【硕士论文】包装码垛自动生产线及控制系统研究.pdf

晗尔演理T 人学T 学硕l 学位论文 包装码垛自动生产线及控制系统研究 摘要 传统的机械设备与产品，多是以机械为主，是电气、液压或气动控制的 机械设备。随着工业水平的不断发展，机械设备已逐步地由手动操作改为自 动控制，设备本身也发展成为机电一体化的综合体。可编程序控制器 ( P L C ) 是以微处理器为核心，综合计算机技术、自动化技术和通信技术发 展起来的一种新型工业自动控制装置。经过3 0 多年的发展，目前，可编程 序控制器已成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制装置，居工业生 产自动化三大支柱( 可编程序控制器、机器人、计算机辅助设计与制造) 的首 位。其广泛的深度和广度成为衡量一个国家工业自动化程度高低的标志。 本文首先概述了P L C 的产生、发展及应用现状，随后又论述了包装码垛 自动生产线的历史、我国的应用现状及存在的一系列问题及今后该领域的发 展趋势。 包装码垛自动生产线是一个多部机协同作业的复杂的机械系统，其机械 结构既有共性又有其特性。本文研究了包装码垛自动生产线机械系统设计， 进行了机构的选择和分析：给出了传动装置的计算方法；对关键技术进行了 分析。阐述了气动及真空系统的设计，给出了基本的气动回路和真空系统的 组成及功能。 其次进行了系统控制部分的设计。该系统的核心部分是包装码垛自动生 产线的控制系统，其控制系统主要是以可编程序控制器( P L C ) 为基础进行 集成控制的。在该部分中，介绍了P L C 的綦础知识；详细介绍了工艺流程及 控制逻辑；设计了P L C 控制系统软件和硬件；并介绍了P L C 上位连接系统， 为用户对包装码垛自动生产线实现实时监控、远程诊断和网络化管理搭建了 平台。 最后，论文对全文进行总结，并提出了进一步研究的展望。 关键词包装；码垛；控制系统：P L C 哈尔滨理T 人学【学硕J 二学位论文 R e s e a r c ho nA u t o m a t i cL i n eo fP a c k i n g & P a l l e t i z i n ga n d i t SC o n t r o lS y s t e m A b s t r a c t M o s tc o n v e n t i o n a lm e c h a n i c a lf a c i l i t i e sa r em a c h i n e s ，w h i c ha r em e c h a n i c a l f a c i l i t i e si nt h ec o n t r o lo fe l e c t r i c s ，h y d r a u l i cp r e s s u r ea n da e r o d y n a m i cp r e s s u r e A u t o m a t i cc o n t r o lo fm e c h a n i c a lf a c i l i t yh a sr e p l a c e dm a n u a lw o r ks t e pb ys t e p M e c h a n i c a If a c i l i t i e sh a v eb e e nac o m b i n a t i o no fm e c h a n i c sa n de l e c t r o n i c s P r o g r a m m a b l eL o g i cC o n t r o l l e r ( P L C ) i sal a t e m o d e la u t o m a t i ce q u i p m e n ta s c o r ew i t hm i c r o p r o c e s s O r I t sd e v e l o p m e n ti sb a s e do nc o m p u t e rt e c h n o l o g y ， a u t o m a t i z a t i o nt e c h n o l o g ya n dc o m m u n i c a t i o n s A tt h ep r e s e n t ，P L Ch a sb e c o m e t h em o s ti m p o r t a n ta u t o m a t i ce q u i p m e n ta n db e e na p p l i e dw i d e l y ，a f t e rt h e d e v e l o p m e n to f3 0y e a r s P L Ch a sh e l dt h ep r i m a c yi nt h ef i e l do fi n d u s t r y a u t o m a t i z a t i o n ( P L C ，R O B O T ，C A D & C A M ) T h ed e g r e ea n de x t e n to fP L C d e v e l o p m e n ta r et h es y m b o l so