雪糕棍自动装料机构设计

雪糕棍自动装料机构设计 目 录 1 绪论 .1 1.1 自动装料机构介绍 .1 1.2 雪糕棍自动装料机构方案设计 .1 1.2.1 总体方案 .2 1.2.2 机械结构 .5 1.2.3 液压系统 .7 1.2.4 PLC 控制系统 9 1.3 自动装料机构功能以及相关参数 .9 1.4 设计相关 .10 1.4.1 AutoCAD 介绍 .10 1.4.2 液压系统介绍 13 1.4.3 PLC 控制介绍 .16 1.4.4 变频器介绍20 2 雪糕棍自动装料机构机械设计 .23 2.1 主要传动输运机构设计 .23 2.1.1 上料部分设计 .23 2.1.2 装料部分设计 .25 2.1.3 模具疏运机构设计 .29 2.1.4 其他零部件设计 .31 2.2 整体装配 .36 3 液压系统设计 .37 3.1 液压系统初步设计 .37 3.2 液压系统原理图 .38 雪糕棍自动装料机构设计 I 3.3 零部件选择 .39 4 PLC 控制系统设计 41 4.1 PLC 控制系统初步设计 .41 4.2 工艺流程图 .41 4.3 顺序功能图 .44 4.4 端口分配图 .44 4.5 PLC 梯形图 46 4.6 元件选择 50 结 论 .51 致 谢 .52 参考文献 .53 附录 A 英文资料 54 附录 B 英文译文 60 雪糕棍自动装料机构设计 0 机械结构设计要从设计本身的已知条件出发，应用所学的机械传动设计、零件设 计等相关知识，综合实际情况和经济因素设计出相对简易的能实现全部功能的机械结 构。 根据本设计已知条件，工作部分采用链传动，并通过链条附属其他结构完成所需 完成工作内容。传送带 1 和 2 用一个电机带动，传送带 3 用一个电机带动。 传送带 1 由轴、轴和链条组成，采用单链条传动形式，电机通过带传动带动 轴。传送带与水平夹角 45。 （如图 1-4） 图 1-4 传动带 1 示意图 轴 轴 雪糕棍自动装料机构设计 1 过度齿轮部分由轴、轴组成，轴由传动带 1 带动，然后轴通过带传动带 动轴，轴通过齿轮传动带动传送带 2 中的轴。(如图 1-5) 图 1-5 过渡齿轮部分示意图 传送带 2 由轴、轴和链条组成，采用单链条传动，通过过渡齿轮中轴上的 齿轮带动轴上齿轮，从而使传送带 2 运行。 （如图 1-6） 图 1-6 传动带 2 示意图 轴 轴 轴 轴 雪糕棍自动装料机构设计 2 传送带 3 由轴、轴和链条组成，采用双链条传动。轴有自己的驱动电机， 通过带传动带动轴转动。 图 1-7 传送带 3 示意图 1.2.3 液压系统 与机械传动、电气传动相比，液压传动具有以下优点：液压传动的各种元件，可 以根据需要方便、灵活地来布置；重量轻、体积小、运动惯性小、反应速度快；操纵 控制方便，可实现大范围的无级调速（调速范围达 2000：1） ；可自动实现过载保护； 一般采用矿物油作为工作介质，相对运动面可自行润滑，使用寿命长；很容易实现直 线运动；很容易实现机器的自动化，当采用电液联合控制后，不仅可实现更高程度的 自动控制过程，而且可以实现遥控。 在本设计中考虑到实际条件，应设计出一套液压系统： 在传送带 2 两侧分别用两个液压缸驱动下料装置用来完成把雪糕棍推入分料器的 工作（如图 1-8） ； 轴轴 雪糕棍自动装料机构设计 3 图 1-8 下料液压缸位置示意图 在传送带 3 下利用一个液压缸完成将模具抬起和降下的工作（如图 1-9） 。 