基于PLC的点胶机设计毕业设计（论文）

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毕业设计(论文)

基于PLC的点胶机设计

DISPRNSING MACHAINE DESIGN BASED ON

PLC

毕业设计(论文) 学位论文原创性声明

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论文作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日

毕业设计(论文) 摘要

点胶机一种可将胶液自动涂覆于封装的电子元器件的机器，同时也广泛应用于固定零件的表面以及玻璃密封等行业，进入21世纪以来，我国逐发展为为世界的制造工厂，对高自动化，高精度点胶机的依赖也日益增长。

本文的点胶机控制系统通过PLC-GOT-PC连接，并且将程序通过PC下载到PLC以及在GOT上实行仿真。PLC通过控制步进电机的转动在滚珠丝杠的转变后，工作台在相对应的X-Y-Z方向上的直线移动。通过PLC编程实现的直线移动具有稳定性和匀速性，GOT的应用使点胶机在硬件上具有较高的集成度，无需外接开关或按钮，通过触摸屏的触控操作可完成对应操作，X-Y方向的运动可实现在工作台平面内的多路径运动，X-Y-Z的三轴联动可实现在空间内的曲线和直线运动。系统整体稳定性高，运动精准，且具有较高的性价比。

由于数控技术、机电行业以及数码产品的制造工艺的不断提升，因此对点胶机的性能提出了更高要求，基于PLC的自动点胶机一定会有着更广泛的应用前景。

关键词 点胶机；PLC；GOT；步进电机

I

毕业设计(论文) Abstract

A glue dispenser can be automatically applied to electronic components of packaging machines, but also widely used in the fixed parts of the surface and the glass seal and other industries in the 21st century, China gradually developed into the world's manufacturing plant reliance on highly automated, high precision dispenser is also growing.

Paper dispenser control systems PLC-GOT-PC connection, and download the program via PC PLC and the introduction of simulation on the GOT. PLC by turning the control stepper motor after the change of ball screws, into the workpiece, the table in the corresponding direction XYZ linear movement. PLC programming via linear movement has a stable and uniform nature, GOT application enables dispensing with a higher degree of integration in hardware, no external switches or buttons, touch operation through the touch screen corresponding to the operation to be completed, XY direction The exercise can achieve multi-path motion in the plane of the table, XYZ's three-axis motion multi-dimensional curves and straight lines in the space can be achieved. High overall stability of the system, precise movement, and has a high amount of money.

Due to continuous improvement of numerical control technology, mechanical and electrical industries as well as manufacturing processes of digital products, so the dispenser performance put forward higher requirements, PLC-based automatic dispenser will have a wider application.

Keywords dispensing machine PLC GOT Stepper motor

II

毕业设计(论文) 目 录

摘要 .................................................................................................................................................. I Abstract ...........................................................................................................................................II 1 绪论 ...................................................................... 1 1.1 点胶的研究背景 ........................................................ 1 1.2 点胶的发展历程 ........................................................ 2 1.3 点胶机的主要组成部分 .................................................. 3 1.4 本设计任务 ............................................................ 3 2 点胶机总体方案确定 ........................................................ 5 2.1 点胶工艺的分析 ........................................................ 5 2.2 确定点胶方式 .......................................................... 5 2.3 基于PLC点胶机总体方案的拟定 .......................................... 5 3 胶机机械部分设计 .......................................................... 7 3.1 Y轴运动机构的设计、选型与校核 ......................................... 7 3.1.1 滚珠丝杠副特性 .................................... 错误！未定义书签。 3.1.2 滚珠丝杠副选型计算 ................................ 错误！未定义书签。 3.1.3 步进电动机及减速箱的计算与选型 .................... 错误！未定义书签。 3.1.4 轴承的选型计算 .................................... 错误！未定义书签。 3.1.5直线滚动导轨的选型 ................................ 错误！未定义书签。 3.2 X轴（左右）方向传动部件的选型与校核 .................. 错误！未定义书签。 3.2.1 滚珠丝杠副选型计算 ................................ 错误！未定义书签。 3.2.2 电机的选型计算 .................................... 错误！未定义书签。 3.2.3 轴承的选型计算 .................................... 错误！未定义书签。 3.2.4 圆柱导轨的选型 .................................... 错误！未定义书签。 3.3 Z轴方向结构设计 ..................................... 错误！未定义书签。 3.3.1 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 ........................ 错误！未定义书签。 3.3.2 步进电动机减速箱的计算与选型 ...................... 错误！未定义书签。 3.3.3 电动机的计算与选型 ................................ 错误！未定义书签。 3.3.4 轴承的选型 ........................................ 错误！未定义书签。 4 控制系统分析 ............................................. 错误！未定义书签。 4.1 控制方案分析与选定 ................................... 错误！未定义书签。 4.2 PLC选型分析 .......................................... 错误！未定义书签。 4.3 驱动器选型分析 ....................................... 错误！未定义书签。 4.4 直流稳压源的选型 ..................................... 错误！未定义书签。

