陶瓷基片自动分选装置设计

摘要

　　PTCR 是一种正温度特性的半导体电阻，超过一定的温度时，阻值随着温度的升高急剧增长,主要用于自动消磁、延时启动、恒温加热以及过流保护等方面。随着市场需求量的扩大，PTCR 的生产效率逐渐提高，传统的人工分选已经满足不了工业生产的需求。因此，本文对 PTCR 自动分选装置进行了设计。

　　通常，PTCR 是采用耐电压检测法对其质量进行评估。在质量检测完成之后，采用分类收集法对不合格产品进行分选。根据检测方法和分选方法，确定了分选机的设计方案，主要包括分选机的结构设计和控制系统设计。

　　本文应用三维绘图软件 Solidworks，对分选机的机械结构进行了设计和装配。按照功能划分，分选机主要包括传动机构、送料机构、检测机构、分选机构、卸料机构以及工作台。其中，工作台分为上下两个台面，主要是用于支撑各个机构；传输机构主要由气缸与电机组成，用于物料的定位以及系统的动力传输；送料机构完成物料的推送；检测机构实现对样品的耐电压检测；分选机构对不合格产品进行位置分类；卸料机构实现产品的分类收集。

　　分选机的控制系统包括硬件部分和软件部分。硬件部分包括电机的驱动电路以及气缸驱动电路。电机采用 TB6560 驱动芯片，对电机转速和转向进行控制。气缸驱动电路是通过继电器控制电磁阀的线圈得、失电，从而实现对气缸运动的调控。软件部分采用Keil 软件进行编写，控制程序包括机构动作控制、主控板与从控板间的数据传输以及分选部分的定位控制等。

　　通过运动分析，分选机构能够分选出不合格样品。分选机一次可以检测 36 个样品，根据应用需要可以对工位进行扩展。

　　关键词：PTCR 热敏电阻；分选机；耐电压测试；单片机

Abstract

　　PTCR is a kind of semiconductor material with large positive temperature coefficient. When the temperature is above a certain limit, its resistance value will increase rapidly, according to the temperature rise. The main functions of PTCR include automatic demagnetization, delaying start, over-current protection, constant overheating protection. With the expansion of market demand, PTCR material production efficiency gradually increased, the traditional manual sorting have been unable to meet the needs of industrial production. Therefore, the automatic sorting device of the PTCR has been designed in this paper.

　　In general, the sorting machine evaluates the quality of the products by the voltage- -withstanding test method. After the detection, it sorts out the unqualified products by the elimination method. The design scheme of the sorting machine is initially formed. It mainly includes the design of mechanism and control system.

　　In this paper, the mechanical structure of the sorting machine has been designed and assembled using the 3D drawing software Solidworks. According to the function, the sorting machine comprises transmission mechanism, feeding mechanism, detection mechanism, sorting mechanism, discharging mechanism and working table. Among them, the work table is divided into up and down two, mainly used to support the various institutions; The transmission mechanism is mainly composed of the cylinder and the motor, which is used for the positioning of the material and the power transmission of the system; The feeding mechanism completes the push of the material; The detection mechanism realizes the detection of the resistance of the sample; Sorting mechanism is for the separation of substandard products; Discharge mechanism achieves the collection of qualified products. Sorting machine control system mainly includes hardware and software. The hardware part mainly includes the drive circuit of stepping motor and the drive circuit of the cylinder.Motor drive circuit using TB6560 driver chip for the realization of the motor speed and steering control. Through the relay, cylinder drive circuit is to control the loss of power electromagnetic valve coil, so as to realize the control on the movement of the cylinder. The software part is for the control of the system by using Keil software. The control program includes the control of motion sequence, the data transmission between the master control unit and the detection unit, and positioning control of separation part.

　　Through the motion simulation, the sorting mechanism can realize the sorting of the unqualified samples. At once, the sorting machine can be detected at 36 stations, and according to the application needs it is able to expand more stations.

　　Keywords: PTCR thermistor; Sorting machine; Voltage-withstanding test; MCU

　　PTC 是 Positive Temperature Coefficient 的缩写，意思是正温度系数。PTC现象是1950年荷兰人首先发现的，在钛酸钡（BaTiO3）中掺入少量稀土原料，使原来为介电性的材料变为半导体陶瓷[1][2]。通常所说的 PTCR（Positive Temperature Coefficient Resistant）热敏电阻，是一种具有正温度系数的半导体电阻。在转变温度 TC之前，阻值随温度的升高缓慢下降；当超过 TC之后，阻值随温度的升高阶跃性的增大[3]。

　　自二十世纪六十年代以来，PTCR 热敏电阻性能的研究日趋成熟，PTCR 热敏电阻被广泛应用于家电、医疗、电子、化工以及矿石等行业中。在制备过程中，PTCR 热敏电阻的可靠性受组分和烧结条件等因素的影响[4]，材料的可靠性得不到保证；如果直接投入生产使用，会对人们的生活带来不可估量的麻烦。

