毕业论文-一种自动物料分选机结构设计-文档精品

原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 分 类 号 密 级 宁 宁波大红鹰学院 毕业设计（论文） 一种自动物料分选机结构设计 所 在 学 院 机 械 与 电 气 工 程 学 院 专 业 机 械 设 计 制 造 及 其 自 动 化 班 级 姓 名 学 号 指 导 老 师 2013 年 月 日 诚诚 信信 承承 诺诺 我谨在此承诺：本人所写的毕业论文一种自动物料分选机结构设计 均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料， 均作了注释，若有不实，后果由本人承担。 承诺人承诺人（签名签名） ： 年年 月月 日日 I 摘 要 颜色分选系统已经广泛用于表面质量的判别(表面质量的判别是指利用光反射特 性，按照表皮颜色差异分选、按照有无外表损伤分选等)和内部质量的判别(内部质量的 判别是指利用光透射特性，按照成熟度差异分选、按照内部损伤差异分选、按照内部品 质差异分选等)等情况。用色选机取代人工手选，排除人为因素的干扰，既提高了生产 效率(如分选精度、一致性等)，又降低了生产费用。无论从经济学观点或从生态学观点 考虑，色选机的应用部是极为有利和有效的。 然后通过 PLC 对该机构进行控制系统方面的设计。进行了系统设计，工作原理的 介绍，IO 接点，PLC 选型和梯形图的分析说明，通过分析论证，实现了预计的设计要 求。 关键词关键词：自动物料，自动分选，结构设计 II Abstract Color sorting system has been widely used for discriminant surface quality ( discriminant surface quality refers to the use of light reflection characteristics, in accordance with the skin color differences separating, according to with or without appearance damage sorting ) discrimination and internal quality ( discriminant internal quality refers to the use of light transmission properties, separation, in accordance with the maturity difference according to the internal damage between sorting in accordance with the internal quality difference, sorting, etc.). Use color sorter replaces manual election, exclude the interference of human factors, not only improves the production efficiency ( such as sorting accuracy, consistency, and reduces the production cost ). From the economics point of view or from the ecology viewpoint, application of color sorter is extremely beneficial and effective. Then the mechanism design of control system by PLC. The system was designed, the principle, IO contact, analysis of PLC type and ladder diagram, through analysis and demonstration, to achieve the expected design requirements. Key Words: Automatic material, measurement, sorting, measure III 目目 录录 摘 要 . I Abstract II 目目 录录 III 第 1 章 绪论 1 1.1 自动物料分选机概述 1 1.2 PLC 介绍 2 1.2.1 PLC 的基本概念 . 2 1.2.2 PLC 构成 . 2 1.2.3 PLC 的工作原理 . 3 1.2.4 PLC 的技术原理 . 5 1.2.5 PLC 的优点 . 6 1.3 本课题的主要研究内容 . 6 第 2 章 总体方案论证 7 2.1 颜色分选机的方案设计 7 2.2 分选机工作原理 7 2.3 本章小结 . 8 第 3 章 一种自动物料分选机结构设计 9 3.1 同步带的概述 . 9 3.1.1 同步带介绍 . 9 3.1.2 同步带的特点 . 10 3.1.3 同步带传动的主要失效形式 . 10 3.1.4 同步带传动的设计准则 12 3.1.5 同步带分类 . 13 3.2 电机的选择 13 3.2.1 电机的分类 . 13 3.2.2 步进电机的选择 . 14 3.3 同步带传动计算 . 