程度高，安全可靠。
2.本实用新型工作速度快，可以使牙刷植毛速度提高到每分钟550孔。
3.本实用新型由于不需牙刷凸轮模，更换牙刷品种方便快捷，且可省去制牙刷凸轮模的时间和成本。
4.本实用新型采用通用数控程序方式编制牙刷加工程序，具有牙刷孔位形状、毛色图形仿真功能，可简化加工程序编制与调试，避免出错。
5.本实用新型采用大屏幕液晶显示屏，中文界面，操作、调试简便。
6.本实用新型具有安全保护和故障自动停机功能。
图1是本实用新型的结构示意图；图2是本实用新型的单片机控制模块结构示意图；图3是本实用新型的PLC连接示意图；图4是本实用新型的键盘连接示意图；图5是本实用新型的液晶显示器连接示意图；图6是本实用新型的电路原理图；图7是本实用新型的软件菜单结构示意图；图8是本实用新型的软件结构示意图；图9是本实用新型的显示/选择程序流程图；图10是本实用新型的编辑程序模块流程图；图11是本实用新型的自动加工流程图；
图12是本实用新型的点动流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本实用新型做进一步地详细描述。
如图1所示，本实用新型包括单片机控制板、PLC、键盘、液晶显示器、传感器、执行机构等六大部分。该装置采用单片机及PLC协调工作，基于两轴控制的数控机床装置，控制一系列的动作高速完成牙刷的插毛过程，由于采用高性能的步进电机及驱动装置，设计为开环系统也能满足控制精度。其中，单片机控制板负责整个装置的控制，包括接受键盘输入、显示输出、工作台位置检测、允许插毛及针障传感器信号采集、处理、插补运算、步进电机的控制、与PLC通信等；PLC与单片机通信，监测安全盖保护开关、缺丝传感器、X、Z方向限位开关，监测操作台上的急停、自动/手动、停止/启动、刹车按钮，根据单片机指令或传感、开关、按钮信号对装置进行控制或反馈信号给单片机；键盘用于输入用户加工程序，通过按键控制装置运行等；液晶显示器把信息显示给用户，它和键盘及控制装置的其他控制开关作为操作人员与装置的输入、输出接口。其中，键盘、液晶显示器直接连接在单片机控制板的CPU芯片的P1口和P3口，通过串行方式和CPU进行通信。X、Z方向限位，针障，允许进给传感器连接在单片机控制板上的1#8155芯片的PC口上给CPU传递传感器信号。PLC的输入输出端通过光隔器件分别连接在单片机控制板上的2#8155芯片的PA、PB口上与CPU进行通信。执行机构中的X和Z方向步进电机通过光隔器件分别连接在单片机控制板上的1#8155芯片的PA口和2#8155芯片的PC口上接收CPU的控制信号。机床操作台上的控制按钮，允许换毛传感器，安全盖保护开关，缺丝传感器作为输入连接在PLC的输入端。执行机构中的主电机，换毛机构，夹头翻转机构连接在PLC的输出端接收PLC的控制信号。
如图2所示，单片机控制板采用Atmel公司的AT89C52芯片，该芯片内含8K可擦写Flash程序存储器，外部扩展一片64K程序存储器和一片32K数据存储器，同时扩展了两片8155芯片以提供更多的I/O接口。该部分作为本牙刷植毛机数控装置的控制中心，控制整个装置的协调运作。其通过接口电路与其他各个模块连接负责键盘输入、信息显示、工作台限位开关、允许插毛及针障传感器信号采集、处理；负责与PLC通信，并发出信号控制步进电机的运动。
