摘 要

由于吸力强劲、节能环保、安全性能高的优点，电控永磁吸盘被广泛应用于钢铁等磁性材料的起吊、模具制造、机械加工等领域，并且取得了可观的成果。目前，基于电控永磁技术的相关产品已经广泛应用于实际生产，且产品的技术设计水平不够高，因此深入研究电控永磁技术的相关原理，对于开发高技术产品和拓宽应用领域有着重要意义。

本文介绍了电控永磁吸盘的工作原理，分析了与传统的电磁吸盘相比的优点，探讨了利用强电流脉冲对永磁体进行充磁、退磁的方法。整个控制系统是利用PROTEUS仿真实现基本功能的。该控制系统通过AT89C51单片机芯片接收外部的按键信号和同步信号，并且在单片机内部进行数据的处理和分析，然后输出相应的信号控制晶闸管的导通和关闭，以此来实现电控永磁吸盘的充磁和退磁功能。

关键词：电控永磁吸盘；工作原理；充磁退磁；控制系统

Abstract

Due to the advantages of strong suction, energy saving and environmental protection, and high safety performance, electronically controlled permanent magnet suckers are widely used in the fields of lifting of steel and other magnetic materials, mold manufacturing, and mechanical processing, and have achieved considerable results. At present, related products based on electronically controlled permanent magnet technology have been widely used in actual production, and the technical design level of the product is not high enough, so in-depth study of the relevant principles of electronically controlled permanent magnet technology is important for developing high-tech products and broadening the application fields. significance.

This paper introduces the working principle of the electronically controlled permanent magnet sucker, analyzes the advantages compared with the traditional electromagnetic sucker, and discusses the method of magnetizing and demagnetizing the permanent magnet using strong current pulses. The entire control system uses PROTEUS simulation to achieve basic functions. The control system receives external key signals and synchronization signals through an AT89C51 single-chip chip, and performs data processing and analysis within the single-chip microcomputer, and then outputs the corresponding signal control thyristors on and off, so as to realize the electronically-controlled permanent magnet suckers. Magnetization and demagnetization.

Key Words: electronically controlled permanent magnet sucker; working principle; magnetization demagnetization; control system

目 录

第1章 绪论 1

1.1电控永磁吸盘的研究背景 1

1.2国内外研究现状 1

1.3电控永磁吸盘应用范围 2

1.4论文选题的意义 3

1.5电控永磁吸盘当前存在的问题 3

1.6本文主要研究内容 3

第2章 电控永磁吸盘控制系统原理 5

2.1电控永磁吸盘工作原理 5

2.2控制系统设计方案 6

2.3系统总体结构图 6

2.4系统总设计框图 7

第3章 硬件系统的设计 9

3.1控制电路部分 9

3.1.1AT89C51芯片 9

3.1.2时钟振荡电路 11

3.1.3复位电路 11

3.2供电电源部分 12

3.3同步信号部分 13

3.4按键部分 14

3.5脉冲控制部分 14

3.6执行部分 16

3.6.1 LED显示部分 16

3.6.2 电控永磁吸盘执行部分 16

3.7继电器触发电路 17

3.8光电隔离触发电路 18

3.9系统总电路图 19

第4章 软件系统的设计 20

4.1编程语言 20

4.2系统流程图 20

4.3程序设计 21

4.3.1充磁程序设计 21

4.3.2退磁程序设计 21

4.3.3继电器打开关断程序设计 22

4.3.4同步信号检测和脉冲输出程序设计 22

4.4仿真结果 23

4.4.1充磁仿真结果 23

4.4.2退磁仿真结果 24

第5章 结论与展望 25

5.1结论 25

5.2展望 25

参考文献 26

致 谢 32

第1章 绪论

1.1电控永磁吸盘的研究背景

机床制造已经有着一百多年的发展历史，在这期间，电磁吸盘起到了很大的作用，极大地减少了加工的时间。但是电磁吸盘仍然有着一系列的问题，例如耗能高、安全系数低、热变形大。随着科学技术的发展，人们发明了永磁吸盘，是用具有高剩磁、优良机械性能的铝镍钴永磁材料制造的。这种永磁吸盘有着节能、吸力强的优点，应用范围广阔，但是通常要用手动控制操作系统，并且使用范围有着限制。伴随着材料科学的高速发展，又发明了钕铁硼永磁材料，进而发明了电控永磁吸盘，这种吸盘是利用铝镍钴和钕铁硼两种永磁材料的磁差原理制作的，使用了电脉冲控制工作状态，有着通电时间短、能耗低、安全性高的优点，比较容易实现控制系统自动化，也符合我国可持续发展的观念。电控永磁吸盘的出现，提高了工业的发展效率，使人们免于劳累的工作，进而促进了国家的经济发展，对当代社会的发展腾飞有着重要意义。

