机械毕业设计自动分度式搓盖机设计（含全套CAD图纸） .pdf

自动分度式搓盖机设计 i 摘 要 社会经济的发展 带动着我国包装行业的迅速发展 尤其是自动化行业的崛起 这 必然导致对自动化程度的要求越来越高 早期的低自动化机械设备已经跟不上社会生产 力的发展需求 因此 要设计一种高自动化的设备 本文讲述的就是一种新型的自动化 包装设备 自动分度式搓盖机设计 将搓盖机设计成一种回转型的 满足了现代包装 对高效 高速及高可靠性生产的需要 在旋盖方面 采用的是和传统的机械手式旋盖不 同的搓盖方式 通过搓盖轮的旋转搓动瓶盖旋转 达到旋紧的目的 本设计主要包括机 械和电气控制两大部分的设计 根据课题的要求 需要设计完成理盖 落盖 瓶子的进 料 搓盖以及出料等几道工序 自动化程度高 大大简化了工人的工作量 对工人的技 能素质要求不高 易于操作 机械系统设计部分包括进出料输送机的设计 搓盖头部分 的设计以及中心转盘的设计 主要驱动部件包括一台振动料斗 两台用于传送带的减速 交流电机 两台用于搓盖的小功率三相交流电机 一台步进电机 以及三个气缸 以可 编程逻辑控制器作为控制器 来集中安排各动作的先后顺序 以及各个工序间的无缝配 合来完成这样一系列连续的搓盖封装动作 来满足对工业自动化的需求 设计完成自动 分度式搓盖机的 p l c 编程 绘制出整个控制系统电气原理图 方便搓盖机日后的维护 维修 关键词 包装 自动化 搓盖 步进电机 可编程逻辑控制器 自动分度式搓盖机设计 ii abstract social and economic development promote the rapid development of chinese packaging industry especially the rise of the automation industry it will inevitably lead to higher and higher requirements for the degree of automation the early low automation machinery and equipment already could not meet the social productivity development demand therefore it is necessary an new high automation equipment this article is about a novel automated packaging equipment automatic indexing type capping machine design the capping machine is designed into a rotary type to meet the needs of modern packaging for efficient high speed and high reliability requirement of production in the capping using a cap mode that different from the traditional manipulator type capping cap rotation driven by the rotation of the wheels to achieve the purpose of tightened the design includes mechanical and electrical control of two major design according to the requirements of the subject management we should to achieve the design several processes such as arrange the cap drop the cap bottle entrance and bottle out high degree of automation greatly simplifying the workload of workers the quality of workers skills do not asked and the machine is easy to operate the design of m echanical system part include the design of transport the design of capping part and the design of center turntable the main drive unit including a vibration hopper two deceleration ac motor for the conveyor belt two for the twist cover low power three phase ac motor a stepper motor and three cylinders as the controller plc meet the needs of