4148花式立体冰激凌PLC系统设计【机械毕业设计全套资料+已通过答辩】
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南通大学本科生毕业设计（论文）开题报告 学生姓名 巢玉江 学 号 0710012088 专业 机械工程及自动化 课题名称 立体花式冰淇淋成型机 制系统设计 阅读文献 情 况 国内文献 5 篇 开题日期 2011 年 3 月 25 日 国外文献 2 篇 开题地点 12、 文献综述与调研报告：（阐述课题研究的现状及发展趋势，本课题研究的意义和价值、参考文献） （一） 研究的现状及发展趋势 冰激凌以其美观、冰凉、快乐与甜蜜的感受，自 19 世纪问世以来，越来越受到世界 各地人们的喜爱。近十多年，随着有关机构大力倡导食用乳制品及更多的医疗保健专家的建议，中国的冰激凌产品已成为最普及的乳制消费品了。目前，人均年消费量是 2 升（相当于 25 到 30 支的冰激凌），未来 20 年有望上升到 6 升，中国也将成为世界上最大的冰激凌消费国。而这个潜力巨大的市场吸引了越来越多资本的追捧和关注，这一切也为中国冰淇淋工业的发展带来了广阔的市场前景。 目前 , 国内的冷饮机械 , 特别是冰淇淋成形机的品种较少 , 自动化程度低 , 大多数食品厂生产的冰淇淋存在档次低和品种单一的问题 ! 在线运行的进口、国产设备 (以平 面异形线和花色雪线为主 )都只能生产中、低档棒式或平面形冰淇淋、产品迫切需要升级换代以适应市场的需求。国外一些公司的软冰淇淋浆料在中国市场推广的过程中，遇到一个突出的问题就是：很多国产的软冰淇淋成型机不能与之配套。将他们公司生产的浆料在国产的冰淇淋成型机上操作，这些浆料的成型性不好、加工出的软冰淇淋产品很难站立起来。软冰淇淋浆料成型性不好的根本原因是国产的软冰淇淋成型机的制冷量不够，当浆料进入机器之后，由于机器内的温度过高，使软冰淇淋不能硬化、站不起来。 国外冷饮业从 80 年代初开始 , 就把开发的重点放在设备 的更新改造上 , 力求以新的设备带出新的产品 , 以不断满足冰淇淋产品升级换代的要求。成型机的性能不高，制约了我国高档软冰淇淋行业的发展。有关人士认为，应尽快开发性能良好、价格适合国情的国产软冰淇淋成型机。多年从事冰淇淋设备和技术开发的中国冷食技术研发中心主任钱献庆先生告诉记者，国内市场上有国产的和国外的软冰淇淋成型机，但都存在一定的问题： 制冷量不够，不能将高品质的软冰淇淋浆料很好地成型。 价格太高，国内的客户很少。 钱献庆先生认为，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。据悉，中国冷食技术研发中心正在和上海圆圆食品机械有限公司联合研制高性价比的软冰淇淋成型机。 然而，在高速发展的今天，人们对食品种类、质量、品味等都有了更高的需求，这不仅促进了食品机械行业的发展，也对食品机械创新、技术升级提出了更高的要求。与发达国家相比 ，我国食品机械还处于弱势，不少企业存在低水平的重复建设。这种状况不但浪费了有限的资金、人力等重要资源，还造成了市场的无序混乱，阻碍了行业的健康发展。行业要发展，不仅要依靠老产品的销量增加，更需要新产品做技术支撑，现阶段行业调整产品结构、技术升级的压力日益加大。 随着全球科技的进步，发达国家已经把核能技术、微电子技术、激光技术、生物技术和系统工程融入到传统的机械制造技术中。新的合金材料、高分子材料、复合材料、无机非金属材料等新材料也得到了推广应用，机械的集成化、智能化、网络化、柔性化将成为未来发展的主流。随着 人们对食品的需求逐渐走向多样化、多层次化，为食品工业的发展提供了广阔的市场。食品机械行业也将提供多品种、高质量的产品以满足食品工业发展的需求。 总之，摒弃单一，追求多元化发展，顺应时代发展潮流，拓展食品机械发展之路，食品机械行业必将得到更快速的发展。 （二）研究的意义和价值 目前我国冰淇淋人均年消费水平约为公斤，与美国等发达国家的人均年消费量公斤差距甚远。随着我国国民经济的发展，人们生活质量提高，冰淇淋将成为老百姓的平常消费品。冰淇淋的消费目的将由过去的防暑降温转为不分季节的习惯性消费。地处中国 南方，常年气候炎热的广东和近亿的常住、流动人口及较为成熟的市场基础、强劲的消费市力，形成对冷冻饮食的旺盛需求。 近年来冷冻饮品在国内食品行业中发展迅猛，中国庞大的冷冻饮品市场招引了众多的淘金者的追逐。我国从 90 年代以来，被誉为“冷饮之王”的冰淇淋乳品生产每年以约的速度在递增。中国冷饮市场在 10 年内产量增长了近 12 倍，品种从几十种增加到 3000 多种。上海、广东、北京是冰淇淋销量最集中的三大区，约占全国总量的 30左右。在未来的 5内行业收入仍然将保持 20%以上的增长速度。 有这么大的市场，但是我国生 产冰激凌的设备还比较落后。