如图3所示，PLC的输入端连接在单片机控制板上的第二个8155芯片的PA口，并与机床上的各传感器、开关、按钮相连接，接收单片机的信息和各传感器、开关、按钮信号。PLC的输出端连接在单片机控制板的第二个8155的PB口，并与机床上的控制主电机的继电器和控制换毛机构，夹头动作的五个电磁阀连接，从而可以发送信息给单片机，控制主电机启停，控制换毛机构换毛，执行夹紧、松开、翻转等夹头动作。单片机与PLC的通信过程中，两者互相按照预定义的协议给对方发送信息，并接收反馈信息。整个装置相当于双CPU的控制装置。PLC采用日本三菱公司的FX系列PLC，其主要作用是接收单片机指令，监测植毛机的安全盖保护开关，缺丝传感及允许换毛传感器信号；监测机床操作台上的急停、自动/手动、停止/启动、刹车按钮；完成对机床各个部位电磁气动阀和开关的控制，同时将机床的各部分的信息反馈回单片机控制模块。其工作主要内容如下当安全盖保护开关，缺丝传感器触发后则停止主电机运行，从而使插毛动作，工作台运动停止，机器暂停运行；当接收到单片机的指令时通过控制电磁阀或开关从而执行相应的停机、换毛，夹紧，松开、翻转等夹头动作或同时给单片机传回反馈信息；当操作台上的某个按钮或按钮序列按下时执行相应的急停，自动、手动切换，启停机，刹车，点动，回零工作。当监测到允许换毛传感器允许换毛时才可以执行单片机送来的换毛色指令。
如图4所示，键盘采用标准PC键盘。键盘直接连接在单片机控制板的89C52 CPU的I/O口上。单片机的接口P1.3和P1.2分别连接键盘的时钟线(SCK)和数据线(SIO)，P1口内部为上拉输出形式，可以和键盘的通信线直接相连，由软件控制产生收发时序。当任一键按下时，键盘立即产生按键的扫描码，单片机通过串行通信接收到按键扫描码，识别是那个键按下。
如图5所示，液晶显示器采用可视化编程LCD液晶显示屏作为本装置的显示终端。显示屏直接连接在单片机控制板上的89C52 CPU的P3.0、P3.1口。该显示屏自带单片机系统有显示控制、通信、存储功能，通过显示屏的RXD、TXD口与单片机进行通信。可以把该控制装置可能要用到的各种图标和标准字库预先存入这个LCD自带的单片机系统中。然后由本控制装置的单片机通过串口给LCD显示屏发送相应的命令来控制生成需要的界面和需要的信息。
本实用新型的电路原理图如图6所示。传感器包括针障传感器、允许进给传感器、允许换毛传感器、缺丝传感器、X、Z方向限位开关、安全盖保护开关、机床操作台上的“急停”、“自动/手动”、“停止/启动”、“刹车”四个按钮。所有这些传感器、开关位于机床上。其中X、Z方向限位开关、针障传感器、允许进给传感器连接在单片机控制板的第一个8155的PC口，其余的传感器、开关、按钮连接在PLC的输入端。执行机构包括机床上的主电机，X、Z方向步进电机，控制换毛机构，以及控制夹紧、松开、翻转等夹头动作的五个气动电磁阀。其中，主电机由PLC控制模块控制启停，主电机运转可以通过一个凸轮机构控制插毛头的往复运动，从而给牙刷植毛。PLC还控制5个气动电磁阀，其中两个完成换毛动作，另外三个完成对牙刷的夹紧，翻转，松夹等动作。X、Z方向步进电机由单片机控制板控制完成工作台的X、Z方向的运动。
如图7、8所示，本实用新型的控制软件采用C51计算机语言进行开发。软件界面菜单分为3层，每层以F1键切换，每层包含不同的功能菜单。整个软件结构分为主程序和“显示/选择程序”、“当前程序”、“出错信息”等19个功能模块。由于本实用新型的高速工作的需要，所以主程序采用查询方式扫描键盘，整个装置的中断功能则转由各个操作台按钮和装置主动监测各传感器来实现。主程序功能如下开机进行设堆栈指针、内部RAM各寄存器值初始化等上电初始化；显示欢迎界面；按查询方式进行键盘扫描，有键触发后转键处理程序判断进入相应的功能模块，功能模块完成后返回到主程序的键盘扫描。本实施例仅写出其中几个功能模块的实现流程，其余模块流程略过。