15 IV 3.3.1 同步带计算选型 15 3.3.2 同步带的主要参数（结构部分） 18 3.3.3 同步带的设计 20 3.3.4 同步带轮的设计 21 3.4 气缸的选型 . 22 3.5 气缸的设计计算 . 24 3.6 本章小结 24 第 4 章 自动物料分选机 PLC 控制系统的设计 . 25 4.1 工作原理 25 4.2 I/O 分配表 25 4.3 PLC 选型依据 25 4.4 工作流程 . 26 4.5 PLC 控制系统梯形图的设计 27 4.6 完整的梯形图设计 . 31 参考文献 33 总结与展望 34 致谢 35 宁波大红鹰学院毕业设计（论文） 1 第1章 绪论 1.1 自动物料分选机概述 国外的颜色检测研究起步较早，各种颜色检测仪器应用广泛，其中典型的应用之一 是颜色分选机，主要用于农业综合企业、农产品出口、食品加工业及出口，其次还有化 学品及矿产品企业。美国 ESM 公司及 Sortex 公司分别于 20 世纪 30 年代及 40 年 代研制了这种设备，并根据市场需要不断推出新机型；日本安西公司于 1970 年成功开 发并开始制造和销售全日本第一台电子色彩选别机，其中接受中国方面的订货就有十几 年的历史， 有近百台/套的各类选别机械己在中国各地被使用， 中国两大农业上市公司 “中 国蓝田股份有限公司”和“湖南金健米业股份有限公司”都采用安西公司的色选设备。 日本佐竹公司于 1979 年也推出了这种产品。ESM 于 1992 年与佐竹公司合并继续生 产颜色分选机。现在主要从事生产色选机的企业有日本的佐竹公司、安西制作所，瑞士 的布勒公司，以及英国和美国的一些粮食加工设备公司。在世界范围内，以日本佐竹公 司和瑞士布勒公司的产品代表了农产品加工机械的先进水平，其产品遍布亚洲、欧洲、 美洲、大洋洲及非洲等。日本佐竹株式会社其机械产品广泛运用光电、传感、信息等先 进技术，服务于大米的种植、收割和加工等各个生产阶段，自动化程度很高。在美国， 许多西红柿收获机械都装备了颜色分级器， 每个分级器能以 25t/h 的生产率分离红西红 柿与青西红柿。计算机控制的颜色分级器被用在包装工厂，对柑桔，西红柿或苹果进行 分选。美国 HunterLab 测色仪可检测各类食品的颜色；2002 年 9 月在北京“2002 年 国际水稻产业、技术及机械设备展览会”上，索特克斯首次在中国推出了 Z 系列光电 色选机，其高精度象素的数码相机能检测出浅淡微黄和针尖大的黑点，是世界上首台能 选出微黄粒、红粒等各种异色粒，又能同时去除腹白的色选机。 近年来我国许多院校及科研单位在电脑测色方面进行了研究，取得了一些成绩，如 由北京理工大学研制的便携式色差计；北京康光光电子联合公司研制的 SC-80 轻便色 彩色差计；合肥安科光电机械有限公司生产的智能化电脑色选机；核工业理化工程研究 院自主研究生产的色选机系列通过国家鉴定；天津光学仪器厂研制的色度实验装置 wsd-1/1a 是一种自动光谱光度测色仪器；何东健等进行了果实表面颜色计算机视觉分级 技术研究；冯斌等在利用水果表面分布的分形维数为特征对不同着色等级水果进行分级 时，采用了 HIS 模型，利用各色度点的累计和空间分布特性，使颜色分级更符合实际 宁波大红鹰学院毕业设计（论文） 2 情况；Tao.Y 等研制成功了用于马铃薯和苹果颜色检测的机器视觉系统，它可以区别正 常马铃薯与发芽马铃薯及黄色与绿色的“金帅苹果”等。 国内的仪器市场有不少颜色仪器，但大多是外国的进口仪器，或者主要依靠国外技 术完成仪器的加工制造。例如：无锡粮油机械有限公司生产的电脑光电色选机，中美合 资合肥安科光电有限公司引进美国技术生产的色选机系列，佐竹机械苏州有限公司生产 的 GS 系列色选机等。而且国内颜色分选机主要用于大米色选，在其他果蔬、马铃薯等 农产品颜色分级应用还不是很广泛。 八十年代初，上海纺织科学院从西德 OPTON 公司引进了我国第一台自动测色、 配色电脑，电脑测色、配色技术才开始在我国有关的一些行业中得以应用。这也是我国 第一次引入颜色分选设备， 从而开启了我国对于颜色分选领域的大门， 在今后的几年中， 各大高校也逐渐的开始了对于颜色分选机的探索与研究，尤其是在对于农业方面的应 用。 而随着工业的迅速发展，人们生活水平的提高，社会对所需品的要求有了极大的提 高。同时，颜色分选设备精密度标准的提高，促使对分选的质量要求越来越高；以分选 类产品因质量问题大大约束其广泛使用。现在，新一代的颜色分选设备的不断改善，使 其质量发生了根本性的提高，能完全满足现代化工业及农业生产等的需要。所以，在各 行业的实际使用过程中分选机的优越性将会很快得以体现。总而言之，颜色分选机的研 究突破将会是分选机领域发展的大趋势之一。 1.2 PLC 介绍 1.2.1 PLC 的基本概念 早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制（Programmable Logic Controller, PLC） ， 它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工 业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控 制器，简称 PC。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将 可编程序控制器简称 PLC,PLC 自 1969 年美国数据设备公司（DEC）研制出现，现行美 国，日本，德国的可编程序控制器质量优良，功能强大。 