我国冰激凌生产设备与国外还有一定的差距，主要表现在稳定性和可靠性，造型落后，外观粗糙，基本件与配套件寿命短，无故障运行时间和大修周期短，且绝大多数产品还没有制定可靠性标准。发达国家十分注重食品机械产品的内在质量、外观质量及整体效果，对每个零部件的质量都精益求精，把产品的外观质量看作整机质量的重要组成部分，对影响外观质量的模具及设备表面处理等都舍得投资研究。发达国家 目前研制开发的食品机械新产品是集机、点、光、声、磁、化、美等一体上的高技术和高智能产品。先进技术水平体现在产品高度自动化 、生产高效率化和食品资源高度综合利用化，不仅保持食品的营养风味，能生产出高品质的食品，而且可保护环境和节约能源。如日本食品机械自动化程度高，采用大量的光、计算机和伺服驱动系统等先进技术；许多设备的附加值高，具有自动检测、自动报警、自动纠错和补偿功能，可以达到无人化操作。 因此， 研究花式冰淇淋成型机 制系统意义重大。争取早日克服我国现在冰激凌成型机的一些问题，实 现冰激凌的高自动化生产，使我国冰激凌成型机设备赶超国外先进水平。生产出更物美价廉的冰激凌以满足我国巨大的市场需求。 （三） 参考文献： 1 周国富 . 食品工业现状和未来发展趋势的探讨 . 广州食品工业科技 . 2003,19(3)： 100102， 99 2 黄圣明 . 新世纪之初的中国食品工业发展趋势分析 . 食品工业科技 . 2000(1)： 5 8 3 盛国华 . 国内外速冻食品的概况及发展趋势 . 冷饮与速冻食品工业 . 1999(2)： 42 43 4 童军茂，施维新 . 我国速冻食品的现状及发展对策 . 冷饮与速冻食品工业 . 2001，7(1)： 33 34 5 黄圣明 . 国内外冷冻食品生产现状与发展 趋势 . 食品与机械 ): 4 5 三、 课题的研究方法、技术路线 四、 研究工作条件和基础 五、 进度计划 起讫日期 工作内容 指 导 教 师 评 语 导师签名： 年 月 日 教 研 室 意 见 教研室主任签名： 年 月 日 学院 意见 通过开题（ ） 开题不通过（ ） 教学院长签名： 年 月 日 南通大学毕业设计（论文）立题卡 课题名称 立体花式冰淇淋成型机 制系统设计 出题人 课题表述（简述课题的背景、目的、意义、主要内容、完成课题的条件、成果形式等） 冰淇淋是一种风味可口、富有情调的冷食产品，市场空间极大。但成型设备存在的缺陷，影响了我国高档软冰淇淋的生产。我国食品设备企业应加大创新力度，尽快研制出高性能的国产冰淇淋成型机，以推动冰淇淋行业的健康发展。 本课题针对现有的冰淇生产设备进行改良设计，对其机械结构、控制系统进行全面改进设计。 课题任务主要包括：成型机部分结构设计、 制系 统设计、气动系统设计等。 完成课题的条件： 验箱、气动试验系统、计算机等。 成果形式：图纸、 纸、毕业设计说明书等。 课题 来源 科研 课题类别 毕业设计 该课题对学生的要求 要求学生 具备一定的机械工程及自动化专业知识，有较好的 程能力 和 计算机应用能力 。 教研室意见 教研室主任签名： _ _年 _月 _日 学院意见 同意立题（ ） 不同意立题（ ） 教学 院长签名： _ _年 _月 _日 注： 1、 此表一式 三 份，学院 、教研室、学生档案 各一份。 2、课题来源是指： 3. 其他。 3、 课题类别是指： 4、教研室意见：在组织专业指导委员会审核后，就该课题的工作量大小，难易程度及是否符合专业培养目标和要求等内容提出具体的意见和建议。 5、学院可根据专业特点，可对该表格进行适当的修改。 s of is of of on So of s is in of s of of to we it is in we to if its of at to of is of or so it is of is do as or he of is of on of of of of of of on mm in of by 5% 30% by NC is of a is it be s on of so of is As of of of so be on of be be in in be to or to In s be to or to be be be in in of of if we of in s we of of be as at s of so 1. At ew to in Its is is at of of be of as of So on as (1) (of of of a of A 62 in m=2mm a =0.5%t (, a of a of =7%t (, an In a t is (2) a is a a if in is 62 4mm s is to be a to to on to it a to to 2 (3) of s of to on to a is is as 70, or s to to in We to or to to . In so to C is a mu m. to to 2 or a if or to a so a is at by or to C NC a mu m. of of is (4) of to to to is so of is to a in to is is so on to a (5) n of to to to on is to is so on to 普通全钢冲模的冲压精度分析 板料冲压件的精度准确显示出其冲模的冲压精度。