（农业工程专业论文）自动控制配料机设计.pdf

摘要 本文主要介绍自动控制配料机的工作原理、结构组成及整机设计过程。该自动控制配料 机的设计主要包括原料机和集料机部分的设计，配料机总体结构及精确称量卸料部分的设 计气动动作过程部分的设计，系统启动部分和定位部分的设计以及各种气缸的选用。该机 选用电脑显示药的配方，用条码仪识别取药条码，提高了精确度；取药采用人工取药。 现阶段。我国制药行业星罗棋布，生产水平良莠不齐，持有生产许可证的生产企业已达 6 0 0 0 多家，但其中9 0 为中小型企业，规模小，技术落后，设备陈旧，产品质量安全亦无 保障。如何使制剂生产标准化、规模化是制剂工程亟待解决的重要问题。针对当前国际上全 自动配料设备价格相当昂贵、国内目前同型设备短缺及我国中小企业的实际生产状况，设计 并制造了自动控制配料机，该机通过p l c 编程实现药品配方原料成份识别、料斗自动旋转、 制动和成份称重后的自动倒料过程。该机既能避免配药失误，又提高了称量精度，其较低的 价格也适合现在市场的需求。 关键词：配料机，精确称量，p l c ，自动控制 a b s t r a c t t h i st h e s i sm a i n l yi n t r o d u c e dt h es h u c t u r e ，p a n c i p l ea n dd e s i g np r o c e s so ft h ea u t o m a t i c b a t c h i n gm a c h i n e ，w h i c hi n c l u d e dt h ed e s i g no ft h er a w m a t e r i a lm a c h i n e ，t h ei n t e g r a ls t r u c t u r eo f p r o p o r t i o na n dt h ee x a c tm e t a g ep a n a n dt h ec o m p u t a t i o na n do p t i m i z a t i o n so ft h ep n e u m a t i c a c t i o np a r t , t h ew a r mb o o tp a r ta n dv a r i o u sa i rc y l i n d e r s t h ea c c u r a c yo ft h ew h o l em a c h i n ew a s i m p r o v e db yc o m p u l e r i z e dp r e s c r i p t i o nd i s p l a ya n db a rc o d ei d e n t i f i c a t i o n a n dt h eu 器c o u l d f e t c hm a d i c i n eb yt h e m s e l v e s p h a r m a c e u t i c a lc o m p a n i e si nc h i n an o w a d a y sa r es t a r - s t u d d e d w i t hn k t h a n6 0 0 0l i c e n s e d e n t e r p r i s e s , b u t9 0 o ft h e ma r em e d i u mo rs m a l l - s i z e do n e so na a l is c a l e e q u i p p e dw i t h b e h i n d h a n dt e c h n i q u ea n do l de q u i p m e n t s , p r o d u c i n gi n s e c u r ep r o d u c t s i ti sg e a l i z e dt h a tt h e s t a n d a r d i z a t i o na n dl a r g es c a l ed e v e l o p m e n ta r et h ek e yp r o b l e m s c o n s i d e r i n gt h eh i g hp r i 伪o f t h ef u l l - a u t o m a t i ce q u i p m e n t , t h el a c ko ft h es i m i l a re q u i p m e n t si no u rc o u n t r ya n dt h ee c o l l o l m c s i t u a t i o n so ft h es m a l l - s i z e de n t e r p r i s e s , t h i sa u t o m a t i cc o n t r o lm a c h i n eo fm e d i c i n ep r o p o r t i o n w a sd e s i g n e d ，w h i c hl 枷i z c dt h er e