1.2.2 PLC 构成 a、电源 宁波大红鹰学院毕业设计（论文） 3 PLC 的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源 系统是无法正常工作的，因此 PLC 的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交 流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将 PLC 直接连接到交流电 网上去 b. 中央处理单元（CPU） 中央处理单元（CPU）是 PLC 的控制中枢。它按照 PLC 系统程序赋予的功能接收 并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O 以及警戒定时器的状 态，并能诊断用户程序中的语法错误。当 PLC 投入运行时，首先它以扫描的方式接收 现场各输入装置的状态和数据，并分别存入 I/O 映象区，然后从用户程序存储器中逐条 读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入 I/O 映象 区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将 I/O 映象区的各输出状态 或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。为了进 一步提高 PLC 的可靠性，近年来对大型 PLC 还采用双 CPU 构成冗余系统，或采用三 CPU 的表决式系统。这样，即使某个 CPU 出现故障，整个系统仍能正常运行。 c、存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序 存储器。 d、输入输出接口电路 1现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是 PLC 与现场控 制的接口界面的输入通道。 2 现场输出接口电路由输出数据寄存器、 选通电路和中断请求电路集成， 作用 PLC 通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。 e、功能模块如计数、定位等功能模块。 f、通信模块 如以太网、RS485、Profibus-DP 通讯模块等。 1.2.3 PLC 的工作原理 1、扫描技术 当 PLC 投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行 和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC 的 CPU 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 宁波大红鹰学院毕业设计（论文） 4 （1） 输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC 以扫描方式依次地读入所有输入状态 和数据，并将它们存入 I/O 映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序 执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O 映象区中 的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽 度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 （2） 用户程序执行阶段，在用户程序执行阶段，PLC 总是按由上而下的顺序依次 地扫描用户程序（梯形图） 。 在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并 按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运 算的结果，刷新该逻辑线圈在系统 RAM 存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈 在 I/O 映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 即，在用户程序执行过程中，只有输入点在 I/O 映象区内的状态和数据不会发生变化， 而其他输出点和软设备在 I/O 映象区或系统 RAM 存储区内的状态和数据都有可能发生 变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数 据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能 到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。在程序执行的过程中如果使用立即 I/O 指令则可以直接存取 I/O 点。 即使用 I/O 指令的话， 输入过程影像寄存器的值不会被 更新，程序直接从 I/O 模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有 些区别。 （3） 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，PLC 就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU 按照 I/O 映象 区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路， 再经输出电路驱动相应的外设。 