啤酒桶清洗机的设计及PLC控制【5张CAD图纸和说明书】
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啤酒
清洗
设计
plc
控制
节制
cad
图纸
以及
说明书
仿单
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1摘 要 可 编 程 控 制 器 由 于 其 在 工 业 控 制 方 面 的 应 用 意 义 日 趋 明 显 ， 已 在 机 械 制 造 、发 电 、 化 工 、 电 子 等 行 业 工 艺 设 备 的 电 气 控 制 方 面 得 到 了 广 泛 的 应 用 。 它 具 有 功能 强 大 、 使 用 可 靠 、 维 修 简 单 等 许 多 优 点 ， 并 且 在 很 多 地 方 已 逐 步 取 代 了 继 电 器电 路 的 逻 辑 控 制 。 而 本 文 讨 论 的 是 PLC 在 实 际 工 业 控 制 系 统 的 应 用 。 本 设 备是 专 为 啤 酒 桶 的 清 洗 、 消 毒 设 计 的 。 该 设 备 可 以 自 动 完 成 清 洗 消 毒 及 CO2 备压 等 全 部 工 序 。 本 设 备 适 用 桶 的 尺 寸 为 高 度 H360H560， 直 径 250 500。 本 机 主 要 由 机 架 、 电 气 控 制 箱 、 电 磁 阀 、 气 动 元 件 、 气 冲 系 统 和 水 路 系 统组 成 。 本 机 控 制 单 元 采 用 以 三 菱 公 司 的 可 编 程 控 制 器 为 核 心 对 机 器 进 行 全 过 程 控制 。关 键 词 ; 管 路 系 统 ; 清 洗 机 Abstract:Applied meaning that programmable logic controller have in its control the aspect in the industry gradually obvious, combine at manufacture，generate electricity, chemical engineering, electronics etc profession craft the equipments electricity control the aspect got the extensive application. It have the function strong and big, the usage is dependable, maintain the many advantage of simple etc., and already and gradually replaced after the logic control of the electric appliances electric circuit in a lot of places. But what the text discussion is a PLC in the actual industry to control the systems application. This equipment designed for cleaning and sterilizing casks. The equipment is automatic. The key processes contain discharging remnants, swilling with water, swilling with disinfectant, swilling with aseptic water and inflating with CO2. The height of cask is 360560.The diameter is 250500. The equipment is made of chassis, control unit, electromagnetic valve and piping. The center of manipulative unit is the MITSUBISHI PLC. PLC controls all of the running processes. Keywords:PLC; Piping; Cleaning Machine 2目 录一. 前言3（一） PLC 技术基本原理3（二） PLC 控制程序设计7（三） 清洗机的用途特点9二 机器总体设计方案10三 机架的设计13四 管路的设计21（一） 管路的设计21（二） 清洗头的设计21（三） 器件的选型23五 电路的设计29（一） 电路的设计29（二） 器件的选型35六 PLC 程序的设计38（一） I/O 点分配表38（二） 流程图39(三) 梯形图40(四) 语句表44七. 结论47八. 致谢48九. 参考文献49十. 附录:英译汉50一. 