粉料填充机传动与控制系统设计

PAGE25摘要本设计的题目为粉料填充机传动与控制系统设计。社会和经济的发展给人们生活带来了很多方便，同时带来了很多负面的影响，许多病毒也不断进化，这样就需要大量的药品，粉料型的药品也随之增长，这样就需要一台包装机把它们包装起来。本台粉料填充机，不但提高了效率，减少成本，而且环保卫生。在以后的发展过程中，有很大很好的前景。本次设计传动部分主要是从电机到主轴的设计。其间经过了减速器并用带和链把他们链接起来。控制部分采用PLC对整台机械的封合、灌装等动作进行控制。其中有两处传感器的信号也是通过PLC的接收并转化为控制信号，增加了机器的可行性和现代化水平。本设计在满足功能原理实现的条件下，考虑机械的工艺性和经济性，参考了其他各类成型机械的设计优点，并且在原有机械上进行了创新和改进。最后完成粉料填充机传动与控制的设计。本台机械主要技术参数为：生产能力120—180袋/分、规格18—20克/袋、包装袋尺寸长=60或120mm宽=60mm。机器的外型尺寸为：长1068mm，宽：950mm，高：1910mm。整机要求为立式布置。关键词：填充；粉料；PLC；包装机；

AbstractThedesignofthetopicforpowderfillingmachinedriveandcontrolsystemdesign.Socialandeconomicdevelopmenttopeople'slifebringsalotofconvenience,andbringsalotofnegativeeffects,manyvirusesareevolving,itrequiresalotofdrugs,powdertypealsogrow,sotheyneedapackingmachinepackaging.SoIdesignedthispowderfillingmachine,itcannotonlyimprovetheefficiencyandreducecost,andenvironmentalhealth.Laterinthedevelopmentprocess,haveverygoodprospects.Thisdesignismainlyfromthetransmissionpartofthespindlemotortodesign.PLCinthecontrolpartofthesealingmachine,fillingtheactionsuchascontrol.Themaindesignstepsfordesignscheme,designtransmissionsystem,designcontrolsystem.Thedesignprincipleoftherealizationinfunctionundertheconditionofmachinery,consideringtheeconomy,simpleandothervariousmoldingmachinerydesignmerits,andintheoriginalmachineinnovationandimprovement.Finallyfinishpowderfillingmachinedriveandcontroldesign.Thismachinemaintechnicalparametersfortheproductioncapacity:120-180bags/points,specifications,18-20g/bag,packingsizelong=60or120mmwidth=60mm.Themachineislong:1068mmenvelopdimensions,width:950mm,high:1910mm.Therequirementsforverticallayout.Keywords:fill；Powder；PLC；Packagingmachine；