这时， 才是 PLC 的真正输出。 2、PLC 内部运作方式 虽然 PLC 所使用之阶梯图程式中往往使用到许多继电器、计时器与计数器等名称， 但 PLC 内部并非实体上具有这些硬件，而是以内存与程式编程方式做逻辑控制编辑， 并借由输出元件连接外部机械装置做实体控制。因此能大大减少控制器所需之硬件空 间。实际上 PLC 执行阶梯图程式的运作方式是逐行的先将阶梯图程式码以扫描方式读 入 CPU 中并最后执行控制运作。 在整个的扫描过程包括三大步骤， “输入状态检查”、 “程 宁波大红鹰学院毕业设计（论文） 5 式执行”、“输出状态更新”说明如下：步骤一“输入状态检查”：PLC 首先检查输入端元 件所连接之各点开关或传感器状态（1 或 0 代表开或关） ，并将其状态写入内存中对应 之位置 Xn。步骤二“程式执行”：将阶梯图程式逐行取入 CPU 中运算，若程式执行中需 要输入接点状态， CPU 直接自内存中查询取出。输出线圈之运算结果则存入内存中对应 之位置，暂不反应至输出端 Yn。步骤三“输出状态更新”：将步骤二中之输出状态更新 至 PLC 输出部接点，并且重回步骤一。此三步骤称为 PLC 之扫描周期，而完成所需的 时间称为 PLC 之反应时间，PLC 输入讯号之时间若小于此反应时间，则有误读的可能 性。每次程式执行后与下一次程式执行前，输出与输入状态会被更新一次，因此称此种 运作方式为输出输入端“程式结束再生”。 3、PLC 的特点 plc 具有以下鲜明的特点。 （1） 系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长；也能进行连续过程的 PID 回 路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，如 DDC 和 DCS 等，实现生产 过程的综合自动化。 （2） 使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而 无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变 控制方案而不拆动硬件。 （3） 能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，可靠性强，远高于其他各种机 型。 4、PLC 目前的主要品牌 美国 AB，比利时 ABB，松下，西门子，汇川，三菱，欧姆龙，台达，富士，施耐 德，信捷 创研等。 1.2.4 PLC 的技术原理 PLC 利用1.6M 到30M 频带范围传输信号。在发送时，利用 GMSK 或 OFDM 调制 技术将用户数据进行调制，然后在电力线上进行传输，在接收端，先经过滤波器将调制 信号滤出，再经过解调，就可得到原通信信号。目前可达到的通信速率依具体设备不同 在4.5M45M 之间。 PLC 设备分局端和调制解调器， 局端负责与内部 PLC 调制解调器的 通信和与外部网络的连接。在通信时，来自用户的数据进入调制解调器调制后，通过用 宁波大红鹰学院毕业设计（论文） 6 户的配电线路传输到局端设备，局端将信号解调出来，再转到外部的 Internet。 1.2.5 PLC 的优点 1实现成本低 由于可以直接利用已有的配电网络作为传输线路，所以不用进行额 外布线，从而大大减少了网络的投资，降低了成本。 2范围广 电力线是覆盖范围最广的网络，它的规模是其他任何网络无法比拟的。 PLC 可以轻松地渗透到每个家庭，为互联网的发展创造极大的空间。 3高速率 PLC 能够提供高速的传输。目前，其传输速率依设备厂家的不同而 4.5M45Mbps 之间。远远高于拨号上网和 ISDN，比 ADSL 更快！足以支持现有网络上 的各种应用。更高速率的 PLC 产品正在研制之中。 4永远在线 PLC 属于“即插即用“，不用烦琐的拨号过程，接入电源就等于接入网 络！ 5便捷 不管在家里的哪个角落，只要连接到房间内的任何电源插座上，就可立即 拥有 PLC 带来的高速网络享受！ 1.3 本课题的主要研究内容 本文主要研究自动物料自动分选机机械机构的组成原理，选取一种自动物料作为研 究对象，设计一种自动物料自动分选机构。然后通过 PLC 对该机构进行控制系统方面 的设计。实现了预计的设计要求。 宁波大红鹰学院毕业设计（论文） 7 第2章 总体方案论证 2.1 颜色分选机的方案设计 颜色分选机是各类制造业、农业企业广泛应用的分选设备。一方面，有颜色分选的 机械设备分选精度不高，分选质量不太标，分选后还需要大量的人力来复查因为精度不 高而造成的分选不良的状况。并且，这一严峻的事实已经引起了企业对于分选设务的重 点关注。在如今这个高科技数字化的先进社会里，消除此类潜在不良情况已成为当务之 急。 而另一方面， 随着现代化科学飞速的发展， 对于分选机的应用要求也在不断的提高。 特别是颜色分选机在农业水果分选等方面的应用，其对生产与操作过程中对于颜色分选 机的要求标准直接关系到广大人民群众的根本利益和企业成本利润。因此，颜色分选机 在机械领域的设计应用非常具有代表性和实用性，值得学习和研究。 诸多实力充分证明，存在着一种或数种较严重缺陷的方案设计，且在分选机制造完 成后就很难予以弥补。 分行机方案设计的优劣直接关系到分选机运行的可靠性、 经济性、 成本的高低，也决定了产品的外形尺寸和重量以及相应的安装与维修的难易。 