前言3(一 ) PLC 技 术 基 本 原 理1. PLC 的 发 展 历 程在 工 业 生 产 过 程 中 ， 大 量 的 开 关 量 顺 序 控 制 ， 它 按 照 逻 辑 条 件 进 行 顺 序 动 作 ，并 按 照 逻 辑 关 系 进 行 连 锁 保 护 动 作 的 控 制 ， 及 大 量 离 散 量 的 数 据 采 集 。 传 统 上 ，这 些 功 能 是 通 过 气 动 或 电 气 控 制 系 统 来 实 现 的 。 1968 年 美 国 GM（ 通 用 汽 车 ）公 司 提 出 取 代 继 电 气 控 制 装 置 的 要 求 ， 第 二 年 ， 美 国 数 字 公 司 研 制 出 了 基 于 集 成电 路 和 电 子 技 术 的 控 制 装 置 ， 首 次 采 用 程 序 化 的 手 段 应 用 于 电 气 控 制 ， 这 就 是 第一 代 可 编 程 序 控 制 器 ， 称 Programmable Controller（ PC） 。个 人 计 算 机 （ 简 称 PC） 发 展 起 来 后 ， 为 了 方 便 ， 也 为 了 反 映 可 编 程 控 制 器的 功 能 特 点 ， 可 编 程 序 控 制 器 定 名 为 Programmable Logic Controller（ PLC） 。上 世 纪 80 年 代 至 90 年 代 中 期 ， 是 PLC 发 展 最 快 的 时 期 ， 年 增 长 率 一 直 保持 为 30%-40%。 在 这 时 期 ， PLC 在 处 理 模 拟 量 能 力 、 数 字 运 算 能 力 、 人 机 接 口能 力 和 网 络 能 力 得 到 大 幅 度 提 高 ， PLC 逐 渐 进 入 过 程 控 制 领 域 ， 在 某 些 应 用 上取 代 了 在 过 程 控 制 领 域 处 于 统 治 地 位 的 DCS 系 统 。PLC 具 有 通 用 性 强 、 使 用 方 便 、 适 应 面 广 、 可 靠 性 高 、 抗 干 扰 能 力 强 、 编 程 简单 等 特 点 。 PLC 在 工 业 自 动 化 控 制 特 别 是 顺 序 控 制 中 的 地 位 ， 在 可 预 见 的 将 来 ，是 无 法 取 代 的 。 而 对 于 传 统 的 继 电 器 电 路 来 说 ， 它 难 以 实 现 复 杂 逻 辑 功 能 的 和 数字 式 控 制 ， 而 且 要 实 现 一 定 规 模 的 逻 辑 控 制 功 能 不 仅 设 计 繁 琐 ， 难 以 实 现 升 级 ，而 且 易 发 故 障 ， 维 修 复 杂 ， 现 在 已 被 大 中 型 设 备 的 控 制 系 统 所 抛 弃 。 而 PLC正 被 广 泛 的 应 用 并 且 已 逐 步 取 代 了 继 电 器 电 路 的 逻 辑 控 制 。随 着 科 学 技 术 不 断 的 飞 跃 发 展 ， PLC 也 不 断 得 到 完 善 和 强 大 ， 同 时 它 的 功 能也 大 大 超 过 了 逻 辑 控 制 的 范 围 ， 如 联 网 通 信 功 能 和 自 诊 断 功 能 等 。 因 此 今 天 这 种装 置 被 我 们 称 作 可 编 程 控 制 器 ， 不 过 我 们 还 是 习 惯 简 称 这 种 装 置 为 PLC。2.PLC 的 体 系 结 构PLC 实 质 上 是 一 种 被 专 用 于 工 业 控 制 的 计 算 机 ， 其 硬 件 结 构 和 微 机 是 基 本 一 致的 。 如 图 1.1 所 示 ：4编 程 器中央处理单元（CPU）输入电路输出电路系统程序存储区 用户程序存储区图 1.1 PLC 硬件的基本结构（ 1） 中 央 处 理 单 元 （ CPU）中 央 处 理 单 元 （ CPU） 是 PLC 的 控 制 中 枢 。 它 按 照 PLC 系 统 程 序 赋 予 的 功能 ， 接 受 并 存 储 从 编 程 器 键 入 的 用 户 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 能 检 查 用 户 程 序 的 语 法 错 误 。 当 PLC 投 入 运 行 时 ，首 先 它 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 映象 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 等 任 务 。 并 将 逻 辑 或 算 术 运 算 等 结 果 送 入 I/O 映 象 区或 数 据 寄 存 器 内 。 等 所 有 的 用 户 程 序 执 行 完 毕 以 后 ， 最 后 将 I/O 映 象 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 到 停止 运 行 为 止 。（ 2） 存 储 器与 微 型 计 算 机 一 样 ， 除 了 硬 件 以 外 ， 还 必 须 有 软 件 。 才 能 构 成 一 台 完 整 的PLC。 PLC 的 软 件 分 为 两 部 分 : 系 统 软 件 和 应 用 软 件 。 