（机械电子工程专业论文）瓶塞机模块化控制研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 随着人们生活水平的不断提高，对日常用品质量和用量的要求也在不断增 长，这势必对相应包装机械的性能提出了更高要求。基于我国的包装机械较之世 界先进水平还是有不小的差距，本文以自主研发一种高自动化高速度瓶盖垫片冲 塞机为目的，主要针对模块化控制方面进行研究探索。模块化设计技术是将产品 中的控制单元设计成在制造其它产品时，易于快速修改实现功能可以互换选用的 功能模块，以适应用户需要组合成各种变形产品。 本课题首先介绍了国内外包装机械的发展现状，并着重在技术特点上进行对 比；然后提出了本课题的研究内容，并简要的说明了该项目的一些技术参数要求； 其次，从控制任务出发，对两种瓶盖垫片冲塞机的机械部分进行研究：接着，分 别对单片机、p l c 及工控机模块控制系统的部件、电路、程序设计作了详细介绍， 并对三种控制系统进行比较，分析它们各自使用场合，即只是要求把垫片塞进瓶 盖的机器宜采用单片机模块控制，生产厂是整个流水线单位( 如乳奶生产线，医 药生产线) 的机器宜采用p l c 控制模块，由中央控制器集点控制的情况宜采用工 业计算机控制。设计出由a t 8 9 c 5 1 微处理器、p l c 、工控机控制的大小包装机控 制系统，并使之具有易于修改，便于交换的模块化功；最后，结合实验对瓶盖冲 塞机控制系统的软硬件进行调试分析。 本课题从创新性、实用性、可靠性的角度出发，以理论分析、具体设计、模 拟演示和实验证明相结合的方法展开研究工作。最终，经运行调试后，两种瓶盖 垫片冲塞机动作运行平稳。 本课题最终结果达到或接近了设计前制定的各项要求，完成了原定设计任 务。 关键词：瓶盖垫片冲塞机，模块化，单片机，p l c ，工控机 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo b rl i v i n gs t a n d a r d ，t h ed e m a n d so ft h ec u r a t i v e p r o d u c t si n c r e a s e dr a p i d l yb o t hi nq u a l i t ya n dq u a n t i t y , t h ec a p a b i l i t yo fp a c k a g e m a c h i n ew a sc o m eu ps t r i c t l y a sas o r to fp a c k a g em a c h i n e ，m e d i c a lp a c k a g e e q u i p m e n t so fo u rc o u n t r ya r em u c hm o r eu n e n l i g h t e n e dt h a nm a c h i n e so fs o m eo t h e r c o u n t r i e s t h ew e a k n e s s e sf o c u s e do ns o m ea s p e c t s i nt h i sp a p e r , t h em o d u l a rc o n t r o l o fp a c k a g em a c h i n eo fp u n c ha n df u n ko ft h ep l a n e c a pg a s k e ti ss t u d i e d ，a i m i n gt o d e v e l o pas e to fp a c k a g em a c h i n eo fh i g l ls p e e da n dh i g ha u t o m a t i o n m o d u l a r i z e d d e s i g nt e c h n o l o g yi st om a k es u r et h a tt h ec o n t r o lu n i ti ss od e s i g n e dt h a tt h ef u n c t i o n m o d u l ei sc h a n g e a b l ew h e no t h e rp r o d u c t sa r ep r o d u c e d ，m e e t i n gt h ed e m a n d so ft h e u s e r st h a tt h ec o m b i n a t i o no fc o n t r o lu n i tt of o r mo t h e rp r o d u c t s f i r s to fa l l ，t h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o no ft h ep a c k a g em a c h i n ei si n t r o d u c e dw i m t h ee m p h a s i so ft h ec o m p a r i s o ni nt