industrial automation by arranging the order of each action and seamless co ordination between the various processes to accomplish such a series of continuous rubbing of the capping package action the design have completed the plc programming of the automatically sub degree style twist capping machine to map out the entire control system electrical schematic diagram for the convenient twist cap machine future maintenance repair key words packaging automation capping stepper motor programmable logic controller 自动分度式搓盖机设计 iii 目 录 1 绪论 1 1 1 搓盖机的介绍 1 1 2 搓盖机的国内现状 2 1 3 我国包装机械产品与国外先进水平的差距 2 1 4 主要研究内容 3 2 自动分度式搓盖机的总体设计方案 5 2 1 自动分度式搓盖机的总体设计思想 5 2 2 机械结构的初步设计 5 3 主要部件的设计选型及计算校核 8 3 1 理盖部分振动盘的选型 8 3 2 带式输送机的设计 8 3 3 卡盘的设计以及驱动 14 3 4 气缸的计算及选型 16 3 5 搓盖部分的设计与计算 18 4 电气控制部分的设计 20 4 1 控制器的选型与设计 20 4 2 电气元件的选择 22 4 3 控制的设计 24 4 4 电气部分的设计 26 5 结论 27 参考文献 28 致 谢 29 附录 1 自动分度式搓盖机设计 1 1 绪论 作为封口机的一种的旋盖机被广泛用于 pet 瓶或玻璃瓶的螺纹盖封口 在这种封 盖的内部先加工出内螺纹 螺纹又可分为单头或多头 应用于不同的场合 例如药瓶一 般采用单头螺纹 而多头螺纹则多用于灌装瓶 工作原理都是靠旋转封盖 将瓶盖旋紧 于容器口部 螺纹盖封口快捷 开启方便及可重复利用的优点 使得它在一些不含气的 液料 诸如酒类 饮料 调味料 化妆品及药品 婴儿食品等瓶包装的封口中被大量采 用 旋盖机一般不是单独使用的 为了减少从灌装到旋盖的行程 紧凑化生产线结构 减小生产成本 在一些大型的灌装线上 旋盖机通常会与灌装机配合使用 设计成一体 机型 近几年 全自动洗瓶机 全自动灌装机与全自动旋盖机三机合一已经实现 但是 不管怎么变动 不论是作为灌装机的配套设备 还是单独的自动封盖设备 其结构和原 理是一致不变的 目前 国内灌装生产线面貌是 直线式旋盖机是被使用最多的 然而 由于直线式旋盖机的一些缺点 譬如说单通道式旋盖 其生产能力严重受到限制 适应 不了高速旋盖的需要 另外 更换瓶子时调整起来很困难 没有办法对不同规格的瓶子 实现快速调整后进行旋盖 还有就是旋盖头单一 适应能力差 每换一种尺寸的瓶盖就 要更换一次相应的旋盖头 需要很多规格的旋盖头 这样既浪费了时间 又增大了成本 所以目前各生产厂家的旋盖机在效率 旋盖能力 适宜瓶盖 适宜瓶型及自动化程度等 方面都各有优缺点 要适应当代包装高速 高效和高可靠性生产的需要 就要设计一种 全新的旋盖机 一种回转型搓盖机 在传动系统方面 设计一种升降手轮 可以使主轴 作升降移动 来适应对不同规格瓶子封口的需要 在旋盖方面 采用的是和传统的机械 手式旋盖不同的搓盖方式 通过搓盖轮的旋转搓动瓶盖旋转 以达到旋紧瓶盖的目的 通过调节搓盖轮和瓶子的相对位置关系以达到适应于不同尺寸规格的瓶盖的要求 它采 用多工位回转式的结构 机电一体化 具有速度可调 旋盖可靠 定位准确 运行平稳 无噪音和不易损伤瓶盖等优点 1 1 1 搓盖机的介绍 搓盖机主要用于玻璃瓶和 pet 瓶的螺纹盖封口 旋盖是一种密封可靠 开启方便 的包装盖 材料一般为铝合金 塑料 在搓盖机的作用下旋紧 从而达到密封的效果 随着社会经济的发展和人民生活水平的提高 旋盖广泛应用于各种果汁 饮料 果蔬浆 调味料 婴儿食品等瓶装食用包装中 普遍使用的旋盖直径范围为 32 65mm 有三爪 四抓等结构 在国内俗称三旋盖 四旋盖 2 搓盖机主要由供盖装置 出瓶机构以及搓盖机头这几个必要的部件组成 近几年来随着食品饮料工业向规模大 效率高方向发展 国际上领先的罐装生产线 的生产能力一般都达到 300 500 瓶 min 并将洗瓶 罐装和旋盖组合成一体机 这不 自动分度式搓盖机设计 2 仅使结构更加紧凑 节约占用空间 又减小了洗瓶 灌装和旋盖工序中间的输送时间 具有非常重大的防止再次污染的意义 在直线式的搓盖机与回转式灌装机难以组合成一 体机的情况下 就产生了新的多头回转式搓盖机 这种搓盖机可以像灌装机一样通过改 变头数来控制产量 采用搓盖方式的搓盖头适应于各种尺寸旋盖的封口 只需稍加改动 就能用于其他各种材质螺纹盖的封口 搓盖机的应用前景良好 可在各种食品饮料包装 线和制药工业的包装线中广泛应用 3 然而 