存 放 系 统 软 件 的 存 储 器 称为 系 统 程 序 存 储 器 。存 放 应 用 软 件 的 存 储 器 称 为 应 用 程 序 存 储 器 。PLC 存 储 空 间 的 分 配 ： 虽 然 大 、 中 、 小 型 PLC 的 CPU 的 最 大 可 寻 址 存 储 空间 各 不 相 同 ， 但 是 根 据 PLC 的 工 作 原 理 ， 其 存 储 空 间 一 般 包 括 以 下 三 个 区 域 ：系 统 程 序 存 储 区 ， 系 统 RAM 存 储 区 （ 包 括 I/O 映 象 区 和 系 统 软 设 备 等 ） 和 用 户程 序 存 储 区 。电源5A. 系 统 程 序 存 储 区在 系 统 程 序 存 储 区 中 存 放 着 相 当 于 计 算 机 操 作 系 统 的 系 统 程 序 。 它 包 括 监 控程 序 、 管 理 程 序 、 命 令 解 释 程 序 、 功 能 子 程 序 、 系 统 诊 断 程 序 等 。 由 制 造 厂 商 将其 固 化 在 EPROM 中 ， 用 户 不 能 够 直 接 存 取 。 它 和 硬 件 一 起 决 定 了 该 PLC 的 各项 功 能 。B. 系 统 RAM 存 储 区系 统 RAM 存 储 区 包 括 I/O 映 象 区 以 及 各 类 软 设 备 （ 例 如 ： 逻 辑 线 圈 、 数 据寄 存 器 、 计 时 器 、 计 数 器 、 变 址 寄 存 器 、 累 加 器 等 ） 存 储 区 。（ A） I/O 映 象 区由 于 PLC 投 入 运 行 后 ， 只 是 在 输 入 采 样 阶 段 才 依 次 读 入 各 输 入 状 态 和 数 据 ，在 输 出 刷 新 阶 段 才 将 输 出 的 状 态 和 数 据 送 至 相 应 的 外 设 。 因 此 ， 它 需 要 有 一 定 数量 的 存 储 单 元 （ RAM） 以 供 存 放 I/O 的 状 态 和 数 据 ， 这 些 存 储 单 元 称 作 I/O映 象 区 。 一 个 开 关 量 I/O 占 用 存 储 单 元 中 的 一 个 位 （ bit） , 一 个 模 拟 量 I/O占 用 存 储 单 元 中 的 一 个 字 （ 16 个 bit)。 因 此 ， 整 个 I/O 映 象 区 可 看 作 由 开 关量 的 I/O 映 象 区 和 模 拟 量 的 I/O 映 象 区 两 部 分 组 成 。（ B） 系 统 软 设 备 存 储 区除 了 I/O 映 象 区 以 外 ， 系 统 RAM 存 储 区 还 包 括 PLC 内 部 各 类 软 设 备 （ 逻辑 线 圈 、 数 据 寄 存 器 、 计 时 器 、 计 数 器 、 变 址 寄 存 器 、 累 加 器 等 ） 的 存 储 区 。 该存 储 区 又 分 为 具 有 失 电 保 持 的 存 储 区 域 和 无 失 电 保 持 的 存 储 区 域 ， 前 者 在PLC 断 电 时 ， 由 内 部 的 锂 电 子 供 电 。 使 这 部 分 存 储 单 元 内 的 数 据 得 以 保 留 ； 后 者 当PLC 停 止 运 行 时 ， 将 这 部 分 存 储 单 元 内 的 数 据 全 部 置 “零 ”。C 用 户 程 序 存 储 区 用 户 程 序 存 储 区 存 放 用 户 编 制 的 用 户 程 序 。 不 同 类 型 的 PLC 其 存 储 容 量各 不 相 同 ， 一 般 来 说 ， 随 着 PLC 机 型 增 大 其 存 储 容 量 也 相 应 增 大 。 不 过 对 于 新型 的 PLC， 其 存 储 容 量 可 根 据 用 户 的 需 要 而 改 变 。D 常 用 的 I/O 分 类常 用 的 I/O 分 类 如 下 ：开 关 量 ： 按 电 压 水 平 分 ， 有 220VAC、 110VAC、 24VDC， 按 隔 离 方 式 分 ， 有继 电 器 隔 离 和 晶 体 管 隔 离 。模 拟 量 ： 按 信 号 类 型 分 ， 有 电 流 型 （ 4-20mA,0-20mA） 、 电 压 型 （ 0-10V,0-5V,-10-10V） 等 ， 按 精 度 分 ， 有 12bit,14bit,16bit 等 。除 了 上 述 通 用 I/O 外 ， 还 有 特 殊 I/O 模 块 ， 如 热 电 阻 、 热 电 偶 、 脉 冲 等 模块 。按 I/O 点 数 确 定 模 块 规 格 及 数 量 ， I/O 模 块 可 多 可 少 ， 但 其 最 大 数 受CPU 所 能 管 理 的 基 本 配 置 的 能 力 ， 即 受 最 大 的 底 板 或 机 架 槽 数 限 制 。6（ 3） PLC 电 源PLC 电 源 在 整 个 系 统 中 起 着 十 分 重 要 的 作 用 。 无 论 是 小 型 的 PLC， 还 是中 、 大 型 的 PLC， 其 电 源 的 性 能 都 是 一 样 的 ， 均 能 对 PLC 内 部 的 所 有 器 件 提 供一 个 稳 定 可 靠 的 直 流 电 源 。 