e c h n i q u e t h e nt h er e s e a r c hc o n t e n to ft h i st h e s i s i sp u tf o r w a r db yl i s t i n gt h et e c h n o l o g i c a ld e m a n d s a f t e rt h a t ，t h em e c h a n i c a lp a r t s o ft w od i f f e r e n tp a c k a g em a c h i n eo fp u n c ha n dt u n ki ss t u d i e do nt h eb a s i so fc o n t r o l t a s k s c m ，p l ca n dt h ec o m p o n e n t s ，c i r c u i ta n dp r o g r a mo ft h ei n d u s t r i a lc o m p u t e r c o n t r o lm o d u l es y s t e mi sp a r t i c u l a r l yi n t r o d u c e d , f o l l o w e db yt h ec o m p a r i s o no f t h e s et h r e ec o n t r o ls y s t e m ，a n a l y z i n gt h e i ru s eo c c a s i o n , i e s c mm o d u l a rc o n t r o li s a p p l i e di nt h em a c h i n e st h a to n l yn e e dt os t u f ft h em a ti n t ot h ec a p ，p l cm o d u l a r c o n t r o li su s e di nt h ew h o l ep i p e l i n i n g ( e g m i l kp r o d u c t i o nl i n e ，m e d i c a lp r o d u c t i o n l i n e ) ，a n dt h ei n d u s t r i a lc o m p u t e rc o n t r o lm o d u l es y s t e mi sa d o p t e di nt h ec e n t r a l c o n t r o l l e rs e tp o i n tc o n t r 0 1 t h ec o n t r o ls y s t e mo fp a c k a g em a c h i n e su s i n ga t 8 9 c 51 m i c r o p r o c e s s o r , p l c ，i n d u s t r i a lc o m p u t e ri sd e s i g n e d ，m a k i n gt h e me a s yt om o d i f y , c h a n g e a b l em o d u l a r i z a t i o nf u n c t i o n a tl a s t ，t h ed e b u g g i n go ft h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h ec o n t r o ls y s t e ma r eu n d e r t a k e nw i t ht h ee x p e r i m e n t f r o mt h ea n g l eo ft h ei n n o v a t i o n , p r a c t i c a b i l i t ya n ds t a b i l i t y , t h i sp r o g r a mi s d e v e l o p e dw i t ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，c o n c r e t ed e s i g n ，s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t f i n a l l y , t w ok i n d so fc a pp a c k a g em a c h i n eo fp u n c ha n dt u n ka r eb o t hp r o v e dt o i i 上海大学硕士学位论文 s t a b l eo p e r a t i o nt h r o u g hd e b u g g i n g t h ep r o g r a mh a sr e a c h e so fc l o s e st ot h es c h e d u l e dd e m a n d s ，c o m p l e t i n gt h e o r i g i n a ld e s