毕业设计(论文) 4.5 零点开关与限位开关选型分析 ........................... 错误！未定义书签。 4.6 GOT触摸屏选型分析 .................................... 错误！未定义书签。 5 操作界面与PLC程序分析 .................................................... 7 5.1 操作界面设计 .......................................................... 7 5.1.1 界面分析 ........................................................... 7 5.1.2 触摸屏界面设计 .................................................... 8 5.2 PLC程序分析 .......................................................... 10 5.2.1 插补法程序介绍与设计 .............................................. 10 5.2.2 逐点比较法插补原理 ................................................ 10 5.2.3 直线插补 .......................................................... 11 5.2.4. 圆弧插补 ......................................................... 12 5.3 工作台限位 ........................................................... 12 5.4 手动控制程序 ......................................... 错误！未定义书签。 结论 ....................................................................... 13 致谢 ....................................................................... 14 参考文献 ................................................................... 15

毕业设计(论文) 1 绪论

1.1 点胶的研究背景

我国作为世界代加工中心，电子制造以及加工行业取得了长足的进步，尤其在东部发达地区，电子制造行业已经成为地区经济的重要组成部分，而在电子产业发展的进程中，电子产品的制造与加工取得的快速发展。虽然轻工业在我国占较高比重，生产自动化程度已严重制约现代电子产业发展，且工作环境恶劣，生产效率极其低下。虽然拥有较大的生产规模，但产品的性能稳定性以及生产效率大大受制于落后的制造装备，在部分欠发达地区，很多制造工序还依赖于工人的手工操作可造成的环境污染问题也日益凸显，因此我国生产的电子产品在质量、产量、性能等方面受到了较大制约。

美国以及欧洲在点胶机研制方面早于世界其他国家，上世纪由于日本电子产业的兴起，日本开始出现代工美国点胶机的厂家，且数量惊人。我国提出实现现代化之后，轻工

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毕业设计(论文) 业在国民经济所占比重开始上升，电子产品的制造加工方面取得了长足进步，欧美黑日本专业点胶机生产厂家开始入驻中国，并占据了主导市场。然而我国当前点胶机产品的质量以及加工工艺不能满足生产要求，且仍有部分生产线需要依赖人力来完成点胶工作。且国内厂家生产的点胶机产品在运动控制、稳定性、点胶精确性远远落后于欧美及日本生产厂家，且不能实现多空间轨迹的精确点胶，因此，大型电子厂商需要从国外采购性能稳定，精确度高的点胶设备，但价格远远高于国内市场，动辄数十万，对小厂商来说负担较大。

我国中小规模电子制造厂商占较大比重，而经济利润较低的中小企业无力支付昂贵的点胶设备。在本文中，我们研究了点胶控制系统是建立在手动分配和步进电机控制技术上开发更经济实用的点胶控制系统。在满足企业对于点胶要求的同时兼顾产品的性能的稳定性与精确性，从而提高企业产品数量与生产效率。由此可知基于可编程控制器的点胶设备具有广泛的应用前景。

[1]

1.2 点胶的发展历程

点胶机的在国内有较长的应用历史，劳动量与生产效率间的矛盾，PLC可编程控制器的发展和广泛普及，数学控制环节的发展，流体力学原理和计算机图形学的应用，促使点胶机从最初的手动点胶方式逐渐演变为高规格，高精度，多功能的全自动点胶机。PLC融入到点胶机器中，无疑极大的促进了点胶机的发展进程。图1-1为基于PLC的点胶控制系统自动化发展进程。