这些年来，随着高剩磁和良好机械性能的稀土永磁材料的出现，电控永磁吸盘的磁吸力显著增强了。由于这些稀土材料的价格不断降低电控永磁吸盘得到了极大发展，也出现了新的应用领域，电控永磁技术有着广阔的发展方向。

1.2国内外研究现状

在19世纪末的时候美国的WALKER公司首先研发了电磁吸盘，在使用过程中发现电磁吸盘能够缩短工件的加工时间，所以推广应用[^[1]]。后来随着电磁吸盘应用范围的扩大，逐渐暴露出了一些缺点，首先是持续通电，耗能高，造成线圈发热，会影响工件的加工精度；接下来是安全问题，因为一旦吸盘断电，被吸附在吸盘表面上的工件可能会掉落，造成人身伤害或死亡。经过这些年的发展，现在已经有了许多的电磁吸盘。但是电磁吸盘由于吸力小、安全性低限制了发展，现在主要应用于平面磨床上。

20世纪30年代的时候，法国BRAILLON公司首先将铝镍钴材料应用到吸盘上，制造了第一款永磁吸盘[^[2]]。相比于传统材料而言，永磁材料制作的吸盘有着巨大的优势，耗能低，不易形变以及安全性能高。但是这种永磁吸盘需要通过手柄来操作，工件的加工十分麻烦，对其发展应用有着极大不利的影响。相当于电磁吸盘而言，永磁吸盘有着耗能低、安全性高的优点，在一些领域上取代了电磁吸盘的应用。

20世纪70年代，意大利TECNOMAGNETE公司利用磁差原理发明了电控永磁吸盘。电控永磁吸盘是电磁吸盘与永磁吸盘相结合的产物，它结合了两者的优点。用永磁材料做磁源，避免了因断电造成的工件脱落，防止了人员伤亡，安全性高；利用电脉冲来控制吸盘夹紧或放下工件，只需要在工作的瞬间通电即可。在20世纪90年代的时候，由于钕铁硼的价格逐渐下降，电控永磁吸盘的成本也极大降低了，从而促进了电控永磁吸盘的快速发展。

2003年，宁波大明电磁有限公司借用国外先进的电磁技术，自主研发了一套快速换模系统。天津机电工业科技信息技术研究所开发了电控永磁孔系组合模具，这种组合模具是电子控制永磁技术和传统的基于孔的组合模具的组合，可以减少人工操作带来的人为因素误差。由于其具有着能耗低、精度高、操作简单的优点，该模具得到了广泛的应用。

2009年，江苏无锡的一家公司开发出带传感器的电控永磁吸盘。磁性传感器也安装在磁极上，以便测量工件被夹紧时的位移，又能测量磁极产生的吸力大小。同年，李川开发了一种新型的电磁控制永磁吸盘，它由励磁线圈和圆柱形永磁体组成，利用圆柱形磁体强力夹持工件；当它被释放时，反向电流被施加到励磁线圈以产生一个反向磁场，该反向磁场被永磁体的磁场消除，几乎没有磁力线形成通过工件的环路，并且工件的表面没有磁力来达到松动的目的[^[3]]。与传统的电磁吸盘相比，该吸盘具有节能，环保，操作方便等优点，结构有较大改进。

1.3电控永磁吸盘应用范围

电控永磁吸盘的发展历史虽然不是很久，但是凭借着其良好的性能，被广泛应用于各种领域。比如在机械加工领域，一次装夹可以实现五面加工，对于工件的加工效率、精度有着很大提高；另外应用在注塑机上的快速换模和夹模系统领域，使得模具装夹效率得到极大提升；并且在起重机领域中，能起到简化设备、节能、速度快的作用。具体如下所示：