一 般 交 流 电 压 波 动 在 正 负 10%（ 15%） 之 间 ， 因 此可 以 直 接 将 PLC 接 入 到 交 流 电 网 上 去 。3 PLC 的 通 信 联 网依 靠 先 进 的 工 业 网 络 技 术 可 以 迅 速 有 效 地 收 集 、 传 送 生 产 和 管 理 数 据 。 因 此 ，网 络 在 自 动 化 系 统 集 成 工 程 中 的 重 要 性 越 来 越 显 著 ， 甚 至 有 人 提 出 网 络 就 是控 制 器 的 观 点 说 法 。PLC 具 有 通 信 联 网 的 功 能 ， 它 使 PLC 与 PLC 之 间 、 PLC 与 上 位 计 算 机 以及 其 他 智 能 设 备 之 间 能 够 交 换 信 息 ， 形 成 一 个 统 一 的 整 体 ， 实 现 分 散 集 中 控 制 。多 数 PLC 具 有 RS-232 接 口 ， 还 有 一 些 内 置 有 支 持 各 自 通 信 协 议 的 接 口 。PLC 的 通 信 现 在 主 要 采 用 通 过 多 点 接 口 （ MPI） 的 数 据 通 讯 、 PROFIBUS 或工 业 以 太 网 进 行 联 网 。4.PLC 的 工 作 原 理PLC 采 用 了 一 种 不 同 于 一 般 微 型 计 算 机 的 运 行 方 式 扫 描 技 术 ， 既 输 入采 样 ， 用 户 程 序 执 行 和 输 出 刷 新 三 个 阶 段 。 完 成 上 述 三 个 阶 段 称 作 为 一 个 扫 描 周期 。 不 过 严 格 地 来 说 扫 描 周 期 还 包 括 自 诊 断 、 通 信 等 ， 如 图 1.2 所 示 。第(N-1)个扫描周期输出刷新第(N+1)个扫描周期输入采样第 N 个扫描周期输入采样 输出刷新用户程序执行图 1.2 PLC 的扫描运行方式（ 1） 输 入 采 样 阶 段7在 输 入 采 样 阶 段 ， PLC 以 扫 描 方 式 依 次 读 入 所 有 的 数 据 和 状 态 ， 并 将 它们 存 入 I/O 映 象 区 的 相 应 单 元 内 。 输 入 采 样 结 束 后 ， 转 入 用 户 程 序 执 行 和 输 出 刷新 阶 段 。 在 这 两 个 阶 段 中 ， 即 使 输 入 数 据 和 状 态 发 生 变 化 ， I/O 映 象 区 的 相 应单 元 的 数 据 和 状 态 也 不 会 改 变 。 所 以 输 入 如 果 是 脉 冲 信 号 ， 它 的 宽 度 必 须 大 于 一个 扫 描 周 期 ， 才 能 保 证 在 任 何 情 况 下 ， 该 输 入 均 能 被 读 入 。（ 2） 用 户 程 序 执 行 阶 段在 用 户 程 序 执 行 阶 段 ， PLC 的 CPU 总 是 由 上 而 下 ， 从 左 到 右 的 顺 序 依 次 的 扫描 梯 形 图 。 并 对 控 制 线 路 进 行 逻 辑 运 算 ， 并 以 此 刷 新 该 逻 辑 线 圈 或 输 出 线 圈 在 系统 RAM 存 储 区 中 对 应 位 的 状 态 。 或 者 确 定 是 否 要 执 行 该 梯 形 图 所 规 定 的 特 殊 功 能指 令 。 例 如 ： 算 术 运 算 、 数 据 处 理 、 数 据 传 达 等 。（ 3） 输 出 刷 新 阶 段在 输 出 刷 新 阶 段 ， CPU 按 照 I/O 映 象 区 内 对 应 的 数 据 和 状 态 刷 新 所 有 的 数 据锁 存 电 路 ， 再 经 输 出 电 路 驱 动 响 应 的 外 设 。 这 时 才 是 PLC 真 正 的 输 出 。（ 二 ） PLC 控 制 程 序 设 计1. PLC 控 制 系 统 的 设 计 基 本 原 则（ 1） 最 大 限 度 的 满 足 被 控 对 象 的 控 制 要 求 。（ 2） 在 满 足 控 制 要 求 的 前 提 下 ， 力 求 使 控 制 系 统 简 单 、 经 济 、 使 用 和 维护 方 便 。（ 3） 保 证 控 制 系 统 安 全 可 靠 。（ 4） 考 虑 到 生 产 的 发 展 和 工 艺 的 改 进 在 选 择 PLC 容 量 时 应 适 当 留 有 余 量2 PLC 编 程 步 骤具 体 编 制 一 个 PLC 控 制 程 序 的 基 本 步 骤 如 下 (其 流 程 图 见 图 1.3)：3. PLC 提 供 的 编 程 语 言(1) 标 准 语 言 梯 形 图 语 言 也 是 我 们 最 常 用 的 一 种 语 言 ， 它 有 以 下 特 点A.它 是 一 种 图 形 语 言 ， 沿 用 传 统 控 制 图 中 的 继 电 器 触 点 、 线 圈 、 串 联 等 术 语和 一 些 图 形 符 号 构 成 ， 左 右 的 竖 线 称 为 左 右 母 线 。B.梯 形 图 中 接 点 （ 触 点 ） 只 有 常 开 和 常 闭 ， 接 点 可 以 是 PLC 输 入 点 接的 开 关 也 可 以 是 PLC 内 部 继 电 器 的 接 点 或 内 部 寄 存 器 、 计 数 器 等 的 状 态 。C.