花式立体冰激凌机构设计毕业设计论文.doc

毕业设计 摘摘 要要 立体花式冰淇淋成型机是生产高档花式冰淇淋的自动化设备 主要有步进输送带 取杯机械手 灌注造型头及分接盒四大部分构成 我们对现有的冰淇淋设备进行了改良 设计 对其机械机构 控制系统进行全面改进设计 大大改善了原有设备的技术性能 改造后的成型机结构受力合理 有较高的安全系数和较长的使用寿命 这不仅使冰淇淋 生产质量明显提高 而且节约了大量的维修及设备更新费用 增加了企业的效益 为期三个月的毕业设计期间 我们完成了立体花式冰淇淋成型机的机架结构设计 造型机械手设计 气动系统设计和分接盒设计 并编写了系统控制程序 本说明书对机 架结构及传动部件 灌注造型头 气动控制系统等作了详尽的叙述 并给出了已经调试 过的 可行的软件程序 由于水平有限 错误之处在所难免 恳请老师们批评指正 关键词关键词 立体花式冰淇淋 成型机 人机界面 毕业设计 I ABSTRACT The former for three dimensional pattern ice cream is an automatic equipment producing high grade pattern ice cream It is mainly composed of four parts the step conveyer belt the robotic hands for positioning new cups nozzles for dosage 国外制造的软冰淇淋成型机虽然能够很好地将软冰淇淋浆料成型 但价格太高 国内的客户很少 因此要解决设备成型性能和价格之间的矛盾 一要在现 有国产设备的基础上 加大软冰淇淋成型机的制冷量 二要采取其他配套措施 以系统 的眼光来对待成型问题 需对国产软冰淇淋成型机的整体结构进行改进 三要降低高性 能软冰淇淋成型机的制造成本 提高设备的市场竞争力 因此 其整体设计对保证产品质量和提高生产效率非常重要 尤其需要对冰淇淋成 型机的一些关键设计进行分析研究 并提出相应的改进建议 使改造后的结构受力合理 有较高的安全系数和较长的使用寿命 从而能够改善原有设备的技术性能 提高冰淇淋 生产质量 节约大量的维修及设备更新费用 增加企业的效益 毕业设计 1 本课题目的是针对现有的冰淇淋设备进行改良设计 对其机械机构 控制系统进行 全面改进设计 与现有技术相比 本实用新型具有以下特点 一是结构设计新颖 独特 实用 二是全电路控制 电机转速可调 简单 可靠 三是整机体积较小 便于操作 无需再添加和配套其它设备即可使用 有效降低成本 四是更换不同成形孔或装有不同 口味冰淇淋的胶杯即可压出不同形状和口味的冰淇淋 快捷 方便 卫生 同时在原有 基础上 加入现有的电子产品 使成型机既具有机械的优点 又有现代机电产品的优势 真正成为符合我国实际的冰淇淋成型设备 从而促进冰淇淋行业的健康发展 毕业设计 2 第二章第二章 设计方案的确定设计方案的确定 2 1 工艺方案的分析工艺方案的分析 传传动动气气缸缸 电电磁磁铁铁 切切 料料 汽汽 缸缸 挡挡料料汽汽缸缸 送送料料气气缸缸 料料泵泵组组件件 料料斗斗组组件件 棘棘轮轮机机构构 果果 酱酱 泵泵 奶奶 酪酪 泵泵 图 2 1 冰淇淋成型机加工过程示意图 冰淇淋成型机的加工过程如图 2Error Reference source not found Error Reference source not found Error Reference source not found Error Reference source not found Error Reference source not found Error Reference source not found Error Reference source not found Error Reference source not found Error Reference source not found Error Reference source not found Error Reference source not found Error Reference source not found Error Reference source not found Error Reference source not found Error Reference source not found 传动气缸动作带动棘轮传动机构旋转一定 的角度 从而传动带移动一个杯子的距离 棘轮机构中有一离合器保证了在传动气缸收 缩时传动带不会反向运动 料斗组件中存放的是冰淇淋料 电磁铁控制料斗组件的开关 当传送带停止运动时 料斗打开冰淇淋料流入杯子中 同时根据不同的需要 打开料泵 组件 注入不同的原料 