i g nt a s k k e y w o r d s ：p a c k a g em a c h i n eo f p u n c ha n dt u n k ，m o d u l a r i z a t i o n ，s c m ，p l c ，i p c u i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名：捡】盈鹜e l 期：地基：主? ，d 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 上海大学硕士学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题来源于上海傍华包装机械有限公司的科研项目，主要在机械和控制两 方面设计和实现一个应用面较广的可互换应用的设备。目前国内虽然已经有了同 类型的产品，但基于技术原因目前生产速度普遍不超过6 0 只分，虽然能实现将 原来的手工作业转为现在的自动化流水操作，但目前这样的效率在自动化程度、 模块化和效率要求越来越高的前提下不能满足厂家的要求。不同的厂家对产品的 功能有不同的要求，在面对这些不同生产要求时，本文需要研究快速高效完成产 品的模块控制方案。 1 2 课题研究的目的和意义 包装机械是包装工业的一大门类产品，是集机、电、光、气、生、磁为一体 的机械电子设备，它给行业提供必要的技术设备，以完成所要求的产品包装工艺 过程。 目前美国的包装工业总产值居世界第一位，达到5 0 0 多亿美元，在全美经济 各行业中占据第三位；日本的包装业居世界第二位。日本包装工业产值占其全国 国民生产总值的2 ，年增长率为1 0 左右；德国包装工业产值在全欧洲居第一 位，达到6 0 0 多亿马克，在其本国各行业中居第六位；我国的包装行业在全国的 4 0 个主要行业中居1 0 名左右【1 1 ，与国外相比差距较大。 同类型的包装机械，美日等国的产品已经做到高智能化、高可靠性、高生产 率。但是引进此类设备价格非常高昂，而且不能拥有自主知识产权，国外商家又 严格实行技术封锁，单纯的购买，并不能从根本上解决问题【2 1 。国内也有不少包 装机械制造厂，能生产出类似的设备，但是经过市场调研，发现国内同类型的机 械，有以下不足：( 1 ) 生产率比较低；( 2 ) 技术水平落后；( 3 ) 自动化程度低【3 】。 近2 0 年来，随着科技进步特别是计算机技术的发展和社会环境因素的变化， 市场竞争愈来愈激烈，顾客的要求愈来愈高。制造业的决策都意识到，为了赢得 上海大学硕士学位论文 竞争，就必须在产品的功能、交货日期、质量、价格及服务等五个方面进行改革。 作为该行业重要的组成部分瓶盖垫片冲塞机则更是朝着自动化、柔性化、模 块化方向发展【4 】。 因此，研制高生产率、高可靠性及模块化控制的瓶盖冲塞机，不但能够满足 瓶盖机市场扩大化的需求，还能在一定程度上提高我国包装行业的技术水平。 本课题研究的目的是：设计一套高加工速度和高成品率模块化模块化控制方 案，实现瓶盖冲塞机模块化控制为最终目的。对于不同生产厂商要求，本文选择 合适的控制检测部件、控制执行部件以及控制芯片，并采用合适的控制方法，达 到稳定、自动化的目的。 理论意义：通过对瓶盖冲塞机的模块化控制研究，吸收国内外先进包装机械 的机电一体化技术，理解包装机械设计的一些要求；通过对其控制方案、控制器 件的研究，将先进的控制理论应用到实际中，并反过来促进控制技术的完善。 实际应用价值：研制医用瓶盖冲塞机对提高国内医药包装行业的技术水平、 实现对医药用瓶盖快速高效的冲塞、提高生产率和合格产品率有十分重要的意 义。在中国已经加入w t o 之际，通过自主研发，让国内包装机械跟国外先进水 平的对抗中，在质量和价格上能更多一些竞争力。在包装行业蓬勃发展的今天， 能高度冲塞、稳定可靠、基本实现模块化控制、价格相对较低的瓶盖冲塞机，是 有很大市场经济潜力的。 本课题就是针对上述背景的情况下提出的，并将其作为企业项目横向开发的 前沿课题。其目的就是要实现我国国内的瓶盖垫片冲塞机的自主化、完善化，而 且使其结构能更加新颖实用、运行性能更加稳定。同时，也希望其模块化控制方 法能给其他工业生产设备的研发带来一定的启迪。 1 3 国内外研究概况 1 3 1 国外研究概况 美国、日本、德国、意大利【5 】【q 是当今世界四大包装机械强国。英国、法国 和瑞士也是世界上很重要的包装机械生产国家。近年来，这些国家加大技术开发 力度，使智能化、高效化、资源高利用化的高新产品不断涌现。而且为适应市场 2 上海凡学硬学位论文 不断变化的要求，广泛采用了先进的设计方法和设计技术，如可靠性设计、工业 造型设计并行设计、计算机辅助设计和计算机仿真设计技术等。 如图1 1 所示，该流水线 是本机能将杂乱无章的瓶盖 自动整理后送入导轨内再由 转盘将瓶盖定位后间隙地送 入垫塞工位而进行塞垫，最后 送到出料输送带。本机采用传 感器和方向控制，所采集的声 光信号以及原始变化将会显 示在屏幕上。该机的产量达到 2 0 0 p c s m i n 。 国1 1 ( 斯洛文尼亚) 瓶塞机流水线 总体说来，国外的包装机械行业发展有如下几个特点： ( 1 ) 自动化程度越来越高。