f a u t o m a t i cl e v e li no n ec o u n t r y T h eg e n e r a t i o n ，d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o na c t u a l i t yo fP L Ca r ef i r s t l y s u m m a r i z e d T h e n ，t h eh i s t o r ya n da p p l i c a t i o na c t u a l i t yo ft h ea u t o m a t i cp a c k i n g & p a l l e t i z i n gl i n ea r ed i s c u s s e d As e r i e so fq u e s t i o na n dd i r e c t i o ni nt h i sf i e l d a r eb r o u 【g h tf o r w a r d T h ea u t o m a t i cp a c k i n ga n dp a l l e t i z i n gl i n ei sac o m p l e xm e c h a n i c a ls y s t e m ， w h i c hi sm a d eu po fm a c h i n e sc o o p e r a t i n gw i t he a c ho t h e LI t sm e c h a n i c a l s t r u c t u r e sh a v et h ec o m m o n n e s sa n ds e l f h o o d I nt h i sp a p e r , ar e s e a r c ho f m a c h i n e r ys y s t e mi sm a d e T h ec h o i c ea n da n a l y s i so fm e c h a n i c a ls t r u c t u r ea r e m a d e T h ec a l c u l a t i o nm e t h o d so ft h eg e a r i n gd e v i c e sa r eg i v e n T h ek e y t e c h n o l o g yh a sb e e na n a l y z e d T h ea e r o d y n a m i cs y s t e ma n dv a c u u ms y s t e ma r e e x p a t i a t e d B a s i ca e r o d y n a m i cl o o p sa r eg i v e n ，a n dv a c u u ms y s t e m Sc o m p o s i n g a n df u n c t i o na r ea l s og i v e n T h e n ，t h ec o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d T h ec o n t r o ls y s t e mi st h eh a r dc o r eo f t h ea u t o m a t i c p a c k i n ga n dp a l l e t i z i n g l i n e T h i sa u t o m a t i c p a c k i n g a n d 1 1 哈尔滨理T 人学1 = 学硕一L 学位论文 p a l l e t i z i n gl i n ei si nt h ec h a r g eo fi n t e g r a t e da p p l i c a t i o no fP L C I nt h i sp a r t ，t h e b a s i ck n o w l e d g eo nP L Ci si n t r o d u c e d C r a f t w o r kf l o wa n dc o n t r o ll o g i ca r e d e t a i l e d l y i n t r o d u c e d I t sh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r ed e s i g n e d T h eu p p e r c o m p u t e rl i n ks y s t e mi si n t r o d u c e d T h eu s e r sc a r r y o u tr e a l t i m em o n i t o r i n g ， l o n g d i s t a n c ed i a g n o s e sa n di n t r a n e tn e t w o r km a n a g e m e n t ，w h i c hc a ns u p p l yt h e u s e r sw i t hap l a t