这些罐头搓盖机还有很多的不足地方 首先就是自动化程度太低 不能实现 完全的自动化操作 需要部分人工完成 其次是效率低下 跟国外的水平还存在很大的 差距 再次就是搓盖质量较低 返工率高等问题 这些问题 是由于搓盖机自动化集成 程度低 控制精度不高所造成的 4 1 2 搓盖机的国内现状 包装机械广泛应用于食品 药品工业 它直接影响着包装制品工业的发展 众所周 知 我国的工业起步晚 落后于发达国家很多 包装机械行业也是如此 薄弱的包装机 械行业形不成规模和水平 严重阻碍我国包装工业的发展 从七十年代的起步再到八十 年代的发展 九十年代实现了高速发展 但受到起步晚 起点低 规模小的制约 跟发 达国家相比 我们的技术水平要落后至少 20 年 国内大部分的包装机械还依赖于进口 包装机械是我国包装工业的软肋 目前 作为旋盖机的一种的搓盖机 由于它的优点 已逐步被采用 其中 由于直列式的结构简单 应用比较多 为了适应回转式的灌装机 械 回转式的搓盖机也开始被采用 1 3 我国包装机械产品与国外先进水平的差距 1 产品质量方面的差距 我国包装和食品机械产品质量无论从内在质量还是外观质量都与发达国家产品质 量有较大差距 内在质量差主要表现在产品生产率低 能耗大 寿命短 稳定性和可靠 性差 外观质量差主要表现在造型不美观 表面粗糙 造成产品质量差的主要原因是采 用的设计理论 设计手段与设计方法 制造技术和检测手段等落后 另外 我国许多包 装机械尚未制定产品可靠性标准 有些有标准也定得过低 机 电 液 气基础元器件 性能不稳定 对产品整体质量影响也较大 2 产品技术水平方面的差距 产品技术水平方面的差距主要表现在技术含量低 高新技术应用少 生产线自动化 程度低 生产能力和生产效率低 能耗高 从整体看 产品的技术水平比发达国家落后 大约二十年 3 产品品种方面的差距 自动分度式搓盖机设计 3 发达国家的包装和食品机械顺应市场需求 新产品不断出现 花样不断翻新 产品 有 6000 多种 而我国包装机械产品品种约为发达国家的 1 2 特别在食品深加工 综 合利用 环境保护 高新技术产品等领域有很多缺项 4 行业科研水平方面的差距 我国的包装和食品机械行业 研究和自我发展的能力想当薄弱 大多数企业基本上 不会有自己的科学机构 科研院所的开发 科研项目脱节市场 相当一部分研究项目不 能转化为生产力 或半途而废 没有形成在紧密结合的技术进步的推动下 带动科研和 生产实力的运行机制 我国包装和食品机械的研究和开发的投资 技术投入占销售收入 的 3 开发研究和开发费用占销售收入的 10 但是我国包装和食品机械行业在科研 上的投资占不到销售的 1 由于缺乏资金 使科研设备 测试仪器等手段十分落后 产品大多停留在仿制 测绘 或稍加改动的山寨化 我国包装和食品机械企业普遍重视 生产和加工 轻视科技研发 为了紧跟市场需求 一些包装盒食品加工企业只好花很多 钱去购买外国的设备 1 4 主要研究内容 本课题主要研究输送带传动 步进电机 交流电机 plc 控制等 通过电机控制输送 带 气缸的运动 步进电机的行程根据任务书的已知条件 对搓盖机及其各个零件进行 设计和总体布置 通过具体的参数计算及工况分析 拟定自动分度式搓盖机的系统原理 图 完成气压及电气 plc 控制系统原理图绘制 1 4 1 自动分度式搓盖机的工作方式 第一部分 瓶子的进给部分 第二部分 瓶盖的进给及装盖部分 第三部分 自动搓盖部分 第四部分 控制部分 主要工作方式 前一流水线上瓶子通过输送带进入搓盖机 通过输 送带及转盘 并将瓶盖轻放在瓶子上 旋紧瓶盖 下料 1 4 2 课题主要内容 1 根据设计要求 收集搓盖机相关资料 并完成外文文献的翻译 2 根据已知技术参数 确定搓盖机的总体设计方案 1 理盖部分的设计及选型 2 进瓶部分的设计 3 分瓶机构的设计 4 搓盖部分的设计 自动分度式搓盖机设计 4 5 机架的设计 6 材料的选择 3 完成搓盖机的结构设计 采用 cad 软件绘制装配图 零件图 4 拟定 plc 控制系统原理图 气动回路图 电气控制原理图 1 4 3 设计主要的技术参数要求 生产能力 7 0 瓶 分钟 瓶盖尺寸 2 0 毫米 瓶体直径 4 0 毫米 瓶体高度 8 0 毫米 适用于医药 润滑油 化妆品等行业 该设备能够适用于不同规格或材质的旋盖 自动分度式搓盖机设计 5 2 自动分度式搓盖机的总体设计方案 2 1 自动分度式搓盖机的总体设计思想 盖子由理盖机构 一台定制的震动料斗 整理 整理完朝向 通过滑道运动至卡盘 与传送带交汇处 即瓶子进入卡盘的地方 瓶子通过流水线进入搓盖环节 然后通过 瓶子的运动将瓶口上方斜置的瓶盖带走 进入旋盖区待搓盖 设计一个搓盖部分 通过 搓盖轮搓动瓶盖来达到旋紧瓶盖的目的 最后便可进入出料阶段 完成整个搓盖过程 2 2 机械结构的初步设计 2 2 1 理盖送盖部分方案的确定 方案 1 图 2 1 理盖方案 1 如图 2 1 瓶盖通过输送带的传输 当经过测距传感器下方时 传感器测出传感器 与瓶盖面的距离为 h 瓶盖向下时距离为 h1 瓶盖向上时距离为 h2 传感器分别以脉 冲的形式传送给 plc 用 spd 命令 计算脉冲的密度 从而判断瓶盖的正反向 若反 向 则 plc 控制气压缸伸出将瓶盖推入下坡的导轨上 重新进入循环 这样就能达到 理盖的目的 自动分度式搓盖机设计 