其中美国重视将自动化操作程序、数据收集系统、 自动检验系统尽可能多应用于包装机械，而日本则擅长于微电子技术。 ( 2 ) 高生产率和高可靠性。世界四大包装机械强国均十分重视市场及用户需 求，他们把生产率和可靠性作为产品设计的重要指标。另外，通过采用连续式工 作或多工位多工头工作方式，以及使生产机械和包装机械一体化，都能有效提高 生产率。而故障分析系统的提出和改进能最大限度的提高设备的可靠性。 ( 3 ) 好的柔性和灵活性。随着市场竞争日益加剧，产品更新换代的j 封期越来 越短，而设备产量相当大，因此要求包装机械具有良好的柔性和灵活性，适当更 换模块能满足多品种需求。 ( 4 ) 注重成套性和配套性。包装机械的成套性和配套性关系到包装机械的功 能能否完全发挥。如果只重视主机生产，而不考虑配套设备的完善，将使包装机 械应有的功能发挥不出来，故周边设各的模块化更有待开发应用。 132 国内研究概况 我国包装工业起步晚，在新中国成立时几乎一片空白。上世纪8 0 年代以前 发展缓慢，只能生产单一设备的包装机械，主要在烟草加工、制糖盐、酿酒等 上海大学硕士学位论文 行业。8 0 年代以后，由于改革开放，社会对包装机械的需求不断增加。市场需 求、政府重视、政策引导和扶持使得我国包装机械迅速发展，年平均增长速度大 于3 0 。进入9 0 年代后，仍然以2 0 以上的速度逐年递增。经过多年发展，我 国包装机械已经是机械工业十大行业之一，无论是品种还是产量，都取得了令人 瞩目的成就。但是较之国外的技术水平和产品数量质量，还是有不小的差距，而 且存在一定问题。主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 低水平重复建设。据不完全统计，目前行业内大约1 4 的企业( 约1 0 0 0 家) 存在低水平重复生产的现象。那些档次比较高、技术含量大的机械产品，由于成 本较高，价格昂贵，在市场上反而竞争不过低水平产品，这样的市场环境不利于 整个行业的升级换代。 ( 2 ) 技术水平落后。我国包装机械的技术水平从整体看落后先进国家2 0 - - - - 3 0 年，在产品的开发、性能、质量、可靠性、服务等方面的竞争中完全处于劣势。 ( 3 ) 盲目引进境外设备。包装机械一直是制约我国包装工业的一个薄弱环节， 先进和大型的包装设备长期依赖进口。但是在引进设备的种类和档次上表现出相 当大的盲目性。这主要是由于信息不准确不畅通造成的。 ( 4 ) 结构简单，技术含量较低的设备多，高技术附加值、高生产率的产品少； 通用机械多，特殊要求、特殊物料加工及包装的机械少；单机多，成套流水线少， 完整配套性尤差；重生产加工，轻开发研发，自主开发的创新产品更少。 经过对比，发现国内同类型的机械，有以下不足： 其一，生产率比较低。国内虽然不少厂家有同类产品，但是加工速率基本都 在6 0 8 0 个分钟，没有能超过1 0 0 个分钟的设备。 其二，自动化程度低。国内相关设备，虽然冲压方式不尽相同，但有共同特 点就是自动化程度不够。技术含量最低的设备，只能完成裁减纸垫片的功能，然 后由工人手工把垫片塞进瓶盖。既耗费人力，又难以达到相应的医药卫生标准。 技术相对成熟一些的设备，裁减垫片由单独部件完成，然后将圆形垫片理顺排列 好，用吸盘等装置完成“塞”的动作。这种设备比较可靠，但是各加工装置之间 集成度低，设备容错能力差。还有其他的一些机械产品，采用别的原理，但都难 称得上是先进的自动化设备。 4 海大 硕学位论文 图1 - 2 b p - - 1 2 0 1 1 高速片剂，胶囊瓶装包装自动生产线 圈l - 2 是舟山市普陀双鱼药机包装厂的厂品i ”，该机的包装线( b z 一1 2 0 i 高 速理瓶机b s p l 2 0 i i 高速摆动数片机b s z 1 2 0 i i i 高速自动塞纸机 b x g 1 2 0 i i 高速旋盖b f t - 1 2 0 铝箔封口贴标组合机b z h 1 2 0 自动装 盒机) 在国内现有包装线的基础上采用了主机与输送带分离的设计并且数片、 塞纸、旋盖采用一条输送带，克服了现有 产品调整难、瓶子容易碰倒等问题。 仔细看看该流水线就可以看到它没有 垫片冲裁入盖机，而图1 - 3 就是该单位的 专用垫片冲裁入盖机，本机能将盛科桶内 杂乱无章的瓶盖自动整理后送入导轨内， 由转盘将瓶盖定位后间隙地送入滴胶( 用 户要求有该工位) 、垫塞上位而进行滴胶和 塞垫，之后送到出料输送段。但其生产能 力只有4 0 6 0 p c s m i n 。 之所以不将图1 3 的入盖机连入图1 - 2 的流水线，简而言之就是因为垫片冲裁入 盖机的性能还不能和其它机器配合使用。 图1 4 是绍兴福全阜冠瓶盖机械有限公 司的瓶塞机吲，盖及塑料瓶盖内垫片，它是 将干式的国产及进口e v a 塑料粒为原料， 经高温塑化后模压到瓶盖内，使内垫与瓶盖 粘合在一体。 杂 固1 3 垫片冲裁八盖机 圈1 - 4s d - 2 8 0 a 铝塑瓶盖内垫模塑机 一，iijj廿r 趸，lf 上海大学硕士学位论文 本研究针对以上国内同类产品的缺陷，提出了一种新型的模块化控制方式， 保证高度的自动化和高效率。