f o r m F i n a l l y ，ac o n c l u s i o ni sg i v e na n d t h ed i r e c t i o nf o rt h ef u t u r er e s e a r c hi sp u t f o r w a r d K e y w o r d sp a c k i n g ；p a l l e t i z i n g ；c o n t r o ls y s t e m ；P L C I H - 哈尔演理T 人学T 学硕I ：学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 随着科学技术的迅猛发展，生产力水平的不断提高，人们对降低劳动强 度、改善工作环境同益重视起来。石油化工、化肥、粮食、港口等行业对包装 质量和劳动效率的要求也日益提高，从而促进了这些企业的现代化改造。而传 统的人工包装由于其生产效率低下而成为这些行业产量和包装质量提高的巨大 障碍，已不能满足现代化大生产的需要。用户为了便于产品的运输和存储，对 包装要求更加严格，包装已成为企业升级和获得经济效益的关键因素，因此尽 快提高产品的包装质量，是这些行业的迫切任务之一，也是用户对这些行业的 要求。国际上日本N E W L O N G 、英国B L 、意大利米勒、美国O R Y 等公司掌握 了包装先进技术。目前国内全自动包装码垛设备主要依靠进口，国产设备生产 厂家较少，市场呼吁国产化的全自动包装生产线。我国人工包装的低效率与产 量的日益提高之间的矛盾同益突出，因此对包装码垛自动生产线的研究具有重 大的经济意义和现实意义。 1 2 可编程控制器的产生、应用现状和发展趋势 1 2 1 可编程控制器的产生 上世纪6 0 年代未期，由于市场的需要，工业生产开始从大批量、少品种的 生产方式转变为小批量、多品种的生产方式。这种生产方式在汽车生产中得到 更充分的体现，而当时汽车组装生产线的控制是采用继电器控制系统的。这种 控制系统体积大，耗电多，特别是改变生产程序很困难。为了改变这种状况， 1 9 6 8 年，美国通用汽车公司对外公开招标，要求用新的电气控制装置取代继电 器控制系统，以便适应迅速改变生产程序的要求。该公司为新的控制系统提出 1 0 项指标： 1 编程方便，可现场修改程序； 2 维修方便，采用插件式结构； 3 可靠性高于继电器控制装置； 哈尔演理T 人学T 学硕L 学位论文 4 体积小于继电器控制盘； 5 数据可直接送入管理计算机； 6 成本可与继电器控制盘竞争； 7 输入可为市电； 8 输出可为市电，容量要求在2 A 以上，可直接驱动接触器等； 9 扩展时原系统改变最少； 1 0 用户存储器大于4 K B 。 这1 0 项指标实际上就是现在可编程控制器的最基本功能。其核一t L , 要求可归 结为4 点： 1 用计算机代替继电器控制盘； 2 用程序代替硬接线； 3 输入输出电平可与外部装置直接相联； 4 结构易于扩展。 1 9 6 9 年美国的数字设备公司( D E C ) 研制成了第一台可编程控制器P D P 1 4 ， 并在通用公司的汽车生产线上首次应用成功，开创了可编程控制器的新纪 元。 可编程控制器是以微处理器为核心，把电气传动和逻辑控制、自动测量和 调节、数据计算和处理有机地结合起来，具有丰富的软件资源的现代化工业自 动化控制器”1 。经过3 0 多年的发展，现在可编程控制器己经成为最重要、最可 靠、应用场合最广泛的工业控制微型计算机。在可编程控制器中，充分应用了 大规模集成电路技术、微电子技术及通信技术，迅速地从早期的逻辑控制发展 到进入位置控制、过程控制等领域。用可编程控制器已经可以构成包括逻辑控 制、过程控制、数据采集、图形工作站等的综合控制系统”1 。 1 2 2 可编程控制器的应用现状 可编程控制器是“专为工业环境下应用而设计的”工业控制计算机，由 于其具有很强的抗干扰能力，很高的可靠性”1 ，能在恶劣环境下工作的大量的 I O 接口，因此，伴随着新产品、新技术的不断涌现，始终保持着旺盛的市场 生命力。可编程控制器的出现，除了取代传统的继电器控制外，正在逐步占领 D C S 和P I D 市场份额”“。国际市场：当今世界的P L C 生产厂家约2 0 0 多家， 生产4 0 0 多种P L C 。全球最大的5 家P L C 制造商，德国S I E M E N S 公司、美国 A - B 公司、S C H N E I D E R 公司、日本的M I T S U B I S H I 公司、O M R O N 公司约占 哈尔滨理工人学| T 学顾I ：学位论文 全球市场销售额的6 7 。我国对可编程控制器的研制始于1 9 7 4 年，目前全国 有几十个生产厂家，但产品多为1 2 8 个丌关量I O 点以下的小型机。国内市场 几乎被国外的P L C 产品占领。 1 2 3 可编程控制器的发展趋势 近年来，随着微电子技术、计算机技术和通信技术的快速发展，P L C 的结 构和功能不断改进，应用范围迅速扩大。目前，P L C 主要有以下发展趋势： 1 高速度、大存储量方向发展为提高处理能力，要求P L C 具有更好的 响应速度和更大的存储容量。目前大中型P L C 的速度可达0 2 m s k 步左右。