c o g n i t i o no ft h ep h a r m a c e u t i c a li n g r e d i e n t s , t h ea u t o r o t a f i o n , b r e a ka n dt h ea u t o m a t i ci n v e r s i n go fm a t e r i a l sa f t e rb e i n gw e i g h e db yt h ep l c p r o g r a m i tc o u l d n o to n l yp e r f e c t l ya v o i dt h ep r e s c i i p i i o i le r r o r ，b u ta l s op r o v i d eh i 【g hp r e c i s i o nf o rm a t e r i a l s w e i g h i n ga n dt h el o w e rp r i c es u i t a b l ef o rt h em a r k e t k e yw o r d s ：h a t c h i n gm a c h i n e ，e x a c tm e t a g e ，p l c , a u t o m a t i cc o n t r o l l 独创性声明 本人声明所星交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名；弗机瓦彳卜 时间： 伽7 年多月穸日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在 不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 帆砷年多月甲日 导师签名： 蓉彩k 时间：。1 年月) 日 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 目的意义 第一章绪论 许多行业的产品，成份配置要求较高。制药业就是其一，为确保药剂产品的安全生产。配料 是一道关键工序，配方成份不得疏漏、重复，每一成份的含量不得超差。这一要求如何实现，是 摆在药品生产企业面前的重要课题i l j 我国现有6 0 0 0 多家药品生产企业，几乎9 0 为中小型企业。我国药品生产企业存在问题可概 括为小二多三低”现象。一小：是大多数生产企业规模小；二多：是企业数量多，产品重复多； 三低：是大部分生产企业产品技术含量低，新药研究开发能力低、管理能力及经济效益低。还有 药品质量监控不严，在国际市场上竞争力极弱 2 1 我国成功加入w t o 之后，随之而来的是各个行业的发展机遇，但同时也带来了各种竞争和 挑战。落后就要被淘汰，不规范就要被关在市场f l # l 。为此，国家药品监督管理局于1 9 9 9 年3 月1 8 日审议通过药品生产质量管理规范，简称g m p ( g o o dm a n u f a c t u r i n gp r a c t i c e s ) g m p 的基本点是：要保证生产药品符合法定质量标准，保证药品质量的均一性；防止生产中药品的混 批、混杂、污染和交叉污染在6 0 0 0 多家药品生产企业中，符合g m p 规范要求的只有3 0 0 多家 企业【习。考虑到我国药品生产企业全面达到 药品生产质量管理规范要求，还需要一个过程， 为此提出了g m p 具体实施办法及实施步骤。并在药品生产企业中推行o m p 认证制度，即药品生 产企业必须按照国务院药品监督管理部门制定的药品生产质量管理规范组织生产 3 1 药品监 督管理部门按照规定对药品生产企业是否符合g m p 的要求进行认证；对认证合格的，发给认证 证书对达不到g m p 要求的企业责令停产国家药品监督管理局己对药品生产企业按照剂型进 行分类，提出了分类别、分阶段、限期推行g m p ，并要求在叶五”期间我国药品生产企业将全部 按药品生产质量管理规范组织生产 为强制和鼓励生产企业实施g m p ，国家药品监督管理局还制定了一系列政策，摘录如下： 1 新开办药品生产企业( 车间) 必须先通过o m p 认证，方可申领药品生产许可证。 2 通过药品g m p 认证的企业可接受药品的异地生产和委托加工。鼓励通过g m p 认证的企 业扩大生产能力，扩大市场份额，以良好的产品占领市场。 3 提前通过药品g m p 认证企业，可加快新药审批程序。鼓励质量体系健全、产品质量高的 企业不断研究、开发、生产新产品 推行g m p 是保证人民用药安全有效的重要保证，可以从整体上提高我国制药企业的素质， 也是配合经济部门调控、克服药品生产低水平重复的重要措施。然而医药工业也面临前所未有的 挑战与机遇，如何规范化，规模化，标准化生产药剂产品是企业应解决的的基本问题，如何以低 成本，高效率生产出质量合格安全可靠的药剂产品是研究生产实践的重要内容。 认证管理办法对生产现场提出了较高的要求，须严格按照现场检查方案对企业实施药品g m p 的情况进行检查，必要时应予取证i t 。