可以在造型部分加入不同的造型模具 利用这些模具制出不同 的花型 再利用切料汽缸将花型切开 将加工好的花型放入到杯子中 接着进行人工加 盖 贴标签 速冻等操作 成型机每 6 秒一个工作节拍 这样可以保证日产量很大 放 毕业设计 3 杯盒取杯均是由人工完成 又可以大大减少设备的成本 进而生产的冰淇淋的成本不高 非常适合中小企业 如果对此设备进一步缩小 可以为家庭使用 工艺流程图如图 2 2 冰冰淇淇淋淋料料 料料斗斗组组件件 造造型型 取取杯杯 放放盖盖 贴贴标标签签速速冻冻 图 2 2 冰淇淋工艺流程图 所设计的立体花式冰淇淋成型机由机架及传动部件 灌注造型头 料泵组件 控制 系统组成 控制系统主要有可编程控制器 PLC 人机界面 HMI 气缸 各种传感器等 组成 PLC 具有可靠性高 抗干扰能力强 编程简单 功能强大 更加人性化的特点 人机界面是在操作人员和机器设备之间作双向沟通的桥梁 用户可以自由的组合文字 按钮 图形 数字等来处理或监控管理及应付随时可能变化信息的多功能显示屏幕 使 用人机界面能够明确指示并告知操作员机器设备目前的状况 使操作变的简单生动 并 且可以减少操作上的失误 在冰淇淋成型机中引入 PLC 和 HMI 既可以增加设备的稳定 性 又可以提高生产效率 进一步提高设备的附加值 2 2设计方案论证与比较设计方案论证与比较 这次设计的课题是在原有成型机的基础上改进的 首先原有的成型机体积大 结构 复杂 维修困难 采用 MCS 51 控制系统 其次 控制面板上需要安装许多按钮 操作复 杂 功能增加的同时 工作参数的调整数量也相应的增加 再者 功能的增加使设备的 工位增多 这样对故障的排除提出了新的要求 从而使成型机制造成本很高 成型机的 毕业设计 4 市场售价也很高 生产出的立体花式冰淇淋价格相应也高 这些都影响了成型机的经济 效益 在这种情况下 我们提出了对成型机进行改造的课题 在保留原有成型机优点的同 时 我们对成型机作了改进 把原有的控制系统改为 PLC 进行控制 利用人机界面进行 操作 从而增加了设备的可靠性 易于排除故障 提高生产率 采用人机界面之后 用 户可以根据操作要求 通过屏幕转换来加以解决 对于运行参数的修改和设定 也可以 将其设计在屏幕上运行显示和调整 进入正常运行后 还可以根据实际的工况环境 对 一些参数进行调整 其次 可以为故障的查找提供相应的提示 在屏幕界面设计时 可 先将每一功能部件均简化成示意图 图中将各信号点在相应的部位列出 当设备有故障 时 通过程序判断将相应的部位画面在屏中自动的显示出来 帮助用户到相应的工位上 去找故障点 这样就能迅速 准确排除故障 减少查找故障的时间而造成平均产量的下 降 另外 在设备调试期间 调试人员可根据部件示意图的动态效果 在屏上观察各个 部件得运行情况 由此来判断各输入输出点的接线及状态是否正确 给调试带来方便 在正常的生产期间 操作人员也可直接通过查看屏幕了解设备的运行情况 成型机设计适应了中 小企业的要求 提高了产品的经济性 此处省略 NNNNNNNNNNNN 字 如需要完整说明书和设计图纸等 请联系 扣扣 九七一九二零八零零 另提供全套机械毕业设计下载 该论文已经通过答辩 毕业设计 5 第三章第三章 冰淇淋成型机机械结构设计冰淇淋成型机机械结构设计 冰淇淋成型机是生产冰淇淋必不可少的设备 它主要由制冷系统 控制系统 传动系 统和搅拌系统等组成 冰淇淋机传统的控制方式是接触器 继电器式的 但是这种控制方 式在开发周期 硬件的灵活性 适应性 准确性上很难满足客户的需求 尤其在高性能 的软冰淇淋成型机方面 随着微电子技术 计算机技术 可编程工业控制器技术的发展 电子电控系统取代继电器控制方式 而可编程控制器比单片机具有可靠性高 抗干扰能 力强 编程简单 功能强大 更加人性化等优点 如今 国内已经出现了很多有关 PLC 控制的冰淇淋机 而国外电子计算机应用于冰淇淋生产已很普遍 不仅用于配方设计 而且 用于整个生产系统的自动化控制 随着更多先进的技术引入中国 竞争也向着多层次发展 国内冰淇淋行业首先要避免走 单纯的测绘仿制的老路 开发出多品种多规格大型化 适合中国国情的设备 其次要改变 国 产设备价廉质次 的观念 在提高产品科技含量的同时 重视产品的加工质量 精益求精 立体花式冰淇淋成型机是一种高档次的冷饮食品加工机械 其产品要求在造型上 口味上有其独特优点 但卫生要求尤为重要 机架及传动部件是立体花式冰淇淋成型机 的主要部件之一 而冰淇淋就是在传动部件带动下经过不同工位的操作在机架上成型的 这就要求机架的操作部分必须保持清洁卫生 在设计中是通过将驱动部分与工作部分分 开来实现此要求的 有效的防止了驱动润滑脂对冰淇淋的影响 在导轨护养中使用食用油 毕业设计 6 也是这个原因 在材料选用方面 传动部件的导轨选用方铝 杯座选用 1Cr18Ni9Ti 不锈 钢 