颜色分选机的方案设计包括如下内容：结构形式选择、颜色识别方式、分选作用方 式选择，分选误差分析判断、驱动机类型的选择和功率、转向、转速匹配、传动方式等。 2.2 分选机工作原理 颜色分选机主要分为检测系统和控制系统两部分，首先通过颜色传感器进行颜色的 识别，后由图像处理系统对图像进行处理，提取各个物体的颜色参数，并综合判定其等 级及分类情况；当带有等级信息的物体到达所属等级的分级出口时，相应的分级执行机 构动作，追使该分选该物体的分选杠杆转动或气缸运动，将物体从传送轴上撬起并滚入 相应的分选收集箱中；同步控制系统则负责控制分选机的各个部件同步协调工作。 1颜色识别过程：通常所看到的物体颜色,实际上是物体表面吸收了照射到它上面 的白光(日光)中的一部分有色成分,而反射出的另一部分有色光在人眼中的反应。白色是 由各种频率的可见光混合在一起构成的,也就是说白光中包含着各种颜色的色光(如红 R、黄 Y、绿 G、青 V、蓝 B、紫 P)。根据德国物理学家赫姆霍兹(Helinholtz)的三原色 理论可知,各种颜色是由不同比例的三原色(红、绿、蓝)混合而成的。颜色根据此，将物 体进行颜色识别，从而传送到控制系统中。 宁波大红鹰学院毕业设计（论文） 8 2结构分选过程：主控制系统采用 PLC 作为控制器，根据控制系统中所传输得到 的信息，来判定结构分选过程中分选杠杆转动或气缸运动状态。 至此，颜色分选机完成了一个由颜色识别、分析判断和物体分选的三过程组成的工 作循环。此后，颜色识别系统又重新识别运动，重复上述过程，如此周而复始地进行循 环。 颜色分选机的优缺点概要 优点：颜色分选范围较广，效率较高，适应性强。 缺点：主要是针对外形尺寸和重量大小基本相同的物件，同时，外届干扰较大，可 能影响颜色识别精度，因此需要较大的基础。而且颜色分选机械结构部分具有脉动性， 机器的易损零件也较多。 颜色分选机设计的重难点 1颜色识别技术分析、计算及程序设计； 2机械分选部分分析及计算，计算量大； 3主要零部件的结构设计与强度校验。 2.3 本章小结 本章主要对自动物料自动分选几种进行比较和分析,最终我们选取目前切实可行的 一种方案.我们将在今后的篇幅当中重点介绍。 宁波大红鹰学院毕业设计（论文） 9 第3章 一种自动物料分选机结构设计 3.1 同步带的概述 3.1.1 同步带介绍 同步带是综合了带传动、链条传动和齿轮传动的优点而发展起来的新塑传动带。它 由带齿形的一工作面与齿形带轮的齿槽啮合进行传动，其强力层是由拉伸强度高、伸长 小的纤维材料或金属材料组成，以使同步带在传动过程中节线长度基本保持不变，带与 带轮之间在传动过程中投有滑动，从而保证主、从动轮间呈无滑差的间步传动。 同步带传动（见图3-1）时，传动比准确，对轴作用力小，结构紧凑，耐油，耐磨 性好，抗老化性能好，一般使用温度-2080，v50m/s，P300kw,i10,对于要求 同步的传动也可用于低速传动。 图3.1 同步带传动 同步带传动是由一根内周表面设有等间距齿形的环行带及具有相应吻合的轮所组 成。它综合了带传动、链传动和齿轮传动各自的优点。转动时，通过带齿与轮的齿槽相 啮合来传递动力。 同步带传动具有准确的传动比，无滑差，可获得恒定的速比，传动 平稳，能吸振，噪音小，传动比范围大，一般可达1:10。允许线速度可达50M/S，传递 功率从几瓦到百千瓦。传动效率高，一般可达98%，结构紧凑，适宜于多轴传动，不需 润滑，无污染，因此可在不允许有污染和工作环境较为恶劣的场所下正常工作。 本产 品广泛用于纺织、机床、烟草、通讯电缆、轻工、化工、冶金、仪表仪器、食品、矿山、 石油、汽车等各行业各种类型的机械传动中。同步带的使用，改变了带传动单纯为摩擦 传动的概念，扩展了带传动的范围，从而成为带传动中具有相对独立性的研究对象，给 带传动的发展开辟了新的途径。 宁波大红鹰学院毕业设计（论文） 10 3.1.2 同步带的特点 (1)、传动准确，工作时无滑动，具有恒定的传动比； (2)、传动平稳，具有缓冲、减振能力，噪声低； (3)、传动效率高，可达0.98，节能效果明显； (4)、维护保养方便，不需润滑，维护费用低； (5)、速比范围大，一般可达10，线速度可达50m/s，具有较大的功率传递范围，可 达几瓦到几百千瓦； (6)、可用于长距离传动，中心距可达10m以上。 3.1.3 同步带传动的主要失效形式 在同步带传动中常见的失效形式有如下几种： (1)、同步带的承载绳断裂破坏 同步带在运转过程中承载绳断裂损坏是常见的失效形式。失效原因是带在传递动力 过程中，在承载绳作用有过大的拉力，而使承载绳被拉断。此外当选用的主动捞轮直径 过小，使承载绳在进入和退出带抡中承受较大的周期性的弯曲疲劳应力作用，也会产生 弯曲疲劳折断(见图3-2)。 图3.2 同步带承载绳断裂损坏 (2)、同步带的爬齿和跳齿 根据对带爬齿和跳齿现象的分析，带的爬齿和眺齿是由于几何和力学两种因素所引 起。因此为避免产生爬齿和跳齿，可采用以下一些措施： 1、控制同步带所传递的圆周力，使它小于或等于由带型号所决定的许用圆周力。 2、控制带与带轮间的节距差值，使它位于允许的节距误差范围内。 3、适当增大带安装时的初拉力开。 ，使带齿不易从轮齿槽中滑出。 4、提高同步带基体材料的硬度，减少带的弹性变形，可以减少爬齿现象的产生。 宁波大红鹰学院毕业设计（论文） 11 (3)、带齿的剪切破坏 带齿在与带轮齿啮合传力过程中，在剪切和挤压应力作用下带齿表面产生裂纹此裂 纹逐渐向齿根部扩展，并沿承线绳表面延件，直至整个带齿与带基体脱离，这就是带齿 的剪切脱落（见图3-3） 。