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毕业设计(论文) 图1-1 点胶机的自动化进程

1.3 点胶机的主要组成部分

点胶机作为一个具备自动化功能的机器。分为机械部分和控制部分：机械部分主要为点胶机工作台设计，工作台多为常规X-Y工作台，胶作为Z轴方向机械部分，在Z轴方向上上下运动并执行点胶操作。随着实际生产需求的发展，常规的X-Y工作台已发展为多种形式，如图1-2所示，为龙门式点胶机，胶固定在X轴方向上，工作台只执行Y方向水平移动操作，X-Y方向联动仍可实现X-Y工作台的常规路径操作[2]。

图1-2 龙门式点胶机

1.4 本设计任务

对X、Y、Z方向机械运动系统需求分析，设计计算各方向上,设计一种自动点胶机，能实现在二维平面上任意位置点胶，设计工作台运动机构、胶运动机构、选型胶，控制系统设计，主要包含以下几点：

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毕业设计(论文) （1）进行总体方案的设计，其中包括点胶系统平台的组成及需求分析,控制系统硬件结构包括PLC选型，驱动器选型，触摸屏选型以及I/O口的配；

（2）控制系统硬件结构包括PLC选型，驱动器选型，触摸屏选型以及I/O口的配； （3）点胶控制系统软件设计以及确定其它各组成部分；

下图1-3为本设计的研究总体技术路线:

图1-3 研究总体技术路线

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毕业设计(论文) 2 点胶机总体方案确定

2.1 点胶工艺的分析

胶点直径大小不一，胶水固化程度不稳定，拉丝，胶水腐蚀工作台等问题严重制约点胶设备的点胶质量。在研究上述问题时发现在解决各项技术工艺参数后，点胶设备的点胶质量可显著提升[3]。

影响因素 1 点胶压力 5 针头大小 表2-1 点胶质量影响因素 2 3 气泡大小 温度 6 7 胶水粘度 固化曲线 4 针头与工作台距离 8 点胶量大小 上述各参数的选定与修改需循序渐进，每个参数发生变化的同时都会对其他参数产生影响。基于PLC控制的点胶系统需满足实际生产需求，在保证性能稳定可靠的同时，提高做工精度，降低生产成本。

2.2 确定点胶方式

由于点胶系统采用的胶体是普通混合液体，液体自身密度适中，在点胶时应考虑到胶水在针头内的流畅性。已知锥形针头中的PP、TT针头在保证出胶流畅性同时，还能兼顾胶体精度。各针头钢管的生产皆采用独特工艺，无毛边加工，点胶针头钢管在生产加工时都采用内外管壁抛光及钢管端面倒角，确保液体吐出精度，杜绝拉丝，针座采用大面积旋转设计，在保证配合紧密的同时也已于拆装及更换。

由于本文研究的基于PLC点胶控制系统在执行点胶操作时，胶体的出胶量较少，基于时间压力控制的滴胶方式模型易于建立，但在点胶的精度控制上很难把握，而通过电磁控胶的方式能在点胶时精准控制每次滴定时间，在时间上可以精确到毫秒级别，从而精确地控制胶水液料流量，不造成胶水液料的浪费，控制针头最小吐出量为0.01ml。因此我们选

58mm的20号锥形针头，解决滴胶问题，并通过PLC提前设置胶电磁阀用了针孔内径为0．的通断时间来改变胶针头的注滴量,且操控性能好，精确度高，易于控制，兼容其他浓度胶体的滴胶需求。满足基于PLC点胶系统的开发和生产需求[4]。

2.3 基于PLC点胶机总体方案的拟定

机械部分就是一个X-Y-Z三方向上的传动平台结构[5]。Z轴步进电机的旋转带动胶机构的上下运动，为了防止突然断电而引起的胶机构滑落，Z轴传动导轨需运行平稳且本身带有自锁功能，因此在设计时采用丝杠螺母的传动方式来确保Z轴运动精度控制及自锁功能的实现。