1. 起重机领域，目前，在世界各地的工厂、码头等地方，电控永磁吸盘得到了广泛的应用。在这些地方，经常会有一些大型的、笨重的钢铁物品需要搬运，如果依靠人工搬运的话，是远远不够的。因为人工搬运不仅费时也费力，搬运效率低，而且容易发生安全事故。这时就要依靠电控永磁起重机来搬运这些大型笨重的钢铁物品，这样的话就能减少人力的浪费，大大提高了工作效率，为人们减轻了工作负担。运用电控永磁起重机搬运物品既安全又效率高。
2. 快速换模领域，注塑机使用了电控永磁快速换模、夹模系统的话，可以大大提高换模的速度。这种注塑机能够在很短的时间里完成对模具的换模。电控永磁快速换模、夹模控制系统不仅实用性强、无需维修，而且安全可靠、节能环保。只需要一台这样的注塑机就能够对许多种模具进行换模、夹模，十分适合少量、多种类生产。
3. 焊接领域，在焊接方面，电控永磁夹具也有着其独特的优点。正如大家所知道的一样，在焊接的时候，必须要先准确地找到焊接点。并且各种钢板、管道在焊接的时候，电控永磁夹具可以将之稳稳地夹住，并且夹力足够大，还能准确快速地找到需要的焊接点，使工人更加方便地焊接。另外，这种电控永磁夹具十分容易操作，和其他的夹具相比，明显电控永磁夹具的性能更胜一筹。
4. 金属切削领域，金属切削加工包括钻削、磨削、车削、刨削等等，对于安装了电控永磁吸盘的机床，当放入需要加工的金属时，机床会强力、快速地吸住金属，并且位置比较准确，加工方便。相对来说，电控永磁吸盘更适合普通机床，因为不需要更改机床的原有结构就能使用。并且这种机床实用性强，具有着更广阔的市场前景。

1.4论文选题的意义

随着科学技术和工业的迅速发展，人们的节能意识和安全意识不断增强，永磁起重技术成为了永磁材料应用的新领域之一，逐渐成为起重技术中前景光明的新技术。永磁起重机的基本特点是在起升过程中不需要电流，只需要永磁体产生的吸力就能吸起钢铁等磁性物体。一般情况下，永磁起重装置的重量和体积都小于同级的电磁式装置，所以发展永磁技术在很多方面有着重要意义。电控永磁技术有着以下的优点：

1. 安全、高效，电控永磁吸盘在工作中不需要通电，能够靠永磁材料本身的磁吸力吸住磁性工件，通电只是为了使永磁材料磁化，不会因为停电或者电路损坏导致磁吸力消失，从而导致工件脱落造成危险，导致人员伤亡。只要磁极单元表面上有着磁力，磁极单元边缘和导磁工件外表面几乎不存在磁感应强度。磁吸力很大，且分布均匀，特别稳定，不会随着时间衰减，安全性很高。
2. 简单、实用，操作时很容易上手，不需要机械运动，只要励磁线圈通入电脉冲就可以改变吸盘的工作状态，使工人操作更加方便。
3. 经济、环保，在工作过程中改变状态只需要1-2秒的时间供电，并且不需要其他能源，就可以产生强力、均匀稳定的磁吸力，仅在需要控制时才需要电能，结构很简单。

1.5电控永磁吸盘当前存在的问题

目前电磁吸盘仍然有着一些问题要去解决，比如从吸盘的充磁、退磁效果来说，要合理选择合适的制作材料和磁路的最优化问题，但是要在兼顾吸盘性能的同时要考虑到是否会污染环境，成本是否低廉等问题，所以综合考虑后选择那些性价比比较高的磁性材料；另外要跟随当今时代的发展趋势，大部分的电子产品都是小型的，所以电控永磁吸盘也要向小型化的趋势发展，但是目前电控永磁吸盘中的电流都很大，这就导致了电控永磁吸盘中的零件不容易变小，阻碍了电控永磁吸盘向小型化发展。

1.6本文主要研究内容

电控永磁吸盘利用电脉冲信号来控制吸盘夹紧或松开工件，是一种结合了电磁吸盘和永磁吸盘两种吸盘优点的新型磁力吸盘，在工作过程中，安全性高，完成任务所需时间少，一般不超过1秒钟，工作效率高，产生的效益也就高。电控永磁吸盘既环保又节能经济，顺应了时代发展需求。

课题的研究内容包括以电磁学、铁磁学和电路理论为基础进行电控永磁吸盘工作原理的理论分析，利用仿真软件进行分析计算和设计，正确并合理地选择各元器件参数，进行相关电路设计和程序编写。