由于对生产规模和成本的考虑，对于不同的场合本 文采用不同的模块控制，在小规模单一产品生产时，采用单片机的控制模块即可； 如果在流水线上，采用p l c 控制模块；而在全自动化的生产场合，就需要工业 控制计算机的控制。 针对以上我国包装机械制造业的诸多问题，从产品技术发展趋势看，控制模 块化是发展的重点，我国的模块控制行业的发展形势任重而道远。模块化的设计 理念在当前的一些发达国家的瓶盖机生产厂家中早已不是新鲜的概念，但在我国 则还处于刚刚起步的阶段，而且这种概念的认识还要受到传统的瓶盖机工艺流程 的顽强抵触。所以只有从观念上善于接受这种先进的模块化的设计理念 9 】，才能 不断地解决实际生产中模块化设计中的难题。核心技术还没有完全掌握在自己手 里，我国模块化控制行业还存在不少问题，如传统产品多，模块化控制产品少； 低技术含量高，高技术含量少；企业产品大多不配套而且自主开发的能力不强； 依赖于国外基础材料和设备进行简单再生产的企业多，具有自主知识产权而出口 创汇获利的企业少，企业缺乏市场发展后劲【1 0 】。 1 4 论文的主要研究内容 本课题是应上海傍华包装机械有限公司要求自主开发的一个项目，根据厂方 所提出的技术要求进行了系统的总体设计，主要设计了此设备的控制系统，并且 选择了控制系统的主要部件，编制了系统的控制程序和系统数据库及数据处理部 分。最后在机加工厂对系统进行了总装，并对系统进行了实验与调试，对存在问 题进行了分析及改进。本课题主要研究内容有以下几个部分，( 1 ) 对瓶盖垫片冲 塞机的结构进行研究；( 2 ) 主要是利用三种模块化控制设计，完成了控制器的选 择、传感信号的采集和处理、电动机的控制以及控制系统的硬件设计和软件设计， 并给出了相应的系统接线图和程序流程图。( 3 ) 针对只是要求把垫片塞进瓶盖的 机器采用单片机模块控制；针对厂方是整条流水线生产的p l c 控制模块；针对由 中央控制器集点控制的工业计算机控制，并将3 种控制方案进行比较。( 4 ) 软件 系统便于修改，调节灵活。文中以流程图形式对重要的软件程序部分作了注解， 并且对软件的设计流程进行了较为详细阐述。 6 上海大学硕士学位论文 第二章瓶盖垫片冲塞机机械结构研究 2 1 引言 机械部件是控制方法和控制程序的载体，更是各种加工工序的直接执行机 构。机械结构设计的合理与否，将直接影响整个设备的性能。本课题是针对简单 和复杂两种瓶盖冲塞机的控制，这里将分别对两种机械系统作简单介绍。 2 2 简单瓶盖机机械系统 简单瓶盖机的功能是实现送盖，冲裁纸片，并将其塞入瓶盖内。 为了能完成1 2 0 只分钟的功能，设备的机械结构采用振动料斗理盖、双通 道送盖、双刀口冲裁、两个步进电机控制送盖、一个步进电机控制送纸。电磁阀 控制气缸带动活塞塞纸等设计。 总体上在机械部分，系统整体流程如图2 1 所示，该瓶盖机的机械系统可以 分为：理盖机构、瓶盖传送机构、垫片材料传送机构、冲裁机构和塞纸机构这几 大部分组成。 2 2 1 理盖机构 送铝箔纸片 图2 - 1 系统加工工序流程图 由振动料斗上料，定向机构的设计与加工是振动上料器设计与制造过程中一 个非常突出和棘手的问题。尤其对于一些形状复杂的工件，相应的定向机构几乎 难以用通常的视图来表达，在实际制造与加工过程中，只能边调整边修磨，加工 周期很长。定向机构所起的作用，在本项目中来说，就是要保证瓶盖在送入双排 轨道时，要盖口朝上。瓶盖处于其余姿态时，冲裁的纸片没办法塞入，而且还可 能因为机械碰撞而产生严重的设备故障。如图2 2 ，瓶盖落到料斗内可能有a 、b 、 7 上海大学硕士学位论文 c 和d 四种姿态，但是b 和c 只算一种自然姿态。本设计需要瓶盖在螺旋槽内排 列成a 姿态，而把槽中可能出现的其他姿态的瓶盖通过定向机构过滤掉。b 和c 两种姿态是不稳定的，在振动力的作用下，进入螺旋上升槽后，只可能存在a 和 d 姿态的瓶盖【l l 】。 图2 - 2 瓶盖在轨道上姿态图图2 - 3 消极定向原理示意图 定向常有两种基本方法，即积极定向法和消极定向法。消极定向法的特点是， 按照选定的定向基准，采取措施让符合要求的物件在供送滑道上始终保持稳定运 动状态，并设法剔除不符合要求的物件，使之集中回流。积极定向法的特点是， 采取强制措施使原来不符合定向要求的物件全部改变为规定基准方向。本设备采 用的消极定向原理如图2 3 所示。 ： 2 2 2 瓶盖传送机构 1 、送盖方案的比较和确定【1 2 】 较之国内一些同类型的设备，本设备提高加工速度的关键，在于采用双排列 行进盖机制。也就是从振动料斗出来的瓶盖，经过预定轨道，到达冲裁位置时， 成两行排列，冲刀每次同时冲裁两个垫片，然后由塞入机构塞进两个瓶盖。轨道 设计如图2 = 4 所示。这样，较之单行加工方式，其他条件等同的情况下，生产速 度提高一倍。同理，如果采用三行进盖甚至四行进盖，加工速度会更快。但是盲 目的增加行数也会出现难以解决的问题。另外，本文利用a n s y s 软件对瓶盖冲塞 机的瓶盖输送滑轨进行有限元分析，研究其结构动力特性，主要是低阶固有频率 及其振型，防止系统在工作时发生共振和出现不利的振型，结果表明改进后的滑 轨结构在实际应用可以满足安全、稳定、可靠要求。 