梯 形 图 中 的 接 点 可 以 任 意 串 、 并 联 ， 但 线 圈 只 能 并 联 不 能 串 联 。 内 部 继 电 器 、8计 数 器 、 寄 存 器 等 均 不 能 直 接 控 制 外 部 负 载 ， 只 能 做 中 间 结 果 供 CPU 内 部使 用 。图 1.3D.PLC 是 按 循 环 扫 描 事 件 ， 沿 梯 形 图 先 后 顺 序 执 行 ， 在 同 一 扫 描 周 期 中 的 结 果留 在 输 出 状 态 暂 存 器 中 所 以 输 出 点 的 值 在 用 户 程 序 中 可 以 当 做 条 件 使 用 。(2) 语 句 表 语 言 ， 类 似 于 汇 编 语 言 。(3) 逻 辑 功 能 图 语 言 ， 沿 用 半 导 体 逻 辑 框 图 来 表 达 ， 一 般 一 个 运 算 框 表 示一 个 功 能 ， 左 边 画 输 入 、 右 边 画 输 出 。(三 ) 清 洗 机 的 用 途 特 点检查程序有无错误运行程序有无错误程序投入使用通过 PC 机、 GPC 或 FIT 输入程序至PLC编制 PLC 程序（梯形图或指令代码）将 PLC 的 I/O 位分配给输入输出设备确定系统必须完成的各项任务及其顺序修改程序调整程序NOYESYESNO91.清 洗 机 用 途 及 使 用 范 围本 设 备 是 专 为 啤 酒 保 鲜 容 器 （ 包 括 不 锈 钢 、 塑 料 保 鲜 桶 及 扎 啤 桶 ） 的 清 洗 、消 毒 设 计 的 。 该 设 备 可 以 自 动 完 成 清 洗 消 毒 及 CO2 备 压 等 全 部 工 序 。 本 设 备为 倒 置 清 洗 方 式 适 用 桶 的 尺 寸 为 高 度 H360H560， 直 径 250 500 即 容积 为 5L， 10L， 20L 的 标 准 啤 酒 桶 。主 要 结 构 ： 本 机 主 要 由 机 架 、 电 气 控 制 箱 、 电 磁 阀 、 气 动 元 件 、 气 冲 系 统 和水 路 系 统 组 成 。工 作 原 理 ： 本 机 控 制 单 元 采 用 以 三 菱 公 司 的 可 编 程 控 制 器 为 核 心 对 机 器 进 行全 过 程 控 制 。 主 要 工 作 过 程 为 排 残 液 清 水 冲 洗 消 毒 液 冲 洗 无 菌 水 冲 洗CO2 备 压 。2. 啤 酒 桶 简 介啤 酒 桶 的 结 构 简 图 如 图 1.4 所 示灌 酒 时 酒 液 由 酒 矛 （ 以 下 简 称 内 圈 ） 注 入 可 减 少 泡 沫 的 产 生 以 保 证 酒 液 内CO2 的 含 量 ， 出 酒 时 可 在 酒 桶 顶 部 安 装 上 置 式 出 酒 器 由 桶 内 CO2 备 压 将 酒 压出 ， 也 可 以 在 酒 桶 下 部 安 装 下 置 式 （ 水 龙 头 式 ） 的 出 酒 器 。 由 于 出 酒 器 接 口 并 不存 在 清 洗 困 难 的 问 题 且 出 酒 器 不 在 本 设 计 研 究 范 围 内 ， 所 以 啤 酒 桶 结 构 简 图 中 没有 画 出 下 置 式 出 酒 器 的 接 口 位 置 。3.清 洗 特 点（ 1） 清 洗 时 ， 每 次 清 洗 液 均 由 内 圈 注 入 ， 由 内 圈 注 入 可 利 用 清 洗 液 的 压 力直 接 冲 刷 酒 桶 底 部 。（ 2） 洗 液 注 满 后 进 行 气 冲 ， 即 内 外 圈 同 时 充 入 大 量 气 体 使 桶 内 清 洗 液“沸 腾 ”， 用 气 泡 破 裂 的 力 量 清 洗 酒 桶 内 壁 ， 排 液 时 内 外 圈 同 时 排 液 。 为 保 证 酒桶 内 尽 可 能 不 含 氧 气 及 不 洁 净 气 体 ， 所 以 气 冲 时 用 CO2。（ 3） 为 保 证 出 酒 压 力 和 酒 液 品 质 ， 最 后 应 进 行 CO2 备 压 。10内 胆 壁 连 接 板密 封 元 件 垫 板 酒 矛弹 性 元 件图 1.4 酒桶内胆结构简图二. 机器总体设计方案本 机 的 输 出 状 态 为 喷 嘴 射 流 作 业 。 受 酒 桶 结 构 限 制 ， 清 洗 其 内 壁 时 只 能 将 酒桶 倒 置 于 工 作 台 上 以 便 清 洗 液 全 部 排 空 。 本 机 可 以 清 洗 不 同 容 积 的 酒 桶 ， 标 准 容积 的 酒 桶 出 口 结 构 尺 寸 也 都 是 一 样 的 ， 所 以 在 充 入 液 体 或 气 体 压 力 一 定 的 情 况 下 ，注 满 的 时 间 不 同 。 所 以 通 过 改 变 各 个 控 制 阀 开 闭 的 时 间 就 可 以 满 足 清 洗 不 同 容 积的 桶 的 要 求 。本 机 由 一 个 工 人 站 立 操 作 。 由 人 体 工 程 学 可 知 站 姿 的 操 作 范 围 如 图 1.511所 示 。 整 个 操 作 过 程 是 ： 将 酒 桶 搬 起 倒 置 于 工 作 台 上 ， 按 启 动 开 关 机 器 自 动 运 行 ，整 个 清 洗 完 成 后 再 将 酒 桶 搬 下 。 