6 方案 2 使用振动送料盘 图 2 2 e 形缺口 5 通过底座的振动 支承弹簧片以一个角度安装 通电之后产生扭振 使瓶盖在惯性 自身重力 摩擦力 振动力 多个力的作用下 沿料斗侧面的螺旋槽顺着螺旋方向向上 运动 同时在螺旋槽上开有 e 形缺口 如图 2 2 当盖口向下时 瓶盖运动到 e 形缺口时会掉落下去 当盖口向上时 瓶盖能顺利通过 e 形缺口 然后完成定向后 的瓶盖从振动盘出口 进入料斗的导轨 这样就完成了理盖 送盖这两个步骤 两种方案的比较 方案 1 控制部分较为复杂 瓶盖还存在第三种情况 两两叠在一起 控制精度不 能保证 方案 2 控制较简单 可直接购买振动料斗使用 经济方便 综上所述 方案 2 更好 因此理盖送盖部分选用振动送料盘 2 2 2 送瓶部分的结构方案确定 因考虑到在实际生产中 整个灌装 搓盖 贴标过程是一条流水线 经过查阅资料 灌装的输送基本上是采用输送带传送 到达指定位置后探针往瓶中注入液体 然后再通 自动分度式搓盖机设计 7 过输送带运走 这里 为了和上一个流水线相连接 也就是灌装环节的连接 这里送瓶 的部分也采用输送带的方式 6 瓶子通过输送带到达指定位置后 考虑的问题是瓶如何的定位 经过实地的考察以 及网络的资料 目前市场上的搓盖机 瓶的定位方式一般采用直列式的夹紧方式 或者 星形卡盘的旋转来完成送瓶的动作 为了适应现代包装高速 高效和高可靠性生产的需 要 设计一种回转型搓盖机 同时考虑到课题设计的要求 分度式 即旋转式 这里 选用星形卡盘的工作方式 并在下方安装步进电机驱动以配合进料时的工作节拍 2 2 3 装盖环节的设计 瓶盖从理盖振动盘中的导轨上向下运输 导轨延伸到星形卡盘之上 当星形卡盘带 着瓶经过导轨的下方时 这里预先计算好角度 导轨方向可调 瓶口边缘便会卡在瓶盖 下方侧壁边缘带走一个瓶盖 2 2 4 搓盖部分的结构方案 待搓盖的瓶通过星形卡盘旋转到指定工作位置后 要考虑两个大问题 如何搓盖 和在搓盖时 瓶身会在瓶盖施加的力的作用下产生自转 或者倾斜 如何克服这些问题 使瓶身固定 如何使旋盖的力矩不至过大而旋坏瓶盖 1 如何实现搓盖这功能 当星形卡盘的卡槽内收集了瓶子并装盖完毕以后 这里选用搓盖轮的转动 配合气 缸的水平运动 调节搓盖头跟瓶盖之间的距离 完成搓盖的动作 搓盖轮的设计 以 及气缸的具体原理选型 下文再作详细说明 这里仅是拟定方案 2 如何克服瓶身的自转和倾斜 在瓶身进入搓盖环节后 搓盖轮带动瓶盖旋转 当达到一定预紧力以后 极有可能 发生瓶身的自转 这里的方案是 在搓盖头的下方 星形卡盘的侧面 另加一个气压缸 气压缸的前端加装弧形的金属片前方装有橡胶垫 当星形卡盘旋转到搓盖位后 气缸伸 出 同时卡紧瓶身 这样就能克服瓶身的自转和倾斜 3 如何控制搓盖的力矩 采用钢球式安全离合器 通过调节弹簧的预紧力 可以控制旋盖力矩的上限 一旦 扭矩大于设定值 搓盖轮就会打滑 不会损坏瓶盖 2 2 5 出料的方案 当机构完成以上方案中的几个动作后 即接下来要完成出料动作 所以在完成搓盖 后星形卡盘转过一个角度 将已搓盖的瓶移到出料口上 这里的出料口也配合流水线 因为下一道工序可能进入贴标环节所以出料口也应符合标准 使用输送带这个运输方 式 这样就完成了一次搓盖的流程 自动分度式搓盖机设计 8 3 主要部件的设计选型及计算校核 3 1 理盖部分振动盘的选型 上文提到选用常州锐凯公司的振动送料盘 根据原始数据 瓶盖直径为 20 毫米 生产能力为 70 瓶 分钟 瓶盖高度数据中未给出 所以根据实际生产情况拟定高度为 10 25 毫米之间 于是根据以上数据 选用常州锐凯公司的 sp 04 型振动送料盘 该振动盘参数 瓶盖高度 1 0 3 0 毫米 瓶盖直径 1 0 7 5 毫米 进给速度 8 0 个每分钟 5 振动盘高度 5 2 0 毫米 振动盘直径 6 0 0 毫米 由于参数符合原始数据的要求 所以理盖方面这里就确定选择常州锐凯公司的 sp 04 振动送料盘 3 2 带式输送机的设计 因实际流水线此处应与灌装流水线相连接 所以输送机长度 也就是进料的距离由 于工况的不同而不同 所以此处且定输送距离 也就是所要设计的输送机长度为 1 5 米 7 3 2 1 带的选型计算 1 带宽的确定 根据原始数据瓶体直径为 4 0 毫米 带速的计算 s v t 3 1 式子中 s 带传输的距离 单位为m t 带传输的时间 单位为min 这里以一分钟为基准 所以 s 为一分钟带输送的距离 至少带 7 0 瓶 s 40 70 2 5 6m 其中 2 为安全系数 1mint 将 5 6sm 1mint代 入 式 子 3 1 求 得 带 速 约 为 0 093 vm s 圆 整 为 0 1 vm s 运载能力 0 0570 min 3 5 minqkgpkg 自动分度式搓盖机设计 9 瓶的散状密度约 3 0 35 rt m 最小带宽 1 q b 1 1 3600vkcr 0 0 5 3 2 式子中 k 物料系数 取 1 c 倾角系数 根据输送的倾角为 0 0 3 取 1 q 运载能力 单位 minkg r 瓶的散状密度 单位 3 t m 将 3 5 minqkg 3 r 0 35t m 1k 1c 代 入 3 2 求 得 最 小 带 宽 1 0 2383 238 3 bmmm 图3 1 输送带的尺寸表 g b