造成带齿剪切脱落的原因大致有如下几个： 1、同步带与带轮问有较大的节距差，使带齿无法完全进入轮齿槽，从而产生不完 全啮合状态，而使带齿在较小的接触面积上承受过大的载荷，从而产生应力集中，导致 带齿剪切损坏。 2、带与带轮在围齿区内的啮合齿数过少，使啮合带齿承受过大的载荷，而产生剪 切破坏。 3、同步带的基体材料强度差。 为减少带齿被剪切，首先应严格控制带与带轮间的节距误差，保证带齿与轮齿能正 确啮合；其次应使带与带轮在围齿区内的啮合齿数等于或大于6，此外在选材上应采用 有较高勿切韧挤压强度的材料作为带的基体材料。 图3.3 带齿的剪切破坏 (4)、带齿的磨损 带齿的磨损（见图3-4）包括带齿工作面及带齿齿顶因角处和齿谷底部的廓损。造 成磨损的原因是过大的张紧力和忻齿和轮齿间的啮合干涉。因此减少带齿的磨损，应在 安装时合理的调整带的张紧力；在带齿齿形设计时，选用较大的带齿齿顶圆角半径，以 减少啮合时轮齿的挤压和刮削；此外应提高同步带带齿材料的耐磨性。 宁波大红鹰学院毕业设计（论文） 12 图3.4 带齿磨损 (5)、同步带带背的龟裂(图3-5) 同步带在运转一段时期后，有时在带背会产生龟裂现象，而使带失效。同步带带背 产 生龟裂的原因如下， 1、带基体材料的老化所引起； 2、带长期工作在道低的温度下，使带背基体材料产生龟裂。 图3.5 同步带带背龟裂 防止带背龟裂的方法是改进带基体材料的材质，提向材料的耐寒、耐热性和抗老 化性能，此外尽量避免同步带在低温和高温条件下工作。 3.1.4 同步带传动的设计准则 据对同步带传动失效形式的分析，可知如同步带与带轮材料有较高的机械性能，制 造工艺合理，带、轮的尺寸控制严格，安装调试也正确，那么许多失效形式均可避免。 因此，在正常工作条件下，同步带传动的主要失效形式为如下三种； (1)同步带的承载绳疲劳拉断； (2同步带的打滑和跳齿； (3)同步带带齿的磨损。 因此，同步带传动的设计淮则是同步带在不打滑情况下，具有较高的抗拉强度， 保证承线绳不被拉断。 此外， 在灰尘、 杂质较多的工作条件下应对带齿进行耐磨性计算。 宁波大红鹰学院毕业设计（论文） 13 3.1.5 同步带分类 同步带齿有梯形齿和弧齿两类，弧齿又有三种系列：圆弧齿(H系列又称HTD带)、平 顶圆弧齿(S系列又称为STPD带)和凹顶抛物线齿（R系列)。 梯形齿同步带 梯形齿同步带分单面有齿和双面有齿两种，简称为单面带和双面 带。双面带又按齿的排列方式分为对称齿型（代号DA)和交错齿型(代号DB 。 梯形齿同步带有两种尺寸制：节距制和模数制。我国采用节距制，并根据ISO 5296 制订了同步带传动相应标准GB/T 1136111362-1989和GB/T 11616-1989。 弧齿同步带 弧齿同步带除了齿形为曲线形外，其结构与梯形齿同步带基本相同， 带的节距相当，其齿高、齿根厚和齿根圆角半径等均比梯形齿大。带齿受载后，应力分 布状态较好，平缓了齿根的应力集中，提高了齿的承载能力。故弧齿同步带比梯形齿同 步带传递功率大，且能防止啮合过程中齿的干涉。 弧齿同步带耐磨性能好，工作时噪声小，不需润滑，可用于有粉尘的恶劣环境。已 在食品、汽车、纺织、制药、印刷、造纸等行业得到广泛应用。 3.2 电机的选择 3.2.1 电机的分类 1按工作电源分类根据电动机工作电源的不同，可分为直流电动机和交流电动机。 其中交流电动机还分为单相电动机和三相电动机。 2按结构及工作原理分类电动机按结构及工作原理可分为异步电动机和同步电动机。 同步电动机还可分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同电动机。 异步电动机可分为感应电动机和交流换向器电动机。感应电动机又分为三相异步电动 机、单相异步电动机和罩极异步电动机。交流换向器电动机又分为单相串励电动机、交 直流两用电动机和推斥电动机。 直流电动机按结构及工作原理可分为无刷直流电动机和有刷直流电动机。有刷直流电动 机可分为永磁直流电动机和电磁直流电动机。电磁直流电动机又分为串励直流电动机、 并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。永磁直流电动机又分为稀土永磁 直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。 3按起动与运行方式分类电动机按起动与运行方式可分为电容起动式电动机、电容盍 式电动机、电容起动运转式电动机和分相式电动机。 宁波大红鹰学院毕业设计（论文） 14 4按用途分类电动机按用途可分为驱动用电动机和控制用电动机。 驱动用电动机又分为电动工具（包括钻孔、抛光、磨光、开槽、切割、扩孔等工具）用 电动机、家电（包括洗衣机、电风扇、电冰箱、空调器、录音机、录像机、影碟机、吸 尘器、照相机、电吹风、电动剃须刀等）用电动机及其它通用小型机械设备（包括各种 小型机床、小型机械、医疗器械、电子仪器等）用电动机。 控制用电动机又分为步进电动机和伺服电动机等。 5按转子的结构分类电动机按转子的结构可分为笼型感应电动机（旧标准称为鼠笼型 异步电动机）和绕线转子感应电动机（旧标准称为绕线型异步电动机） 。 6按运转速度分类电动机按运转速度可分为高速电动机、低速电动机、恒速电动机、 调速电动机。 低速电动机又分为齿轮减速电动机、电磁减速电动机、力矩电动机和爪极同步电动 机等。调速电动机除可分为有级恒速电动机、无级恒速电动机、有级变速电动机和无极 变速电动机外，还可分为电磁调速电动机、直流调速电动机、PWM 变频调速电动机和开 关磁阻调速电动机。 