不仅满足了卫生要求 而且满足了产品设计的外观要求 我们所设计的机架式封闭式结构 体积为 1500 x1000 x1000 在高度方向上尺寸的设 计中考虑到用户操作方便 舒适 前后面板 侧面板及盖板均采用 1Cr18Ni9Ti 不锈钢材 料 横梁 立柱 支承板等结构件多采用 Q235 较多的采用铝板所卷制的角钢 横钢形式 既美观漂亮 给人清洁感 又能降低成本及机床重量 同时保证了机床所需的刚度及强 度 机架内部留有空间用于安装电磁阀板 这样使得整机结构紧凑 机架整体结构紧凑 外形整洁光亮 给人一种清新的感受 3 1传动部分传动部分 立体花式冰淇淋成型机的传动部件是在微机控制下的气动执行元件 驱动气缸作 用下 带动齿轮实现履带的传动的结构 齿轮向履带传递运动是通过双排链传动实现的 该机构有机地结合了微机 气动及机械结构配合控制的方法 传送带的驱动单元由驱动气缸 齿条轴 齿轮 棘轮机构等几个主要部分组成 上 气后 驱动气缸无杆腔通气 活塞杆上升 齿条轴在导向座导向作用下也上升 带动齿 轮正向旋转 因离合器是正向结合的 所以链轮也正向旋转 链条在水平方向上移动一 段距离 杯座有一个工作位置移到下一个工作位置 到位后 其他各部件执行相应操作 如取杯 灌注等 同时气缸有杆腔通气 活塞杆下降 齿条轴下降 带动齿轮反向旋 转 但因离合器是反向脱开的 链轮并不随齿轮反转 不会使杯位发生变化 各工位操 作完毕后气缸无杆腔再次通气 进行下一个循环过程 这样就可以使传送带实现所需的 步进动作 其中关键的是齿轮齿条的传动 如图 3 1 毕业设计 7 图 3 1 齿轮齿条传动示意图 成型机根据工艺要求 当传送带停止时 其他执行器才开始操作 操作完毕后 传 送带开始下一次步进 在设计中采用了 气 电 互锁的方案 保证在驱动气缸活塞杆前伸 时其他执行器因无气而不会动作 3 2棘轮机构棘轮机构 棘轮机构由棘轮和棘爪组成的一种单向间歇运动机构 它将连续转动或往复运动 转换成单向步进运动 棘轮轮齿通常用单向齿 棘爪铰接于摇杆上 当摇杆逆时针方 向摆动时 驱动棘爪便插入棘轮齿以推动棘轮同向转动 当摇杆顺时针方向摆动时 棘爪在棘轮上滑过 棘轮停止转动 为了确保棘轮不反转 常在固定构件上加装止逆 棘爪 摇杆的往复摆动可由曲柄摇杆机构 齿轮机构和摆动油缸等实现 在传递很小 动力时 也有用电磁铁直接驱动棘爪的 棘轮每次转过的角度称为动程 动程的大小 可利用改变驱动机构的结构参数或遮齿罩的位置等方法调节 也可以在运转过程中加 以调节 如果希望调节的精度高于一个棘齿所对应的角度 可应用多棘爪棘轮机构 棘轮机构工作时常伴有噪声和振动 因此它的工作频率不能过高 棘轮机构常用在各 种机床和自动机中间歇进给或回转工作台的转位上 也常用在千斤顶上 在自行车中 棘轮机构用于单向驱动 在手动绞车中棘轮机构常用以防止逆转 毕业设计 8 1 棘轮 2 机架 3 片簧 4 止回棘爪 5 棘爪 图 3 2 棘轮机构的组成 图 3 2 棘轮机构由棘轮 棘爪及机架组成 用于输送带每次步进时的定位 主动杆 空套在与棘轮固连的从动轴上 驱动棘爪与主动杆用转动副相连 当主动杆逆时针方向 摆动时 驱动棘爪便插入棘轮的齿槽 使棘轮跟着转过某一角度 这时止回棘爪在棘轮 的齿背上滑过 当主动杆顺时针方向摆动时 止回棘爪阻止棘轮发生顺时针方向转动 同时驱动棘爪在棘轮的齿背上滑过 此时棘轮静止不动 棘轮每次步进的角度转化为排 链的步进距离 即为相邻两杯座之间的距离 棘轮上取八个齿槽 均匀分布 齿轮的尺寸 棘轮的位置及杯座间距的关系公式如 式 3 1 L 1 4 R 3 1 其中 L 相邻杯座间距 R 齿轮半径 3 2 1棘轮机构的作用棘轮机构的作用 棘轮机构的主要用途有 间歇送进 制动和超越等 1 间歇送进 为了切削工件 带轮需作连续往复直线运动 工作台作间歇移动 当曲柄1 转 动时 经连杆 2 带动摇杆 5 作往复摆动 摇杆 5 上装有双向棘轮机构的棘爪 3 棘 轮 4 与丝杠 6 固连 棘爪带动棘轮作单方向间歇转动 从而使螺母 即工作台 作间 歇进给运动 若改变驱动棘爪的摆角 可以调节进给量 改变驱动棘爪的位置 绕自 身轴线转过 180 后固定 可改变进给运动的方向 2 制动 毕业设计 9 图示 3 2 为杠杆控制的带式制动器 制动轮与外棘轮2 固结 棘爪 3 铰接于制 动轮 4 上 A 点 制动轮上围绕着由杠杆 5 控制的钢带 6 制动轮 4 按逆时针方向自 由转动 棘爪 3 在棘轮齿背上滑动 若该轮向相反方向转动 则4 轮被被制动 3 超越 图示 3 2 的棘轮机构可以用来实现快速超越运动 运动由蜗杆传到蜗轮 通过安装在 蜗轮上的棘爪 3 驱动棘轮固连的输出轴 5 按图示 3 2 方向慢速转动 当需要轴快速转动时 可按输出轴的方向快速转动输出轴上的手柄 这时由于手动转速大于蜗轮转速 所以棘 爪在棘轮齿背滑过 