　　所以，需要对材料的可靠性进行检测。在 PTCR 热敏电阻的检测过程中，质量检测环节和自动分选环节是保证产品出厂质量的两个重要环节。PTCR热敏电阻在其居里温度点前后表现出来的阻值变化差异很大，所以通常采用在热敏电阻两端加高、低电压的方法对其可靠性进行检测。

　　PTCR 热敏电阻的加压测试主要分为：低压时的耐电流冲击能力测试和高压时的耐电压能力测试。其中，耐电流冲击能力测试是在样品两端加较低电压来检测耐电流冲击特性[6]。在常温下，热敏电阻阻值较低，给其两端加上高于额定电压的电压值，此时测试回路中会产生较大的瞬时冲击电流，观察热敏电阻的耐电流冲击的能力。耐电压能力是指给样品两端加上较高电压，观察其在规定时间内的耐电压能力[6]。如果热敏电阻的可靠性不好，其耐电压阈值过低，会因两端所加电压过高被击穿，不能恢复到原来的状态，导致样品损坏。

　　目前，国内大部分生产 PTCR 的企业对其质量检测和分选环节都是分开进行的。早期的检测电路没有添加过零过流保护电路，所以在耐电压检测之后，不合格产品会因为高压作用被击穿，表面呈现黑色，工人通过颜色差异分选不合格样品。样品分选完全依赖于劳动技能，分选效率低。另外，随着检测技术的进步，一般的检测电路都添加了过零过流保护电路，样品不会因为高压而损坏，表面特征不明显。所以，不能根据样品表面特征进行分选。

　　为了保证分选的质量、提高分选的效率、节约成本，本文提出了采用自动检测和分选技术代替手工分选技术的方案，该方案可以提高企业生产的自动化程度。

　　课题的主要研究内容是设计一个基于单片机的陶瓷基片的自动分选装置。通过陶瓷基片的分选需求，提出了采用耐电压检测的方法对样品进行质量检测，采用分类收集法来实现物料的自动分选。在此基础上，确定了分选机的结构设计方案。在分选过程中，通过硬件电路实现样品的检测和分选，通过单片机对整个分选系统进行控制。

　　本文根据陶瓷基片的分选需求，提出了陶瓷基片的自动分选装置的设计方案，并设计了分选装置的机械结构，根据控制需求设计硬件电路与软件系统。

　　本文的各章节内容安排如下：

　　第一章，介绍 PTCR 热敏电阻的特性和应用范围，阐述了 PTCR 耐电压系统的测试原理，并介绍了几种常用的分选标准和自动分选控制技术；

　　第二章，对 PTCR 热敏电阻的自动分选机的设计需求进行了分析，确定了样品的分选方法，并在此基础上提出了自动分选机的设计方案；然后，对分选机的组成部分以及工作原理进行了阐述；

　　第三章，主要介绍了自动分选机的机械结构模型，从总体方案设计开始着手，详细介绍了分选机的工作台、传动机构、送料机构、检测机构、分选机构以及卸料机构的设计过程；

　　第四章，介绍了分选装置的硬件设备选型以及硬件驱动电路，主要包括单片机选型与接口电路、步进电机的驱动以及气缸控制三个部分；

　　第五章，给出系统的原理框图，主要包括串口通信过程和分选过程；

　　第六章，总结全文，说明在论文设计过程中所做的工作，提出本设计需要进一步完善和改进的地方，展望 PTCR 热敏电阻分选系统的研究方向。

　　陶瓷基片自动分选装置结构设计：

分选机的整体模型

工作台模型

上工作台面

常用气缸

二维滚珠丝杠模型

步进电机

传统托料板

第一次改进后的托料板

第二次改进后的托料板

上料原理图

目 录

　　摘 要
　　Abstract
　　1 绪论
　　　　1.1 课题来源及研究意义
　　　　1.2 国内外分选技术的研究现状
　　　　1.3 陶瓷基片分选技术
　　　　1.4 论文主要研究内容
　　　　1.5 本文的章节安排
　　2 总体方案设
　　　　2.1 分选机的设计需求
　　　　2.2 分选机的工作原理
　　　　2.3 分选机的组成
　　　　2.4 本章小结
　　3 机械结构设计
　　　　3.1 整体机构
　　　　3.2 工作台
　　　　3.3 传动机构
　　　　3.4 送料机构
　　　　3.5 检测机构
　　　　3.6 分选机构
　　　　3.7 卸料机构
　　　　3.8 本章小结
　　4 系统硬件设计
　　　　4.1 系统运行的原理
　　　　4.2 硬件设备选型
　　　　4.3 单片机最小系统
　　　　4.4 步进电机驱动
　　　　4.5 气缸驱动
　　　　4.6 本章小结
　　5 系统软件设计
　　　　5.1 分选的原理
　　　　5.2 软件设计
　　　　5.3 本章小结
　　6 论文总结
　　　　6.1 全文总结
　　　　6.2 研究展望
　　致 谢
　　参考文献

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