目录TOC\o"1-3"\f\h\z第1章绪论 11.1题目研究背景 11.2国内外研究现状 11.3题目的设计内容 2第2章总体方案设计 32.1研究给定的设计任务 32.2确定黑箱 32.3工艺原理方案设计 42.4功能分解 42.5确定边界条件 42.6方案评价 52.7方案简图 62.8总体布置 72.9主要参数的确定 72.9.1尺寸参数 72.9.2运动参数 72.9.3动力参数 7第3章传动系统设计计算 83.1动力机选择 83.2减速器的选择 83.2.1总传动比计算 83.2.2传动比分配 83.3各轴功率与转速计算 83.3.1传动效率 83.3.2各轴功率、转速计算 93.4传动零件的设计 103.4.1带传动设计计算 103.4.2链传动的设计计算 43.4.3轴的设计计算 83.5轴承的选用 11第4章控制部分设计 124.1触摸屏的选择 124.2传感器的选择 134.3变频器的选择 144.4电磁阀的选择 144.5PLC硬件选择 154.6PLC连接电路图 154.7PLC软件设计 16第5章结论 23参考文献 24致谢 25全套设计加QQ11970985或197216396绪论题目研究背景社会和经济的发展给人们生活带来了很多方便，同时带来了很多负面的影响，许多病毒也不断进化，这样就需要大量的药品，粉料型的也随之增长，这样就需要一台包装机把它们包装起来。而我国又是一个人口的大国，所需要的药品要比其他国家多上几倍。所以一台方便快捷的粉料包装机是不可缺少的。而且在人们生活上也需要很多干净卫生的粉料包装品。如盐、味素、香料等。总结以上诸多因素，设计一台可以包装各种粉料的机器是有着划时代意义的。国内外研究现状上世纪60年代末期，个别专家、学者通过考察从德国带回了饮料灌装生产线技术，并在国内试制成功。该技术后被某企业购买，并迅速制成产品，投放市场，可称为我国第一代具备现代意义的灌装技术。随着改革开放的推进，一批中小企业对市场经济表现出无所适从，企业遇到较大困难。一些原来从事机床、农机制造的企业就转到灌装设备的开发制造上。另外，啤酒饮料灌装机械行业市场空间巨大，一些私营企业开始看好这一行业，也加入啤酒饮料灌装设备的生产行列。从业厂商逐渐增多，市场逐步由卖方市场向买方市场转变。在这种情况下，啤酒饮料灌装机械行业乃至整个食品包装机械行业迅速扩大，从业厂商和市场规模均快速增长。1981年机械工业部组建了中国包装技术协会包装机械委员会，1984年成立了中国食品工业协会食品机械专业协会，1989年9月上述两个二级协会合并组建了中国食品和包装机械工业协会（国家一级协会，具有社团法人）。以此为起点才真正确立了食品和包装机械行业，成为机械工业部直管的十二个行业之一。相对于中国的机械行业，食品包装机械行业的正式确立晚了32年。1、包装机械技术含量日趋增加。我国现有的一些包装机械产品技术含量不高，而国外已将很多先进技术应用在包装机械上，如远距离遥控技术（包括监控）、步进电机技术、自动柔性补偿技术、激光切割技术、信息处理技术等。2、包装机械市场日趋垄断化。目前我国除了瓦楞纸箱包装机械和一些小型包装机有一定规模和优势外，其它包装机械几乎不成体系和规模，特别是市场上需求量大的一些成套包装生产线，如液体灌装生产线、饮料包装容器成套设备、无菌包装生产线、香烟包装生产线等，在世界包装市场中均被几家大包装机械企业（集团）所垄断。3、包装机械零部件生产专业化。国际包装界十分重视提高包装机械工和整个包装系统的通用能力。所以包装机械零部件生产专业化是发展的必然趋势。很多零部件不再由包装机械厂生产，而是由一些通用的标准件厂生产，某些特殊的零部件由高度专业化的生产厂家生产。4、走向多功能与单一高速两极化。包装机械的最终目的在于提高生产率和产品多样化。这就使得包装机械产品规格朝着两极化方向发展，即多功能与单一高速。在饮料灌装机械设备方面，美国、德国、日本、意大利和英国的制造水平相对较高。这些设备呈现出新的发展动向：多功能同一台设备，可进行茶饮料、咖啡饮料、豆乳饮料和果汁饮料等多种饮料的热灌装；均可进行玻璃瓶与聚酯瓶的灌装。高速度、高产量碳酸饮料灌装机的灌装速度最高达2000灌/分，德国H&K公司、SEN公司、KRONES公司，其灌装机的灌装阀分别达到165头、144头、178头。