各 大公司都把P L C 的扫描速度作为一个很重要的竞争指标”1 。 2 向多品种方向发展目前中小型P L C 比较普遍，超小型P L C 的需求日 趋增多。为适应市场的多种需要，今后P L C 发展要向多品种方向，特别是向 超大型和超小型两个方向发展。据统计，小型P L C 的基本特点是价格低廉、 经济可靠，适用于设备的单机控制，便于“机电仪”一体化。随着应用范围的 不断扩大和网络及其他功能的不断加强，从控制能力上，诞生了各种各样的特 殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合：从产品的 配套能力上，生产出了各种人机界面单元、通信单元，促进了大型及超大型 P L C 的发展。 3 编程语言多样化P L C 系统结构不断发展的同时，编程软件也在不断发 展。编程语言朝着多种编程语言的方向发展。尽管大多数P L C 采用继电器梯 形图语言( R u 0 ，但是新的编程语言还是不断出现，现在有部分P L C 已采用高 级语言( 如B A S I C 、C 及汇编语言等) 。 4 发展智能模块智能模块是以微处理器为基础的功能部件。它可以与 P L C 的主C P U 并行工作，占用主C P U 的时间很少，有利于提高P l C 的扫描 速度。发展智能模块可进一步提高P L C 处理信息的能力和控制功能。 1 3 包装码垛自动生产线的发展、应用现状及发展趋势 1 3 1 包装码垛自动生产线的发展 包装码垛自动生产线属于工业机器人。工业机器人是在第二次世界大战期 问发展起来的，始于4 0 年代的美国橡树岭国家实验室的搬运核原料的遥控机械 哈尔滨理T 人学T 学硕上学位论文 匪H 攀悟剖粕 图1 - 1 包装码垛生产线流程图 F i g 1 - 1F l o we h a r lo fp a c k i n ga n dp a l l e t i z i n gl i n e 在我国，包装机械的研制始于1 9 5 8 年，主要是自用设备，属革新产品，未 进入市场，正式包装生产线起始于七十年代初，“八五”期间呈全方位发展态 势，“九五”期间进入转型期，逐步成为高科技、高效益、现代化、国防化的 产业“。 我国包装机械起步较晚，解放后轻工业开发了一批专用包装设备，为啤酒 厂、饮料厂、卷烟厂、火柴厂配套，尚未形成行业。8 0 年代初，包装机械作为 新兴的工业部门开始发展起来，经过近二十年的艰苦努力，一支从事包装设备 哈尔滨理T 人学T 学硕E 学位论文 科研、设计、生产制造及教育管理的行业队伍已形成，并初具规模，产品品种 不断增加，产量迅速上升，技术水平逐年提高，作为包装机械工业在我国国民 经济的崛起中正在不断发展完善”。 1 3 2 包装码垛自动生产线的应用现状 从专业化程度看，目前国内包装设备厂专业化程度还不高，5 7 的企业是 兼业生产，仅上海、山东、江苏、辽宁、浙江、广东等省市专业厂较多。很久 以来，包装生产线只做到把物料包装好为止，至于后续的搬运工作，则完全 由搬运工人来完成。造成这种局面有多方面的原因，但主要是由于我国生产力 水平较低，劳动力便宜，科研人才缺乏造成的。随着知识经济时代的到来，这 种局面必将会被打破。 总的来说，我国包装设备制造工业经近2 0 年的努力，在数量、质量、水平 方面均有较大的进展，为我国建立一个门类齐全、技术先进、水平相当、独立 完善的包装设备生产系统奠定了坚实的基础。但要想在未来的国际竞争中占有 一席之地，还必须要找出自身缺点和不足，特别是要找出与北美、日本、西欧 等国家的差距。 纵观2 0 余年的发展，不难发现我国包装机械行业中存在的某些明显不足 之处。 1 低水平产品重复生产多如小型自动封口机、真空包装机、小型灌装 机、小食品生产设备等。这些设备技术难度小，成本低，起步快，因此，不少 企业选中它做“入门”产品，以此积累资金再展鸿图。这样，就造成产品不可 避免地重复，产品积压卖不出去，自然又影响设备的更新，最终使得生产水平 难以提高。 2 高技术含量的产品尚未有人生产如多层共挤设备。欧美一些著名的公 司，虽有成套设备供应，但其共挤头也是从美国购来配套的。再如高压杀菌设 备，甚至连实验室阶段也未进入。 3 自主开发能力较弱一方面是我国的企业起步较晚，还未摸清市场的脉 搏，另一方面是科技力量薄弱，高科技人力资源不足，不具备先进的设计工 具。本行业应用。气D 的还不是很多，所以一提新产品，许多企业往往看好别 人已生产的产品，市场不错，买来图纸依样画葫芦，结果并不理想。有的企业 照搬国外产品测仿，达到了样机水平的则吹为“国际先进水平”，实际上是人 家早己淘汰的产品。 哈尔演理T 人学T 学硕L 学位论文 4 可靠性问题普遍存在我国一些企业不太注意产品质量，表现在两个方 面：一是自身加工的零部件，有的精度不够，有的材质不好，有的该热处理的 不热处理，该锻压的不锻压，以致于出现出口产品断轴，运行不到一个月即严 重磨损而不能使用。另一方面是配套件，进货把关不严或有意购进低价劣质产 品，以致于出口产品轴承丌裂。有的产品在用户丌机时因电器故障一次就卡 壳。当然，密封件、传动件问题也不少。 5 产品防护问题未能引起重视为了操作人员的安全，设备安全所采取的 措施较少。