而任何冲件的线性尺寸精度与形位精度主要取决于冲模冲裁和立体成形冲压件展开平毛坯的落料精度。因此，多工步复合冲压的单工位复合模、多工位连续模的冲压精度，在普通冲压的众多种类与不同结构的冲模中，最具典型性和代表性。 冲模的冲压精度分析 对冲模投产至失效报废各个时期冲件的实际误差分析，可以看出其增大的时期及趋向，从而分析其增大的因素。新冲模投产至第一次刃磨前冲制冲件的误差即所谓的初始误差；冲模经过 20次左右刃磨至失效报废前冲制的冲件误差称之 为常规误差；而冲模失效报废前冲制的最后一批合格冲件的允许最大误差称之为极限误差。在现场，确定冲模刃磨寿命的依据是冲件冲孔与落料的毛刺高度。由于任何成形件都具有冲裁作业（毛坯落料或冲孔），对于复合模尤为如此。所以，冲件毛刺高度的触模检查和测量并按企业标准或 压件毛刺高度对照检测就显得十分重要。 冲模的初始误差通常是冲模整个寿命中冲件误差最小的。其大小主要取决于冲模的制造精度与质量及冲件尺寸、料厚以及间隙值大小与均匀度。冲模的制造精度及质量又取决于制模工艺。对于料厚 t 1中碳钢复合冲 裁模冲件，实验结果与生产实践都证明，电火花线切割制造的冲模冲件毛刺高度比用成型磨或 5% 30%。这是因为后者不仅加工精度高，而且加工面粗糙度 达到 m。因此，冲模的制造精度与质量等因素决定了冲模的初始冲压精度，也造就了冲件的初始误差。 冲件的常规误差是冲模经第一次刃磨到最后一次刃磨后冲出最后一个合格冲件为止，冲件实际具有的误差。随着刃磨次数的增加，刃口的自然磨损而造成的尺寸增量逐渐加大，冲件的误差也随之加大。当 其误差超过极限偏差时，冲件就不合格，冲模也就失效报废。冲件上孔与内形因凸模磨损尺寸会逐渐变小；其外形落料尺寸会因凹模磨损而逐渐增大。所以，冲件上孔与内形按单向正偏差标允差并依接近或几乎等于极限最大尺寸制模。同理，冲件外形落料按单向负偏差标注允差并依接近或几乎等于极限最小尺寸制模。这样就使冲件的常规误差范围扩大，冲模可刃磨次数增加，模具寿命提高。 冲件的极限误差是具有极限偏差的冲件所具有的实际允许的最大尺寸误差。这类冲件通常是在冲模失效报废前冲制的最后一批合格冲件。 对各类冲模冲件误差在冲模整 个寿命中出现的波动、增减趋向及规律等进行全面分析便可发现：冲件误差的主导部分是不变的；因刃口或型腔的自然磨损而出现的误差增量随冲模刃磨冲数增加而使这部分误差逐渐加大；还有部分误差的增量是非常规的、不可预见的。所以，各类冲模冲件误差是由因定误差、渐增误差、系统误差及偶发误差等几部分综合构成。 1、固定误差 新冲模在指定的冲压设备上投入使用至失效报废的整个（总）寿命过程中，其合格冲件误差的主导部分固定不变即所谓固定误差。其大小就是新冲模第一次刃磨前冲制的合格冲件的偏差，也即冲模的初始误差，而此时的冲模具有初始冲 压精度。刃磨后的冲模，因其工作零件（凸、凹模）磨损而改变尺寸误差，使冲件识差增量随刃磨次数增加而逐渐加大，故冲模刃磨后的冲压精度亦称“刃磨精度”比其初始精度要低。冲模冲件的固定误差取决于以下各要素： （ 1）冲件的材料种类、结构（形状）尺寸及料厚 冲裁间隙的大小及其均匀度对冲裁件的尺寸精度有决定性的影响。不同冲裁工艺、不同材料种类与不等料厚，间隙相差悬殊，冲压精度差异很大。同一种模数 m=料厚、中心有孔的 铜材料片齿轮复合模冲件，当取间隙 C=0.5%t（单边），用复合精冲模冲制，冲件尺寸 精度达到 件平直无拱弯，冲切面垂直度可达 其表面粗糙 m；而用普通复合模冲制，间隙C=5%t（单边），冲件初始误差亦即冲模的初始冲压精度为 1切面粗糙度m，毛刺高度为 是这个冲件用连续模冲制，间隙 C=7%t（单边），初始冲件精度为 切面更粗糙，甚至有肉眼可见的台阶。通常情况下，冲件材料及其厚度 旦选定间隙就确定了冲件的平面尺寸的固定误差的主体；冲件结构刚度及立体形状则影响其形位精度。 （ 2）冲压 工艺及冲模结构类型 采用不同的冲压工艺，冲件的精度及固定误差相差甚大。除上述片齿轮实例说明，精冲工艺与普通冲裁的冲件精度与固定误差相差一个数量级之外，即便在普通冲裁中，采用不同间隙冲裁，固定误差相差也很大。