在实际生产中，点胶机的运动大部分是在工作台平面内实现的二维运动，各方向上的机构传动都是通过步进电机的转动转化为机构的直线运动，由于滚珠丝杠的传动方式本身具有优异的稳定性能及较高的传动精度，因此能确保X-Y方向上机构运动的稳定性及精确

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毕业设计(论文) 性，且能延长机器的使用寿命。

PLC作为系统的智能控制计算设备，通过计算后输出脉冲至步进电机驱动器，通过电机的旋转传动实现点胶机构的运动控制。点胶机滴胶针头可以通过三维方向上工作台的移动到达工作空间内任意一点坐标，并灵活完成各种路径控制。产品示意如下图2-1所示。

图2-1 点胶机产品示意图

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毕业设计(论文) 3 胶机机械部分设计

电机作为动力源，最常选用的传动方式包括齿轮传动，皮带轮传动，链条传动等。齿轮传动应用比较广，齿轮传动的传动范围有限，不适用远距离传动。皮带轮传动容易出现打滑的现象。链条传动的结构相对简单，但是传动的平稳性不好。综合考虑到以上传动方式的缺点，本设计选用丝杠传动。丝杠来完成X、Y方向的运动，动力源依靠步进电动机驱动来实提供[6]。

本点胶机运动系统具有六个自由度，X-Y-Z方向都可独自实现直线移动，Z轴运动机构实现上下方向运动，通过悬臂式的方式与Y轴运动机构相连接。X轴方向运动机构固定在工作台上，且Y轴与X轴通过悬臂方式实现连接。滚珠丝杠螺母副通过步进电机的旋转，实现直线运动，部件在导轨因此可实现直线运动。机构在X-Y方向工作台到达指定位置后，连接胶部件的Z轴电机旋转在竖直方向上运动，并执行点胶操作。X方向运动路径为500mm，Y方向运动路径为500mm，Z方向运动路径没有运动范围要求，暂定为300mm。

3.1 Y轴运动机构的设计、选型与校核

5 操作界面与PLC程序分析

5.1 操作界面设计

21世纪，由与液晶屏组成的GOT取得了快速发展，伴随着PLC控制功能的丰富与数据处理能力的高速发展，复杂繁琐的PLC接线操作已经了工业自动化的发展。因此作为人与PLC之间桥梁的人机界面应用开始诞生，目前人机界面最简单的可以取代开关和各种指示灯，触摸屏式高集成度的操作人员控制端已获得普及，GOT在控制系统中开始广泛应用。PLC连接的人机界面界面仿真功能也愈发强大，且操控更为简单，方便,易于上手。至此PLC与PC链接控制方式已成为当今自动化领域的主导形式。触摸屏在工业控制系统的出现，增加了系统的高度集成化，无需外接键盘、开关及其他仪表，并可取代了控制台及一般显示器。当GOT执行命令时，会实时传递信息到PLC，PLC在通过数据处理以后，执行相应操作，并实时传递相应参数及功能状态[20]。

5.1.1 界面分析

人机界面设计的初衷就是操作者减小使用难度，各工件的加工状态以及部件的运行状态都直观的展现在GOT上，该设计基于PLC的点胶机控制系统中，个操作部件的运行状态显示直观。因此GOT界面信息显示需要全面，多个变量与PLC的输入/输出接口参数都提前设定连接，在GOT上显示开关，功能键。点胶机控制系统的工作状态，及工作需求的不同，在GOT上添加组态指示灯，当I/O口端得电时，在GOT上的组态指示灯以及功能键会及时显示。通过人机界面的设定，可大大节约可编程控制器的I/O口占用数量，而由于输入输出及所需执行的操作较多，在GOT的同一界面很难全部放置，因此本控制系统需要多屏显示，

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毕业设计(论文) 且可根据各指令功能使用的频率和显示的重要性来区分排列顺序。并通过GOT按键设置在主界面与分界面间切换。