制药设备是实旌药物制品生产操作的关键因素，制药设备 的密闭性，先进性，自动化程度的高低直接影响药品质量及g m p 制度的执行 中国农业大学硕仁学位论文第一章绪论 为此国家医药管理局制药机械设计技术中心站制定了制药装备g m p 实施细则对制药设 备的机械设计和制造作出了相应规定。要求尽量设计多功能的自动化装备，这是避免污染，保证 质量的有效手段之一。 药物制剂的生产加工，分配料，搅拌，成型，包装等多道工序，配料是指对各药剂组成部分 的选取和称量，要求能准确选择药剂成分，不重复、不遗漏。各成分在质量称取上误差小，否则 会对治疗效果带来极大影响，甚至危及生命。本题目正是为了满足g m p 标准要求实现第一道工 亭一精确配料而设计的自动控制配料机。 1 2 国内外研究现状 配料工序是药品生产过程中非常重要的环节，它主要包括成份的抓取和称量。这看起来可能 很平常，却是至关重要的。如果这个环节在生产过程中出了错，无论接下来的情况怎样，整批产 品都可能被报废或者重新生产。而实际上。在大多时候，称重一配药的误差是在发生了之后才发现， 到那时你就只能浪费一批药品了喇 目前大多药品公司主要精力集中于应用先进的控制技术来提高他们生产过程。各种各样的混 料、搅拌、成型、包装设备应有尽有，但在配药称重环节，却被忽视。多数企业仍采用传统的 人工取料和称重法，效率低、精度差，且很容易因人为失误造成某一成份的重复或疏漏现象。目 前一些制药厂采用简单机械操作，也同样难以达到药品成份高精度的要求。 另有部分企业为加强配料操作人员责任心，能够进 行责任追溯，实行电子签名制度，操作者不必手工签名， 而是用计算机来实现验证在操作者允许傲应做的操作 之前，要求至少用他的用户名和密码被识别身份。这样 特殊批量的追溯不再需要手工搜索书面记录。例如， r o c k w e l l 自动化系统，根据f d a s2 1 c f r 的1 1 部分 的标准，无论在操作者进入或退出时都可以自动执行电 子签名掰。但这种方法也只能是事后把关。 围卜1r o c k w e li 电子签名设备 目前国内有配料、称重、打包 于一体的设备，如右图：其特点 是集多道工序于一体，节省空间 降低成本，但不适于配方成分较多 的情况。 田1 - 2 自动配科、打包设备 在畜禽工程领域，有着较丰富的成熟经验，成套机组工艺先进合理，设备简单牢固，运转平 2 中国农业大学硕t z _ 学位论文第一章绪论 稳。其中电脑配料系统：自动控制计量、配料的生产过程；先进的计算机，有良好的界面，带工 艺流程图，图形化显示，表格式管理管理部分可设定配方号、批次等。如图。而畜禽饲料的加 工精度不太适合于制药工程。 图1 - 3 电脑配料成套机组 国际上用于制药行业的配料设备有全自动精量搅龙系统其工作原理图如下： 其控制系统原理图： 圈1 4 配料称量搅龙示意图 田卜5 配料称量绞龙控制系统图 3 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 但价格昂贵，若购置这样一台设备，需数百万以上人民币，一般的中小企业承受不起。 1 3 研究的内容和方法： 研究内容； 综上，实施本设计方案设计一台精度较高、价格较低、且能保证质量安全的的自动控制 配料机以满足中小企业需求。该设备通过p c 机、可编程控制器及条码识别仪实现对药品配方的 识别、显示以及各种原料所需数量的显示，利用电子天平精确称量，同时通过其他的辅助装置保 证配方原料药取料的不重复、不疏漏和取量的精确，然后由自动倒料装置实现自动倒料，这样既 减少人员的工作量，更重要的是完全避免了人为失误。该设备可以很好地适合我国国情，满足制 药行业的新生产要求。另外，该设备也适用于其他配料精度要求较高的企业( 如轮胎制造业) ， 有较好的市场前景。 拟设计的自动控制配料机，由1 0 个原料桶( 分别盛有各配方成分) l o 个集料桶( 各成分的 组合) 组成，对各成分编码，由条形码阅读器识别，若是处方成分，p c 机会显示该成分数量，则 按需取料即可。若非处方成分。则拒绝取料。重复取料，控制系统也会拒绝。重量正确，将自动 开缸、自动倒料，重量超差，系统将拒绝接料 各种成分取料误差小于o o l g ，并能定期校称 自动控制配料机总体上是机电一体化设备。 机械部分：原料桶与集料桶采用机械结构支撑并运转，运转动力由气缸提供，设有启动制动 和定位装置。称量机构的校称部分也由气缸提供动力。 _ 自动控制部分：原料桶转盘、集料桶转盘的启动与制动。原料的识别、开盖、封盖，称量、 倒料、校称等，均由控制系统完成 一机械部分与控制部分之间应形成很好的配合，机械部分布置合理，运转灵活；各个气缸结构、 类型选择适当，动作准确；自动控制部分程序编制合理，便于交互。 研究方法： 选择设计方案：参考类似产品结构特点和工作机理，从若千方案中选择最优方案。 - 进行精确计算：根据配方要求，合理选择气缸型号，并进行传动系统和控制系统的设计计算。 - 对配料机的启动、制动等有关的部分，进行大量实验，以确保机器的可靠性。 研究思路框图： 4 中国农业大学硕十学位论文第一章绪论 5 中国农业大学硕士学位论文第二章机械部分总体方案设计 第二章机械部分总体方案设计 制药行业对机械设备设计要求是”： 1 、从制药新工艺、新剂型发展和g 肝对质量要求的考虑，尽量设计多功能的自动化装备。 