例如料厚 t= 用 C 40%t 单边类小间隙冲裁比选用 C 8%t（单边）类大间隙冲裁，冲件固定误差将加大 40% 60%，精度至少降一级。此外，采有无搭边排样，冲件的误差要远大于有搭边排样冲件。无搭边排样冲件。无搭边排样冲件的精度低于 ，而多数有搭边排样的冲件精度在 之间，料厚 t 4寸精度会更低一些。 不同冲模结构类型，由于适用冲压料厚及制造精度的差异，导致冲件的固定误差有别。复合模中，多工位连续式复合模由于冲件连续重复定位加上制模误差较大，故其冲件的固定误差比单工位复合冲裁模要 大 1 2级。 （ 3）冲模制造工艺 冲模主要工作零件即凸、凹模的加工程序，对操作上的技术要求不高，能够一次成形较复杂的模腔。但其加工表面约厚 度可高达 70，有显微裂纹，容易在冲裁时出现崩刃或剥落。 意大利 司的有关研究报告称“线切割加工对表面金相结构产生不利的影响，实际上已经改变了金相结构。我们必须用金刚石粉研磨或数控连续轨迹坐标磨削（对线切割件）作精加工”。近年来瑞士和日本等国，对电加工设备进行了深入的研究和较大的改进，制造出功能齐全的高精度 切割机，加工精度可达 至更小。加工表面粗糙度 m。根据近年对国内 12 家生产线切割机工厂的调研，国产线切割机加工精度各别厂家的各别型号线切割机可达 般都在 更大一些，个别也能达到 工表面粗糙度 m。然而，电加工烧蚀金属表面从而改变和损坏加工面金相结构的特性不会改变，除非用磨削或其他加工法去除这一有害层。所以，仅仅用电加工法，包括电火花线切割与电穿孔，难以达到冲模，尤其高精度、高寿命冲模对尺寸精度与工作零件表面粗糙度 用精密磨削法制造冲模，特别是制造高精度、高寿命冲模，诸如：薄料小间隙复合冲裁模、多工位连续式复合模等，具有尺寸精度高、工作零件加工面粗糙度 具寿命高等特点。其加工工艺目前已由过 去的普通机床粗加工改为电火花线切割或电穿孔机粗加工，最后精密磨削，也由成型磨、光学曲线磨、手动座标磨逐步过滤到连续轨迹座标磨及 续轨迹座标磨，加工粗度可达工表面粗糙度 可达 m。所以，用该工艺制造的冲模，无论尺寸精度、工作零件表面粗糙度，都能满足冲模，尤其各种复合模的要求，比电加工工艺制造的冲模高一个档次。 （ 4）间隙的大小与均匀度 拉深、弯曲、翻边及其他板料成形件一般都要先冲裁（落料）出平板展开毛坯，也有成形后落料、切开得到单个成品冲件。 故冲裁作业，包括常用的冲孔、切口、切边等，对于每种板料冲压件都是必要的。所以冲裁间隙对冲件的外廓尺寸精度有决定性的影响。冲裁间隙小而均匀，可使冲裁尺寸获取更高精度。对于拉深、弯曲等成形模，间隙大定将增大冲件口部尺寸误差及回弹。间隙不均匀会使冲件毛刺加大并招致刃口的不均匀磨损。 （ 5）冲压设备的弹性变形 在冲压过程中，冲床承载后会产生一定的弹性变形。虽然这种变形量依冲压力的大小变化且具有明显的方向性，但就冲压件，主要是对具有体积冲压性质的压印、压花、校平、压凸、起波、冲挤、镦形、翻边、镦粗、打扁、变薄拉深等工 艺作业冲制成形的冲件，对其冲压方面的尺寸精度有重大影响。 本 科 毕 业 设 计 题 目 立体花式冰淇淋成型机 制系统设计 作 者 ： 巢玉江 专 业 ： 机械工程及自动化 指导教师 ： 张兴国 完成日期 ： 年 月 日 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成果。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： 日 期： 本论文使用授权说明 本人完全了解南通大学有关保留、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 ） 学生签名： 指导教师签名： 日期： 南通大学机械工程学院 2011 年 月题目 ： 立体花式冰淇淋成型机 制系统设计 姓 名： 巢玉江 指导教师： 张兴国 专 业： 机械工程及自动化 南 通 大 学 毕 业 设 计 （论文） I 摘要 随着科学技术和经济的发展，人们 对 冰淇淋的生产提出了更高的要求。 作为 生产 高档冰淇淋的自动化设备立体花式冰淇淋成型机，主要 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 由 可编程控制器 （ 、人机界面 (气缸 和 各种传感器等组成。 本文主要介绍了成型机的控制部分，包括气动系统设计、 序、人机界面设计等。 基于 制系统的 成型机具有友好的人机交互界面，操作简单，控制集中，效率高 ,劳动强度小，具有较高的性价比，特别适合中小型企业的要求。 关键词： 人机界面 ， 冰淇淋成型机 of As it is of of of LC LC is 录 摘要 . I .一章 绪论 . 1 淇淋成型机的现状及发展趋势 . 1 淇淋成型机的意义及价值 . 2 第二章 冰淇淋成型机机械结构设计 . 3 计方案论证与比较 . 