3.2.2 步进电机的选择 由于步进电机具有控制较容易，维修也较方便，而且控制为全数字化的优点。根据 设计要求及实际情况我们选择步进电机，选择参数为:额定电压、输出扭矩和电机转速 等。拟采用的 57 系列两相混和式步进电机使用 24V 电压，本系统提供的 24V 直流电源 可以满足步进电机的工作需要。输出扭矩与传送带和支撑板的摩擦力有关，主要由板料 的重量和传送带的摩擦系数来确定，此外，还与传送带与滚轮之间的滑动摩擦力的作用 有关，但由于滑动摩擦系数很小，虽然传送带与滚轮之间的张紧力很大，因此而带来的 滑动摩擦力却很小，故忽略不计。计算过程如下: F=mngM=FL 其中，F 为传送带须提供的牵引力，m 为板料的质量，为板料与传送带 步进电机的频矩特性曲线如图 4-3 所示： 宁波大红鹰学院毕业设计（论文） 15 则由曲线可得:当 n=30r/min 时，f=100HZ。 根据计算结果我们选择电机型号为：57BYJ250C 3.3 同步带传动计算 3.3.1 同步带计算选型 设计功率是根据需要传递的名义功率、载荷性质、原动机类型和每天连续工作的时 间长短等因素共同确定的，表达式如下： dAm PKP 式中 m P 需要传递的名义功率 A K 工作情况系数，按表2工作情况系数 A K 选取 A K =1.7； 表3-3.工作情况系数 A K 宁波大红鹰学院毕业设计（论文） 16 WPKP Ad 63. 037. 07 . 1 确定带的型号和节距 可根据同步带传动的设计功率Pd和小带轮转速n1，由同步带选型图中来确定所需 采用的带的型号和节距。 其中Pd=0.63kw，n1=61rpm。查表3-4 表3-4 宁波大红鹰学院毕业设计（论文） 17 选同步带的型号为H： ，节距为：Pb=8.00mm 选择小带轮齿数z1，z2 可根据同步带的最小许用齿数确定。查表3-3-3得。 查得小带轮最小齿数14。 实际齿数应该大于这个数据 初步取值z1=34故大带轮齿数为：z2=iz1=1z1=34。 故z1=34，z2=34。 确定带轮的节圆直径d1，d2 小带轮节圆直径d1=Pbz1/ =8.0034/3.1486.53mm 大带轮节圆直径d2=Pbz2/ =8.0034/3.1486.53mm 验证带速v 由公式v= d1n1/60000计算得， sm dn v/276. 0 100060 6153.8614. 3 100060 svmax=40m/s，确定带长和中心矩 根据机械设计基础得 )(2)(7 . 0 21021 ddadd 现在选取轴间间距为取 0 a 1640mm 10、同步带带长及其齿数确定 0 L = 2 2 0 a ( 21 dd ) =2/ )53.8653.86(14. 316402 =3800mm 宁波大红鹰学院毕业设计（论文） 18 11、带轮啮合齿数计算 有在本次设计中传动比为1，所以啮合齿数为带轮齿数的一半，即 m z =17。 12、基本额定功率 0 P 的计算 1000 )( 2 0 vmvT P a 查基准同步带的许用工作压力和单位长度的质量表4-3可以知道 a T =2100.85N，m=0.448kg/m。 所以同步带的基准额定功率为 0 P = 1000 1 . 0)1 . 0448. 085.2100( 2 =0.21KW 表3-5 基准宽度同步带的许用工作压力和单位长度的质量 13、计算作用在轴上力 r F r F = v Pd1000 =71.6N 3.3.2 同步带的主要参数（结构部分） 1、同步带的节线长度 同步带工作时， 其承载绳中心线长度应保持不变， 因此称此中心线为同步带的节线， 并以节线周长作为带的公称长皮，称为节线长度。在同步带传动中，带节线长度是一个 重要 参数。当传动的中心距已定时，带的节线长度过大过小，都会影响带齿与轮齿的正 常啮合，因此在同步带标准中，对梯形齿同步带的各种哨线长度已规定公差值，要求所 生产的同步带节线长度应在规定的极限偏差范围之内（见表3-6） 。 宁波大红鹰学院毕业设计（论文） 19 表3-6 带节线长度表 2、带的节距Pb 如图3-4所示，同步带相邻两齿对应点沿节线量度所得约长度称为同步带的节距。 带节距大小决定着同步带和带轮齿各部分尺寸的大小， 节距越大， 带的各部分尺寸越大， 承载能力也随之越高。因此带节距是同步带最主要参数在节距制同步带系列中以不同 节距来区分同步带的型号。在制造时，带节距通过铸造模具来加以控制。梯形齿标准同 步带的齿形尺寸见表3-5。 3、带的齿根宽度 一个带齿两侧齿廓线与齿根底部廓线交点之间的距离称为带的齿根宽度，以s表示。 带的齿根宽度大，则使带齿抗剪切、抗弯曲能力增强，相应就能传动较大的裁荷。 图3.7 带的标准尺寸 表3-7 梯形齿标准同步带的齿形尺寸 宁波大红鹰学院毕业设计（论文） 20 4、带的齿根圆角 带齿齿根回角半径rr的大小与带齿工作时齿根应力集中程度有关t齿根圆角半径 大，可减少齿的应力集中，带的承载能力得到提高。但是齿根回角半径也不宜过大，过 大则使带 齿与轮齿啮合时的有效接触面积城小，所以设计时应选适当的数值。 5、带齿齿顶圆角半径八 带齿齿项圆角半径八的大小将影响到带齿与轮齿啮合时会否产生于沙。由于在同步 带传动中，带齿与带轮齿的啮合是用于非共扼齿廓的一种嵌合。因此在带齿进入或退出 啮合时， 带齿齿顶和轮齿的顶部拐角必然会超于重叠，而产生干涉，从而引起带齿的磨损。 因此为使带齿能顺利地进入和退出啮合，减少带齿顶部的磨损，宜采用较大的齿顶圆角 半径。但与齿根圆角半径一样，齿顶圆角半径也不宜过大，否则亦会减少带齿与轮齿问 的有效接触面积。 