本 机 拟 一 次 同 时 清 洗 两 只 酒 桶 ， 这 样 既 可 以 提 高工 作 效 率 ， 也 不 致 使 工 人 一 次 搬 运 过 多 酒 桶 而 产 生 疲 劳 感 。由 于 本 机 的 输 出 状 态 为 喷 嘴 射 流 作 业 ， 这 就 要 求 控 制 系 统 要 对 流 体 进 行 有 效控 制 。 现 在 一 般 都 采 用 PLC 进 行 控 制 。本 机 拟 用 气 动 元 件 对 主 管 路 进 行 控 制 而 PLC 则 对 各 气 动 元 件 进 行 控 制 。这 样 做 是 考 虑 到 机 器 的 工 作 环 境 。 应 用 本 机 的 单 位 是 各 啤 酒 厂 。 “结 露 ”是啤 酒 厂 车 间 内 的 环 境 特 点 ， 因 此 必 须 考 虑 电 气 元 件 的 防 潮 。 如 果 直 接 用 电 磁 阀 控制 主 管 路 ， 则 难 于 对 电 磁 阀 进 行 保 护 。气 控 方 式 对 环 境 要 求 小 ， 工 作 寿 命 长 ， 价 格 低 ， 维 护 简 单 ， 可 高 速 动 作 ， 操纵 距 离 长 ， 且 本 机 所 要 求 的 控 制 压 力 低 ， 所 以 气 控 方 式 适 合 本 机 要 求 。本 机 主 要 由 机 架 、 电 气 控 制 箱 、 电 磁 阀 、 气 动 元 件 、 气 路 系 统 和 水 路 系 统 。工 人 在 操 作 时 应 较 轻 松 地 将 酒 桶 搬 至 工 作 台 和 操 作 各 个 开 关 ， 应 清 楚 的 看 到 操 作面 板 的 工 作 进 程 显 示 ， 应 清 楚 的 看 到 各 仪 表 示 数 和 个 气 控 阀 的 工 作 状 态 。 所 以 本机 结 构 初 步 安 排 为 总 高 2000mm， 工 作 台 高 度 800mm。 各 气 控 阀 布 置 在 工 作 台下 方 。 操 作 面 板 高 度 为 1400mm（ 工 作 台 高 度 +酒 桶 最 大 高 度 560） 。 各 电 磁阀 、 电 控 元 件 安 装 在 电 气 控 制 箱 内 。 用 气 缸 对 酒 桶 夹 紧 ， 气 缸 布 置 在 酒 桶 顶 端 控制 箱 两 侧 。 水 箱 、 消 毒 液 箱 布 置 在 工 作 台 下 方 ， 气 控 阀 后 方 。由 于 对 无 菌 水 的 保 存 使 用 有 特 殊 要 求 所 以 无 菌 水 箱 由 用 户 自 备 ， 其 电 机 和 无菌 水 泵 在 现 场 布 置 安 装 。 本 机 只 安 装 清 水 和 消 毒 液 用 电 机 ， 但 本 机 控 制 单 元 扔 对无 菌 水 用 电 机 进 行 控 制 。本 机 的 清 水 压 力 ， 消 毒 液 压 力 ， 无 菌 水 压 力 均 为 0.3MPa， 气 冲 压 力 为0.3MPa， 二 氧 化 碳 备 压 压 力 为 0.5MPa。 消 毒 液 配 方 由 用 户 自 定 。本 机 工 作 能 力 为 30100 桶 /小 时 。12图 1.5 站姿操作范围13三 机 架 的 设 计机 架 是 一 个 多 功 能 构 件 ， 是 整 机 的 基 础 ， 要 求 有 足 够 的 静 动 刚 度 ， 热 变 形 对精 度 的 影 响 尽 可 能 小 ， 原 始 精 度 和 尺 寸 的 稳 定 性 要 好 ， 外 型 美 观 ， 运 输 安 装 方 便 。在 这 些 要 求 当 中 ， 强 度 和 刚 度 是 机 架 的 基 本 技 术 指 标 。 在 许 多 情 况 下 ， 刚 度 尤 为重 要 。 本 机 为 单 件 小 批 量 生 产 ， 可 用 焊 接 机 架 。 焊 接 机 架 与 铸 造 机 架 相 比 具 有 强度 高 、 刚 性 好 、 重 量 轻 、 生 产 周 期 短 、 施 工 简 便 的 特 点 .本 机 管 道 内 流 体 具有 氧 化 性 、 腐 蚀 性 ， 所 以 机 架 、 管 道 等 有 可 能 与 液 体 相 接 触 的 部 分 选 不 锈 钢1Cr18Ni9Ti。（ 一 ） 焊 接 简 介焊 接 是 指 利 用 加 热 或 热 加 压 ， 或 两 者 并 用 的 方 法 ， 使 分 离 的 金 属 零 件 形 成 原子 间 的 结 合 的 一 种 加 工 方 法 。 它 是 现 代 工 业 生 产 中 用 来 制 造 各 种 金 属 结 构 和 机 械零 件 的 一 种 主 要 工 艺 方 法 。焊 接 结 构 工 艺 设 计 焊 接 结 构 件 种 类 各 式 各 样 ， 在 其 材 料 确 定 以 后 ， 对 焊 接 结构 件 进 行 工 艺 设 计 主 要 包 括 三 方 面 内 容 ： 焊 缝 布 置 、 焊 接 方 法 选 择 和 焊 接 接 头 设计 等 。1. 焊 缝 布 置焊 缝 布 置 是 否 合 理 ， 直 接 影 响 结 构 件 的 焊 接 质 量 和 生 产 率 。 