3 动部分 . 4 轮机构 . 5 送带 . 5 第三章 气动系统设计 . 7 艺方案的分析 . 7 动系统的确定 . 8 压传动的特点 . 8 送带与其他执行器的互锁 . 9 料气缸、送料气缸及切料气缸 . 10 动系统原理图 . 10 动元件的选择 . 11 第四章 控制系统硬件设计 . 12 制方案确定 . 12 编程控制器 . 13 摸屏 . 14 制盒设计 . 15 编程控制器的接线 . 16 第五章 控制系统软件设计 . 17 艺流程分析 . 17 磁阀动作时序图 . 17 摸屏 . 19 ： . 26 第六章 总结 . 29 参考文献 . 30 致谢 . 31 南通大学毕业设计 1 第一章 绪论 淇淋成型机 的现状及发展趋势 冰淇淋以其时尚美味的感受 ， 从 19 世纪问世以 来，受到了世界各地人们的喜爱 。 欧美消费者对冰淇淋的消费已做到普及，它不再是季节性的消费品，而是日常和餐后的必备的消费品。统计数据显示 ， 国内冰淇淋市场冬季是夏季的 1/30，而这个差距在美国是 1/2 到 1/3，季节性的差异反映了消费结构的单一以及产品发挥的功能单一 1。数据显示， 2007 年我国冰淇淋市场的产销量达 256 万吨，同比增长 12%， 实现销售额 308 亿元左右。预计2010 年中国市场规模将达到 280 万吨 ， 人均消费量可达 斤 /年 ； 2015 年产销量将达到 320 万吨 ,人均消费量可达 斤 / 年 2。而 且 随着人均收入增加、消费水平的提高、消费群体不断扩大以及城市化的发展 ,人们的冷饮消费习惯和消费能力有所改变和增加。这些都为中国冰淇淋市场结构升级和市场壮大提供了前提条件。 因此，加工冰淇淋机械的市场前景同样非常广阔。近年来冰淇淋行业竞争激烈，国外知名企业看好中国市场 ， 纷纷进军中国，给国内企业以很大的竞争。 并 且成型设备存在的缺陷，成型机的性能不高，制约了我国高档软冰淇淋行业的发展。所以，尽快研制出高性能的国产冰淇淋成型机，以推动冰淇淋行业的快速发展。目前国内设备大多数是以 80 年代前期的进口设备测绘开 发的 ， 由于长期良好的市场需求 ， 冰淇淋生产企业又多为新建企业 ,在技术标准上要求不高。造成了国内冰淇淋的成型机械整体的精度不高 ， 给生产厂家的质量控制和品质提高带来困难 ， 反过来还影响了新产品的生命周期。例如 ,作为冰淇淋生产的关键设备连续式凝冻机 ， 目前国家标准满产时冰淇淋进出料温度分别为 4和 ,而国外设备出料温度标准为 3。据有关研究资料表明 ,由于出料温度不够 ,对冰淇淋的组织结构和抗融性都有不利影响 ， 也阻碍了国内冰淇淋品质的提高 ， 拉大了与洋品牌产品的差距。 生产冰淇淋的设备是冰淇淋机 ， 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。这种控制方式在开发周期、硬件的灵活性、适应性 和 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、更加人性化等等 。 国内已经出现了很多有关 制的冰淇淋机。现在南通大学毕业设计 2 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 ， 并用于整个生产系统的自动化控制。 高度机械化、自动化的生产 ， 不仅大大提高了劳动生产率 ， 并可为建立良好的产品质量监控系统创造条件。国内市场上有国产的和国外的软冰淇淋成型机，但都存在一定的问题。国产软冰淇淋成型机虽然便宜，但制冷量不够，不能将高品质的软冰淇淋浆料很好地成型。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。钱献庆先生认为，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，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 4。 淇淋成型机 的意义及价值 本课题目的是对现有的冰淇淋生产设备进行改良设计，对其控制系统进行改进设计。 国内冰淇淋行业进入争取规模与效益的协调发展的新阶段。消费者对冰淇淋产品的要求不断提高 ， 对设备行业提出了全新的要求 ； 企业规模扩大 ， 对设备的生产效率要求越高 ；销售半径增大 ， 对产品的卫生控制要求也更严格 ， 设备的卫生设计将更为重要 ； 全国品牌与地区品牌逐渐形成 ， 产品的统一性及质量稳定性要求对设备行业也提出了更高要求。而只有优质的设备以其稳定的运转和低廉的维护费用才能有效地控制 生产成本 ， 体现出良好的综合效益。随着更多的国际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 5， 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。 