这类产品绝对进不了欧美市场，只能进入第三世界没有防护立法的 国家和地区。安全性、可靠性是至关重要的，一定要引起企业的足够重视。 1 3 3 包装码垛自动生产线的发展趋势 为了满足各行各业对F 1 新月异的商品的包装要求，改善工作环境，降低劳 动强度，包装码垛机械就必须适应不断发展的包装工业的需要，未来的包装机 械将有以下发展趋势： 1 机电仪综合技术是包装码垛生产线的发展主流自动化程度是衡量包装 机械技术水平的重要标志。其内容包括自动控N ( I 艺过程、工艺参数、产品 质量、运行故障、安全防护等控制) 和自动检测( 包装物、包装容器及材料、包 装产品、包装过程等检测) 两个方面。由于大量采用了微电子、远红外、传感 器等高新技术，特别是微型计算机的应用，使上述两个方面的水平迅速提高， 从而简化了产品结构，减少了人工操作，提高了包装质量。 2 在促进单机高速化的同时，注意提高系统效率高速化是提高包装机械 生产效率的主要途径，为此，不断提高包装速度已成为总的发展趋势。其主要 途径是在提高自动化水平的同时不断改进结构。与此同时，还将更多的注意力 投向提高整个包装系统的生产效率上，使高速化向深层次发展，使包装系统更 加经济合理。 3 在发展专业机的同时，积极开展通用机型对于某些形状、尺寸基本固 定，生产批量较大的包装物如烟、糖果等，为了提高生产效率，简化产品结 构，便于专业化生产，往往有各种相应的专用设备进行包装，但近年来由于多 品种小批量的商品市场需求以及中、小型用户的发展，多功能通用包装机械” 发展十分迅速，其适用范围也愈来愈广。 4 大力开发辅助设备，促进连续化包装生产线的发展单机联线生产效率 的提高，除主机外，各种辅助设备也相当重要l 。为此，全面地系统地丌发各 哈尔演理T 人学T 学硕I ：学位论文 种包装辅助设备已引起普遍关注。如用于包装容器、包装物及包装产品的各种 整理、转向、运送装置、检测装置、打印装置等的开发，大大提高了包装生产 线的效率和自动化程度。1 。 5 码垛系统将发挥越来越重要的作用在自动化生产线的终端，产品以每 小时数吨以至数十吨的速度源源而来，必须及时处理。这相当于每小时要称 量、包装、堆码数十袋以至上千袋货物，如此繁重、精确的工作，已经不是人 力所能胜任。因此，码垛系统是自动化生产线的重要组成部分，处理不当往往 会变成生产线的瓶颈环节”“。而码垛系统要适应目前生产发展的需求，就必须 采用模块化结构”。采用模块化结构不仅可以最大限度的满足不同用户的使用 要求，还可以简化设备的设计与制造，缩短生产周期，降低成本。 1 4 课题来源及主要研究内容 本课题来源于哈尔滨七星机械设备制造公司的实际项目，该公司是一家专 业生产包装码垛自动生产线的公司。随着科学技术的迅猛发展，生产力水平的 不断提高，人们对降低劳动强度、改善工作环境同益重视起来。在新的世纪， 随着我国各项事业的蓬勃发展以及知识经济所面临的机遇和挑战，包装码垛机 械必将发挥越来越重要的作用，为国民生产产生不可估量的经济效益。以P L C 为基础组成的包装码垛自动生产线“，控制系统简洁方便，自动化程度较高， 可极大提高生产效率”。 本课题主要研究包装码垛自动生产线及控制系统。包装码垛自动生产线以 P L C 为控制核心，以操作盘或触摸屏为输入设备，P L C 与变频器通过总线”“”1 进行通信，完成对各电机转速、转向及各个接触器、中继器等的控制。 该课题主要包括以下研究内容： 1 包装码垛自动生产线机械系统设计在结构设计时拟采用使用较多的结 构形式，做到结构紧凑，所占空间小，相对成本低。对包装码垛自动生产线机 械系统进行设计，包括机构的选择和分析、传动装置的计算、对主要结构进行 设计和分析。 2 包装码垛自动生产线气动及真空系统设计气动驱动具有成本低、控制 简单的特点。气动系统是生产线的基本组成部分之一，它的性能、寿命及稳定 性直接决定着生产线的工作性能和质量。设计包装码垛自动生产线的气动及真 空系统，了解气动系统的原理和应用，给出基本的气动回路和真空系统的组成 及功能。 哈尔滨理工人学T 学硕L 学位论文 3 控制系统的软硬件设计包装码垛自动生产线动作多，运动复杂，而所 处工作环境恶劣( 高温、振动、粉尘) ，这就要求控制系统具有很高的可靠性、 很强的故障诊断能力，确保生产的稳定运行。可编程控制器是“专为工业环境 下应用而设计的”工业控制计算机，由于其具有很强的抗干扰能力，很高的可 靠性，能在恶劣环境下工作，故成为本课题首选的控制器。控制系统的软硬件 设计，包括编排包装码垛自动生产线的工艺过程及动作流程；分析研究包装码 垛自动生产线的控制逻辑；绘制系统原理图及接线图；编制控制系统I 0 表： 用梯形图法编制P L C 程序。 哈尔滨理T 人学T 学硕I ：学位论文 第2 章包装码垛自动生产线总体设计方案 2 1 概述 本课题所设计的包装码垛自动生产线是一个典型的机电一体化系统1 。所 谓的机电一体化系统是指在系统的主功能、信息处理功能和控制功能等方面引 进了电子技术，并把机械装置、执行部件、计算机等电子设备以及软件等有机 结合而构成的系统，即机械、执行、信息处理、接口和软件等部分在电子技术 的支配下，以系统的观点进行组合而形成的一种新型机械系统。 