非碳酸饮料灌装机的灌装阀50-100头，灌装速度最高达1500灌/分。技术含量高、可靠性高。全线的自控水平高和全线效率高。在线检测装置和计量装置配套完备，能自动检测各项参数、计量精确。集机、电、气、光、磁为一体的高新技术产品不断涌现。题目的设计内容我的题目是粉料填充的传动与控制系统设计，首先，我所设计的机器是专门用来灌装如板蓝根、味素、鸡精等粉料产品的。查阅资料后才用了填充这个词语来表示，我认为比较合适。在设计这个机器之中，我主要侧重了它的传动和用PLC控制。最后和指导教师商议认为这个题目比较合适。第2章总体方案设计2.1研究给定的设计任务1、主要技术①添装头数：5②生产能力：120—180袋/分③规格：18—20克/袋④包装袋尺寸：长=60或120mm宽=60mm⑤包装袋排数：5⑥封合尺寸：20mm2、要求①立式②粉料黏度不要太高③PLC控制④包装材料为卷料2.2确定黑箱图形表示输入项输出项如图2.1所示。图2.1黑箱2.3工艺原理方案设计供料——填充——模具封合——断裂线——纵切——输送2.4功能分解总功能：粉料填充与封合输送功能：粉料的运输与输出传动功能：包装材料的进给控制功能：填充控制，封合控制，纵切控制，打撕裂口控制，安全保护控制，人机交互上述功能的功能分解图如图2.2所示。图2.2功能分解图2.5确定边界条件（1）机器要有防护罩，确保加工人员的安全。（2）机器对外界的噪声要控制在40—50之间。（3）机器运行时人禁止手伸进机器里。（4）机器要在环境清洁的位置工作2.6方案评价本机设计方案是参考DXDK320包装机制作而成，DXDK320在当今市场上以广泛使用，本设计在其基础上加以优化改进，系统稳定性有所提高，生产率有了小幅度的提高，减少了废品率。所以它的可行性是毋庸置疑的。该机噪声小，人机功能合理,环保卫生。目前市场对该机需求量很大，并且本机采用先进设计和加工方法，具有成本低的优点，大大提高了劳动生产率，会给企业带来很多利润。其不但能包装药品类粉料，稍作改动可以装其他如食品类的粉料产品。其用途之广泛，前景之无限是显而易见的。其经济效益是不可限量的。2.7方案简图（如图2-3）封合系统封合系统纵断裂系统纵断裂系统纵切系统纵切系统传输机传输机图2-3上料系统整台机器立式放置。首先，原料由上料系统向下供给，其料量由PLC控制气压缸的往返运动来定量。其次，经过封合系统，封合采用封合模具一次成型。其温度由温度传感器传给PLC进行控制。再次，经过纵断裂系统打撕裂口。接下来就是纵切系统。最后由传送带把包装好的产品送走。上料系统2.8总体布置主电机在最下端的机座上。从上到下依次为供料机构——封合机构——打字机构——撕裂口机构——纵切机构——传送机构。包装膜供送机构在与供料机构一个水平面内。2.9主要参数的确定2.9.1尺寸参数长1068mm宽950mm高1910mm2.9.2运动参数灌装速度1800袋/分2.9.3动力参数主轴电机功率0.75kw，传送机功率0.65kw第3章传动系统设计计算3.1动力机选择根据轻工机械在动力方面的要求，不需要太高的强度，参考同类成型机械的电动机的种类、功率、转速的选择。根据国家标准查机械设计手册，有变速要求所以选择变速电机MBL09-Y0.75，额定功率0.75kw，转速200r/min-1000r/min,转矩6Nmm-12Nmm。3.2减速器的选择减速器选择WB100型摆线针轮减速器。WB系列减速机具有传动比大、效率高、体积小、质量轻、经久耐用、使用可靠、寿命长，可在任何角度任何方向安装使用等特点。适用用于食品机械、印刷机械、纺织机械、橡塑机械、制药机械、陶瓷机械及各种工业生产流水线的减速装置与传动装置。