基于这样的考虑，我们对现有的冰淇淋成型机进行改造，加入现有的电子产品，使成型机既具有 原有 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。 南通大学毕业设计 3 第二章 冰淇淋 成型 机 机械结构设计 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 制系统 6；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，成型机的市场售价也很高，生产出的立体花色冰淇淋价格相应也高，这些都影响了成型机的经济效益 7。 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 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 8。采用人机界面之后，用户可以根据操作要求，通过屏幕来加以解决。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 部件的 运行情况，由此来判断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。 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 1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。 我们所设计的机架封闭式结构，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 1锈钢材料；横 梁、立柱、支承板等南通大学毕业设计 4 结构件多采用 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。 动部分 立体花式冰淇淋成型机的传动部件是在 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 动及机械结构配合控制的方法。 图 动结构示意图 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。 如图 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 送料 、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南通大学毕业设计 5 进动作。 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 9。 轮机构 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 ，如图 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： L= (1/4) R 其中： L 相邻杯座间距 R 齿轮半径 1. 棘轮 2. 机架 3. 片簧 4. 止回棘爪 5. 棘爪 图 轮机 构 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。 可以看出， 输送带是通过双排链传动实现其传动的 。 其中，杯座与链条通过中装片南通大学毕业设计 6 联接，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 食 用油脂。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。 图 杯座与链条联接关系 简图 南通大学毕业设计 7 第三章 气动系统设计 艺方案的分析 传 动 气 缸电 磁 铁切料汽缸挡 料 汽 缸送 料 气 缸料 泵 组 件料 斗 组 件棘 轮 机 构果酱泵奶酪泵图 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 传动气缸动作 之后 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。 电磁铁得电漏斗组件则 停止放料；电磁铁失电，漏斗组件则开始放料。 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， 可以 打开料泵组件，注入不同的原料。 还 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。如果对南通大学毕业设计 8 此设备进一步缩小，可以 为 家庭使用。 