这是避免污染，保证质量的有效手段之一。 2 、结构在保证可靠性、稳定性的前提下应尽量简化，拆装简便，以利彻底清洁处理和维修 保养。台面整齐，操作方便，控制集中。 3 、机械设计合理，运动件尽量远离开口处、操作面。机器驱动平稳，无明显振动，低噪音， 需要时应配置减振器、消声器。 4 、执行机构的设计应组件化、通用化、便于更换与洁净清洗。 5 ，凡与药物直接接触的设备与管道的加工制造，应该保证设备与管道的内壁平整、光滑、 无死角，易清洗，耐腐蚀。在制造( 含焊接) 过程中应保证无不易清洗的砂眼、凹陷和裂纹因这 都可能引起微生物滋长产生污染源。 6 、机器的造型与总体布局应考虑操作、清洗、消毒、检查的方便性。机器本身要有足够的 稳定性，外表不能采用会脱落的涂层。 按照以上要求，对机械部分的设计内容一盛放各配方成分的原料筒部分结构设计及其启动、 制动、定位；集料筒部分的结构设计及其启动、制动与定位；称量装置及校准装置设计分别 制定设计方案。 2 1原料桶部分结构方案设计 原料桶转盘和集料桶转盘是自动控制配料机的两大部分，原料桶部分，每桶盛放一种配方成 分，集料桶则盛放按定量称取的所有配方成分的集合两部分结构组成及工作原理相似，仅以原 料筒为例说明其设计方案。 各配方取料过程是：系统启动原料桶转盘，转过一定角度后，系统对其制动并定位，此时， 正好一个原料桶停在取料位置，操作人员用条码阅读器扫描桶上的条形码标签，若是配方成分。 电脑屏幕则显示该配方含量，并自动开盖，按需称取。若非配方成分，系统拒绝开盖，并继续转 动。准备下一次扫描，如此循环往复。 根据其工作过程，初定三种原料桶转盘结构方案，分别见图2 - 1 、2 - 2 、2 - 3 。 比较几种方案方案一、二在转轴和料桶的连接上都采用了不可拆卸的焊接方式，并采用加 强筋辅助支撑，结构牢靠，质量较小，但在运输、装卸时都极为不便，这就不符合制药设备要求 其结构在保证可靠性、稳定性的前提下，应尽量简化，拆装简便。以利彻底清洁处理和维修 保养及运输1 6 】。因而在考虑最终方案时改用螺栓连接。 另外，方案一、二所采用推力轴承结构，使整个系统重量全部作用于推力轴承上，受力分布 不太合理，改用方案三：上端圆锥滚子轴承，下端向心球轴承，且实心轴下端采用悬置布置，摩 擦阻力大大减小，使整套系统更加灵活自由。 6 ：曼銮些奎兰罂：兰竺鲨兰兰三耋墨篓量2 璺竺2 耋兰： 囝2 - 1 原料筒转盘方案一 l 、推力轴承2 、转动空心轴3 、料桶4 、料桶盖5 ，向心轴承6 、固定轴 3 9 2 。0 0 jliolng 辫誊。j j l 、地脚螺栓氛推力轴承3 ，固定架4 、向心轴承5 固定套筒6 、摇臂7 ，料桶 8 、转动空心轴9 、启动汽缸1 0 、制动汽缸1 1 、制动器1 2 、定位钢珠 7 中国农业大学硕卜学位论文 第二章机械部分总体方案设计 圈2 叼原料桶转盘方案三 1 、地脚螺栓2 、固定架3 、固定套筒4 、科桶5 、圆锥滚子轴承6 、超越离合器 7 、制动嚣8 ，定位机构9 、转动轴 在制动定位上，方案三采用制动器与棘轮机构，先用制动器降低整个系统转速后，再利用棘 轮机构进行准确定位。便于条码阅读器进行扫描，这特点要优于前两个方案所采用的钢珠定位， 8 中国农业大学硕卜学位论文 第二章机械部分总体方案设计 结构布局合理，易于安装制造。在启动上，方案三采用超越离合器，比较前两种方案的焊接摇臂 结构，便于启动汽缸的连接动作和启动汽缸直线运动向转动的实现。综合比较，方案三优于前两 种方案，采用方案三。 2 2 主轴动力和动力结构的方案设计 为了满足执行机构动作并完成预定的功能，动力源类型选择及相关结构设计是否合理，对整 机性能，至关重要。另外，还要考虑制药业对生产设备特殊的清洁与环保的要求。 考虑本机械自身的特点，结合企业的实际情况，若由电动机提供动力，因与工作转速差别较 大，需附加传动变速装置，使安装体积增大，结构复杂，提高了生产和维护的成本。另外，主轴 需要频繁起步、停止，这对电动机显然是不利的考虑到企业一般都安装有空气压缩机，动力来 源十分便捷。不需要特意购置其他动力设备，气动元件已基本实现标准化和系列化，更容易购买 和操作。而且，以空气为介质传递动力，不存在变质、补充和更换的问题 7 1 ，也不会污染环境， 对作业机械产生不利影响，能够满足制药设备的要求，因此选用气压传动作为整台设备的动力。 但气缸的作用是直线方向，不能满足主轴的圆周运动，因此要实现气缸驱动主轴连续的转动 还需要其他的机构加以辅助。最初设计如简图为图2 _ 4 ： 图2 - 4 动力方案一 围2 _ 5 动力方案二 1 、气缸2 、超越离合器 3 、主轴 图2 4 结构需要在主轴上安装1 0 个推杆。这使的整个轴的尺寸增大，而且当汽缸臂缩回时会 与后面的推杆发生碰撞，产生干涉。因此在这个结构的基础上安装一个超越离合器。超越离合器 的动力单向传递性可以实现在气缸臂与推杼不分离的情况下将气缸的直线运动转化为主轴的间 歇性转动。并通过调整气缸的有效行程，可以控制气缸的做功行程，完成做功后及时返回为下次 做功作好准备。而且结构简单紧凑，工作可靠，满足低转速的使用要求。