6、齿形角 梯形带齿齿形角日的大小对带齿与轮齿的啮合也有较大影响。如齿形角霹过小，带 齿纵向截面形状近似矩形， 则在传动时带齿将不能顺利地嵌入带轮齿槽内， 易产生干涉。 但齿形角度过大，又会使带齿易从轮齿槽中滑出，产生带齿在轮齿顶部跳跃现象。 3.3.3 同步带的设计 在这里，我们选用梯形带。带的尺寸如表3-8。带的图形如图3-5。 表3-8 同步带尺寸 型号 节距 齿形角 齿根厚 齿高 齿根圆角半径 齿顶圆半径 H 8 40。 6.1 2 4.3 1.02 1.02 宁波大红鹰学院毕业设计（论文） 21 图3.8 同步带 3.3.4 同步带轮的设计 同步带轮的设计的基本要求 1、保证带齿能顺利地啮入与啮出 由于轮齿与带齿的啮合同非共规齿廓啮合传动，因此在少带齿顶部与轮齿顶部拐角 处的干涉，并便于带齿滑入或滑出轮齿槽。 2、轮齿的齿廊曲线应能减少啮合变形，能获得大的接触面积，提高带齿的承载能 力即在选探轮齿齿廓曲线时，应使带齿啮入或啮出时变形小，磨擦损耗小，并保证与带 齿均匀接触，有较大的接触面积，使带齿能承受更大的载荷。 3、有良好的加了工艺性 加工工艺性好的带轮齿形可以减少刀具数量与切齿了作员，从而可提高生产率，降 低制造成本。 4、具有合理的齿形角 齿形角是决定带轮齿形的重要的力学和几何参数，大的齿形角有利于带齿的顺利啮 入和啮出，但易使带齿产生爬齿和跳齿现象；而齿形角过小，则会造成带齿与轮齿的啮 合干涉，因此轮齿必须选用合理的齿形角。 同步带轮的设计结果 同步带轮用梯形齿，其图形如图4-4。 宁波大红鹰学院毕业设计（论文） 22 图3.9 同步带轮 3.4 气缸的选型 由于气缸工况类似，所有的气缸选择一种类型。 考虑本课题的具体情况，一般设计气缸主要根据负载设计的，由于本课题的气缸只 是拨动自动物料移动，受载比较非常的小，故在此不需要花太多精力去考虑负载要求。 本课题主要根据结构尺寸来确定。考虑满足结构的情况下，尽量采用小型气缸，以便降 低成本。 经过比较，参考市场上的气缸类型，选择一种可靠优质的气缸产品的生产商速易 可（上海）有限公司 /about_us.asp。 速易可气动（上海）有限公司成立于 2004 年，从事于空油压零组件和设备研 究、 生产、销售的自动化厂商，产品以TONAB品牌营销国内外市场，产品主要有空气净 化组件、气动控制组件、气动执行组件、辅助组件、空油压设备，产 品广泛应用于医 疗器械、工业机器人、食品包装机械、纺织机械、半导体设备、轨道交通、烟草机械、 机床自动控制、真空搬运、汽车制造、教学培训等行业。 速易可目前主要产品有：无杆气缸、滑台气缸、止动气缸、回转气缸、机械夹、回 转夹紧气（油）压缸、导杆气缸、带锁气缸、双轴缸、标准型气缸、控制阀、空气控制 组件、真空系统组件及相关气动辅助零组件。 宁波大红鹰学院毕业设计（论文） 23 经过分析，在这选择 MD40 FA. 宁波大红鹰学院毕业设计（论文） 24 3.5 气缸的设计计算 1.初定气缸工作压力 气缸工作压力主要根据运动循环各阶段中的最大总负载力 来确定，此外，还需要考虑以下因素： (1)各类设备的不同特点和使用场合。 (2)考虑经济和重量因素，压力选得低，则元件尺寸大，重量重；压力选得高 1 些， 则元件尺寸小，重量轻，但对元件的制造精度，密封性能要求高。 所以，气缸的工作压力的选择有两种方式：1 是根据机械类型选；二是根据负载选。 如表 3-1、表 3-2 所示。 表 3-1 按负载选执行文件的工作压力 表 3-2 按机械类型选执行文件的工作压力 机械类型 机 床 农业机械 工程机械 磨床 组合机床 龙门刨床 拉床 工作压力 /MPa a2 35 8 810 1016 2032 由于负载不大，根据具体情况，尽量选择比较小的，以减少能量消耗和成本。选择 工作压力为 1Mpa. 3.6 本章小结 本章主要对自动物料自选机构进行深入的结构设计，以一种常见的自动物料为例子 来进行详细的结构设计分析与计算。 负载/N 5000 500 10000 10000 20000 20000 30000 30000 50000 50000 工作压力 /MPa 0.81 1.52 2.53 34 45 5 宁波大红鹰学院毕业设计（论文） 25 第4章 自动物料分选机 PLC 控制系统的设计 4.1 工作原理 分选机属于比较仪器，先以标准尺寸工件定标或先校正好测微仪的放大倍数，然后 以被测工件与标准工件尺寸进行比较，产生直径尺寸差 d 和长度尺寸差 l， 电感头 将 d 和 l 转变为电感差 D 和 L，电路将电感差转变为0+10V 的电压信号 Us。信 号经 PLC 模拟量输入模块转变为数字量，并根据工 艺要求，将参数同标准数据进行比 较，控制相应料门电磁铁。 4.2 I/O 分配表 分选机 PLC 控制系统的 I/O 分配表： 4.3 PLC 选型依据 日本 OMRON 公司是世界上生产可编程序控制器（PC）的著名厂家之一，OMRON 的大、中、小、微型机各具特色各有所长，在中国市场上的占有率位居前列，在国内用 户中享有较高声誉。因此选择 OMRON 的 PLC 系统作为本课题的研究对象。 宁波大红鹰学院毕业设计（论文） 26 对于 PC，一般应从基本性能、特殊功能及通信联网三个方面考察其性能。基本性能 包括指令系统、工作速度、控制规模、程序容量、PC 内部器件、数据存储器容量等。 特殊功能指中断、 A/D、 D/A、 温度控制等， 模块式 PC 的特殊功能是由智能单元完成的。 通信联网是指 PC 与各种外设通信及 PC 组成各种网络，这一功能通常由专用通信板或 通信单