因 此 ， 设 计 焊缝 位 置 时 应 考 虑 下 列 原 则 ： （ 1） 焊 缝 应 尽 量 处 于 平 焊 位 置 各 种 位 置 的 焊 缝 ， 其 操 作 难 度 不 同 。 以 焊条 电 弧 焊 焊 缝 为 例 ， 其 中 平 焊 操 作 最 方 便 ， 易 于 保 证 焊 接 质 量 ， 是 焊 缝 位 置 设计 中 的 首 选 方 案 ， 立 焊 、 横 焊 位 置 次 之 ， 仰 焊 位 置 施 焊 难 度 最 大 ， 不 易 保 证 焊接 质 量 。（ 2） 焊 缝 要 布 置 在 便 于 施 焊 的 位 置 焊 条 电 弧 焊 时 ， 焊 条 要 能 伸 到 焊 缝 位置 。 点 焊 、 缝 焊 时 ， 电 极 要 能 伸 到 待 焊 位 置 。 埋 弧 焊 时 ， 要 考 虑 焊 缝 所 处 的 位置 能 否 存 放 焊 剂 。 设 计 时 若 忽 略 了 这 些 问 题 ， 无 法 施 焊 。（ 3） 焊 缝 布 置 要 有 利 于 减 少 焊 接 应 力 与 变 形 接 头 处 的 硬 化 组 织 ， 影 响 加工 质 量 ， 焊 缝 布 置 应 避 开 机 加 工 表 面 。2. 焊 接 方 法 的 选 择各 种 焊 接 方 法 都 有 其 各 自 特 点 及 适 用 范 围 ， 选 择 焊 接 方 法 时 要 根 据 焊 件 的结 构 形 状 及 材 质 、 焊 接 质 量 要 求 、 生 产 批 量 和 现 场 设 备 等 ， 在 综 合 分14析 焊 件 质 量 、 经 济 性 和 工 艺 可 能 性 之 后 ， 确 定 最 适 宜 的 焊 接 方 法 。 选 择 焊 接 方 法时 应 依 据 下 列 原 则 ：（ 1） 焊 接 接 头 使 用 性 能 及 质 量 要 符 合 结 构 技 术 要 求选 择 焊 接 方 法 时 既 要 考 虑 焊 件 能 否 达 到 力 学 性 能 要 求 ， 又 要 考 虑 接 头 质 量 能否 符 合 技 术 要 求 。 如 点 焊 、 缝 焊 都 适 于 薄 板 轻 型 结 构 焊 接 ， 缝 焊 才 能 焊 出 有 密 封要 求 的 焊 缝 。 焊 接 低 碳 钢 薄 板 ， 若 要 求 焊 接 变 形 小 时 ， 应 选 用 CO2 焊 或 点（ 缝 ） 焊 ， 而 不 宜 选 用 气 焊 。（ 2） 提 高 生 产 率 ， 降 低 成 本如 果 是 位 于 不 同 空 间 位 置 的 短 曲 焊 缝 ， 单 件 或 小 批 量 生 产 ， 采 用 焊 条 电 弧 焊为 好 。 氩 弧 焊 几 乎 可 以 焊 接 各 种 的 金 属 及 合 金 ， 但 成 本 较 高 ， 所 以 主 要 用 于 焊 接铝 、 镁 、 钛 合 金 结 构 及 不 锈 钢 等 重 要 焊 接 结 构 。（ 3） 焊 接 现 场 设 备 条 件 及 工 艺 可 能 性选 择 焊 接 方 法 时 ， 要 考 虑 现 场 是 否 具 有 相 应 的 焊 接 设 备 ， 野 外 施 工 有 没 有 电源 等 。此 外 ， 要 考 虑 拟 定 的 焊 接 工 艺 能 否 实 现 。3. 焊 接 接 头设 计 焊 接 接 头 设 计 包 括 焊 接 接 头 形 式 设 计 和 坡 口 形 式 设 计 。 设 计 接 头 形 式主 要 考 虑 焊 件 的 结 构 形 状 和 板 厚 、 接 头 使 用 性 能 要 求 等 因 素 。 设 计 坡 口 形 式 主要 考 虑 焊 缝 能 否 焊 透 、 坡 口 加 工 难 易 程 度 、 生 产 率 、 焊 条 消 耗 量 、 焊 后 变 形 大小 等 因 素 。 焊 接 接 头 形 式 设 计 焊 接 接 头 按 其 结 合 形 式 分 为 对 接 接 头 、 盖 板 接 头 、搭 接 接 头 、 T 形 接 头 、 十 字 形 接 头 、 角 接 接 头 和 卷 边 接 头 等 。（ 二 ） 不 锈 钢 简 介不 锈 钢 是 指 在 大 气 、 酸 、 碱 或 其 它 化 学 侵 蚀 介 质 中 能 抵 抗 氧 化 和 腐 蚀 的 高合 金 钢 。 不 锈 钢 与 高 合 金 耐 热 钢 都 属 于 高 合 金 钢 ， 而 且 都 含 有 大 量 铬 元 素 。 有许 多 不 锈 钢 既 能 满 足 不 锈 钢 耐 化 学 介 质 腐 蚀 性 能 的 要 求 ， 也 能 满 足 耐 热 钢 热 强性 和 热 稳 定 性 的 要 求 ， 因 此 也 可 列 入 耐 热 钢 范 畴 ， 例 如 ， 、 、 钢 等 。 本 机 架 选 用 ， 属 奥 氏 体 钢 。 奥 氏 体 钢 有 两 类 ： 一 类 是 高 铬 镍 钢 ， 例 如 型 钢 、 型 钢等 ， 另 一 类 是 高 铬 锰 氮 钢 。 奥 氏 体 钢 在 加 热 和 冷 却 过 程 中 一 般 不 发 生 组 织 转 变 ，仅 有 碳 化 物 的 溶 解 和 析 出 ， 在 室 温 下 主 要 为 奥 氏 体 组 织 。 