从而在蜗轮继续转动时 可用快速手动来实现输出轴超越蜗轮的运 动 3 2 2 棘轮机构的设计棘轮机构的设计 棘轮机构的设计主要应考虑 棘轮齿形的选择 模数齿数的确定 齿面倾斜角的 确定 行程和动停比的调节方法 1 棘轮齿形的选择 图示 3 2 为常用齿形 不对称梯形用于承受载荷较大的场合 当棘轮机构承受的 载荷较小时 可采用三角形或圆弧形齿形 矩形和对称梯形用于双向式棘轮机构 2 模数 齿数的确定 与齿轮相同 棘轮轮齿的有关尺寸也用模数m 作为计算的基本参数 但棘轮的 标准模数要按棘轮的顶圆直径 da 来计算 如式 3 2 m da z 3 2 棘轮齿数 z 一般由棘轮机构的使用条件和运动要求选定 对于一般进给和分度所 用的棘轮机构 可根据所要求的棘轮最小转角来确定棘轮的齿数 z 250 一般取 z 8 30 然后选定模数 3 齿面倾斜角的确定 棘轮齿面与径向线所夹 称为齿面倾斜角 棘爪轴心与轮齿顶点的连线与过A 点的齿面法线 nn 的夹角 称为棘爪轴心位置角 为使棘爪在推动棘轮的过程中始终紧压齿面滑向齿根部 应满足棘齿对棘爪的法 向反作用力 N 对心轴的力矩大于摩擦力 Ff 沿齿面 对心轴的力矩 从而 Ff N tan 毕业设计 10 即 3 3 式中 f 和分别为棘爪与棘轮齿面间的摩擦系数和摩擦角 取f 0 2 3 3输送带输送带 输送带是带动杯座实现步进运动 移动杯座到不同工位进行操作的传送装置 输送 带是通过双排链传动实现其传动的 那么 杯座与链条之间是如何连接的呢 在图 3 3 中 给出了简图 图 3 3 杯座与链条联接关系简图 从图 3 3 中可以看出 杯座与链条是通过中装片连接在一起的 从而实现了杯座随链 条的步进运动 输送带采用了双排链传动 打开机架的左侧盖 转动手轮可以调整链轮的位置 达 到链条张紧的目的 以防止链条垂度过大引起的啮合不良和振动等现象 链条及输送导 轨的润滑均采用使用油脂 目前市场上销售的输送带有以下几种 1 强力型输送带 尼龙输送带 NN 输送带 和聚酯输送带 EP 输送带 其中聚 酯输送带每平米比尼龙输送带高 1 元 其中尼龙输送带的价格为 尼龙 100 NN100 输送带 20 元 平米 尼龙 150 NN150 输送带 22 元 平米 尼龙 200 NN200 输送带 24 元 平米 2 耐热输送带 普通耐热输送带和 Ep 耐热输送带 表表 3 1 普通耐热输送带各参数普通耐热输送带各参数 型 号 最高试验温度 最高短时运行温度 代号价格 元 平米 100150T122 毕业设计 11 125170T224 150200T327 175250T430 表表 3 2 Ep 耐热输送带各参数耐热输送带各参数 型 号 EP100 价格 元 平米 EP200 价格 元 平米 EP300 价格 元 平米 303438 343842 384244 424446 表 3 1 为普通耐热输送带各参数 表 3 2 为 Ep 耐热输送带各参数 从表 3 1 和表 3 2 中比较后我们选择的输送带是普通耐热输送带 型 温度条件满足要求 并且价格也适 中 综合以上各方面 机架及传动部件满足了立体花式冰淇淋成型机的工艺要求 同时 也达到了设计的要求 3 4 料斗组件的设计料斗组件的设计 送料机构采用的是以 V 型储料 经偏心轮导向的方式运动的 偏心轮固定在 V 型料 槽右下侧 偏心轮高低可调 在调整部位安装一个强力弹簧 可根据工件直径的大小 调整偏心轮向 V 型料槽的挺进的尺寸 料斗固定在分度头的右侧不动 在料斗下面设计送料滑槽 A 滑槽的高度可调 由 手轮 B 来调整 手轮的转动可使 角的大小产生变化 导致 h 的数值也随之发生变化 从而达到适合不同直径的工件的调整使用 调整的幅度为 50mm 以上 由汽缸推动滑槽 向左或向右运动 料斗 V 型槽两侧斜板可调 调整范围各 30mm 接料部位 如没什么特殊地要求 就在出料口装一个斜板 使由下料汽缸推出的冰 淇淋料经斜板自由滚落至下方的接料箱中 毕业设计 12 机体结构全采用钢板焊接而成 整体稳固 可以承受更大负荷的运动 使用高刚性 线性滑轨 能达到运动速度快 高效能 震动小 使用寿命长的要求 且操作简单 占 用空间小 可以完全满足生产形式及需求 料斗组件示意图如图 3 4 图 3 4 料斗组件示意图 毕业设计 13 图 3 5 调整板示意图 图 3 6 支承板示意图 毕业设计 14 图 3 7 接料槽示意图 图 3 8 盖板示意图 毕业设计 15 3 5 模具头组件模具头组件 所设计的模具头是立体花式冰淇淋成型机的一个十分重要的结构部件 其设计的好 坏关系到冰淇淋产品的花型完美与否 品种数量多少以及灌注质量的好坏 图 3 9 模具头组件示意图 我们所设计的立体花式冰淇淋成型机模具头部分在产品结构上采用了一些铸铝的板件 铸件 是在原有资料基础上 