如图9所示，显示/选择程序功能可以实现显示装置中储存的加工程序和每个程序的代码。当选定其中的一个加工程序后，则在以后的加工过程中就按这个被选择的程序加工，即使断电后重新开机也是如此。在装置液晶显示器界面的编辑框中输入程序名后，则此程序即为被选定的加工程序。
如图10所示，编辑程序功能模块可以插入新的加工程序，修改现有的加工程序。加工程序由键盘输入，存储在单片机控制装置的片外RAM中，由于本装置有掉电保护功能，所以加工程序能够一直存储在装置中。
如图11所示，自动加工功能按选定的加工程序自动加工牙刷，并且根据操作台的按钮决定是加工一只牙刷就停下来，还是连续加工。当操作人员按下操作台上的急停，停止按钮或装置监测到异常时停止加工。为了提高本实用新型的运行速度，在加工过程中不是读一条数控语句编译一句执行一句，而是预先把选定的加工程序整个的编译到加工缓存区，然后插补控制子程序就从此加工缓冲区里面顺序的获取指令。片外RAM中从0x9000地址开始开辟一块1K的空间作为加工缓冲区。在执行机构获得指令后根据指令执行相应的动作，装置通过传感器和其他开关监测到有异常后会做相应的处理。
如图12所示，点动方式是可以按一下左键或右键，使工作台沿X正或负方向按设定的步长走一步，按上键或下键，使工作台沿Z向上或向下按设定的步长走一步，步长分为10mm、5mm、1mm、0.1mm、0.05mm。
此外，本实用新型实施例还具有以下功能(1)牙刷图形显示功能，可以在液晶屏对选定的加工程序的牙刷进行仿真，包括牙刷的按比例放大的形状以及毛色。(2)回零功能，使工作台回到机床零点。
如上所述。即可较好地实现本实用新型。
权利要求1.一种高速数控牙刷植毛机控制装置，其特征是，它由单片机控制板、PLC、键盘、液晶显示器、传感器和执行机构相互连接组成，其相互连接关系为，单片机控制板分别通过控制信号线与PLC、键盘、液晶显示器、传感器和执行机构相互电气连接，PLC分别通过信号线与传感器和执行机构相互电气连接。
2.根据权利要求1所述的一种高速数控牙刷植毛机控制装置，其特征是，所述执行机构由主电机、步进电机、换毛机构、牙刷夹头动作机构相互连接组成，其相互连接关系为，主电机与机床的插毛针头相连接，位置控制电机与机床的工作台相连接，换毛机构和牙刷夹头动作机构分别通过控制信号线与PLC相连接。
专利摘要本实用新型是一种高速数控牙刷植毛机控制装置，它由单片机控制板、PLC、键盘、液晶显示器、传感器和执行机构相互连接组成，其相互连接关系为，单片机控制板分别通过控制信号线与PLC、键盘、液晶显示器、传感器和执行机构相互电气连接，PLC分别通过信号线与传感器和执行机构相互电气连接。本实用新型自动化程度高，安全可靠，工作速度快，可以使牙刷植毛速度提高到每分钟550孔，更换牙刷品种方便快捷，且可省去制牙刷模的时间和成本。本实用新型采用通用数控程序编制牙刷加工程序，并且有牙刷图形仿真功能，加工程序编制、调试简便，采用大屏幕液晶显示屏，中文界面，操作、调试简便，具有安全保护和故障自动停机功能。
文档编号A46D3/00GK2634907SQ0327438
公开日2004年8月25日 申请日期2003年9月10日 优先权日2003年9月10日
发明者李伟光, 李勇, 朱金华, 赵博, 俞烽, 叶凡 申请人:华南理工大学