上海 学硕学位论文 一挡轾导札 图24 取排轨道机械设计图 振动料斗位置较高，瓶盖经过振动上料器的整理，进入冲裁轨道时都是开口 向上并排成两行，到达冲裁位置。因为采用金属轨道，瓶盖质量较小，盖面和轨 道之间摩擦力很小，但是驱动瓶盖到达冲裁位置，仅仅依赖瓶盖受重力作用是小 够的，还涉及到一个瓶盖定位问题。如前所述，瓶盖到达冲裁位置必须排列整齐， 正对 巾刀，所以本设备在冲裁位置之前安装卡轮，其形状和原理如图2 - 5 和2 - 6 。 考虑到控制的要求，驱动采用两个品牌型号完全相同的步进电机。其中一个 齿轮顺时针旋转，另一个则逆时针旋转。每旋转9 0 。的圆心角这个送盖机构 就向前推了一排( 2 个) 瓶盖。旋转一整周，将有4 排( 8 个) 瓶盖经过特型齿轮， 往前推进，周而复始。该机构不但能给瓶盖前进以足够的推力，而且能保证瓶盖 在进入冲裁位置时排列整齐，起到定位功能【1 ”。 槲 劬吓百 图2 - 5 送盖卡轮外形圈2 - g 卡轮送盖原理示意图 2 、送纸与送盖互相配合的方案比较和确定 为了保证垫片纸条更充分的利用，送盖和送纸的方向不能在一条直线上，而 上海大学硕士学位论文 应该保持一定的角度，如图2 7 所示。当采用a 和b 的排列方式时，铝箔垫片和 盖列方向完全一致，其垫片材料利用率分别为7 8 5 和7 2 3 5 ，但是无间隙排列 时，刀具难以实现，所以a 只是一种理想状况，必须像图b 那样留下间隙。当采 用c 和d 的排列方式时，铝箔垫片和盖列夹角1 2 0 。，其垫片材料利用率分别为 8 4 1 3 和7 7 9 8 。同理，c 也只是一种理想状况，难以具体实现。但是比较d 和 b ，采用d 方式时，垫片材料利用率比b 状况下提高了5 6 3 。作为一种生产效率 较高，产量较大的加工机械来说，原材料的节省能有效的降低成本，提高经济效 益。因此，本设备在设计时，铝箔纸垫片和盖列要设计成d 方式，即夹角1 2 0 。 a b c d 利用率7 8 5 利用率7 2 3 5 利用率8 4 1 3 利用率7 7 9 8 图2 - 7 铝箔垫片材料利用率计算示意图 3 、送盖机构的力学估算及控制电机选择【1 4 】 步进电机必须为卡轮提供足够的转矩，来克服以下( 1 ) 卡住的瓶盖和轨道 的摩擦力；( 2 ) 卡轮本身的转动惯量；( 3 ) 卡轮位置之后瓶盖列和轨道的摩擦力 等诸多问题，才能保证送盖机构能推动瓶盖在轨道上前进。卡轮送盖过程中，瓶 盖和金属材质轨道底以及轨道壁产生摩擦阻力，但是因为瓶盖质量太轻( 约1 2 克) 的缘故，磨擦力几乎可以忽略不计；卡轮材料为聚四氟乙烯，其质量较小( 大 约2 6 9 ) ，其本身的转动惯量也很小；瓶盖在送到卡轮位置之前，倾斜的轨道能 给瓶盖下滑提供动力。在卡轮位置之后的轨道很短( 大约3 4 个瓶盖直径的长 度) ，虽然瓶盖列完全依赖卡轮的拨动才能前进，但是瓶盖列的和轨道底的摩擦 阻力也非常小；由于扭矩实在太小，不可能超过轴的材料承受范围，因此无需对 卡轮的传动轴进行校核，直接选取上海固若金电子有限公司型号为 4 2 b y g h 2 5 0 a 的四相步进电机，其主要参数如表2 1 所示。 1 0 上海大学硕士学位论文 表2 - 14 2 b y g h 2 5 0 a 型四相步进电机参数 型号 相 电电电电保持定位转转动惯机运行运行矩频特性 数压流阻 感 转矩矩 量身步距 n m h z vaq m hn m k g a mg c m2 长角 c m 4 2 b y g i t 2 5 0 a41 2o 43 0 3 7o 2 5o 1 23 83 4 1 8 0 2 3 0 0 0 1 2 5 0 0 0 1 8 1 0 0 0 2 2 3 传送机构设计及控制电机选择 本设备所用的垫片材料，是单面镀金属膜的纸条，有一定厚度和硬度。初始 状态是卷在轴筒上，就如同日常生活所用的卷筒纸。在纸条到达冲裁机构时，事 先要拉直摊平，再传送到排列好的瓶盖正 上方。考虑到在裁减之后，纸条中间会有 规则排列的圆形孔洞，如果在冲裁机构后 面用拉的方式送纸，可能会因为受力点过 小而将纸条拉断。所以本课题拟在冲裁机 构之前，用两个圆形滚筒来送纸。如图2 8 所示，主动滚筒由步进电机拖动。图2 - 8 垫片材料传送机构 表2 - 25 7 b y g 0 0 7 - 4 型四相步进电机参数 型弓楣 电 电流电电保持定位转动重运行运行矩频特性 数压 a 阻感转矩转矩惯量量步距n c m h z v 。 m hn c mn c m g c mk g角 2 5 7 b y g 0 0 7 441 20 3 83 23 03 4 35 8 81 1 80 61 8 。3 0 1 0 03 0 2 0 0 2 5 4 0 01 2 6 0 0 蔼 根据滚筒的直径尺寸、要求的加工速率、待加工瓶盖的直径等参数，可以计 算出带动滚筒的电机额定速度。根据纸片的厚度和硬度，调整两个滚筒之间的距 离。通过试验，可以测得带动滚筒送纸所需要的转矩。以磨擦力3 0 n ，主动轴直 径1 5 m m 计，则步进电机负载转矩必须不小于3 0 x7 5 = 2 2 5 n m m 根据上述参数 要求，送纸滚筒选取上海固若金电子有限公司型号为5 7 b y g 0 0 7 4 的四相步进电 机。