图 1-9 模具升降液压缸位置示意图 雪糕棍自动装料机构设计 4 1.2.4 PLC 控制系统 作为一套自动化设备有一套完善的 PLC（Programmable Logic Controller ,中文全称 为可编程逻辑控制器）控制系统是十分必要的。 根据本设计所要完成的工作，分析得出以下工作步骤： （1）传送带 3 将模具送至指定位置； （2）利用传送带 1 将雪糕棍有序的排列并向上输运，雪糕棍经过过度齿轮被输运 到传送带 2，当输送足够多的雪糕棍时停止上料； （3）由下端的液压装置将其抬起对准至分料器； （4）传送带两侧液压装置推动下料板把雪糕棍推落进分料器后立刻收回，雪糕棍 通过分料器有序的插进下方的模具中； （5）装好棍的模具通过液压装置落回到传送带 3 上，并被运走。 其中需要的到的信号有：模具运到位，模具抬到位，模具降到位，雪糕棍上料够， 下料器推到位，下料器归位。 需要控制的动作有：上料，运模，下料装置液压缸的进程和回程，抬模装置液压 缸的进程和回程。 作为自动化的装料机器，需要设置开始开关和停止开关（完成当前循环后停止） 。 为了防止运行中有特殊事件发生还设置了立即停止开关和系统归位。 1.3 自动装料机构功能以及相关参数 （1） 、可进行雪糕棍的自动装料。 （2） 、装料规格：46 只雪糕棍/模具。 （3） 、上料电机 60r/min，运模电机 90r/min。 （4） 、每分钟装模数量：6 个（即 144 支雪糕棍） （5） 、有开始（开始连续工作） 、停止（完成当前循环后停止）按扭。 （6） 、有立即停止按扭，和归位按扭。 （7） 、工作电压：380V。 （8） 、机体体积约：2300mm600mm1800mm。 雪糕棍自动装料机构设计 5 2 雪糕棍自动装料机构机械设计 2.1 主要传动输运机构设计 2.1.1 上料部分设计 电动机选择：根据本设计的已有资料和方案，因为采用了变频器控制电机转速， 所以选用了同步转速为 1000r/min 的 Y90L-6 型号的电机，其相关参数如下： 额定功率=1.1KW ；额定电流 =3.2A；转速 910r/min；效率=73.5%；功率因数 =0.72；堵转转矩/额定转矩 =2.0；堵转电流/额定电流 =6.0；最大转矩/额定转矩=2.0；电 机外伸段 D=24mm，E=50mm ；HC=190mm ；L=335mm。 变速装置的选择：本次设计采用通用变频器直接控制电机转速。 根据本次设计的具体条件确定电机到轴传动利用皮带传动，传动比 i=1。具体参 数如下： 采用 Z 型号的普通 V 带 2 根并排，b p=8.5mm，b=10mm，h=6mm 。 主动轮 dd1=75mm，因为传动比 i=1 所以从动轮 dd2=75mm，中心距 a=300mm。算 得带长 Lc=2a+ + =835.62mm。12d2 轴到轴通过链传动带动连接，传动比 i=1，其传动链为传送带 1，具体参数如 下： 采用 08A 系列链条，单排，176 节： P=12.7mm，d 1=7.95mm，b 1=7.85mm，d 2=3.96mm，b 2=11.18mm，b 4=17.8mm，h 2=12.0 7mm。 链轮参数： 雪糕棍自动装料机构设计 6 齿数 Z=18； 分度圆直径 73.14mm；180sin2pd 齿顶圆直径 da= =80mm；(.54cot)pz 分度圆弦齿高 ha=0.27p=3.43mm； 齿根圆直径 df=dd 1=65.19mm； 齿宽 bf1=0.93b1=7.30mm； 倒角宽 ba=（0.10.15）p=1.59mm； 倒角深 h=0.5p=6.35mm（B 型） ； 中心距 a=1002mm； 中心距连线与水平夹角为 45。 