最后的结构简图2 - 5 。 2 3精确称量部分方案设计 2 3 1 精确称量系统组成 精确称量系统有以下元件组成 1 、条码阅读器：用于扫描识别配方成分 2 、称重设备：对所取配方成分精确称量，并能达到要求的称量精度。设计要求，称量精度 9 中国农业大学硕士学位论文第二章机械部分总体方案设计 为： o 0 1 9 。 3 、校称机构：为防止产生称量误差，每次操作后均需校称。 4 ，料斗：类似秤盘的装置，盛装被称药料 5 ，倒料装置：称量合格后，自动反转料斗，将药料倒入集料桶。 6 、支架体：安装、支撑以上组件 2 3 2 精确称量机构的方案设计 田2 - b 称量机构方案一简田 1 、校称汽缸2 、电子天平3 、卸料斗4 ，摆动汽缸 5 、莲接架6 、导向套 其工作原理为：当条码扫描确定为所需药用配料时，开盖汽缸自动打开原料桶盖后，由人工 取科放于料斗内称重，当重量与规定要求一致时，操作人员按下控制按钮，由摆动汽缸推动料斗 旋转，进而使料自动落入集料桶内。 在摆动汽缸与料斗轴的连接上，由于汽缸必须固定，而料斗等零部件又必须是可以被校称汽 缸提起脱离电子天平进行校正的，因此，必须采用可拆连接且为经常拆卸件，展终采用螺栓连接， 在校称时，拆开螺栓，使摆动汽缸与卸料部分脱离，然后进行校称。这种结构缺点在于校称环节 的烦琐，需拆卸螺栓，所以只能定期校称，不能保证精度要求。为此，采用新方案二如下： 1 0 ：曼銮兰奎兰翌三兰竺兰兰兰三! 墨篓量：= 璺竺2 耋兰生 图2 - 7 精确称量机构方案二简圈 ( 1 ) 8 号槽钢( 2 ) 5 号等边角钢( 3 ) 气缸 ( 4 ) 导向套 ( 5 ) 电子天平( 6 ) 摆动气缸( 7 ) 料斗 在本方案中，电子天平是机构正常运行的保证，它要对药物的重量精确到0 o l g 以内，但空 气中粉尘和其他因素都会使精确程度降低，且称量结束后药物倒入集料桶时，可能有粘附、残留， 这就要求在每次称量结束后，都要进行校准校准包括对料斗和对电子天平本身。 其工作过程为：当条码阅读器确定为所需药用配料时，取料、称重后，由摆动气缸推动料斗 进行9 0 度旋转，进而使料自动落入集料桶内，此时，首先肉眼观察料斗，若有明显粘附，用毛 刷及时清理，料斗回位后，再看显示屏是否回零( 电子天平有去皮功能) ，若回零，再对电子天 平本身进行校准，由校称气缸把料斗等零部件提起脱离电子天平，然后校称。这样，可实现每次 称料后都进行校称，满足了制药行业的高精度要求。 因为校称时料斗等部件有一定的重量，因此选用气缸提起一定高度，为了使校称时机构只做 上下垂直运动而不会左右摆动，在气缸左右和料斗连接2 个导向套，且导向套与焊架是固连在一 起的，不能运动。且导向套应有足够的长度和强度，以保证动作的稳定性，减少左右偏摆幅度， 使其只能按预定的轨迹运动。 料斗采用耐酸及耐热的不锈钢板制造，厚度d - - 2 m ，冲压制造，同时，为了倒料的方便， 料斗要求垂直安放于小集料桶上方，中心要求对齐。 机械部分总体方案简图为： 1 l 中国农业大学硕七学位论文 第二章机械部分总体方案设计 图2 - 8 总体方案简图 1 、原料同转盘2 、原料筒3 、集料筒转盘4 、集科筒5 、称量机构 6 、电子天平7 、料斗8 ，自动控制柜9 、地脚螺栓 2 4小结 本章以制药行业对机械设备设计要求为依据，对配料机的机械部分进行了结构方案论证。由 于原料机与集料机结构类似，因此仅以原料机为例说明了系统总体结构方案的论证过程，主轴动 力方案的论证过程以及精确称量部分的结构论证，为后面进行具体的结构设计提供了依据。 中国农业大学硕十学位论文第三章机械部分结构设计过程 第三章机械部分结构设计过程 3 1原料机和集料机的设计 为了便于机器的安装和加工，原料机和集料机采用相同的结构。考虑到药物的配置，原料 桶中的药量相对较多，因此原料桶的尺寸要比集料桶的尺寸大一些。所以只对原料机的结构校 核即可 3 1 1 药桶的设计 药桶的药物容量要求：大桶能够盛装质量为1 5 k g 的药物，小桶能够盛装质量为1 0 k g 的 药物。 设计大桶直径为d ，桶深h ，取各种配方成分的平均密度为p - - 9 8 0 k g m 3 又由公式即一所，又因y 一砝2 h 一万等日 r d u = l 所以矿。4 m 得d 。 f 丝 印v 印 计算结果1 ) = 2 6 5 3 ( 珊) 单位下同 所以取大桶的直径为：d = 2 8 0 ；大桶的深定为：h = 2 8 0 同理算得小桶的直径：d = 2 2 0 ：又因为小桶不易过高，所以小桶的深定为：h = 2 1 2 按照制药设备要求便于安装、拆卸、清洗、不残留渣质嘲，药桶选用不锈钢材料，内 壁光滑，上部用挂钩与支架挂接，极其方便，下部用圆弧板支撑。结构设计及安装图如下： 围3 _ 1 料桶及安装图 1 3 主曼奎些奎兰翌主兰竺兰三釜三：墨篓翌2 兰望兰盐兰馨 3 1 2 外伸梁及阶梯外轴的设计 审、 大桶直径已知，在阶梯外轴上有l o 个外伸梁， 上面各挂一个料桶，为了使1 0 个桶能均匀分布且 互相不会碰撞。两条半径r 间的夹角，即两根外 伸梁的夹角为3 6 度( 如图) ， 经计算r 的最小长度为4 1 8 m m ，那么外伸粱 长度为4 1 8 1 4 0 = - 2 7 8 m m 。