其参数如表2 - 2 所示。 上海大学硕士学位论文 2 2 。4 冲裁机构 1 、曲柄滑块机构和偏心轮机构 曲柄滑块机构如图2 - 9 所示。它是由铰链四杆机构演化而来。当机架4 和摇 杆3 的长度同时无限增长，铰链d 无限延移时，这时杆3 上c 点的运动轨迹由左 图中弧m i n 变为直线m m ，杆3 的运动变为移动，此运动可用与杆3 固联的滑 块及机架固联的导轨来实现，就演化为曲柄滑块机构。此机构为含有一个移动副 的四杆机构，若不考虑哪个杆作机架，就是含有一个移动副的4 构件系统。 曲柄滑块机构中滑块c 点的运动轨迹称为导路，c 点在两个极限位置之间的 距离称为行程，用日表示，如果导路通过曲柄回转中心，称为对心曲柄滑块机构。 如果导路不通过曲柄的回转中心，成为偏置曲柄滑块机构【1 5 】。 基 图2 - 9 曲柄滑块结构原理示意图 当曲柄滑块机构的行程h 很小时，曲柄很短，受力又很大，此时可将转动 副b 的尺寸扩大到超过曲柄长度，则曲柄a b 就演化成几何中心b 不与转动中 心a 重合的圆盘，称为偏心轮【1 6 】。如图2 1 0 ，图a 中，杆1 为圆盘，其几何中 心为b 。a 和b 之间的距离e 称为偏心距。按照相对运动的关系，该机构运动简 图如c 所示。如图可知，偏心轮是回转副b 扩大到包括回转副a 形成的，e 即曲 柄的长度。同理，图b 所示的偏心轮机构能用d 来表示。 当曲柄长度很小时，通常都把曲柄做成偏心轮，这样不仅增大了轴颈的尺寸， 提高偏心轴的强度和刚度，而且当轴颈位于中部时，还可以安装整体式连杆，使 结构简化。偏心轮机构结构简单，其轴颈的强度和刚度大，广泛用于曲柄长度要 求较短、冲击较强和体积较大的机械设备中【1 7 1 18 1 。 1 2 上海大学硕士学位论文 c a ) e ) 图2 - 1 0 偏心轮机构原理示意图 2 、冲裁机构设计 本设备所用的垫片材料，是单面镀金属膜的纸条，有一定的厚度及硬度。所 以本机构拟采用由交流伺服电机带动驱动轴，直接利用一个偏心轴，接上冲压模 具的曲柄滑块机构进行纸片的冲压，这种机构相对于利用液压缸或其他机构，省 去了中间的转换和控制部分，具有机构运行稳定可靠、磨损小寿命长等优点【1 6 】。 图2 一i i 冲裁机构机械设计示恿图 本设备冲裁机构设计如图2 1 l 所示。左图为冲裁机构的主视图，右图为冲 裁机构的侧视图。当给主动轴提供动力，让其旋转时，由主动轴带动偏心轮，从 而通过传动板，带动冲头支架在导轨内上下滑动。冲头支架以及冲头冲刀，相当 于图2 1 0 中的滑块，传动板相当于曲柄，而主动轴圆心即为传动中心a 。冲裁 机构设计的机械理论依据就是由曲柄滑块演变的偏心轮机构。 上海大学硕士学位论文 3 、冲裁机构运动学分析 偏心轮机构和曲柄连杆机构具有等效性，因此，冲裁机构可以等效成图2 1 2 所示的模型。其中，0 为偏心轮结构的旋转中心，也是主动轴轴心，曰为从动轴 轴心，a 为偏心轮几何中心。，为偏心距，为彳和曰之间的距离。假设偏心轮 绕d 顺时针方向以角速度w 匀速转动。推导滑块的运动方程如下【1 9 1 。 4 v b a 图2 一1 2 偏心轮结构运动学模型 取a 为基点，则点b 的速度用矢量方程表示为= 形+ ( 2 2 4 1 ) 而匕= o a xw = w ，方向垂直于o a 指向左上方；竖直向上，大小未知； 垂直a b ，大小未知。则根据式( 2 2 4 - 1 ) ，可以列出方程组： 匕e o s o = c o s ( 2 2 4 2 ) = 匕s i n 0 + s i n p ( 2 2 4 3 ) 将= w r 代入式( 2 2 4 - 2 ) 和式( 2 2 4 3 ) 可得 = 匕警= w ，警( 2 2 4 - 4 ) 则由= 一a b w 仰可得= 掣l c o s i d ( 2 2 4 5 ) 如图2 1 2 所示，点b 的加速度可以用矢量方程表示为 a 口= a + 口删n + 口厶( 2 2 4 - 6 ) 上海大学硕士学位论文 其中露= 口：= 丽= w 2 ，方向由a 指向o ；a b 竖直向上，大小未知； 口款由b 指向a 大小为 小_ 吒= 筹w 2 ( 2 2 4 - 7 ) 口厶垂直于a b ，大小未知。 则根据( 2 2 4 _ 7 ) 可以列写方程组如下： 口删ns i n # = a s i n o + a ；ac o s ( 2 2 4 - 8 ) a 口= a c o s # + 口缸c o s p + 口厶s t o p ( 2 2 4 - 9 ) 将已知条件代入式( 2 2 4 8 ) 和式( 2 2 4 9 ) ，可得 铲c 筹+ 锷茅，( 2 2 4 - 1 0 ， 另外根据模型还有几何关系l s i n f l = r s i n o 。加工要求大约每秒冲刀冲裁一 次，则w = 2 丌r a d s ，偏心距，= s m m ，而，= 1 1 0 m m 。将具体数值代入式( 2 2 4 - 4 ) 或式( 2 2 4 1 0 ) 即可得到任一驱动角9 时冲刀的即时加速度和即时速度【1 9 1 【2 0 1 。 4 、冲裁机构驱动电机选择 冲裁机构由交流电机通过皮带轮传动。