轴的设计： 轴基本尺寸如图 2-1： 图 2-1 轴基本尺寸示意图 雪糕棍自动装料机构设计 7 轴基本尺寸如图 2-2： 图 2-2 轴基本尺寸示意图 轴、轴上轴承均采用深沟球轴承 02 系列，型号：6206。基本参数如下： d=30mm，D=62mm，B=16mm。 2.1.2 装料部分设计 （1）过渡齿轮部分设计（轴、轴） 过度齿轮部分的作用是由传送带 1 上的雪糕棍在指定的区域带动过度齿轮转动， 从而带动轴转动，轴通过带传动带动轴（传动比 i=1） ，然后轴通过齿轮传动 带动轴转动（传动比 i=1.8） 。 雪糕棍自动装料机构设计 8 轴、轴间带传动参数： 采用 Z 型号的普通 V 带 2 根并排，b p=8.5mm，b=10mm，h=6mm 。 主动轮 dd1=75mm，因为传动比 i=1 所以从动轮 dd2=75mm，中心距 a=91.24mm。 算得带长 Lc=2a+ + =418.11mm。d12 轴上过渡齿轮 Z=10，如图 2-3： 图 2-3 过渡齿轮 轴基本尺寸如图 2-4： 雪糕棍自动装料机构设计 9 图 2-4 轴基本尺寸 轴基本尺寸如图 2-5： 图 2-5 轴基本尺寸 轴轴间齿轮设计： 过渡齿轮 Z=10，轴轴同向同速转动，轴上链轮 Z=18，所以轴通过齿轮传 动以传动比 i=1.8 带动轴转动便能保证传动带 2 上的每个装料位都能装进一个雪糕 棍。所以设计出传动齿轮数据如下： m=2mm； 雪糕棍自动装料机构设计 10 a=140mm； z1=90 , z2=50； d1=mz1=180mm , d2=mz2=100mm； da1=d1+2ha*m=184mm , da2=d2+2ha*m=104mm； db1=d1cos=169.14mm , db2=d2cos=93.96mm； b=0.4a50mm； b1=b=50mm ,b2=b1+(510)=55mm 。 轴、轴上轴承均采用深沟球轴承 02 系列，型号：6206。基本参数如下： d=30mm，D=62mm，B=16mm。 （2）传送带 2 部分设计 传送带 2 部分由轴、轴通过链传动组成，其中轴是通过齿轮由轴带动转 动，雪糕棍从过度齿轮上被送到了传送带上，等待雪糕棍数量达到要求即可开始装料。 轴到轴通过链传动带动水平连接，传动比 i=1，其传动链为传送带 2，具体参 数如下： 采用 08A 系列链条，单排，176 节： P=12.7mm，d 1=7.95mm，b 1=7.85mm，d 2=3.96mm，b 2=11.18mm，b 4=17.8mm，h 2=12.0 7mm。 链轮参数： 齿数 Z=18； 分度圆直径 73.14mm；180sin2pd 齿顶圆直径 da= =80mm；(.54cot)pz 分度圆弦齿高 ha=0.27p=3.43mm； 齿根圆直径 df=dd 1=65.19mm； 齿宽 bf1=0.93b1=7.30mm； 倒角宽 ba=（0.10.15）p=1.59mm； 雪糕棍自动装料机构设计 11 倒角深 h=0.5p=6.35mm（B 型） ； 中心距 a=1002mm； 轴基本尺寸如图 2-6： 图 2-6 轴基本尺寸 轴基本尺寸如图 2-7： 图 2-7 轴基本尺寸 轴、轴上轴承均采用深沟球轴承 02 系列，型号：6206。基本参数如下： d=30mm，D=62mm，B=16mm。 雪糕棍自动装料机构设计 12 2.1.3 模具输运机构设计 模具输运机构用于传送模具到指定位置进行装料，之后再将其运走。 