t 4 4 9 0 9 4 根据计算出的最小带宽2 3 8 3mm 从上图查得带宽这里取3 0 0mm 2 托辊间距的确定 托辊之间的距离 2 672 360 k s 3 3 式中 物料系数 k取1 将1k 代入 3 3 求得托辊之间的距离46 6smm 通过上述计算以及工况的要求 这里选择 上海韦欣工业皮带有限公司的 2 0 黑色 输送带 300m zb 其基本参数为 结构 二布二胶 纤维层数 二层 自动分度式搓盖机设计 10 表层材料 聚氯乙烯 总厚度 2mm 重量 2 2 3 kg m 最大生产宽度 3 0m 拉断强度 160 n mm 表面涂层硬度 7 5 shorea 耐温 1 0 9 0 最小滚轮直径 25mm 横向稳定性 是 3 托辊的选择 图3 2 托辊的尺寸选择 g b 9 9 0 9 1 如图3 2 所示 因为我们选择的带宽为3 0 0mm 所以托辊长度l 取3 8 0 直径d取76 自动分度式搓盖机设计 11 mm 其余的尺寸如图3 2 所示 1 20dmm 14bmm 10nmm 4mmm 图3 3 托辊的尺寸规定 g b 9 9 0 9 1 托辊的机械外形以及各个尺寸代表的含义如图3 3 所示 4 滚筒的选择 图3 4 滚筒的尺寸选择 g b t 9 8 8 1 9 9 1 如图3 2 所示 因为我们选择的带宽为3 0 0mm 所以滚筒长度l 取4 0 0mm 直径d 取 2 0 0mm 自动分度式搓盖机设计 12 图3 5 滚筒的规定尺寸 g b t 9 8 8 1 9 9 1 滚筒的机械外形尺寸分布如图3 5 所示 5 减速交流电机的选择 运送速度的计算 v n s 3 4 式中 0 1m s 100mm sv 3 14 200 628sdmm 将以上数值代入 3 4 求得转速 n 为 0 159 9 54 minnr sr 物料重量估算 1500 0 05 1 875 40 kgkg 这里每瓶待搓盖的瓶估算重量为 0 05kg 交流电机功率的计算 11 10367 l fgwvl fqhq p 3 5 式中 1 l 输送机水平距离 m f 托辊阻力系数 对上有运料的情况0 0250 03f w 单位长度机器运动部分质量 kg m 2wqroqruqb 3 6 其中 qro 单位长度上托辊质量 kg m qru 单位长度上运动部分质量 kg m 2qb 单位长度上输送带质量 kg m 自动分度式搓盖机设计 13 于是w估算为20 kg m v 带速 m s q 输送速度 t s h 送料的垂直高度 这里无垂直高度 取 0 m 综上 1 50 025 9 8 20 0 1 1 5 0 025 3 5 0 10367 mn kgkg mm s p 0 074kw 所以约为75w 在实际工况下 还需用到同步带 同步轮 考虑到摩擦等综合因素 这里取安全系数1 5k 实际功率为 751 5 112 5 a ppkww 因为交流减速电机的功率一般为 180w 200w 250w 370w 等 故这里选择 180w 的交流电机 这里选择上海新冉减速机有限公司的 180w 交流齿轮减速电机 型号为 rf27r17 定速型 具体参数如下 电压 380v 转速比 135 功率 180w 固定转速 10 minn 扭矩 1 4 9 n m 3 2 2 同步带 及同步带轮的选型 1 同步带轮的选型 因选择电机时 已经选择了1 1 3 5 的减速电机 转速已经达到要求 故这里选择同步 带轮时电机的主动轮以及滚筒的被动轮选用同样半径的 也就是同步带的传动比为1 1 这里初选型号为25l018bs的同步带轮 直径为7 2mm 2 同步带的选型 由于本设计的工况属于轻载 所以对同步带的强度不是很高 因此选择 上海五同同步 带有限公司的s t p d s y s s 3 m 2 0 同步带 3 物料 瓶 的导向性问题 前文选择的输送机带宽为3 0 0mm 需运送的瓶体直径最大为4 0mm 考虑到瓶体如何 在输送带上定向地运动以及准确地输送到目的地 于是在机架上可以装一个导向铁片用 来限制瓶体的运动 这样瓶就可以顺利地通过输送带到达下一个工位 星形卡盘上 自动分度式搓盖机设计 14 3 3 卡盘的设计以及驱动 3 3 1 卡盘的设计以及计算 根据原始数据这里初定卡盘一周上有 1 0 个瓶 所以 3 6 0 1 0 3 6 所以每两个瓶中 线到圆心连线的夹角为 3 6 直径初定 6 0 0mm 厚度为 40mm 如图 3 6 图 3 6 卡盘槽位的设计 在搓盖机工作时 有四个槽位上是没有瓶子的 也就是说实际工作时转盘上只有 6 个瓶子 材料初定为 abs 塑料 塑料的密度以 3 0 85 cg m计算 卡盘可根据实际加工瓶身大小而更换 这里只列举一种最大的情况 星形卡盘的质量约 323 0 85 c154 2 4g mcmkg 瓶的体积估算为 100ml 也就是 0 1kg 所以 六个瓶质量约为 0 1 6 0 6kg 总重量约为 2 4 0 61 3 3 9kgkgkg 其中1 3 为安全系数 3 3 2 电机的选择 这里初步考虑步进电机与伺服电机 比较其控制方式 步进电机大多为开环控制 不需要 或者说没有反馈 而伺服电机的控制系统比较严密 闭环控制 有反馈 在价 格方面 步进电机价格低廉 伺服电机价格较高 同时步进电机精确度差 