机电一体化系统由机械系统( 机构) 、电子信息处理系统( 计算机) 、动 力系统( 动力源) 、传感检测系统( 传感器) 、执行元件系统( 如电机) 等五 大子系统组成。其五种内部功能即主功能、动力功能、检测功能、控制功能、 构造功能”。 机电体化系统的一大特点是由于机电一体化系统的微电子装置取代了人 对机械的绝大部分的控制功能，并加以延伸和扩大，克服了人体能力的不足和 弱点。另大特点是节省能源和材料消耗。其主要特征是自动化操作”。 2 2 系统组成 该系统是一个典型的机电一体化系统或称为机电计算机控制系统( 本系统 主要采用P L C 控制) ，因而本系统设计主要由机械、气动、控制三大部分组 成。其机械部分主要是各传动装置通过各种机构驱动执行装置实现设定的运动 轨迹、完成预期的功能。气动部分是由检测传感器、电磁控制阀等组成。控制 部分主要由可编程控制器( 本课题采用同本O M R O N 的C 2 0 0 H ) 、交流接触 器、低压断路器等组成。 任何一个典型的机电计算机控 制系统，从系统总体而言，都要 由硬件和软件两部分组成。如图 2 - 1 所示，该系统的硬件配置主要 由中央处理单元、I O 扩展单元、 检测元件、人机操作界面、控制 I 中央处理单元输入输出 C P U I 0 扩展单元 。图2 - 1 控制系统硬件配置 F i g 2 - 1H a r d w a r ed i s p o s i t i o no ft h ec o n t r o ls y s t e m 哈尔滨理工人学T 学顾l ：学位论文 元件以及执行元件组成。该系统的软件系统将在本文的第五章具体介绍。 2 3 系统功能 1 检测与控制功能系统通过各种传感器自动检测位置及是否回归起始原 点的状况，由P L C 根据所测的各种位置信号来控制执行装置的启动、运行和 停止。系统实时检测供电电源情况，由P L C 控制在电源严重过压或欠压时停 机。 2 显示报警功能当系统出现下列情况之一时，均同时进行声、光报警： D C 2 4 V 掉电( 各种传感器的供电电源) ；执行装置未回归原点位置时进行启 动；垛盘满位时；系统供电电源严重过压或欠压等。 3 灵活的操作过程包装码垛自动生产线的操作过程有两种：自动操作 手动操作。将自动手动的切换开关打到“手动”状态时，可以按下操作面板 上相应的点动开关实现点动操作；打到“自动”状态时，则根据相应的控制程 序进行自动且连续的作业。 2 4 本章小结 本章从包装码垛自动生产线作为一个典型的机电一体化系统入手，从总体 上分析了该系统的组成及功能，为下一步的研究勾勒出清晰的轮廓。 哈尔滨理T 人学T 学顾I ：学位论文 第3 章包装码垛自动生产线机械系统设计 3 1 概述 机电一体化系统的机械系统与一般的机械系统相比，除要求具有较高的定 位精度之外，还应具有良好的动态响应特性，就是说响应要快、稳定性要好。 这里所说的机械系统一般由减速装置、各种线性传动部件以及连杆机构等非线 性传动部件、导向支承部件、旋转支承部件、轴系及机架等机构组成。 全自动包装码垛生产线是集机、电、仪于一体的高技术产品，它主要应用 于化工、粮食、食品及医药等行业中的粉、粒、块状物料的全自动包装。包装 码垛自动生产线系统主要组成如图3 1 所示。包装码垛自动生产线可分为包装 部分和码垛部分。包装部分实现定量称重、自动供袋、装袋、夹口整形、折边 缝口、金属检测、重量复检等功能。码垛部分实现转位编组、推袋压袋、码垛 及托盘的提供和垛盘的输送等功能。 3 2 机构设计 在设计机器时，当确定了所需执行构件的数目和运动后，下一步就是选择 能够实现各个执行构件所需运动的机构，也就是机构选型问题”。 执行构件的数目就是应当选用的执行机构的个数，而执行构件的运动就是 所选执行机构输出件的运动。执行机构可以是一个基本机构，也可以是一个组 合机构。由分析各种机器可知，执行构件的运动形式有下列七种：1 ) 连续转 动；2 ) 往复移动；3 ) 往复摆动；4 ) 单向问歇转动；5 ) 间歇往复移动；6 ) 问歇往复摆动：7 ) 实现给定轨迹。 另一方面，选择机构时还要确定选用何种原动机，因为执行机构的输入运 动是从原动机经过传动机构传来的。常用原动机的运动形式有下列三种：1 ) 连续转动，例如电动机和内燃机的输出运动；2 ) 往复移动，例如赢线电动机 和固定的活塞式油缸或气缸的输出运动；3 ) 往复摆动例如双向电动机和摆动 的活塞式油缸或气缸的输出运动。 已知执行机构输出运动和输入运动后，便不难决定该执行机构应当选用什 么机构。选择机构时，不但要考虑执行构件的运动形式，而且还要考虑它的运 哈尔演理T 人学T 学硕 二学位论文 1 电子称重机2 平台3 自动供袋机4 自动装袋机5 夹口整形机6 自动折边机 7 自动缝口机8 立袋输送机9 倒袋整形机1 0 金属检测机1 1 重鼙复检机1 2 自 动捡选机1 3 喷墨打印机1 4 过渡输送机1 5 斜坡输送机1 6 压平整形机1 7 托盘 仓1 8 转位输送机1 9 托盘输送机2 0 编组机2 1 推袋压袋机2 2 升降机2 3 分层 码垛机2 4 高架平台2 5 垛盘输送机2 6 码垛机控制柜2 7 包装机控制柜2 8 电子 秤控制柜2 9 D C S 控制系统3 0 真空系统3 1 除尘系统 图3 - 1 包装码垛自动生产线 F i g 3 - 1A u t o m a t i cp a c k i n ga n dp a l l e t i z i n gl i n e 动规律或运动轨迹。