摘 要:本文着重介绍了基于80C51单片机控制的数控蜡刷机的机械设计过程,包括数控蜡刷机的机械设计原理、机械构成及设备工作原理。经实践证明,数控蜡刷机精度高、运行可靠。
关键词:数控蜡刷机;制刷
1 引言
当前,国内汽车行业稳步前进,中国已超过了美国成为了世界第一大汽车市场,而尾随汽车行业发展而迅速发展的汽车养护行业也成为了当前国内的一个新兴产业,汽车养护行业不同于其他服务行业具有很强的专业性。对于汽车的洗刷、打蜡更是要求严格,一是要求有好的工作人员,其次是要有好的服务工具。目前国内汽车蜡刷的制造主要就两种方式:手工制造和自动生产。在传统工艺中,主要是手工制作。如图1所示为手工制作者缝制刷子。
图1 传统手工制刷
手工制作步骤如下:(1)先根据所需蜡刷的形状制造刷板模具,在刷板模具上预留植线孔;(2)利用手工的将毛沿植线孔缝合在刷板模具上;(3)将塑胶在高温下熔融,将熔融的塑胶注入刷板模具内,待塑胶刷板冷却固化即得到一体成型的毛刷。采用这种方式获得的刷子耐用性不高,制作工艺繁琐,不美观,效率低,远远不能满足市场的需要。其次自动化生产刷子,通过自动化设备可以大规模的生产,工艺上简单、美观,而且生产效率高,但是这种自动化设备科技含量高,资金投入多,且需要专业的生产人员才能操作。
为了能实现“低投入、高效益”的生产,本文在传统工艺和全自动化之间,依托工业自动化控制原理,设计了一款既能适合工业大规模生产,效益高,而投资成本不高的数控蜡刷机。
2 数控蜡刷机设计原理
当前单片机已经深入到各个工业领域,工业自动化过程的实时控制和数据处理均采用单片机或者嵌入式系统作为控制系统。为了系统能简单方便的是实现实时控制,本数控蜡刷机设计中采用80C52单片作为控制核心,主要是在的机械设计中体现其优势——简单、节能、高效、可靠。
2.1 数控蜡刷机制刷原理
蜡刷机工作台安放在两个互成90度角的轴向滑槽组X和Y上,工作台可以在滑槽组上前后左右移动。再通过基板定位气缸控制工作台的上下运动,配合定位激光可快捷将模板定位。通过夹线气缸和拉线气缸将棉线从捻线电机种拉出,送丝机牵出铜丝,用冲针将铜丝和棉线固定在模板的插槽中,再用剪刀将棉线剪断,在进行下一个插槽的植毛。机床的各个运动部件均用气缸推动,具有运动精度高,结构简单,便于维护等特点。且各气缸两端均有定位传感器,主机可以方便的判断各部件的工作状态,大大降低了故障率。相对于缝纫制作的蜡刷机本机器工作效率提高了至少10倍。数控蜡刷机制刷如图2所示:
图 2 数控蜡刷机制刷
2.2 人机交互机制
工业生产中,为了方便生产者操作,设计者都采用人机交互机制,人机交互的主要作用是控制设备的运行和理解并执行通过人机交互设备传来的有关的各种命令和要求。数控蜡刷机采用良好的人机交互控件,将所有的操作按钮都集成在一个控制面板上。当设备调试阶段时,调试者可以通过手动操作配合每个按钮单对设备工作过程步调试;在生产阶段可以直接采用自动操作,生产者只需要通过几个按钮操作即可实现生产;当设备出现故障时,报警指示灯会发出警报信号;当设备工作中出现误操作时,可以按下急停按钮,使设备立即停止工作。本设计控制面板如图3所示。
图 3数控蜡刷机控制面板
2.3 机械运作机制
在机械设计过程中,为了改进动力系统,数控蜡刷机采用电磁阀配合气缸工作机制,将空气压缩的压力转变为机械能,实现机械运作,大大减少能量损耗。
电磁阀是用来控制流体的自动化基础元件,属于执行器,一般用于控制液压流动方向。电磁阀里有密闭的腔,在的不同位置开有通孔,每个孔都通向不同的油管,腔中间是阀,两面是两块电磁铁,哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边,通过控制阀体的移动来档住或漏出不同的排油的孔,而进油孔是常开的,液压油就会进入不同的排油管,然后通过油的压力来推动油刚的活塞,活塞又带动活塞杆,活塞竿带动机械装置动。这样通过控制电磁铁的电流就控制了机械运动。
本设计中利用电磁阀的工作原理,由液压控制变为气动控制,采用直动式电磁阀,当电磁阀通电时,电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起,阀门打开,使得气体通过电磁阀进入气缸,由于气体的聚集形成一定的气压,驱动机械运动;断电时,电磁力消失,弹簧把关闭件压在阀座上,阀门关闭,外界气体不能进入气缸,机械恢复初始状态。
2.4 定位机制
在机械设计中,考虑到以往生产中植线孔的定位精度低、误差大等缺点,数控蜡刷机的设计中采用了一种定位机制,即采用激光定位、基板定位、冲头定位相结合的机制,使生产蜡刷的精度大大提高。
为了配合蜡刷板上植线孔的定位,模具设计也有一定的改进。模具分为两层,下面一层是固定的钢板,钢板即为标准的刷板,所有的蜡刷板均与钢板完全耦合。利用转换法,使得定位仅需将钢板完全定位就可以实现蜡刷板的完全定位。
当按下控制面板上的激光按钮,由人眼主动识别完成激光定位,较为准确的定位蜡刷板上的植线孔,由于这一过程由人工完成,所以定位精度不高,故激光定位后通过基板定位对其进行微调,基板定位由基板定位上和基板定位下配合模具,通过反馈回单片机的参数程序反复调整定位,准确定位蜡刷板上的植线孔;植线阶段由冲头定位再度定位,确保冲针无误差植线。
3 数控蜡刷机的总体结构以及工作原理
在设计过程中,考虑数控蜡刷机的整体性和系统化,故采用模块化设计,将数控拉刷机系统分为5大模块:工作台、定位模块、送线模块、植线模块、剪线模块,通过各模块的协调工作完成整个设备操作。数控蜡刷机平面图如图4所示:
图 4 数控蜡刷机系统结构
3.1 工作台
数控蜡刷机工作台是整个蜡刷板植线的平台,主要用来安放模具。模具放在互成90度角的轴向滑槽组上,可以通过模具在滑槽组上前后左右移动最后定位模具。模具分为两个层面,下面一层为标准蜡刷钢板,上面一层为可变蜡刷板,标准蜡刷钢板和蜡刷板上都预先打孔,开孔直径和深度均需配合各部件要求,经多次实验测试本设计中选择蜡刷板植线孔开孔直径5.6mm,深度7mm。利用模具的不变层面固定模具,以及可变层面灵活的更换蜡刷板,当前一个蜡刷板整板植线完成以后即可将已经植线完成的蜡刷板从模具槽中取下,更换为新的蜡刷板,继续下一次植线过程。
3.2 蜡刷板植线孔定位过程
数控蜡刷板植线孔的定位是植线的首要条件,定位不准将导致植线错位或不成功。首先,通过将激光按钮按下,激光头发出激光束照射到蜡刷板上,经人工初步判断定位当前蜡刷板植线孔。然后按下基板定位按钮向单片机控制系统发送操作信号,控制端发出信号,控制基板定位上和基板定位下电磁阀开启,通过反馈回控制系统的信号判断基板定位,当基板定位上气缸定位头进钢板孔则表示已经定位,当基板定位下气缸定位头缩回则表示未定位。