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 （ 、人机界面 (气缸 和 各种传感器等组成。 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 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。 动系统的 确定 压传动的特点 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 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南通大学毕业设计 9 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 10。 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。 送带与其他执行器的互锁 根据工艺要求，当输送带停止时，其他执行器才开始操作，操作完成后输送带开始下一次步进。在系统设计时，我们采用了“气 电”互锁的方案， 因为当输送带停止时， 电磁阀 另一侧得电，气缸 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 示为“气 电”互锁回路。 P 0V J 3 2 2 0 - 5 0V F A 5 2 2 0图 气 电”互锁回路 南通大学毕业设计 10 由气动原理图可以看出，只有在 （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。 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 合完成的。 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 示的原理图 P 3 P 2 P 0 P 1V J 3 2 2 0 - 5 G 0 Y A 1Y A 2Y A 3V F A 5 2 2 0P 0 ： 传 动 气 缸P 1 ： 挡 料 汽 缸P 2 : 送 料 气 缸P 3 ： 切 料 汽 缸V J 3 2 2 0 - 5 G 3 2 2 0 - 5 G 3 2 2 0 - 5 G 动原理图 南通大学毕业设计 11 动元件的选择 成型机上所用的气动元件均为 司的产品， 立于 1959年，总部设在日本东京都 。时至今日， 成为世界级的气动元件研发、 制造、销售商。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。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 面 有一挡板可起到水洗机床时对阀的保护作用。 1. 气 缸 气 缸是 气 压传动的执行元件，它和主机工作机构直接相关，根据机械设备及其工作机构的不同， 气 缸具有不同的用途和工作要求，因此在进行 气 缸 选用 之前，必须对整个 气动系统 进行工况分析，选定 系统的工作压力。 气缸选用 的主要内容和步骤如下： （ 1） 预选气缸的缸径 根据气缸的负载状态，确定气缸的轴向负载 F；根据负载的运动状态，预选气缸的负载率；根据气源供气条件，确定气缸的使用压力 P， P 小于 减压阀的进口压力的 85%11。 （ 2） 预选气缸行程 根据气缸的操作距离及传动机构的行程来预选气缸的行程。 （ 3） 选择气缸的品种 根据气缸的承担的任务的要求来选择气缸的品种。如要求气缸到达行程终端无冲击现象和撞击噪声，应选缓冲气缸；如要求重量轻，应选轻型缸 要求安装空间窄且行程短，可选薄型缸；有横向负载，可选带导杆气缸 ；要求制动精度高，应选锁紧气缸；不允许活塞杆旋转，可选择具有杆不回转功能的气缸；出活塞杆作直线往复运动外，还需缸体摆动，可选耳轴式或耳环式安装方式气缸等。 根据成型机的运动要求，选的传动气缸、切料气缸和送料气缸为 料气缸为 2. 电磁阀 电磁阀能改变气体流动方向或通断的控制阀。 根据所选用的气缸，确定的电磁阀型号为： 作电压为 电方式为直接出线式。 南通大学毕业设计 12 第 四 章 控制系统硬件设计 制方案确定 所设计的立体花色冰淇淋成 型机采用 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 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 12。 