第2章 电控永磁吸盘控制系统原理

2.1电控永磁吸盘工作原理

电控永磁吸盘是指吸盘仍然具有磁力并且可以在电源关闭时继续工作的吸盘。和普通的电磁吸盘相比，这种电控永磁吸盘中起主要功能的是生产中所使用的材料，电控永磁吸盘采用稀土永磁材料例如钕铁硼、铝镍钴和铁氧体来制造。由这些稀土永磁材料制成的电控永磁吸盘在磁化后，会在吸盘周围产生一个恒定的磁场，该磁场能够提供磁力。电控永磁吸盘的基本工作原理就是根据不同稀土永磁材料的不同特性通过电脉冲信号来控制系统，进而控制吸盘内部的磁路。

当吸盘被磁化时，永磁吸盘内部的永久磁场会在吸盘周围膨胀，产生吸引力来吸引工件，即模具为夹紧或吸合状态；当吸盘消磁时，永磁吸盘内部的磁场达到平衡状态，磁力消除，即模具为松开状态。如图2.1所示为电控永磁吸盘的充磁、退磁状态。

图2.1 电控永磁吸盘充磁、退磁状态

在上面的图片中，电控永磁吸盘的主磁铁由钕铁硼材料制成，由于钕铁硼是具有高矫顽力的永久磁铁材料，所以永磁吸盘的可逆磁铁通常由铝镍钴合金材料构成，铝镍钴材料是具有适度矫顽力的永磁材料。可逆磁体嵌入在磁极磁芯和磁轭之间。如图所示，在充磁时，励磁线圈被正向激励，而可逆磁体呈现上N极和下极S极，磁通穿过可逆磁体和主磁体；当消磁的时候，如图所示，励磁线圈被负向激励，可逆磁体表现为上S极和下N极，没有磁通量通过模具，并且两个主磁体只有一个闭合回路。

电控永磁吸盘夹住和松开工件的原理如下：

1. 当吸盘夹住工件时，向线圈通以正向电流，磁化线圈，使其磁化后的磁场和主磁体的磁场叠加起来，磁力线穿过吸盘表面，和工件形成闭合回路，从而夹住工件。
2. 当吸盘松开工件时，向线圈通以反向电流，磁化线圈，使其磁化后的磁场和主磁体的磁场相互抵消，磁力线在吸盘内部形成闭合回路，吸盘表面的磁力很弱，松开工件。

2.2控制系统设计方案

根据电控永磁吸盘的运行特点，设计了电控永磁吸盘的智能控制系统。该控制系统采用ARM嵌入式芯片作为主控芯片，可以设置磁化和退磁的导通角和控制时间，为了控制晶闸管的导通和关断，进而控制电控永磁吸盘的磁化和退磁的输出电流，来达到充磁和退磁的效果。

整个控制系统主要由供电电源部分、同步信号部分、控制电路部分、按键部分、脉冲控制部分、执行部分等构成。工作流程如下，按下对应的按键，单片机接收到相应的指令并且检测到同步信号，然后单片机读取信号，再经过内部程序的运行，给出对应的脉冲信号控制晶闸管的工作状态是导通还是关闭，进而产生相应的磁场来达到充磁或者退磁的目的。

1. 供电电源部分，该部分的主要作用是给电控永磁吸盘中的充磁退磁部分供电，另外还给控制电路部分的AT89C51单片机芯片供电，让单片机工作，同时也会给数字电路部分供电。
2. 同步信号部分，同步信号转换电路可以让单片机能够判断同步信号是处于上升状态还是下降状态。
3. 控制电路部分，由于电控永磁吸盘在工作时的电压信号和同步信号的输入信号是一致的，所以单片机可以根据同步信号来控制晶闸管的导通和关闭。
4. 按键部分，按键部分中有三个按键，分别是充磁指令按键、解锁按键和退磁指令按键，通过按键来完成充磁和退磁的工作。
5. 脉冲控制部分，根据同步信号来发出对应的脉冲控制信号是执行充磁还是执行退磁操作。

2.3系统总体结构图

根据上面的分析，设计了如图2.2所示的总体方案结构图。该结构图分为4个部分，并且4个部分的接口方式为：

（1）接口①是电控永磁吸盘控制系统与其他设备控制器之间的接口。通过这个接口，可以传递一些控制信号，比如手动/自动、开关机等。亦或是其他控制器对于当前电控永磁吸盘的反馈信号，比如充磁/退磁、吸盘位置等。

（2）接口②是电控永磁吸盘控制系统与操作面板之间的接口。通过这个接口，对操作面板上的按键进行操作，可以控制电控永磁吸盘的充磁和退磁的状态，或者是吸盘的位置或状态指示。

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