其 中 ， 型 钢主 要 用 作 不 锈 钢 ， 其 在 氧 化 性 、 中 性 及 弱 氧 化 性 介 质 中 的 耐 蚀 性 胜 过 高 铬 不 锈钢 ， 室 温 及 低 温 韧 性 也 是 铁 素 体 钢 不 能 比 拟 的 ； 型 钢 主 要 用 作 热 稳 定 钢 。 如 果 高 铬 镍 钢 提 高 含 碳 量 ， 也 可 用 作 热 强 钢 。 而高 铬 锰 氮 钢 则 主 要 用 作 不 锈 钢 。15奥 氏 体 钢 的 焊 接 性 比 马 氏 体 钢 和 铁 素 体 钢 都 好 。 但 是 ， 当 焊 接 工 艺 制 定 不当 时 也 会 出 现 一 些 问 题 。 主 要 问 题 如 下 ： 焊 接 热 裂 纹 问 题 焊 缝 和 近 缝 区 均 可 能 产 生 热 裂 纹 。 最 常 见 的 是 在 焊 缝 金 属 中 产 生 结 晶 裂 纹 ，有 时 在 近 缝 区 也 会 产 生 液 化 裂 纹 。 钢 中 的 含 镍 量 越 高 ， 产 生 热 裂 纹 的 倾 向 越 大 ，因 此 ， 型 奥 氏 体 钢 比 型 奥 氏 体 钢 热 裂 纹 倾 向 大 。 焊 接 接 头 腐 蚀 问 题 焊 接 接 头 有 可 能 产 生 两 种 腐 蚀 问 题 ：（ ） 晶 间 腐 蚀 焊 接 接 头 有 三 个 部 位 有 可 能 产 生 晶 间 腐 蚀 ： 焊 缝 晶间 腐 蚀 ； 敏 化 区 腐 蚀 ； 近 缝 区 刀 状 腐 蚀 （ 见 图 ） 。 这 三 种 晶 间 腐蚀 不 会 在 同 一 接 头 上 同 时 出 现 。 其 中 ， 焊 缝 晶 间 腐 蚀 发 生 在 采 用 单 纯 的 型 焊 接 材 料 焊 接 型 钢 以 后 ， 焊 缝 又 经 受 了 加 热 的 情 况 下 ， 或 多 层 焊 时 前 层 焊 缝 受 到 后 层 焊 缝 加 热 的 区 域 ； 敏 化 区 腐 蚀 发 生 在 不 含 稳 定 化 元 素 （ 如 、 等 ） 而 又 不 是 超 低 碳 的 型 钢 的 热 影 响 区 中 加 热 温 度 达 到 的 区 域 ； 近 缝 区 刀 状 腐 蚀 只 发 生 在 含 有 、 等 稳 定 化 元 素 的 奥 氏 体 钢 接 头 的 近 缝 区 。（ ） 应 力 腐 蚀 由 于 奥 氏 体 钢 的 导 热 系 数 小 、 线 膨 胀 系 数 大 ， 在 焊 接 不均 匀 加 热 的 情 况 下 ， 接 头 处 很 容 易 产 生 较 大 的 焊 接 残 余 拉 伸 应 力 ， 因 而 在 与 钢材 匹 配 的 介 质 共 同 作 用 下 容 易 产 生 应 力 腐 蚀 。 例 如 ， 、 等 对 奥 氏 体 钢 并 无 腐 蚀 作 用 ， 但 对 有 焊 接 残 余 拉 伸 应 力 的 接 头 却 有 腐 蚀 开 裂 作用 。 有 资 料 表 明 ， 焊 接 接 头 过 热 区 对 应 力 腐 蚀 开 裂 最 为 敏 感 。 焊 接 接 头 脆 化 问 题 奥 氏 体 钢 在 生 产 中 用 途 很 广 ， 可 以 用 在 耐 蚀 、 耐 热 、 耐 低 温 等 各 种 工 作 条件 下 ， 但 在 不 同 的 工 作 条 件 下 对 焊 接 接 头 性 能 的 要 求 不 同 。 如 果 用 作 工 作 在 室温 或 以 下 的 不 锈 钢 ， 主 要 要 求 其 具 有 耐 蚀 性 ； 如 果 用 作 热 强 钢 ， 则要 求 其 在 高 温 下 有 足 够 强 度 的 同 时 ， 有 足 够 的 塑 性 和 韧 性 ； 如 果 作 为 低 温 钢 ，则 主 要 要 求 接 头 有 良 好 的 低 温 韧 性 。 但 是 ， 如 果 焊 接 工 艺 制 定 不 当 ， 则 可 能 产生 高 温 脆 化 问 题 和 低 温 脆 化 问 题 。 （ ） 高 温 脆 化 高 温 下 进 行 短 时 拉 伸 试 验 和 持 久 强 度 试 验 表 明 ， 当 奥 氏体 钢 焊 缝 中 含 有 较 多 铁 素 体 化 元 素 或 较 多 的 相 时 ， 都 会 发 生 显 著 的 脆 化现 象 。 一 般 认 为 与 铁 素 体 化 元 素 促 使 析 出 相 和 由 相 能 直 接 转 变 成 相 有 关 。 铁 素 体 越 多 ， 影 响 越 严 重 ， 因 此 要 求 长 期 工 作 在 高 温 的 焊 缝 中所 含 的 相 数 量 应 当 小 于 。（ ） 低 温 脆 化 试 验 表 明 ， 奥 氏 体 钢 焊 缝 中 一 次 铁 素 体 相 不 仅 能引 起 高 温 脆 化 ， 而 且 也 能 引 起 低 温 脆 化 ， 相 数 量 越 多 ， 低 温 脆 化 越 严 重 。因 此 ， 为 了 满 足 低 温 韧 性 的 要 求 ， 最 好 不 采 用 双 相 组 织 ， 而 应 取 得16单 相 奥 氏 体 组 织 。 实 际 上 即 使 采 用 单 相 奥 氏 体 组 织 ， 其 低 温 韧 性 也 低 于 经 固 溶处 理 的 母 材 。一 般 来 说
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