电动机选择：因为模具输运机构需要单独进行控制所以同样选用了 Y90L-6 型号的 电机，其相关参数如下： 额定功率=1.1KW ；额定电流 =3.2A；转速 910r/min；效率=73.5%；功率因数 =0.72；堵转转矩 /额定转矩 =2.0；堵转电流/额定电流 =6.0；最大转矩/额定转矩=2.0；电 机外伸段 D=24mm，E=50mm ；HC=190mm ；L=335mm。 变速装置的选择：通用变频器直接控制电机转速。 根据本次设计的具体条件确定电机到轴传动利用皮带传动，传动比 i=1。具体参 数如下： 采用 Z 型号的普通 V 带 2 根并排，b p=8.5mm，b=10mm，h=6mm 。 主动轮 dd1=75mm，因为传动比 i=1 所以从动轮 dd2=75mm，中心距 a=300mm。算 得带长 Lc=2a+ + =835.62mm。1d2 轴到轴通过链传动带动连接，传动比 i=1，其传动链为传送带 1，具体参数如 下： 采用 08A 系列链条，双排，302 节： P=12.7mm，d 1=7.95mm，b 1=7.85mm，d 2=3.96mm，b 2=11.18mm，b 4=17.8mm，h 2=12.0 7mm。 链轮参数： 齿数 Z=18； 分度圆直径 73.14mm；180sin2pd 齿顶圆直径 da= =80mm；(.54cot)pz 分度圆弦齿高 ha=0.27p=3.43mm； 齿根圆直径 df=dd 1=65.19mm； 齿宽 bf1=0.93b1=7.30mm； 倒角宽 ba=（0.10.15）p=1.59mm； 雪糕棍自动装料机构设计 13 倒角深 h=0.5p=6.35mm（B 型） ； 中心距 a=1800mm； 轴的设计： 轴基本尺寸如图 2-8： 图 2-8 轴基本尺寸 轴基本尺寸如图 2-9： 图 2-9 轴基本尺寸 雪糕棍自动装料机构设计 14 轴、轴上轴承均采用深沟球轴承 02 系列，型号：6206。基本参数如下： d=30mm，D=62mm，B=16mm。 2.1.4 其他零部件设计 （1）传动链设计 本设计中，因为链传动的传动链需要做传送带使用所以要对其进行改造。传送带 1 中的链条应该能实现把雪糕棍有序的排列功能，而传送带 2 中的链条应该能保证雪糕 棍在传送带上有序、紧密的排列，传送带 3 作为输运模具的传送带也应该有能支撑模 具的结构。考虑到方便生产，所以将传送带 1 和传送带 3 的链条归总设计成同一形式。 传送带 1、3 链条基本结构如图 2-10：在每个外链板上加上一个小零件。 雪糕棍自动装料机构设计 15 图 2-10 传送带 1、3 上链条结构 传送带 2 链条基本结构如图 2-11：在每个外链板和内链板上都加上一个零件。 雪糕棍自动装料机构设计 16 图 2-11 传送带 2 链条结构 （2）上料斗设计 雪糕棍自动装料机构设计 17 为保证雪糕棍能够顺利的排列在传送带 1 上，需要设计一个用于码放雪糕棍的上 料斗，其结构尺寸如图 2-12： 图 2-12 上料斗结构 （3）下料分料器设计 雪糕棍自动装料机构设计 18 下料装置中的分料器能够将从传送带 2 上掉在其中雪糕棍排列成 46 与模具对应 的矩阵，这样就能使雪糕棍顺利的装进模具。其具体结构尺寸如图 2-13： 图 2-13 分料器结构图 （4）推料板及模具抬升架设计 推料板及模具抬升架设计作为液压系统驱动的零件，在液压系统设计中将会列出。 雪糕棍自动装料机构设计 19 2.2 整体装配 在进行过各零件设计后，整合液压部分零件进行整体装配。装配时各轴承外圈均 固定在机架上，各工作线需要用钢板、钢条固定传动路线，上料斗和下料分料器也需 要固定在机架上。