即两料桶在问隙为0 的 情况下的外伸梁最小长度为2 7 8 m m ，为取料桶方 便，应留取间隙，所以取外伸量长度为3 0 0 m 。 国3 2 计算外伸粱长度简圈 外伸梁材料选8 号槽钢，内端与阶梯外轴用螺栓连接，外端挂接料桶，结构如图： 圆汝劁 刚箩 田3 - 3原料橘布置国 外伸粱的强度校核： 粱主要受两个弯矩，一个是由料桶和药物的自身重量带来的，另一个是粱本身的重量带 来的。8 号槽钢的单位长度质量为：p = 8 0 4 5 k g m 。设由大桶和药材产生的弯矩为m t ，f h 原料机外伸梁产生的弯矩为 ， 且m 产( m 药+ l 桶) g ( l + r ) ，l t , = p l 詈 1 4 主曼銮些奎兰2 圭兰竺兰兰量三要墨兰量三= 竺望兰生兰登 连接囝 一卉 i 11 h li厂 1 6 0 9 b 取直径为1 8 m 取气缸行程s = 1 0 0i m l 。综上计算结果，选气缸型号为q g b i l 6 3 x1 0 0 - m p 2 ，即烟台气动元件 厂生产的有缓冲气缸，缸径为6 3 ，气缸行程1 0 0m ，安装方式为尾部双耳式。 3 6 2 制动气缸的计算与选择 料桶每转3 6 度，由制动汽缸的上连接的制动器使主轴减速，当轴的理论速度接近于零时。 再靠棘轮棘爪最后定位。以便电脑检测并取料。 制动气缸在工作时需要克服的力主要是原料装置转动时的惯性力。由以上计算可知，惯性 矩t = 9 0 n m 。 设制动时制动闸块对轴的法向压力为n ，并设制动闸块对轮缘之问的滑动摩擦系数f 保持 不变，忽略轴承的摩擦，只有制动闸块与轮缘之问的摩擦力f 对轴有矩，假设角加速度f 与角 中国农业丈掌硕士学位论文第三章机械部分结构设计过程 速度的转向相反，则该系统的力矩平衡方程为：j 2 = f r = n r 。即t - - ) w r 已知，t - 0 n ，r - - 1 6 0 2 = 8 0 m n 。f 为摩擦系数，制动闸块为石棉制品，轮缘材料为铸铁， 该机构为轻型机械，并且工作温度不高，故取f = 0 4 2 。则n = 2 5 2 8 n 制动气缸工作时是靠力矩使轴减速，由制动器结构设计可知，n 的力臂为l l = 5 5 n n ，考虑到气缸 的安装需要一定的空间，取活塞杆的输出力f 2 的力臂为l 2 = 2 2 5 m ，由 墨一，如可得活塞杆的 力： e ：丝：6 1 7n 如 气缸压力p = o 4 1 0 6 载荷率，：o 8 5 根据制动气缸的安装方式知，实施制动时为拉力做功，又根据拉力作功时缸径的计算公式 3 6 ：d = ，并且用该公式计算时，活塞杆直径d 可以根据拉力预先估定，可按 d d = o 1 6 0 4 代入上式，可得d = 1 0 1 1 0 9 ，式中系数在缸径较大时取小值，缸 径较小时取大值，此处取系数为1 0 5 ，可得缸径：d = i 0 5= 4 8 m ，将 其圆整为标准值取d = 5 0m 。代入式3 - 6 得活塞杆直径d = 1 5 1 ，为满足强度要求取活塞杆直径 为1 6 m 。 综合以上各步计算，选用气缸的类型为：q g b 5 0 s 一删p ：。即烟台气动元件厂生产的有缓 冲气缸，缸径为5 0 ，气缸行程可在5 0 5 0 0m 范围内调节，安装方式为尾部双耳式。 3 6 3 摆动气缸的选择 摆动气缸是一种在小于3 6 0 度角范围内作往复摆动的气缸，它是将活塞杆的直线运动转化 为圆周运动的装置，输出力矩使机构实现往复摆动，常用摆动气缸的最大摆动角度分别为9 0 度、1 8 0 度、2 7 0 度三种规格。 摆动气缸输出轴承受到扭矩作用，对冲击的耐力小，因此若摆动气缸速度过大或受到驱动 力时的冲击作用，将容易损坏，需采用缓冲机构或安装制动器。因药物和料斗的质量不大( 满 额称重2 k g ，料斗白重约l k g ) ，经计算最多需3 6 n m 即可完成转动9 0 度将药品倒掉。因此不需 要很大的摆动气缸，考虑到其工作时的稳定性和工作效率，选用烟台华盛气动液压工程有限公 司生产的l t a 4 0 x 9 0 。摆动气缸。其理论输出扭矩为5n m ，工作压力为0 1 5 0 6 3 m p a 。其 特点是体积小，传动平稳、质量可靠，输出力矩稳定。 2 5 土詈奎些查兰罂土：竺兰三至三薹篓篓竺2 竺塑兰盐兰堡 3 6 4 校称气缸 校称时需将科斗发托架全邵提起，以观溯电f 大半是宙归军已知科斗及弛架的总质量约 为1 0k g ，因此校称气缸工作时需要克服的总重力为1 0 x 9 8 = 9 8 n 。气缸在工作时为拉力作功， 因此活塞杆的输出力为f 2 = l o x 9 8 = 9 8 n 。 根据拉力作功时缸径的计算公式3 - 6 ：d = j 4 叩+ d 2 , 此时可以估定活塞杆的直径d 为0 1 6 o 4 d ，由于该处气缸的工作阻力较小，所以缸径无须太大，根据缸径计算公式： d = ( 1 0 1 1 0 9 ) 4 二，7 ，取较大的系数1 0 9 ，又知气缸的工作压力为o 4 l i p ，取载荷 系数为叩一0 8 ，可得缸径肛1 0 9 4 1 4 o 4 1 0 6x o 8 2 2 1 5 3 1 旷= 2 1 5 3 m 由 公式吼0 9 ，叩- j 4 叼可计黜活塞杆的直径 d - - 8 5 7 xl o - 3 m = 8 5 7 r a m 。 