3.2.1总传动比计算生产率：180带／min动力分配轴转一转10瓶电机转速选在720r/min总传动比3.2.2传动比分配带传动比为2.35联轴器传动比为蜗轮蜗杆减速器传动比为173.3各轴功率与转速计算3.3.1传动效率根据[2]中表1.1-22得：传动装置总效率皮带传动效率滚动轴承效率减速器效率齿轮啮合效率（齿轮精度为8级）所以，传动总效率3.3.2各轴功率、转速计算0轴：即电动机轴P0=Pr=0.75kwn0=720r/minⅠ轴：即减速器高速轴Ⅱ轴：即减速器低速轴kⅢ轴：即分配轴3.1各级转速、功率及转速轴序号功率（P/kw）转速（r/min）转矩（Nm）传动形式传动比效率00.757209.95带传动2.350.95Ⅰ0.71306.422.1齿轮传动170.97Ⅱ0.6818360.8齿轮传动170.97Ⅲ0.6518344.9链传动10.973.4传动零件的设计3.4.1带传动设计计算1、确定设计功率Pc查机械设计手册表14.1-2得KA=1.1Pc=KA×P=1.1×0.75=0.825kw2、选取V带的型号根据Pc=0.825kw和n0=720r/min由机械设计手册图14.1-2确定为Z型3、确定带轮基准直径dd1、dd2①选择小带轮直径dd1参考机械设计手册14.1-2和图14.1-2，取dd1=71mm②验算带速V③确定从动轮基准直径dd2由参考机械设计手册表14.1-18查得标准值为450mm④实际从动轮转速n1和实际传动比i不计影响，若算得n1与预定转速相差5%为允许4、确定中心距a和带的基准长度Ld①初定中心a0，按文献第三章式3-25确定取a0=350mm②确定带的计算基准长度Lc按式mm③取标准Ld按文献第三章表3-3取Ld=1120mm④确定中心距a按文献第三章式3-27a调整范围5、验算包角符合要求6、确定带根数Z由文献第三章式3-19单根V带所能传递的功率=由文献第三章式3-20包角系数Ka由文献第3章表3-2查得=0.3V带的根数Z查表《各种类型V带功率》得P1=0.17查表“带长修正系数KL(1)”得KL=1.08所以选Z=4根用Z型带合理7、确定初拉力F0按文献第3章式3-30查表“V带每米长质量”得m=0.06kg/mN8、计算轴压力Q按文献第3章式3-31N3.4.2链传动的设计计算传动功率P=0.65kw确定链轮齿数Z1=25，Z2=25⑴修正功率Pc=Pf1f2=0.486kwf1为工况系数查文献第14篇表14.2-4得f1=1.0f2为主动链齿数系数查图14.2-4得f2=0.75⑵链条节距P查文献第14篇图14.2-2选P型号为12A节距为12.7mm⑶计算链长节数x0⑷链条长度最大中心距⑸链速⑹有效圆周力⑺链轮几何尺寸计算查表“链条主要尺寸、测量力和抗拉载荷”得P=12.7的dr=7.92，P=9.525的dr=6.35d<5050-100100-150>150K9.5齿数Z=25，节距P=12.7分度圆直径齿顶圆直径齿根圆直径轮毂厚度轮毂长度齿数Z=15，节距P=9.525分度圆直径齿顶圆直径齿根圆直径轮毂厚度轮毂长度齿数Z=20，节距P=9.525分度圆直径齿顶圆直径齿根圆直径轮毂厚度轮毂长度齿数Z=21，节距P=9.525分度圆直径齿顶圆直径齿根圆直径轮毂厚度轮毂长度齿数Z=22，节距P=9.525分度圆直径齿顶圆直径齿根圆直径轮毂厚度轮毂长度齿数Z=24，节距P=9.525分度圆直径齿顶圆直径齿根圆直径轮毂厚度轮毂长度齿数Z=33，节距P=9.525分度圆直径齿顶圆直径齿根圆直径轮毂厚度轮毂长度齿数Z=36，节距P=9.525分度圆直径齿顶圆直径齿根圆直径轮毂厚度轮毂长度齿数Z=40，节距P=9.525分度圆直径齿顶圆直径齿根圆直径轮毂厚度轮毂长度3.4.3轴的设计计算3.4.1按转矩初步估算轴径和选择联轴器已知传动功率P=0.65kw，转速n=18r/min⑴初步估算轴径选择轴的材料为45钢，经调质处理，由[2]中表19.1-1查得材料力学性能数据为：MPaMPaMPaMPaMPa根据[2]中表19.3-1公式初步计算轴径，由于材料为45钢，由[2]中表19.3-2选取A=115，则得mm⑵轴的结构设计如图4.6a所示根据轴的受力，选取深沟球轴承60000,其宽度B=16mm。为便于轴承的装配，取装轴承处的轴径mm，装链轮处的轴径mm。⑶轴上受力分析（图4.6b）轴的传递转矩=344861Nmm=345Nm链轮的圆周力N链轮的径向力N⑷求支反力a.