经过老师的指导以及自己的深思熟虑而逐渐设计出来的 该部件结构合理 布局紧凑 外形简洁 整体协调 给人一种赏心悦目的清新之感 3 5 1 模具造型头模具造型头 通过软件程序的配置与模具造型头的更换 以及气动有关参数的调整 可以实现多 种立体花式冰淇淋的造型 模具造型头要求与立轴固连 更换方便灵活 在结构和尺寸 上具有一定的互换性 所设计的模具头在模具造型头转动或摆动过程中套筒及接料口相 对不动 要求套筒与模具头有较高精度的间隙配合 3 5 2 材料选择及热处理 公差配合 润滑及其它材料选择及热处理 公差配合 润滑及其它 造型头材料大多选用铸铝合金 大件选用ZAL102 如固定板 活动板 支脚架 等 这是因为铸铝合金具有铸造性能好 密度较小 质量较轻 外观漂亮等优点 ZLA102 合金板的上 下面均经抛光处理 这样可以增加结构的外形美观 上面安装 位置有凸台 减少加工面 降低加工成本 而活动板由于要有导柱 导套装置 其下面 毕业设计 16 必须有凸台部分 用于安装导柱 导套 导套材料选用 ZQSn6 6 3 导柱采用不锈钢 导 柱导套间有相对运动 故他们之间的配合采用间隙配合 导套与活动板之间无相对运动 采用压配或过渡配合 导柱必须保证与上 下面垂直 在设计中是靠导柱上采用轴肩与 固定板的下表面相接触的方法来将导柱与固定板的垂直度控制在许可偏差范围之内 在 导柱加工时 只要保证加工轴肩端面的进刀方向与导柱的轴心线相垂直就能保证加工出 来的导柱安装后与固定板的垂直度 为了在装配时保证这种垂直关系 导柱的上端与固 定板配合处采用间隙配合 保证轴肩端面与固定板之间的接触 对于不同的立体花式冰淇淋产品 在模具造型头中执行缸的形成范围也是不同的 为了适应产品更换的要求 档块之间的距离必须是可调的 因此 档块不采用固定的挡 块 而采用可以调整的档块 对于直行升降气缸 只要松开支撑柱的上 下档块 调整 移动到所需位置 再拧紧档块上螺钉 即可实现模具造型头上 下动作的行程 为了提高使用寿命 在导柱与导套之间需要润滑 采用油环结构 开油杯孔即可实 现 为使在安装过程中调整固定板与活动板之间的距离 在导柱上方螺母与固定板之间 垫一块调整垫片 这样还可以调整固定板与活动板平行 从而更进一步地保证导柱与兩 板间的垂直度 导向性提高 导套磨损减少 模具头选用不锈钢材料 外形美观 并且清洁卫生 能满足食品加工的重要要求 模具头在接料口之间采用活套形式 接料口与活套由托架托住挂于活动板上 可以与活 动板一起上下移动 而又不影响模具头的转动 毕业设计 17 3 6 果酱加注机组件果酱加注机组件 图 3 10 果酱加注机组件示意图 图 3 10 所示为果酱加注机 果酱放在 1 果酱储备机构中 当需要生产花式冰淇淋时 气动电动机 带动输出泵 把果酱输送到果酱灌注头中 毕业设计 18 第四章第四章 气动系统设计气动系统设计 立体花式冰淇淋成型机是生产高档花式冰淇淋的自动生产设备 进口设备多采用凸 轮 气动控制系统 本机在设计中采用了 PLC 控制系统 一方面简化了机构 同时使控 制更准确 更可靠 成型机主要机架及传动部件 灌注造型头 料泵组件 分接盒等几 部分组成 能实现输送带的步进传动 冰淇淋的造型 料泵的开关 气压传动控制系统是指以压缩空气为工作介质 实现动力传递和工程控制的系统 一个典型的气动系统是由方向控制阀 气动执行元件 各种气动辅助元件以 及气源清净 化元件所组成 气压传动以空气为传动介质 取之不尽 用之不竭 用过的空气直接排到大气 中 处理方便 不污染环境 符合 绿色制造 中清洁能源的要求 空气的粘度很小 因而流动时 阻力损失小 便于集中供气 远距离传输和控制 通过对气压传动方式与其它传动方式的相互比较 可知气动易于集中控制 程序控 制和实现工序自动化 气压传动具有以下特点 1 气动元件结构简单 紧凑 易于制造 元件便于标准化 使用维修简单 寿命长 工作介质是空气 来源方便 使用后可直接排至大气 不污染环境 空气在管道内的流 动损失小 可远距离输送 压缩空气便于贮存 故气动常被做为低成本自动化气动的最 佳手段 2 在易燃 易爆 粉尘大 强磁 潮湿 温度变化大 存在腐蚀性气体等恶劣场合 工作安全可靠 易于实现快速的直线往复运动 摆动和高速转动 输出力和运动速度的 调节都很方便 安装和控制的自由度都很大 能实现过载自动保护 故气动具有非常广 泛应用领域 因其含有水蒸汽 排气噪声较大 故需供油润滑 排除冷凝水和消声 3 工作适应性 压缩空气工作压力一般在 0 4 0 8MPa 故输出力和力矩不太大 传动效率较低 空气有压缩性 运动速度的稳定性较差 实现精密 控制较难 信号传递 速度比液压 电气小 因空气传动方式有自己的优缺点 在选择传动和控制方式时应扬 长避短 对某个工程对象 最理想的传动和控制方式 可以是单一式 也可以是混合式 立体花式冰淇淋成型机输送带的步进 灌注造型动作的实现 