而伺服电机 精确性好 但考虑到步进电机有一个特性 没有累积误差 每转过一周 也就是 3 6 0 会自动补偿误差 也考虑到实际运用的精度需求也不是很高 所以这里选用步进电机作 为星形卡盘的驱动 步进电机 步距角的选择上 因为前面算得 3 6 为一个节拍 所以这里步距角初 定为 1 8 驱动物体运动 0 3 秒钟 必要脉冲数 自动分度式搓盖机设计 15 必要脉冲数频率 1100360 时间 步距角 3 7 必要脉冲数频率 1100360 733 33 hz 3001 8 f mg 3 8 3 99 8 38 22fkgn kgn p fv 3 9 38 20 4 15 288 0 015288pnm swkw 估算其转速约为 5 0 minr 所以转矩为 9550 p t n 3 1 0 其中p 功率 单位kw n 转速 单位 minr 代入得 0 015288 9550 2 92 50 min kw tn m r 确定步进电机驱动负载所需要的力矩 由于转盘的实际形状非标准圆盘 以及实际 运行中可能具有的冲击 于是经过上述计算及经验 以转动 3 6 为准 综合得 需要的 扭矩大于 5 n m 步进电机相数的确定 在选择相数时 相数与步距角有关 因此只要满足选择的步 距角的相数就可以 这里前文需要的步距角为 1 8 所以 这里选择四相的步进电机 于是这里初选型号为 9 0 b y g h 2 5 0 2 的步进电机 其参数如下 步距角 1 8 机身长 1 3 4mm 机身直径 90mm 电压 100v 电流 4a 最大静转矩 6n m 空载启动频率 1 8 0 0 h z 空在运行频率 2 0 0 0 0 h z 转动惯量 4 2 kg cm 自动分度式搓盖机设计 16 3 3 3 驱动器的选择 型号 相数 输入电压 相电流 分配方式 适用电动机 b d 2 8 n b 2 2 0 1 0 0 v a c 2 4 a 二相八拍 9 0 b y g 2 5 0 2 9 0 b y g 2 6 0 3 等 b d 2 8 n c 2 1 1 0 2 2 0 v a c 4 6 8 a 二相八拍 1 1 0 b y g 2 5 0 2 1 1 0 b y g 2 6 0 2 1 3 0 b y g 2 5 0 2 等 b d 2 8 f b 2 2 0 1 0 0 v a c 2 4 a 9 0 b y g 2 5 0 2 9 0 b y g 2 6 0 2 等 b d 2 8 f c 2 1 1 0 2 2 0 v a c 3 4 6 8 a 1 1 0 b y g 2 5 0 2 1 1 0 b y g 2 6 0 2 1 3 0 b y g 2 5 0 2 等 b d 3 a 3 2 2 0 v a c 3 5 7 a 1 2 4 5 8 1 0 2 0 4 0 细分 1 1 0 b y g 3 5 0 2 1 3 0 b y g 3 5 0 2 等 b d 5 a 5 2 2 0 v a c 4 6 8 a 五相十拍 二十 拍 1 1 0 b y g 5 8 0 2 1 3 0 b y g 5 5 0 1 等 图 3 7 步进电机驱动器技术参数 8 根据上文选择的步进电机 90bygh2502 相数为 4 相 引线数为 4 电机属于 9 0 b y g 系列的 根据以上信息 由上表选择步进电机的驱动器为 型号 bd28fb 驱动器参数 如下 相数 2 输入电压 2 0 1 0 0 v a c 相电流 2 4 a 分配方式 1 2 4 5 8 1 0 2 0 4 0 细分 3 4 气缸的计算及选型 3 4 1 选择气缸的类型 按操作方式分气缸一般有两种类型 单作用气缸和双作用气缸 单作用 通过气压驱动 通入气体后开 或者通入气体后关 断气后复位 结构简单 耗气量小 活塞行程短 单作用气缸多用于压紧 印字等 推出时由于内部有弹簧 所 以还要克服弹簧力 因此要比较大的缸体直径 双作用气缸 两个腔体都可以输入压缩空气 它的结构可分为双活塞式 双活塞杆 式 缓冲式和非缓冲式 这类的气缸使用广泛行程长 伸出所需的作用力大于返回的作 自动分度式搓盖机设计 17 用力 综合情况下考虑 本设计需要三个气缸 驱动搓盖电机往复运动需要两个气缸 夹 紧瓶身需用一个气缸 考虑到控制的简捷性 当电磁阀停止通电时 气缸就停止供气 在弹簧力的作用下 气缸就可回复到原位 所以 这三个气缸均选用单作用的 3 4 2 气缸的选择 根据实验 以及资料的查询可知 搓盖电机上用的气缸需要的推力最大 在这种工 况下约需 5 0 n 的推力 这里初定气压缸的缸径为 2 5mm 需要三个气缸 图 3 8 气缸理论输出表 9 根据图 3 7 缸径 2 5 mm 受压面积为 4 9 1 2 cm 左右 根据上文估算的气压缸输出约 需 5 0 n 的输出力 所以从表中可以看出 气缸的工作压力为 0 2 mpa 左右 考虑到零件 的互换性和选材的简便性 所以这里选择三个 s m c 公司生产的 m b 系列的标准小型圆形 气缸 其中两个的行程为 5 0 m m 一个是 6 0 m m 自动分度式搓盖机设计 18 有关气源 由于工厂的集中气源供气 这里不用选择气泵 而要考虑如何将气体分 配给三个气缸 这里需选择一个减压阀 所以根据气缸的工作压力 这里选择上海野渡 气体设备有限公司的 r 