在水平平面内的支反力（图4.6c）由得=2488N由得=5792N⑸作弯矩和转矩图a.水平平面的弯矩图（图4.6d）链轮在水平平面的弯矩N·m则在c点的水平弯矩N·mb.垂直方向的弯矩图（图4.6f）带轮在垂直平面的弯矩N·m链轮在垂直平面的弯矩N·m则在c点的垂直弯矩N·mc.合成弯矩图（图4.6g）带轮和链轮的作用力在B截面的合成弯矩为N·m带轮和链轮的作用力在C截面的合成弯矩为N·md.作转矩图（图3.1h）N·mN·mN·m3.4.2．轴的强度校核⑴确定危险截面根据轴的结构尺寸及弯矩图、转矩图，截面C处弯矩较大，而且直径与其它相差不多；故C截面都是危险截面，现对C截面分别进行校核。⑵C截面安全系数校核计算由[2]中表19.3-16查得m3弯曲应力幅为MPa由于是对称循环弯曲应力，故平均应力由[2]中表19.1-1查得MPa由[2]中表19.3-5按键槽查得由[2]中表19.3-8查得由[2]中表19.3-11查得根据[2]中式（19.3-2）由[2]中表19.3-15查得m3则MPa由[2]中表19.1-1查得MPa由[2]中表19.3-5按键槽查得由[2]中表19.3-13查得，同应力情况根据[2]中式（19.3-3）轴C截面的安全系数由[2]中式（19.3-1）确定由[2]中表19.3-4可知，[S]=1.3～1.5故S>[S],该轴C截面是安全的。3.5轴承的选用以下设计步骤参考于[17]中210页例9-2。1．轴承的选用根据轴的受力，选取深沟球轴承60000。2.计算轴承的径向支反力由上可知垂直方向支反力N，N3．确定轴承的轴向载荷由结构可知，主轴上所安装的各个零件的重力G≈4N，此重力全部卸载在主轴上端的轴承上，最终通过转盘卸载在机架上。则NN4．计算轴承电量动载荷由查[17]中表9-6，,由查[17]中表9-6，,查[17]中表9-7，,根据弯矩图，取，NN5．演算轴承寿命机器一天工作2班（每班8小时），一年工作300天，机器寿命10年。因为，故按计算。查[17]中表9-4，hh，故圆深沟球轴承60000适用。图3.1轴的载荷分布图第4章控制部分设计4.1触摸屏的选择根据本台机器的工艺要求，选择DOPA75CSTD型触摸屏（如图4-1）。其主要技术参数如下：7.5彩色STNLCD，256色ARM9CPU，202.8Hz640×480像素图形线文字显示5个功能键7MFlashMemery256kbytesSRAM2个串列通讯口USB1.1高速下载支持SMC卡输入电压直流24V触摸面板幕符合IP65规格图4-14.2传感器的选择本台机械在包装膜供送和袋的封合上有用传感器的要求，所以选择热电偶和光电式两种传感器。热电偶传感器选择KTY81-110型传感器。它具有精度高，稳定性好，可靠性强，产品寿命长等优点,该温度传感器已广泛应用于电机变频调速温度控制，太阳能热水器温度测量领域彩印设备温控，汽车油温测量、发动机冷却系统、工业控制系统中过热保护、加热控制系统、电源供电保护等。其测量温度范围-50℃~150℃，温度系数TC0.79%/K，精度等级0.5%，探头保护管直径Φ4,Φ5,Φ6，公称压力0.6Mpa，可选标准安装螺纹M8X1,M10X1,G1/2”任选。光电式传感器选择欧姆龙的光电传感器E3JK-5M3。其技术参数如下：消费电力:小于3W检出距离:5M.指向角:3~20,继电器输出:最大:250V3A,最小5VDC10MA.响应时间小于或等于:30MS.工作温度:-25~55湿度:35~95周围照明:小于或等于3000lx.保护构造:IEC60529IP64.4.3变频器的选择变频器选择MMV型变频器。MMV变频器是一种无速度传感器矢量控制的通用型变频器，可以广泛地用于各种三相交流电机的转速控制。MMV变频器启动转矩大，控制精度高，过载能力强，保护措施安全可靠。安装、设定、调试都比较方便。通过计算所需的输出电流和频率的变化量以维持所期望的电机转速、转矩等，使其不受负载条件变化的影响。可以通过串口（RS-485和RS-232）实现远程控制，使用USS通讯方式可控制多达31台变频器。