料泵组件的开 关以及 造型的切料的动作均是在可编程控制器的控制下由气动执行件完成的 上气后 可由机 身上触摸屏的点动触点检查输送带的步进及气缸的动作是否正常可靠 而后进入系统 4 1输送带与其他执行器的互锁输送带与其他执行器的互锁 根据工艺要求 当输送带运动时其它气缸不能动作 我们设计了气 电互锁回路 毕业设计 19 如图 4 1 所示 P0 VJ3220 5B YA0 VFA5220 图 4 1 气 电互锁回路 如图 4 1 所示 因为当输送带停止时 电磁阀 YA0 的另一侧得电 气缸 P0 反方向运 动 到达终点时 气缸的另一侧气压升高 从而推动气控阀向另一侧运动 最终使其它 气动元件上气 保证在活塞杆前伸时其他执行器不动作 而在活塞杆后缩时由于采用了 离合器也不造成误动作 图 1 3 所示为 气 电 互锁回路 由气动原理图可以看出 只有在 P0 缸 输送带驱动气缸 有杆腔为高压 即输送带 停止时 气动阀左腔接通后其他气动执行器才能上气执行操作 4 2 挡料气缸 送料气缸及切料气缸挡料气缸 送料气缸及切料气缸 根据不同种类的冰淇淋 需要加入不同的原料进行造型 在造型之前需要关闭进料 的管路 此时挡料气缸动作关闭管路 接着送料气缸动作对原料造型 同时把之前已做 好的花型送出 然后切料汽缸把连续的花型分开 这三个气缸的动作顺序是由气缸的上 的位置传感器与 PLC 配合完成的 毕业设计 20 4 3气动系统原理图气动系统原理图 根据立体花式冰淇淋的成型机工艺过程 综合输送带 传动气缸 送料气缸 切料 汽缸 挡料气缸 设计出了如图 4 2 所示的原理图 P3P2P0P1 VJ3220 5GB YA0YA1YA2YA3 VFA5220 P0 传传动动气气缸缸 P1 挡挡料料汽汽缸缸 P2 送送料料气气缸缸 P3 切切料料汽汽缸缸 VJ3220 5GB VJ3220 5GB VJ3220 5GB 图 4 2 气动原理图 4 4气动元件的选择气动元件的选择 成型机上所用的气动元件均为 SMC 公司的产品 SMC CORPORATION 成立于 1959 年 总部设在日本东京 时至今日 SMC 已成为世界级的气动元件研发 制造 销售商 SMC 作为世界最著名的气动元件制造和销售的跨国公司 其销售网及生产基地遍布世界 SMC 产品以其品种齐全 可靠性高 经济耐用 结构精巧细致 质量优良 由于其体积 小 可使电磁阀板布局紧凑 占用空间小 电磁阀板装于机架内部 上有一挡板可起到 水洗机床时对阀的保护作用 毕业设计 21 4 5 控制方案的确定控制方案的确定 所设计的立体花色冰淇淋成型机采用 PLC 与触摸屏的组合控制 体现出机电一体化 产品的优点 在设计中 注重发挥以 PLC 为核心的电子技术优势 将传动机构 执行机 构和气压传动控制融为一体 使控制灵活 细致 进而使产品造型丰富多彩 更好实现 花型设计 而且花型的变更可通过软件调整有关参数及更换相应的模具方便的实现 产 品具有更大的改型灵活性 利于用户进行再次开发 PLC 可靠性高 抗干扰能力强 它是专门为工业环境下应用而设计的 对环境的要 求不高 PLC 使用方便 不需要用户自己设计和制作硬件装置 只需要根据控制要求进 行模块的配置 PLC 的编程语言简单 易学 便于掌握 用户可以容易的对程序进行更 改 PLC 控制系统的安装接线工作量比继电器接触器控制系统少的多 只需要将现场的 各种设备与 PLC 相应的 I O 端相连 PLC 的主机由微处理器 CPU 存储器 EPROM RAM 输入 输出模块 外设 I O 接口 通信接口及电源组成 主机的各个部分均通过电源总线 控制总线和数据总线 连接 人机界面是在操作人员和机器设备之间作双向沟通的桥梁 用户可以自由的组合文字 按钮 图形 数字等来处理或监控管理及应付随时可能变化信息的多功能显示屏幕 随着 机械设备的飞速发展 以往的操作界面需由熟练的操作员才能操作 而且操作困难 无法提高 工作效率 但是使用人机界面能够明确指示并告知操作员机器设备目前的状况 使操作变的 简单生动 并且可以减少操作上的失误 即使是新手也可以很轻松的操作整个机器设备 使 用人机界面还可以使机器的配线标准化 简单化 同时也能减少 PLC 控制器所需的 I O 点 数 降低生产的成本同时由于面板控制的小型化及高性能 相对的提高了整套设备的附加价 值 毕业设计 22 第五章第五章 控制系统硬件及软件设计控制系统硬件及软件设计 立体花式冰淇淋成型机的控制方案采用 PLC 气动控制系统 分接盒是联系 PLC 的输 入输出以及气动控制系统的中心枢纽 电磁阀断电 通电 气动执行元件的位置如何以及 其它机构的动作都要经分接盒得以协调实现 在设计中 分接盒有两部分组成 触摸屏 和 PLC 盒 触摸屏安装于机身表面 便于操作 PLC 盒安装于床身端部的侧盖位置 打 开侧盖可进行编程 更换 ROM 