将计算所得的缸径d 圆整为标准值，取d = 3 2 m m 4 - - 1 0 m 。选甩有缓冲气缸q g b i l 3 2 x s 系列。 3 6 5 开盖气缸 由于桶盖与桶之间的接触面积较小，接触表面比较光滑，可近似认为理想光滑表面，忽略 摩擦力，在计算气缸的输出力时只需克服惯性力即可 在该开盖装置中，考虑到生产率的要求，估算桶盖的速度和加速度。估定桶的运动路程约 1 等于气缸行程，即s = 3 0 0 哪，运动时间为2 s ，根据运动学公式s = v o t + 妻a t 2 ，又知v 卸，有 二 1 s = 三a t 2 。可得a = o 6 m s 2 。 2 已知桶盖的平面尺寸为3 0 0 x 4 0 0 ，厚度= 1 m ，桶盖材料为钢，密度p 一7 8 9 c m 3 由此可 以计算出桶盖的质量m = 7 8 x 3 0 x 3 0 x 0 1 = 0 9 3 6 k g ，惯性力：r = m a = o 9 3 6 0 6 = 0 5 6 1 n 。 由以上计算可知。活塞杆的理论输出力非常小，选用江都气动元件厂生产的微型气缸q g x 一 夺2 0 x 3 0 0 - i i ( i i 为脚架支撑) 以集料机为例，图示出各气缸安装位置，见图3 - 1 2 、3 - 1 3 中国农业大学硕十学位论文第三章机械部分结构设计过程 3 - 1 2 气缸安装图 l 、启动气缸2 、开盖气缸3 、校称气缸4 、摆动气缸5 ，制动气缸 b 3 - 1 3启动气缸俯视图 1 、启动气缸2 、超越离台器 主曼奎垩銮主翌：兰竺兰兰至三二墨篓罡2 笙翌耋生兰堡 3 7 小结 本章对配料机的机械部分进行了结构设计。包括料桶的结构设计、主轴的结构设计、特殊 离合器的结构设计、制动装置设计、定位装置设计、称量及校称机构设计，并对主要机件进行 了强度校核。另外对所有气缸进行了计算选型，给出了气缸安装图。 中国农业大学硕十学位论文第阳章自动控制部分设计 第四章自动控制部分设计 4 1 选取自动控制方案 在工业产品的制造领域中，应用自动控制技术可以大幅度的提高生产效率和产品质量，同时 也能够代替繁重的体力劳动以及重复性的手工操作。 制药行业的配料工序就是一种烦琐地，重复劳动的过程而且极易造成人为失误。因此有必 要设计简单易行且可靠性较强的自动控制方案。 结合当前自动控制系统的发展情况，可有以下几种控制方案来实现自动控制配料机的动作 4 1 1 继电接触控制 继电接触控制系统；它的优点是电路图较直观形象，组成元件结构简单、价格便宜、抗干扰 能力强。 但它也有不可忽视的缺点，如继电控制逻辑使用了大量的机械触点，触点开闭时会受到电弧 的损坏，并有机械磨损，寿命短因此其可靠性和可维护性差。另外，继电器连线多而复杂，功 耗大，一旦系统构成后。想再改变或增加功能都很困难，另外继电器触点数目有限，因此灵活性 和扩展性较差。 4 1 2p c 机控制 微机控制是现代自动控制系统的另一大主流，在工控领域有着广泛的应用。其优点是：具有 完善的输入输出通道；具有实时控制功能，或者说具有完善的中断系统、实时时钟及高速数据通 道，这些都保证了与被控对象之间进行实时信息交换；高可靠性，微机控制对环境的适应性特别 强可以保证现场生产的多种要求。 微机控制的缺点主要有以下几方面i l 卅： 1 微机控制系统对于操作设计人员的要求比较高。它要求使用者必须要有一定的计算机硬件 和软件知识，对于一般的机电控制技术人员来说掌握这门知识要花费很长时间。 z 外围筹备时间长。用微机控制一般要在输入、输出接口上做大量工作。比如考虑现场与微 机的连接、各个接口的扩展、输入输出信号的处理、选用何种接口方式等问题另外除了要设计 控制程序外还要在多种硬件和软件方面做工作 4 1 3 单片机控制 随着大规模集成电路的出现及其发展，出现单片机。它具有以下几大特点：咖 优异的性能价格比；精度高、体积小、可靠性高：功能强；低电压，低功耗，安全性强。 单片机的缺点在于需要的专业知识太强，它的语言为汇编语言和c 语言学习起来比较难。所 以一般人员难以掌握。 4 1 4 可编程控制器控制 中国农业大学硕士学位论文第四章自动控制部分设计 p l c 是以微处理器为核心的工业控制装置。它将传统的继电器控制系统与计算机技术结合在 一起，采用可编程的存储器用于其内部存储程序，执行逻辑控制、顺序控制、定时、计数和乘除 运算等操作指令，并通过数字式输入，输出控制各种类型的机械生产过程【“。具有体积小、重量 轻、耗电少、高可靠性、灵活通用、易于编程、使用方便等特点。与以上三种自动控制系统相比， p l c 控制也具有一定的优越性； 1 、工业环境的适应能力强，可靠性高。 在工业生产现场一般会有强大的外围干扰。这就要求现场设备必须有很强的抗干扰能力( 规 定设备抗振频率 。1 6 h z ，振幅为3 m m ；i 作温度1 0 5 s ；湿度3 5 硼r h ，无凝结等彻) 。 