还要考虑到该机构的动力学特性和制造、安装、维修及成 本等问题。根据所设计机器的特点，进行综合考虑、分析比较，抓主要矛盾， 才能选出最佳的机构。 机构是具有确定相对运动的构件组合1 。在着手设计新机构时，首先应判 断所设计的机构能否运动；如果能够运动，还需判断在什么条件下才能具有确 定的相对运动。 设某一平面运动链共包含q 个构件，m 个低副和舶个高副。这q 个构件 中有一个构件( 机架) 被看作固定不动，其余活动构件数为，l 却一1 。这彪个 活动构件在未用运动副联接之前共具有孙个自由度，当用阢个低副和舶个高 吾q 联接成运动链之后，便受到劲L + p H 个约束( 每个低副引入两个约束，每个 高副引入一个约束) 。显然，整个运动链相对其中一杆( 机架) 的自由度，办 即机构的自由度，应为活动构件自由度总数与运动副引入的约束总数之差，即 哈尔滨理1 二人学T 学硕I ：学位论文 ，= 孙一2 p L - - p n( 3 1 ) 机构的自由度也即是机构所具有的独立运动的数目。通常机构中的每个原 动件具有一个独立运动( 如电动机转子具有一个独立转动，油缸中的活塞具有 一个独立的直移运动) ，因此，机构的自由度也就是机构应当具有的原动件的 数目。 例如图3 - 2 所示为电子称重机卸料装置结构简图，图3 3 为其机构简图。 该机构为一平面六杆机构。n = 5 ，p L = 7 ，p n = 0 ，由式( 3 1 ) 得 F = 3 x 5 2 x 7 - - 0 = 1 此机构的自由度等于1 ，应当有一个原动件。运动链相对自由度F 、原动件数 与机构运动的特性有着密切关系：1 ) F s 0 时，运动链退化成刚性桁架，构件 间不可能产生相对运动；F 0 时，原动件数大于运动链相对自由度将使机 构遭到破坏；原动件数小于运动链相对自由度则构件将无规则地乱动；只有当 原动件数等于运动链相对自由度时，构件间才能获得确定的相对运动，才能成 其为机构。 囝结 图3 - 2 卸料装置结构简图 F i g 3 - 2d i s c h a r g e s t u f fd e v i c e s t r u c t u r ed i a g r a m 3 3 传动装置设计 图3 3 卸料装置机构简图 F i g 3 - 3d i s c h a r g e s t u f fd e v i c e m e c h a n i s ms k e t c hm a p 传动装置是一种在距离间传递能量并兼实现某些其它作用的装置1 。这些 作用是：1 ) 能量的分配：2 ) 转速的改变；3 ) 运动形式的改变等。 机器中所以要采用传动装置的原因是：1 ) 工作机构所要求的速度、转矩 或力，通常与动力机不一致；2 ) 工作机构常要求改变速度，用调节动力机速 度的方法来达到这一目的往往不很经济；3 ) 动力机的输出轴一般只作等速回 转运动，而工作机构往往需要多样的运动；4 ) 一个动力机有时要带动若干个 运动形式和速度都不同的工作机构。 呛尔演理T 人学T 学硕I ：学位论文 机械传动分为摩擦传动和啮合传动。摩擦传动的外廓尺寸较大，由于打滑 和弹性滑动等原因，其传动比不能保持恒定。但它的回转体要比啮合传动简 单，即使精度要求很高，制造也不困难。摩擦传动运行平稳、无噪声。大部分 摩擦传动都能起安全作用，且易于实现无级调速。啮合传动具有外廓尺寸小、 效率高、传动比恒定、功率范围广等优点。因为靠着金属元件问的齿的啮合来 传递动力，所以即使有很小的制造误差及齿廓变形，在高速时也将引起冲击和 噪声，这是啮合传动的主要缺点。 包装码垛自动生产线传动装置大多采用带传动和链传动。 3 3 1 带传动 带传动是在两个或多个带轮之间用带作为挠性拉曳元件的一种摩擦传动。 带呈环形，并以一定的拉力( 称为张紧力) F o 套在一对带轮上，使带和带轮相 互压紧。带传动不工作时，带两边的拉力相等，均为F 0 ；工作时，由于带与轮 面问的摩擦力使其一边拉力加大到，l ，称为紧边拉力，另一边拉力减小到 ，2 ，称为松边拉力。两者之差如F 1 一F 2 即为有效拉力，它等于沿带轮的接触 弧上摩擦力的总和。在一定条件下，摩擦力有一极限值，如果工作阻力超过极 限值，带就在轮面上打滑，传动不能J 下常工作。 1 型号带的型号可根据计算功率P c 和小轮转速万- 选取。计算功率 P c = K A P ( 3 2 ) 式中P _ 名义传动功率( k W ) ； 酝工作情况系数。 2 最小带轮直径D 血带轮愈小，弯曲应力愈大。弯曲应力是引起胶带疲 劳损坏的重要原因。 3 中心距4 、带长工带传动的中心距不宜过大，否则将由于载荷变化引 起带的扇动。中心距也不宜过小，因为：1 ) 中心距愈小，带长愈短，在一定 速度下，单位时间内带的应力变化次数愈多，会加速带的疲劳损坏：2 ) 当传 动比f 较大时，短的中心距将导致包角口，过小。 对于三角带传动，中心距a 一般可取 2 ( D c F D z ) 乏口2 0 5 5 ( D l + D 2 ) + I l( 3 3 ) 式中D 1 小带轮的直径( m m ) ； D 2 大带轮的直径( m m ) ； h 三角带的厚度( m m ) 。 