盒等操作 同时装于内部可以起到一定的保护 PLC 的作 用 采用分接盒分开可以减少控制部分的体积 增加外形美观 而且便于操作 5 1可编程控制器可编程控制器 PLC 是综合继电器接触器控制的优点及计算机灵活 方便的优点而设计制造和发展 的一种通用的工业自动控制装置 它具有可靠性高 体积小 功能强 程序设计简单 灵活通用 维护方便等一系列的优点 PLC 硬件系统的基本结构框图如图 5 1 所示 CPU EPROM RAM 电电源源模模块块 总总 线线 输输 入入 模模 块块 输输 出出 模模 块块 I O 接接 口口 通通 信信 接接 口口 用用户户输输入入模模 块块 用用户户输输出出模模 块块 外外围围设设备备 计计算算机机或或其其 它它设设备备 主主机机 图 5 1 PLC 硬件系统结构框图 在图 5 1 中 PLC 的主机由微处理器 CPU 存储器 EPROM RAM 输入 输出模 块 外设 I O 设备 通信接口及电源组成 主机的各个部分均通过电源总线 控制总线 地址总线和数据总线连接 CPU 是 PLC 的控制中枢 PLC 的 CPU 按照系统程序赋予的功能接收并存储用户键 毕业设计 23 入的应用程序和数据 检查电源 存储器 I O 以及警戒定时器的状态 并诊断用户程序 的语法错误 当 PLC 运行时 CPU 首先以扫描的方式接受现场各输入装置的状态和数据 并分别存入 I O 映像区 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术运算的结果送入 I O 映像区或数据寄存器内 等所有的用户的 程序执行完毕后 最后将 I O 映像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 直至停止 可编程控制器配有两种寄存器 即系统寄存器 EPROM 和用户寄存器 RAM 系统寄存器用来现存放系统管理程序 用户不能访问和修改这部分存储器的内容 用户 存储器用来存放系统的应用程序和工作数据状态 存放工作数据状态的用户存储器部分 也称为数据存储区 它包括输入 输出数据映像区 定时器 计数器预置数和当前值的数 据区 存放中间结果的缓冲区 PLC 的控制对象是工业生产过程 实际生产过程中的信号电平是多种多样的 外部 执行机构所需的电平也是各不相同的 而可编程控制器的 CPU 所处理的信号只能是标准 电平 这就需要有相应的 I O 模块作为 CPU 与工业生产现场的桥梁 进行信号的转换 我们在设计中根据成型机的输入输出选用 16 点输入 16 点输出的三菱 PLC 型号为 FX2N 32MR 5 2触摸屏触摸屏 触摸屏是用于用户操作的部分 客观要求便于工人操作的位置 立体花式冰淇淋成 型机工作过程中 用户是站在冰淇淋灌注头后的一端位置 进行放盖 装箱等操作的 所以控制盒安装于成型机右端床身表面上 便于用户及时操作处理问题 触摸屏作为一种新型的人机界面 从一出现就受到关注 它的简单易用 强大的功能及优 异的稳定性使它非常适合用于工业环境 甚至可以用于日常生活之中 应用非常广泛 比如 自动化停车设备 自动洗车机 天车升降控制 生产线监控等 甚至可用于智能大厦管理 会议室声光控制 温度调整 触摸屏具有操作简便 界面友好 信息丰富 响应迅速 安全可靠 扩充性好等优点 触摸屏的本质是传感器 它由触摸检测部件和触摸屏控制器组成 触摸检测部件安 装在显示器屏幕前面 用于检测用户触摸位置 接受后送触摸屏控制器 触摸屏控制器 的主要作用是从触摸点检测装置接收触摸信息 并将它转换成触点坐标送给 CPU 同时 能接收 CPU 发来的命令并加以执行 目前 根据传感器的类型 触摸屏大致被分为红外 线式 电阻式 表面声波式和电容式触摸屏四种 毕业设计 24 我们在设计中选用的触摸屏为 MT5420T 该触摸屏全面支持以太网 USB 等高速接 口 支持 USB 高速接口 更多的资源 相对低的价格 简单易用 稳定可靠 全面支持 以太网通讯功能 多个触摸屏可以任意组网 使用标准 C 语言宏代码可以以多种方式被 触发 功能强大 灵活易用 USB 下载大大加快了用户组态的下载速度 增加 USB 口通讯能力 可以通过 USB 口下载程序 我们通过软件对触摸屏进行设计 模拟 设置完整触摸屏与 PLC 的通讯参数 然后 到现场进行实际操作 MT5420T 与 FX2N 32MR 通讯参数设置如图 5 2 所示 图 5 2 通讯参数设置 根据工艺和控制要求 我们可按如图 5 3 所示的流程图设计触摸屏 毕业设计 25 各各执执行行件件复复位位 完完成成 故故障障判判断断 完完成成 故故障障处处理理 减减速速 屏屏幕幕显显示示 动动作作信信号号 执执行行件件顺顺序序动动作作 启启动动 是是 是是 是是 一一般般故故障障 主主要要故故障障 否否 图 5 3 触摸屏控制流程图 