MMV变频器可以方便地通过MPI和S7-200/300PLC相连接4.4电磁阀的选择电磁阀选择DN20型其主要参数如下：适用压力：0.02～20MPa适用介质：气、水、油、蒸汽、制冷剂、腐蚀性流体介质温度：-200～+200℃介质粘度：小于５０ＣＳt（大于时需定制）防护性能：防水、防爆、防腐防爆标志：ExdⅡCT5阀门材质：304、316、控制方式：一进二出、二进一出,一进一出电源电压：ＤＣ３～１２７ＶＡＣ３６～３８０Ｖ连接方式：内螺纹、外螺纹、法兰泄漏量：零4.5PLC硬件选择本台机器有2个传感器信号输入，9个开关量输入，10个输出触点，1个触摸屏输入。所以选择CPU314、SM321十六点数字输入模块、SM331模拟量输入模块、SM322数字量输出模块、PS307电源模块。CPU314主要参数如下：工作存储器96KB装载存储器8MB处理时间位指令0.1s、字指令0.2s、整数运算2s、浮点运算3s定时器256个计数器256个位存储器256B模拟量通道256个块组织块（见指令表）、功能块FB2048、功能调用块FC2048、数据块DB功耗2.5wSM321十六点数字量输入模块主要参数如下：输入点数16额定负载电压DC24V负载电压范围20.4-28.8V额定输入电压DC24V输入电压“1”范围13-30V输入电压“0”范围-3-+5V隔离（与背板总线）光耦SM331模拟量输入模块模拟量输入模块选择212位即2个输入模块、转换精度12位SM322数字量输出模块数字量输出模块选择16点直流24V，它把S7-300的内部信号转换成现场过程需要的信号电平，可以直接驱动接触器、继电器、电磁阀、小型电动机、灯等设备。PS307电源模块输入电压单相交流120/230，50/60Hz输入电压为DC24V具有短路和断路保护。4.6PLC连接电路图（如图4-2）图4-2本次设计的PLC有输入模块、输出模块、电源模块、CPU模块组成。PLC通过光电耦合控制开关进而控制电机的起停，通过控制二位三通电磁阀来控制气缸的左右移动，通过控制变频器来控制主轴电机1的转速，进而达到改变生产率的目的。4.7PLC软件设计4.7.1PLC控制流程图（如图4-3）图4-34.7.2程序设计1、地址分配输入端输出端启动I0.0主轴转Q0.0主轴转I0.1包装膜电机转Q0.1包装膜电机转I0.2包装膜电机停Q0.2包装膜电机停I0.3主轴停Q0.3主轴停I0.4传送带动Q0.4传送带动I0.5传送带停Q0.5传送带停I0.6气泵右移Q0.6气泵右移I0.7气泵左移Q0.7气泵左移I1.0气泵停Q1.0气泵停I1.1变频器调速1Q1.1光感信号I2.0变频器调速2Q1.2温感信号I2.1变频器调速3Q1.32、梯形图3、指令表LDI0.0OQ0.0ANI0.2ANQ0.1=Q0.0LDI2.0=Q0.1LDI2.0AI0.1OQ0.0ANI0.2ANQ0.1=Q0.0LDQ0.0ANI2.0AI2.0ANQ1.0ANQ1.1LDQ0.0ANI2.0TONT37,13LDT37ANQ0.7ANQ1.1=Q1.0LDQ0.0ANI2.0AT37AI2.0ANQ0.7ANQ1.0=Q1.1LDQ0.0OQ0.2ANI0.4ANQ0.3=Q0.2LDQ0.0OQ0.4ANI0.6ANQ0.6ANQ0.5=Q0.4LBL1LDQ0.4TONT38,4LDT38ANI0.6ANQ0.4ANQ0.6=Q0.5LDQ0.5TONT39,4LDT39ANI0.6JMP1

第5章结论该设计的题目为粉料填充机传动与控制系统设计。由题目不难看出该设计主要由两部分组成。其传动部分主要是对从电机到主轴的设计计算。该机器主轴要求有变速，所以选择变速电机MBL09-Y0.75，额定功率0.75kw。该机的减速器选择为WB100型摆线针轮减速器。WB系列减速机具有传动比大、效率高、体积小、质量轻、经久耐用、使用可靠、寿命长，可在任何角度任何方向安装使用等特点。适用于该设计的特点。电机到减速器用带连接，减速器到主轴用链连接。其控制部分采用PLC西门子S7-300对整台机器的原料的供送、封合等动作进行控制。其CPU采