堕尘堡矍三查耋三兰堡! ：兰竺丝兰 决定中心距后，带长L 可通过下式计算 L - 蛾+ 2 a + 竺0 - 4 ) 式中以。旦尝( m m ) ； ；旦些( m m ) 。 4 包角a l 、传动比i 三角胶带传动的包角a l 一般不小于1 2 0 。，个别情 况下可小到7 0 。传动比f 通常不大于7 ，个别情况下可到1 0 。 口1 8 0 。一旦2 二望! 6 0 。( 3 5 ) 5 张紧力凡张紧力的大小是保证传动正常工作的重要因素。张紧力过 小，摩擦力小，容易发生打滑；张紧力过大，则胶带寿命低，轴和轴承受力 大。对于三角胶带传动，既能保证传动功率又不出现打滑时的单根传动胶带最 合宜的张紧力F 0 可由下式计算 w o o 鲁( 警卜 式中卜胶带根数； 七。包角系数。 6 作用在轴上的载荷为了设计带轮的轴和轴承，需先知道带传动作用在 轴上的载荷Q ，可近似地由下式确定。 Q ；2 z F os i n 导 ( 3 7 ) ，y 式中R 单根带的张紧力( N ) ； 卜胶带根数。 包装码垛自动生产线部分传动采用三角带传动，传动形式相同，只是速度 略有不同。这里以自动缝口机为例给出带传动的设计计算，其它部机的带传动 计算便不一一赘述。 自动缝口机的动力机为Y 系列三相异步电动机，功率P = O 7 5 k W ，转速 n l = 1 4 4 0 r m i n 。输送机速度v 2 1 0 2 m s ，缝纫速度为8 m m r 。 ， 哈尔滨理二 = 大学工学硕I ：学位论文 为使计算过程和结果比较明确，列表3 - 1 如下。 表3 - 1 带传动设计计算 T a b l e3 - 1D e s i g na n dc a l c u l a t i o no fb e l tt r a n s m i s s i o n 计算项目计算过程计算结果 定三角带型号和计算功率P c 榔P c = 0 9 7 5k W 带轮直径选带型号O 型带 小带轮直径取D l = 8 0 m m 缝纫机转速n ，一V 2 。1 0 0 0 。6 0 n 2 = 1 1 2 5 r m i n 8 大带轮直径D ，；里也D 2 = 8 0 m m 。 ，1 2 计算带长 f l ：l 式( 3 3 1 中心距a 取 a = 2 6 0 m m 仉一旦尝D m = 9 1 m m A ；D 2 - D 1A l l m m 工。蛾+ 知+ 竺 L = 8 0 6 m m 求包角和传动比小轮包角 口。1 8 0 。一生垒6 0 。 a 1 1 7 5 。 1 2 0 。 a 传动比f ；生f 置1 2 8 咒2 求轴上载荷 带速v 。垫L y = 6 0 m s 6 0 1 0 0 0 张紧力o o 鲁( 竿卜 F o 一1 2 8 2 N 轴上载荷Q ；2 z F o s i n 号 Q 一2 5 6 N 3 3 2 链传动 链传动是在两个或多于两个链轮之间用链作为挠性拉曳元件的一种啮合传 动。因其经济、可靠，故广泛用于农业、采矿、冶金、起重、运输、石油、化 吩尔滨理丁大学下学硕J ：学位论文 工、纺织等各种机械的动力传动中。 和带传动比较，链传动的主要优点是：1 ) 没有滑动；2 ) 工况相同时，传 动尺寸比较紧凑；3 ) 不需要很大的张紧力，作用在轴上的载荷较小；4 ) 效率 较高，- 9 8 ：5 ) 能在温度较高、湿度较大的环境中使用等。 包装码垛自动生产线链传动应用比带传动更为广泛，以滚子链传动形式居 多。下面只讨论滚子链传动。 1 滚子链链轮滚子链齿形系用标准刀具加工，在链轮工作途中不必画 出，应注明链节距p 、齿数z 、分度圆直径d 、齿项圆直径d 。、齿根圆直径d f 。 分度圆直径 d 。奋m m ( 3 8 ) S l n Z 齿顶圆直径 d 。p ( 0 5 4 + c t g 塑1 m m ( 3 - 9 ) 、 z 齿根圆赢径 d f d d l( 3 1 0 ) 式中d - 滚予直径( m m ) 。 2 链速链传动的运动情况和绕在多边形轮子上的带传动很相似，边长相 当于链节距P ，边数相当于链轮齿数z 。轮子每转一周，带转过的长度应为 印，当两链轮转速分别为n - 和胛2 时，链速 v 。! ! 竺L ；巡L ( 3 1 1 ) 6 0 1 0 0 06 0 1 0 0 0 。 3 工作拉力F ln 取决于传动功率e ( k W ) 和链速v ( m s ) 7 E 。1 0 0 0 P( 3 1 2 ) V 4 轴上载荷Q 作用在轴上的载荷可近似取 Q - 1 2 F 1 ( 3 1 3 ) 包装码垛自动生产线输送机的传动一般采用滚子链传动，各输送机传动形 式相同，只是速度略有不同。这里以缓停输送机为例给出滚子链传动的设计计 算，其它部机的链传动计算便不一一赘述。 动力机为电机直联型摆线针轮减速机，功率P = 0 7 5 k W ，输出转速 n l = 5 9 r m i n ，输送机速度v 2 = 0 3 5 m s ，传动滚筒直径为D 2 = 1 8 0 m m ，采用链号 哈尔滨理T 人学T 学颂L 学位论文 I O A 的滚子链传动。链节距p = 1 5 8 7