图 5 4 触摸屏视图 触摸屏的主界面如图 5 4 运行设备后 点击 菜单 选择运行模式 点动操作 连 毕业设计 26 续运行 运行一次 刚运行机器时 需要检查成型机的各执行件是否到位 杯子的位置 是否合适等 则选择 点动操作 模式 如图 5 5 弹出一小的窗口 窗口中会出现对成 型机各执行器的操作按钮 传动气缸 挡料气缸 送料气缸 切料汽缸 电磁铁 果酱 泵 奶酪泵 按下不同的按钮相应的执行器动作 对应的指示灯也会闪动 点击弹出的 小窗口右下角 关闭该窗口 进入模式选择对话框 图 5 5 触摸屏视图 图 5 6 触摸屏视图 毕业设计 27 点击 运行一次 如图 5 6 成型机自动运行一个周期 然后停止 以此来检验各个 执行器是否工作正常 冰淇淋的造型是否符合要求 如果不符合要求则继续调整各执行 器 直至满足 按要求点击 连续运行 进入正常的生产过程 主界面中有一 故障停车 按钮 此按钮对应 PLC 的特殊辅助继电器 M8037 强制输出 禁止 点击它可使 PLC 所有输出禁止 成型机停止运行 选择操作模式后点击 启动 或 停止 按钮 是成型机运行或停止 主界面中各指示灯对应各执行器动作情况 执行器动 作指示灯亮 无杯 1 与 无杯 2 分别对应传动气缸处的杯子检测传感器 1 与切料汽缸处的 杯子检测传感器 当各执行器处于原位是 原位指示灯亮 5 3 PLC 盒设计盒设计 所设计的 PLC 盒主要用于安装可编程控制器及端子排的结构部分 PLC 盒面板选用 Q235 材料 厚度 2mm 其上加工有可编程控制器接线时用的穿 孔线 可编程控制器及端子排就是安装于 PLC 面板上的 分别置于面板的两侧 设计的 PLC 盒中 可编程控制器采用硬接线 接线弯成直角 理顺摆正 PLC 盒安装于立体花式冰淇淋成型机右端侧盖内 固定在床身上 打开侧盖就可以 方便的进行编程和更换 ROM 盒操作 同时 这样安装对于可编程控制器有一定的保护作 用 其上的挡板也是为了保护 PLC 盒而设计的 5 4 可编程控制器的接线及分接盒配置可编程控制器的接线及分接盒配置 可编程控制器简单 灵活性强 可靠性高等优点 其对工业生产过程的自动控制 只 有通过接线将执行器与自身联系起来才能真正体现出魅力 但是接线工作是杂乱而又繁 琐的 要是有接线配置图就可以清楚地看出接线情况 下面将详细地给出可编程控制器 的接线的配置图 同时将分接盒中的配置关系一一对应起来 就可以作为用户操作 维 修时的指导性资料 毕业设计 28 1 外部接线图 L1 L2 QS FU1 FX2n 32MR L1L2 MM HMI L1 L2 FU4FU5 KM1KM2 电电机机1电电机机2 FU2 FU3 50HZ 220V DC24V TC 图 5 5 外部接线图 2 PLC 控制原理图 传传 动动 气气 缸缸 原原 点点 传传 感感 器器 挡挡 料料 气气 缸缸 原原 点点 传传 感感 器器 送送 料料 汽汽 缸缸 原原 点点 传传 感感 器器 切切 料料 汽汽 缸缸 原原 点点 传传 感感 器器 传传 动动 气气 缸缸 终终 点点 传传 感感 器器 挡挡 料料 气气 缸缸 终终 点点 传传 感感 器器 送送 料料 汽汽 缸缸 终终 点点 传传 感感 器器 切切 料料 汽汽 缸缸 终终 点点 传传 感感 器器 X0X1X2X3X4X5X6X7 COM Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y10Y11Y12Y13 传传 动动 气气 缸缸 正正 行行 程程 挡挡 料料 汽汽 缸缸 正正 行行 程程 送送 料料 气气 缸缸 正正 行行 程程 切切 料料 汽汽 缸缸 正正 行行 程程 传传 动动 气气 缸缸 反反 行行 程程 挡挡 料料 汽汽 缸缸 反反 行行 程程 送送 料料 气气 缸缸 反反 行行 程程 切切 料料 气气 缸缸 反反 行行 程程 电电 磁磁 铁铁 KM1 KM2 原原 位位 指指 示示 灯灯 FX2N 32MR COM HMI 有有 杯杯 检检 测测 传传 感感 器器 1 X10 有有 杯杯 检检 测测 传传 感感 器器 2 X11 故故 障障 停停 止止 X12 毕业设计 29 图 5 6 PLC 控制原理图 第六章第六章 总结总结 至此 立体花式冰淇淋成型机设计完成了 它达到了设计任务书上的要求 采用 SMC 的气动元件 三菱 PLC MT5420T 触摸屏 作为一种产品 立体花式冰淇淋成型机采用的 PLC 气动控制系统 柔性强 控制精 度高 可靠 能满足各种不同花式的产品要求 体现出机电一体化产品的优势 PLC 控 制系统的抗干扰能力强 工作稳定 系统的结构能适应冰淇淋生产车间温度变化较大的 工况 增加触摸屏使成型机的操作和排除故障更加容易 成型机设计外形也给人一种清 新之感 该成型机具有以下特点 1 具