触摸屏界面有主界面，手动操作界面等组成，各界面界面都可实时显示胶在工作空间内的三维坐标，在操作界面内可输入各轴起点与终点的坐标值，当步进电机旋转到到达指定坐标后，可实时定位，并将各位置参数坐标反馈至GOT显示。通过点击控制面板的开始按钮后，系统得电。可进入手动操作界面设置X-Y-Z各轴向步进电机所在导轨的零点位置，并在系统开始与结束时，电机旋转回到零点位置，当进入零点设置操作界面后，可通过返回按钮，退出至主界面，当GOT需要向PLC的参数设定值时，可弹出键盘输入按钮，直接输入数字并赋值到相应变量，GOT在运行PLC的运动程序后，并完成相应的操作。

5.1.2 触摸屏界面设计

（1）键盘库

GT10触摸屏本身带有键盘输入功能。可用来输入普通数据以及其他主流进制的数字输入，包含字母输入，功能强大，操作简便。

（2）用户定制库

GOT界面开发人员可提前选择按钮或开关类型以及指示灯代表内容与PLC输入输出端子定义，从而更改图案内容的图案代表的内容部件常见开关标准库为SWO~SW2,功能按钮FSW0~FSW2,界面可添加时间，文本内容输入Message，数据输入输出变量DATA及其他常见，通用变量。

由于点胶机机构的运动控制对象数量较多，且考虑到GOT与PLC通讯的需求，简化数据写入与运动构成的控制，触摸屏的主界面如图5-1所示，从主界面进入分界面后，设置系统参数如点胶电磁阀打开时间、机床零点校准与路径运动两端点参数。

图5-1 主界面图

当用户点击FSW0按钮进入手动微调页面，了通过点击页面微调按钮，带动胶实现X-Z

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毕业设计(论文) 方向上的位置调整，微调设置完毕后，点击FS0按钮返回主界面，进行其他操作，界面操作图如图5-2所示。

图5-2 微调界面

当系统进入直线操作界面，点击触摸屏上坐标键，GOT键盘自动弹出，输入直线坐标两端相应数值，并点击直线操作按钮后，系统开始运行至工作台内相应的平面内位置坐标，操作界面如图5-3所示。

图5-3 直线操作

当系统出现故障时，可通过手动操作界面，继续执行操作，完成点胶过程，轻触按钮控制胶在三维空间的位置定位，并打开胶电磁阀执行点胶命令,当点胶过程结束后，可手动调节胶放置位置，并返回主界面，在胶移动过程中，实时显示点胶机三维位置，便于参考，手动界面操作面板如下图5-4所示。

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毕业设计(论文) 图5-4 手动操作界面

5.2 PLC程序分析

5.2.1 插补法程序介绍

近几年来，插补技术在不断地发展，插补的种类也变得越来越多，在这么多的种类中，最常见的是逐点比较法插补法，这种方法简单且易于操作，能实现直线插补、圆弧插补及其它曲线的插补，符合设计要求，故采用这种方法。

逐点比较法插补法在很早就就开始得到广泛应用了，它的工作原理从名字中就可以看出，是采用逐点比较的方法，每一次都只向一个方向移动一步，而且每走过去一步，就要进行计算，与原来的设计轨迹是否相符，若不符，则要进行修改，往另一方向运行一步，总步数由设计轨迹的坐标确定，步数达到总数，则停止运动，完成插补。我们可以通过稳定性指标、插补精度、合成速度的均匀性指标来评价插补的能力好坏。

5.2.2 逐点比较法插补原理

逐点比较法实现的原理是依靠移动过程中不断比较移动后的位置与理论曲线的位置关系，然后调整下一步的加工路线，使加工路线最终与理论曲线几乎重合。在实现的过程中，可以将整个过程细分为四个阶段，整个流程在这里用图5-5表示出来。四个步骤具体是：

（1）偏差判别。判断实际位置与理论曲线位置的偏差情况；

（2）坐标进给。根据前一步的结果，是坐标往另一个方向前进一步，使实际曲线与理论曲线场合度变高；

（3）重新计算偏差。经过上面两步之后，现在要重新开始计算偏差值；

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毕业设计(论文) 开始初始化偏差判别F>=0?YN坐标进给+X:F=F-Ye+Y:F=F+Xe偏差计算N延时N终点？Y 到达终点？Y结束结束 图 5-5 逐点比较法插补流程 图5-6 直线插补流程图