位置示意图如图 2-14。 , 链 条 1链 条 2链 条 轴 轴 上 料 架 轴 轴 轴 轴 轴 轴 图 2-14 整体装配示意图 雪糕棍自动装料机构设计 20 3 液压系统设计 3.1 液压系统初步设计 与机械传动、电气传动相比，液压传动具有以下优点：液压传动的各种元件，可 以根据需要方便、灵活地来布置；重量轻、体积小、运动惯性小、反应速度快；操纵 控制方便，可实现大范围的无级调速（调速范围达 2000：1） ；可自动实现过载保护； 一般采用矿物油作为工作介质，相对运动面可自行润滑，使用寿命长；很容易实现直 线运动；很容易实现机器的自动化，当采用电液联合控制后，不仅可实现更高程度的 自动控制过程，而且可以实现遥控。 综合考虑，在本设计中的下料装置和模具升降装置部分采用一套液压系统： 在传送带 2 两侧分别用两个液压缸驱动下料装置用来完成把雪糕棍推入分料器的 工作：当雪糕棍达到数量时液压缸完成一个推程并返回，将雪糕棍对应推进分料器中。 （如图 3-1） 图 3-1 下料液压系统俯视图 雪糕棍自动装料机构设计 21 在传送带 3 下利用一个液压缸完成将模具抬起和降下的工作，当模具被送到传送 带 3 上的指定位置时，液压缸将其抬起至分料口处使其下料口对准模具的插棍口，在 装料完成后液压缸降回原位。 （如图 3-2） 图 3-2 模具升降机构液压系统示意图 3.2 液压系统原理图 在经过了初步设计后，开始进行液压系统的整体设计： 确定供油方式：考虑到该机床在工作进给时负载较大，速度较低，而在快进、快 退时负载较小，速度较高，从节省能量，减少发热考虑，泵源系统宜选用双泵供油或 变量泵供油，现采用带压力反馈的限压式变量叶片泵。 调速方式的选择：在中小型专业机床的液压系统中，进给速度的控制一般采用节 流阀或调速阀。根据钻孔类专用机床工作时对低速性能和速度负载特性都有一定要求 的特点，决定采用限压式变量泵和调速阀组成的容积节流调速。这种调速回路具有效 率高、发热小和速度刚性好的特点，并且调速阀装在回油路上，具有承受负切削力的 能力。 速度换接方式的选择：本系统采用电磁阀的快慢速换接回路，它的特点是结构简 单、调节行程比较方便、阀的安装也较简单，但速度换接的平稳性较差。若要提高系 统的换接平稳性，则可改用行程阀切换的速度换接回路。 雪糕棍自动装料机构设计 22 最后，把所选择的液压回路组合起来，即可组合成液压系统原理图：（如图 3-3）推 料 板 推 料液 压 缸 不 动推 料 板 回 程动 作 抬 升 模 具动 作模 具 回 落液 压 缸 不 动 图 3-3 液压系统原理图 3.3 零部件选择 现选用 YBX25 限压式变量叶片泵，该泵的基本参数为：每转排量 q = 25mL/r， 泵的额定压力 P0 = 6.3MPa，电动机转速 n0 = 1450r/min，容积效率 v = 0.85，总效率 = 0.72。 查阅电动机产品样本，选用 YBX4 型电动机，其额定功率为 1.1kW，额定转速 雪糕棍自动装料机构设计 23 为 1400r/min。 该液压系统采用 GE 系列阀。根据所拟定的液压系统图，按通过各元件的最大流 量来选择液压元件的规格。选定的液压元件如表 3-1： 表 3-1 液压系统原件配选表 序号 元件名称 代码 额定流量(L/min) 1 滤油器 XUC32100 32 2 液压泵 YBX25 30 3 压力表开关 KF3EA10B 4 三位四通换向阀 34EF3PE10B 60 5 单向调速阀 QF3E10B 50 6 溢流阀 YF310B 63 油管内径尺寸一般可参照选用的液压元件接口尺寸而定，也可按管路允许流速进 行计算。