4 1 不锈钢减压阀 还需选用一个分水过滤器和油雾器 与减压 阀组成气动三联件共同使用 气动元件的具体连接方式见气动回路图 3 5 搓盖部分的设计与计算 3 5 1 搓盖轮的设计 搓盖轮是搓盖机上最重要的部件之一 在其工作时需保证旋紧的力矩适中 太小旋 不紧瓶盖 太大则会损坏瓶盖 所以这个搓盖轮是整个设计的重点 因此这里采用四个 皮轮 它们和轴的配合为过盈配合 这个设计的精妙之处就在于通过安全离合器的弹簧 的预紧力 来控制瓶盖的旋紧力度 若达到预定的力 也就是达到瓶盖预先设定的预紧 力之后 因为在此时的旋转扭矩大于离合器设置的力度 所以电机轴上的齿轮开始打滑 这样 计算好离合器所需的预紧力 就能控制搓盖轮的搓盖力矩 皮轮的材料可以更换 以适应不同的瓶盖 3 5 2 搓盖部分的短轴及齿轮设计 考虑到实际工作时的力不大 且不需严格的传动比 以及实际的工作情况 这里的 齿轮的作用是把电机的转速平等的传递给两根搓盖轮杆上 使两个搓盖轮拥有共同的旋 转速度 因电机转速比较高 因此需要减速 按 2 1 的传动比设计齿轮 因传递的工作 载荷不大 齿轮模数取 1 就可满足工作要求 一般不会出现强度不够的情况 这里就 不再校核 电机轴上齿轮的齿数取 2 7 则搓盖杆上的齿轮齿数取 5 4 齿轮相关参数 搓盖机为一般工作机器 速度不高 故齿轮选用 8 级精度 g b 1 0 0 9 5 8 8 材料选择 小齿轮材料选用 4 0 c r 调质 硬度为 2 8 0 h b s 大齿轮材料选用 4 5 钢 调质 硬度为 2 4 0 h b s 二者硬度差为 4 0 h b s 起到一定的冷作硬化效果 计算分度圆直径 11 d 27 1 27z mmmmm 3 11 22 d 54 1 54z mmmmm 3 12 计算中心距 12 27 54 mm 40 5 22 dd amm 3 13 计算齿轮宽度 1 1 27 27mm d bdmm 3 14 取 2 b 26mm 1 b 28mm 短轴部分 自动分度式搓盖机设计 19 短轴的结构尺寸设计见图 3 9 图 3 9 轴 短轴的主要功能是支撑大齿轮 因此需要两根这样的短轴才能达到目的 轴的材料 选用 4 5钢 轴端倒角 c 1 圆角半径 1 m m 齿轮与轴的周向定位采用平键连接 查表得 平键的截面b h 67 3mmmm 键槽用键槽铣刀加工 长为 1 1 m m 同时为了保证齿轮 与轴配合有良好的对中性故选择齿轮轮毂与轴的配合为7 6hk 滚动轴承与轴的定位是 由过多配合来保证的 此处选轴的直径尺寸公差为 k 6 轴承的选择 根据轴承中摩擦性质的不同 可把轴承分为滑动摩擦轴承和滚动摩擦轴承两大类 滚动轴承由于摩擦系数小 起动阻力小 而且它已标准化 选用 润滑 维护都很方便 因此在一般机器中应用广泛 但由于滑动轴承本身具有的一些独特优点 使得它在某些 不能 不便或使用滚动轴承没有优势的场合 如在工作转速特高 特大冲击与振动 径 向空间尺寸受到限制或必须剖分安装 如曲轴的轴承 以及需在水或腐蚀性介质中工 作的等场合 仍占有重要地位 1 0 考虑到实际情况 这里选用滚动轴承 因轴同时承受径向力和轴向力的作用 故选 用单列圆锥滚子轴承 参照工作要求并根据 d 20mm 由轴承产品目录中初步选取 0 基 本 游 隙 组 标 准 精 度 的 单 列 圆 锥 滚 子 轴 承30204 其 尺 寸 为 d d t 20mm 47mm 15 25mm 3 5 3 搓盖电机的选型计算 根据原始数据 需要 7 0瓶每分钟的速度 因为有控制力矩的装置作保证 考虑到 实际的工作效率和经济因素 电机不需再外界减速器 转矩的估算 查相关资料可知 旋盖时的转矩大约为 1 k g c m 所需电机的功率不超过 1 0 0 w 根据上面的数据 这里选择一微特电机 型号为 a02 5614 的小功率三相异步电机 其参数为 额定功率 6 0 w 额定电压 3 8 0 v 满载时电流 a 0 2 8 满载时转速 r m i n 1 4 0 0 满载时效率 5 6 最大转矩 k g c m 2 2 基座号 5 6 机身直径 1 2 0 机身长度 l 1 7 0 自动分度式搓盖机设计 20 4 电气控制部分的设计 4 1 控制器的选型与设计 4 1 1 控制器的选择 在实现自动分度式搓盖机的控制方面 需要选择一个适宜的 稳定性较高的可编程 控制器 通常可选的有 单片机和p l c 两种控制器 下面就这两种控制器进行比较 然 后选出一种作为本设计的控制器 单片机 单片机是一种非常集成的电子控制芯片 它在一块半导体硅片上集成了微 处理器 c p u 存储器 r a m r o m e p r o m 和各种输入 输出接口 定时器 计数器 并行i o 口 串行口 a d 转换器以及脉宽调制器p w m 等 具有一台计算机的属性 其优 点是体积小 成本低 但缺点是维护起来比较复杂 1 1 p l c p l c 是一种新型的通用自动化控制装置 它将传统的继电器 接触器控制技术 计算机技术和通信技术融为一体 具有控制功能强 可靠性高 使用灵活方便 易于扩 展等优点而应用越来越广 它实际上是一种专门面向工业的逻辑控制器 在硬件结构上 它基本与微型计算机类似 只是功能更强大 其工作过程为 输入采样 用户程序执行 输出刷新 循环执行这三步 从而形成了p l