5.2.3 直线插补

直线插补时，若我们将初始坐标设为原点，则直线所在的象限存在四种情况，现在设计以第一象限为例子进行介绍直线插补的原理。

如图5-7所示，在直线中，终点的坐标被定义为（Xe，Ye），现在这条要求的理论直线就在第一象限被表示了出来，现在对轨迹的实际运动情况进行分析。不难发现，点胶头实际运动时无非就3中可能性。如果我们令偏差F=XeY-XYe为原偏差计算公式（X，Y为当前坐标），每走一步要计算相应这个F值。（1）则当F=0时表示点胶头在直线上；（2）当F> 0时，表示点胶头在直线上方；（3）当F< 0时，表示点胶头在直线的下方。在点A处，为使刀尖点向轮廓直线靠拢，应＋X向走一步；C点处，应＋Y向走一步；至于B点，规定往＋X向走一步，流程见图5-2。

A（X，Y）点处有：Y/X>Xe/Ye Y/X-Xe/Ye >0 B（X，Y）点处有：Y/X=Xe/Ye Y/X-Xe/Ye=0 C（X，Y）点处有：Y/X插补点位于A、B点时，新坐标变为（X=X+1，Y=Y），新偏差变为F=XeY-（X＋1）Ye=XeY-XYe-Ye=F-Ye。

插补点位于C点时，新坐标变为（X=X，Y=Y＋1），新偏差变为F=Xe（Y＋1）-XYe=XeY-XYe＋Xe=F＋Xe。因此：

走完＋X后：偏差计算公式为F=F-Ye； 走完＋Y后：偏差计算公式为F=F＋Xe。

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毕业设计(论文)

图5-7 直线插补图 图5-8 圆弧插补图

5.2.4. 圆弧插补

图5-8为第一象限逆圆，现分析其插补规律。

与直线插补类似，圆弧插补的点胶机点胶头的位置也有三种情况，即在圆弧轮廓上，在圆弧轮廓内以及在圆弧轮廓外。

如图所示，当点胶头在点A处，则应该使其往-X方向移动一个位置，在C点时，应该向-Y方向移动一个位置，在B点时我们采取和A相同的操作以方便编程。

在本设计中，我们设实际加工点的坐标为（X2，Y2），圆弧的半径为R2，则根据F=X2＋Y2-R2可以计算出原始的偏差。

显然，F<0时，须＋Y向走一步；F≥0时，须-X向走一步： 点胶头在A、B点时，新新偏差变为F=（X-1）2＋Y2-R2=F-2X＋1。 点胶头在C点时，新偏差变为F=X2＋(Y+1)2-R2=F＋2Y＋1。因此， 走完-X后：偏差计算公式为F=F-2X＋1，动态坐标修正为X=X-1； 走完＋Y后：偏差计算公式为F=F＋2Y＋1，动态坐标修正为Y=Y＋1。

若假设半径为150，圆心为（Xo,Yo），则圆弧插补程序如下。函数中要求提供步进值，顺时针/逆时针，确定圆心和半径Fm=(Xm-x0)*(Xm-x0)+(Ym-y0)*(Ym-y0)-r2; 来计算原始偏差。

5.3 工作台限位

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毕业设计(论文)

结论

本系统通过对点胶机机械工艺流程的分析，控制系统核心部件采用了应用广泛，响应速度快，安装简易，系统稳定性强的可编程控制器来作为控制系统的控制信号源，结合传动精准的滚珠丝杠机械传动方式，计算机与与信息传递技术，构成基于PLC点胶机的控制系统总体方案研制。本控制系统研究主要概括与以下方面：

通过对市面广泛应用的点胶机的点胶工艺以及点胶需求分析，选用电磁阀开关式胶执行点胶操作。

提出了基于PLC点胶机的主要设计方案，并详细设计分析了点胶机各机构主要执行机构的分析，选型，计算与校核。

详细分析了点胶机各机构的若干关键技术，缩小了点胶机的实际所占空间，解决机身过高，不利于操作等问题，操作的便利性，使整机大大低于人的高度，提升了生产效率。

由于数控技术、机电行业以及数码产品的制造工艺的不断提升，因此基于PLC的点胶机控制系统一定会有着更广泛的应用前景。

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毕业设计(论文) 致谢

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毕业设计(论文) 参考文献

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