综合诸因素，现取油管的内径 d 为 15mm。 本题为中压液压系统，液压油箱有效容量按泵的流量的 57 倍来确定，现选用容 量为 160L 的油箱。 雪糕棍自动装料机构设计 24 4 PLC 控制系统设计 4.1 PLC 控制系统初步设计 作为一套自动化设备有一套完善的 PLC 控制系统是十分必要的。根据本设计所要 完成的工作，分析得出以下工作步骤：传送带 3 将模具送至指定位置；由下端的液压 装置将其抬起对准至分料器；利用传送带 1 将雪糕棍有序的排列并向上输运，雪糕棍 经过过度齿轮被输运到传送带 2，当输送足够多的雪糕棍时停止上料；传送带两侧液压 装置推动下料板把雪糕棍推落进分料器后立刻收回，雪糕棍通过分料器有序的插进下 方的模具中；装好棍的模具通过液压装置落回到传送带 3 上，并被运走，进行下个循 环。 其中需要的到的信号有：模具运到位，模具抬到位，模具降到位，雪糕棍上料够， 下料器推到位，下料器归位。 需要控制的动作有：上料，运模，下料装置液压缸的进程和回程，抬模装置液压 缸的进程和回程。 作为自动化的装料机器，需要设置开始开关和停止开关（完成当前循环后停止） 。 为了防止运行中有特殊事件发生还设置了立即停止开关和系统归位。 4.2 工艺流程图 进行完 PLC 系统初步设计后，按照设计的工序绘制工艺流程图如下：（如图 4-1） 雪糕棍自动装料机构设计 25 雪糕棍自动装料机构设计 27 N Y Y N Y N 循环启动 启动 运送模具 模具到位？ 抬起模具 模具到位？ 上料 上料够？ 雪糕棍自动装料机构设计 28 N Y 进行装料 T37 延时 下降模具 模具归位？ 运走模具 T38 延时 图 4-1 雪糕棍自动装料流程图 雪糕棍自动装料机构设计 29 4.3 端口分配图 综合考虑整个控制过程需要获得的信号、需要控制的动作以及整个控制系统 的所有控制开关，设计出 PLC 控制系统的端口分配图如下： I 0.0 I 0.1 I 0.2 I 0.3 I 0.4 I 0.5 I 0.6 Q 0.0 Q 0.1 Q 0.2 Q 0.3 Q 0.4 Q 0.5 启动 停止 立即停止 归位 模具运到位 模具抬到位 上料够 模具抬起 （抬模液压缸） 运送模具 （传送带 3 电机） 上料 （传送带 1 电机） 下料 （下料液压缸） 下料板归位（下料液压缸） 模具归位 （抬模液压缸） I 0.7模具降到位 I 1.0 I 1.1 推料板到位 推料板归位 图 4-2 端口分配图 4.4 顺序功能图 雪糕棍自动装料机构设计 30 I 0.7 T 37，I1.0 I 0.6 I 0.5 I 0.4 I 0.1 SM 0.1 M 1.0，T38 M 0.0 M 0.1 Q 0.0 M 0.2 Q 0. 1 M 0.3 Q 0.2 M 0.4 Q 0.3 T 37 M 0.5 Q 0.4 Q 0.5 M 0.6 Q 0.0 T 38 M 1.0，T38 图 4-3 顺序功能图 雪糕棍自动装料机构设计 31 4.5 PLC 梯形图 根据已经完成的设计内容，绘制出工作示意图如下： (如图 4-4) 图 4-4 自动装料机构工作整体示意图 完成 PLC 梯形图设计如下：（如图 4-5 至图 4-14） 雪糕棍自动装料机构设计 32 图 4-5 PLC 控制梯形图 图 4-6 PLC 控制梯形图 图 4-7 PLC 控制梯形图 雪糕棍自动装料机构设计 33 图 4-8 PLC 控制梯形图 图 4-9 PLC 控制梯形图