c 的扫描周期 p l c 在工业控制中的地位越来 越高 占有极其重要的地位 最重要的原因是它具有一些独特的特点 可靠性高 看 干扰能力强 控制程序可变 具有很好的柔性 变成简单 使用方便 功能完善 扩充 方便组合灵活 减少了控制系统设计及施工的工作量 体积小 重量轻 是机电一体化 的特有产品 此外 p l c 的可靠性要高于单片机 其编程简单易用 可以减少程序的错 误率 1 2 综上所述 本设计的题目为自动分度式搓盖机设计 属于工业生产范畴 对控制器 要求要有较高的稳定性 而且本搓盖机的设计属于中小型机械设备 因此 不需要功能 化的嵌入式系统以减小体积 所以 在这里选择了p l c 作为自动分度式搓盖机的逻辑控 制器 4 1 2 p l c 类型的选择 p l c 的输出类型有继电器 晶体管和晶闸管三种类型 继电器实际上是一种电子控制器件 它具有控制部件 又称输入回路 和被控制部 件 又称输出回路 通常应用在自动控制电路中 它实际上是为了安全而用较小的电 流去控制较大的电流的一种 自动开关 电磁式继电器是由线圈 铁芯 衔铁 触点 簧片等组成 只需在线圈两端加上一定的电压 线圈中便会流过一定的电流 从而产生 电磁效应 在电磁力吸引的作用下 衔铁就会克服弹簧的拉力吸向铁芯 从而带动衔铁 的静触点与动触点动作 当线圈失电后 电磁吸力也随之消失了 衔铁便会在弹簧的作 自动分度式搓盖机设计 21 用力下返回初始的位置 使动触点断开 使静触点 常闭触点 吸合 这样不断的吸合 与释放 从而达到了在电路中控制其导通与切断的目的 从继电器的工作原理可以看出 它是一种机械元件 也是通过机械动作来实现触点的通断的 属于有触点元件 晶体管 实际上是一种电子元件 它是通过基极电流来控制集电极与发射极的导通的 但它是无 触点元件 晶闸管是晶体闸流管的简称 又称可控硅整流器 晶闸管能在高电压 大电 流条件下工作 因其工作过程可以控制 被广泛用于可控整流 交流调压 无触点电子 开关 逆变及变频等电子电路中 1 3 2 继电器 晶体管及晶闸管输出的主要差别 继电器输出型 2 a 1 点 8 a 4 点公共端 交流2 5 0 v 直流3 0 v 最大 晶体管输出型 0 5 a 1 点 y 0 0 0 y 0 0 1 是0 3 a 1 点 0 8 a 4 点公共端 直流5 3 0 v 晶闸管输型 0 3 a 1 点 0 8 a 4 点公共端 交流8 5 2 4 2 v 输出电压不同 继电器输出既可以是交流电压 又可以是直流电压 晶体管输出只能是直流电压 晶闸管输出只能是交流电压 使用寿命不同 继电器由于是机械元件 受到动作次数的寿命限制 且这与负载容量也有关 随着 负载容量的增加 触点寿命几乎是按级数减少的 晶体管和晶闸管都是电子元件 只存 在老化 不存在使用寿命的限制 3 继电器与晶体管输出选用的主要原则 继电器型输出驱动的电流大 但响应慢 有机械寿命限制 适用于驱动接触器的线 圈 中间继电器 指示灯等动作频率不太高的场合 晶体管输出的驱动电流较小 频率 高 使用寿命长 适用于控制伺服控制器 固态继电器等要求频率高 寿命长的应用场 合 在高频应用场合 如果需要同时驱动大的负载 可以再加其他设备 如中间继电器 固态继电器等 方式驱动 4 使用中应注意的事项 目前 市场上经常出现的继电器问题的客户现场都有一个共同的特点 那就是 出 现故障的输出点动作频率比较快 驱动的负载都是继电器 接触器 电磁阀等感性负载 此类负载不存在吸收保护电路 因此 在p l c 使用和选择输出类型的过程中要关注下面 几点 一定要注意负载容量 输出端口电流应满足额定电流限制 来确保输出端口的发 热被限制在允许范围内 因为负载容量关系到继电器的使用寿命 随着负载容量增加 将明显降低触点寿命 所以要足够重视 一定要注意负载的性质 感性负载的开合会有瞬间高压的产生 造成表面上负载 自动分度式搓盖机设计 22 容量看似可能不是很大 但是事实上却有很大的负载容量 就大大缩短了继电器的寿命 因此 为保护继电器 应在感性负载两端接入吸收保护电路 尤其是在工作频率比较高 时 务必增加保护电路 由电容的特性知 若直接驱动容性负载 导通的瞬间会有冲击 浪涌电流 所以 原则上输出端口是不允许接入容性负载的 若有一定需要 需保证其 冲击浪涌电流应小于技术说明中的最大允许电流 一定要注意动作频率 如果动作频率比较频繁 最好采用晶体管输出型 如果所 需驱动的电流很大 则可以选用晶体管输出驱动中间继电器的模式 若是控制步进电机 或伺服系统 或是需要高速输出p w m 波 或是用在高动作频率的节点等场合 就只可以 采用晶体管输出型了 p l c 没要求主模块与扩展模块的输出类型必须一致 所以当系统 具有功能各异的较多点数时 可以考虑使用在继电器输出的主模块上使用晶体管输出或 以晶体管输出为主模块 再采用继电器输出来达到最佳配合效果 1 4 本设计对控制的要求并不高 控制简单 只需要满足一定的时序关系 以及工作节 拍 所以这里初选三菱公司的型号为f x 1 n 的p l c 整个控制系统 需要控制的执行元件有 步进电机 控制方式 脉冲 工作节拍 输送机交流电机 控制方式 触点 启停 小功率三相异步电机 控制方式 触点 启停 气缸的电磁阀 控制方式 触点 线圈 振动料斗的启停 控制方式 触点控制开 关 因为步进电机需要脉冲电