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； 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； 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； 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 应的 I/O 端相连 13。 主机由微处理器（ 、存储器（ 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 14。 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 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 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 . 立体花 式冰淇淋成型机的控制方案采用 动控制系统， 控制 盒是联系 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 控制盒 得以协调实现。 在 设计中， 控制盒 有两部分组成 ： 触摸屏 和。触摸屏 安 装于机身表面，便于操作； 安 装于床身端部的侧盖位置，打开南通大学毕业设计 13 侧盖可进行编程、更换 等操作，同时装于内部可以起到一定的保护 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。 编程控制器 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。 件系统的基本结构框图如图 示。 C P R O 模 块总线输入模块输出模块I/ 输 入 模块用 户 输 出 模块外 围 设 备计 算 机 或 其它 设 备主 机图 件系统结构框图 在图 ， 主机由微处理器 (存储器 (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 15。 控制中枢。 照系统程序赋予的功能接收并存储用户键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 行时， 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南通大学毕业设计 14 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（ 和用户寄存器（ 。系统寄存器用来存放系统管 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。 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 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 工业生产现场的桥梁，进行信号的转换 16。 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 号为： 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 时能接收 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 17。 我们在设计中选用的触摸屏为 触摸屏 全面支持以太网， 高速接口 , 支持 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 ； 载大大加快了用户组态的下载速度 ； 增加 南通大学毕业设计 15 通讯能力，可以通过 下载程序。 我们通过软件对触摸屏进行设计、模拟，设置 触摸屏与 通讯参数，然后到现场进行实际操作。 讯参数设置如图 示。 图 通讯参数设置 制盒设计 所设计的 主要用于安装可编程控制器的结构部分。 面板选用 料，厚度 =2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 板上的，分别置于面板的两侧。 设计的 中，可编程控制器采用硬接线，接线弯成直角，理顺摆正。 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 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 而设计的。 南通大学毕业设计 16 编程控制 器 的接线 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
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