电机所提供的动能，除了裁纸时克服 摩擦阻力做功，主要转化为各部件的动能，以及轴间的摩擦生热。不管是冲裁 0 8 m m 厚的纸条做功还是损耗的热能，比较起冲裁机构各部件的动能，都可以忽 略不计。因此电机的功率，最主要就是用来拖动冲裁机构运动。 图2 1 2 所示的滑块在轨道内上下往返，行程h = 2 r 。运动模型可以类比为 单摆：在最高位置和最低位置，其加速度最大，速度为零；在正中间位置时，速 度最大，瞬时加速度为零。 当滑块恰好运动到最中间位置时。由几何知识易得三角形0 a b 等腰，其中 o b = a b = ，o a = ，则解此三角形可得： c 。s 秒= s i n 譬= 万r ，将，= 5 1 砌，而，= 1 l o i 】：l i i l 代入，可得 夕= 2 6 0 4 6 。，0 = 8 8 6 9 7 7 。 上拇大学硬e 学位论文 将之代入式( 22 4 - 4 ) ，可得一= 0 3 2 m s 则此时冲刀支架消耗最大功率可以用如下方程计算，取冲头支架为1 8 k g ： p = f = m g 一= 5 7 6 ( w ) 传动板运动形态不规则，无法准确计算其消耗功率。根据传动板和冲头支架 的质量比，估测传动板消耗功率为p 4 = 1 44 ( w ) ，则冲裁系统总共消耗功率大 约为6 0 w 。不计两个轴承上的摩擦损耗。电机的功率可以根据经验公式计算如下： p p 螽= _ # = _ ( p + ) 其中经验系数口= l 卜1 5 ，取口= 1 5 ，可得至少要选取功率为1 0 8 w 的电机。 根据冲压力估算，冲刀嚣大冲压力约i ( o n ，偏心轴偏心为5 m m ，所以所需 转矩为至少5 0 0 nr m n 。 由上述条件可选用型号为y y 9 0 1 2 0 的低转速电动机。其外观图见图2 1 3 。 该交流电机主要参数如下：功率1 2 0 w ，驱动电压2 2 0 v ，频率5 0 h z ，堵转 电流2 4 a ，额定转矩8 8 21nr n m ，最大转矩倍 数12 5 ，额定转速1 3 0 0 r m i n ，电容量8 4 5 0 ( j i f v ) 。同时有配套变频器可供选购。变频器采 用无级调速，能实现需要的转速6 0 7 5 r m i n 。但 是转速具体数值并不能精确控制。 2 25 压入机构 图2 1 3y y 9 0 1 2 0 型电机 冲刀裁好的纸片只是落在开口朝上的瓶盖内。而由于纸片质量很小一般状 况下部是轻轻卡在瓶盖内侧螺纹之间；即便落到盖底，也没有嵌入盖底的一圈专 用卡纸螺纹内，所以一旦瓶盖翻转，纸片有很大可能会因为重力作用，从盖内重 新掉落出来，这势必对后期的旋盖入瓶的药物包装工序造成麻烦。合格的加工必 须要将裁减下来的圆形纸片稳固的镶嵌进卡纸螺纹，并严格保证即使瓶盖翻转 也不会脱落。 在机械设计过程中，对于压入纸片，是用气动电磁阀控制气缸，气缸带动两 个与瓶盖内径差不多大小的圆形塑料冲头。塞纸装置在冲裁位置之后，跟冲刀同 步动作，冲裁和塞入两步完成。 上海大学硕士学位论文 在气缸传动过程中，由气压泵将电动机的机械能转换成气体的气压能，再由 气缸把气体的气压能转换为机械能去推动负载运动。为了使压入机构将纸片压入 盖中，且将盖口方向朝下而不至于纸片掉落，在系统中还要配置电磁阀作为气缸 控制器，并通过单片机总体控制，以使其达到与其他部件的同步协调。 整个系统的总装图如图2 1 4 1 ，支架2 ，气缸3 ，冲压部件4 ，送盖导向轴5 ，特型齿轮6 ，轴套7 ，送盖步进电机8 ， 压纸冲头9 ，送纸步进电机1 0 ，送纸导向轴l l ，送纸滚筒1 2 ，交流电机 图2 1 4 简单瓶盖机械结构三视图 2 3 复杂瓶盖机机械系统 复杂瓶盖机是在简单瓶盖机的基础上进行一系列的改进，由p l c 控制6 工位 的旋转工作台能实现更多的功能，如用胶水粘合纸片与瓶盖，除静电，铡纸等， 所以更符合市场需求，其系统n t i 序流程图如图2 - 1 5 所示。 1 7 上海大学硕士学位论文 2 3 1 工作台及电机选择 图2 1 5 系统加工工序流程图 l 、工作台及6 个工位工作 复杂瓶盖机的工作台是个8 工位的旋转工作台，分度盘是以圆形的方式运 转，工件随着转盘绕一圈后可以经过每一个工位，如此可以方便工件的上载及下 载，这有助于将来自动化的进行。另外分度盘定位准确，绝对同步，及无滑动偏 移之困扰。分度盘如图2 - 1 6 所示，来实现6 个工位的工作。为了实现旋转工作 台能够精确快速定位及高精度的控制，这里选用三共的阿尔法系列分度器来控制 工作台的旋转及停止。这是一体式转位分度器，包括直接安装于输入轴的齿轮减 速电机阿尔法系列分度器的特点是：中空固定的大法兰盘输出轴、箱体高度低、 易安装等。另外，阿尔法系列分度器还可以通过p l c 的控制，有效地代替离合器 和制动器。具体选型在下文会叙述。 从瓶盖输入旋转工作台到输出共有6 个工位，如上图所示分别是： 1 工位是瓶盖入口及工位有无瓶盖的检测及定位。瓶盖通过振动料斗上料， 经过瓶盖轨道后，滑至l 工位瓶盖入口。有无瓶盖检测机构是通过在气缸上安装 接近开关来实现的； 2 工位是滴胶及检测工位。为了垫片能牢固的粘在瓶盖底，本工位是利用滴 胶机对瓶盖滴入胶水，并通过光电检测电路来对