与其它自动控制系统相比p l c 控制具有更长的无故障运行时间。 2 、功能强，性能价格比高。 一台小型的p l c ，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器相比，具有很高的价 格比 3 、硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强。 p l c 产品已经标准化、系列化、模块化、配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选择。使用 非常方便 4 ， 系统的设计、安装、调试工作量少 p l c 用软件功能取代了继电器的控制系统中大量的继电器，接线工作量大大减少。p l c 编程 方法易与掌握，用这种方法编程可以节省大量时间。 5 、p l c 体积小，重量轻，便于安装。且速度极快，一般一条用户指令的执行时间在微秒数量级。 本题目要设计的自动控制配料机具有自动和手动两种工作方式其目的是节省时间、提高效 率、安全可靠，它的市场是我国的中小制药企业比较以上四种自动控制方案，选用p l c 控制， 更适合于本题目。 4 2 自动配料机的工艺流程 自动控制配料机在工艺流程方面，总体上可以分为配料和校称两部分。整个系统的机械动力 来自于汽缸，压缩空气由企业空气压缩机提供给各生产车间，并分配给各用气工位。 4 2 1 配料部分 如前所述，自动控制配料机的机械装置大体可以分为两部分：提供配方成份的原料机；存储 称取后配方成份的集料机。两部分都有圆盘型底座，底座上装有支架和动力系统，在支架的顶端 以轴为中心呈辐射状依次均匀排列1 0 个料桶。储料装置和供料装置构成相同。供料装置的每个 料桶中装有一种不同的配方成分在供料装置的每个料桶上都贴有预先设置的相应药品的条型 码。 工作时，由p l c 发出指令触动动力气缸的电磁阀开启，动力汽缸推动供料装置旋转2 0 。左右， p l c 发出断电指令，电磁阀关闭，气缸退回。气缸不再提供动力，但由于惯性作用供料装置会继 续转动。当供料装置转到条码扫描器处时，刹车汽缸工作实现制动，速度接近于零时，棘轮、棘 爪实现准确定位。手动条码扫描器进行扫描，若桶中成份是配方所需成份，则p c 机上显示要取 中国农业大学硕士学位论文第明章 自动拧制部分设计 的药品重量，然后完成开盖汽缸开盖、人工取料、然后连续完成电子天平称重、翻转气缸倒料、 储料气缸开盖接料等一系列动作。 完成以上动作后，就完成了一个动作周期，系统进入下一个工作循环。若桶中药品不是配方 所需成份，则p c 机上无内容显示，也不会执行开盖等一系列动作。直接进入下一运行周期。供 料装置旋转一周后，储料装置开始启动第一个动作周期，按此时间比例循环执行。当储料装置旋 转一周后，则手动停机，将储料装置中药品清控，然后重新开机运行。系统受控部分如下简图： 启 系统工作原理图如下： 图4 - 1 受控部分简圈 图4 - 2 系统原理围 4 2 2 校称部分 称量仪器采用电子天平，称重精度可达0 o l 克。校称频率为每取料一次校称一次。校称 3 1 中国农业大学硕卜学位论文第四章自动拧制部分设计 时，校称气缸电磁阀通电，校称气缸提起电子天平，按校称键自动较正电子天平。然后校称电磁阀 断电校称气缸回位放下电子天平，较称完毕。 4 3 控制要求的实现 1 自动控制配料机的全部动作由气缸驱动，全部气缸的动作又由与其相连的电磁阀控制。本设 计的电磁阀均选用二位四通阀，电磁阀的线圈通电则电磁阀置位，断电则复位，并且电磁阀将保 持线圈通断电时的动作直到线圈断通电才改变。 2 本机需有人工操作的配合，其中校称、取料和扫描环节均为手动操作。考虑到人工环节的操 作具有时间上的不固定性，所以在装置中设计了手动按钮来方便控制。这样既可以防止人在操作 时发生危险又可以给足人工操作的时间力求达到配料的精确。 3 安全保护措施方面，设计急停按钮，无论系统处于任何工作状态，只要按下急停按下配料机 立即定下所有动作。为防止电流过大串接热继电器，当有过大电流时继点器自动断开 以下为校称流程图和配料过程流程图： 校称汽缸缩回提起料斗及挂架 u 校称 校称汽缸伸出放下电子天平 图4 _ 3 校称流程围 中国农业大学硕士学位论文 第网章自动控制部分设计 图4 - 4 系统工作流程围 3 3 中国农业大学硕十学位论文第四章自动挣制部分设计 4 4 系统的输入输出设备及操作面板的设置 输入设备：产生或者输入控制信号的装置。 本自动控制配料机的输入设备有： 1 转换开关；用于校称和配料两个工作状态的转换。 2 手动启动急停按钮、称校上升下降按钮、倒料置位复位按钮。 3 检测开关；原料装置、集料装置是按照行程原则进行控制的，它的形成可达3 6 。角对应的弧线 长，所以设置了3 6 0 行程开关。 输出设备：p l c 输出的指令信号所控制的电磁阀。 输出设备只要是与气缸相连的电磁阀主要有供料储料装置驱动气缸电磁阀、开盏气缸电磁 阀、倒料气缸电磁阀、校称气缸电磁阀。 根据以上分析可知：输入点数为1 7 点，输出点数为7 点。设计操作面板图如下： 4 5 p l c 的型号选择 图4 - 5 操作面板 该自动控制配料机的控制为纯