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SP100
自动
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设计
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SP100-2型自动装药机设计,SP100,自动,装药机,设计
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大连大学2 20 01 18 8 届届毕毕业业论论文文（设计）（设计）题目名称：SP100-2 型自动装药机设计所所 在在 学 院学 院 ：机械工程学院专业专业（班级班级） ：机英 144 班学 生 姓 名学 生 姓 名 ：谷沛儒指 导 教 师指 导 教 师 ：王艳颖评阅人评阅人：院院长长 ：吴吴 蒙蒙 华华DALIAN UNIVERSITYSP100-2 型自动装药机设计总计：毕业论文：44页表格：3表插图：11幅指导教师： 王艳颖评 阅 人：完成时间：2018-05-16I摘要本次设计的SP100-2自动装药机是在原有的装药机进行详细分析并且查阅大量资料的基础上，通过比较、验证、改进、设计而成的。通过考察当前装药机市场的发展现状及前景， 发现虽然现在的装药机有很多， 但是与 PLC 结合在一起实现自动化装瓶的较少。现有的自动装药机对于包装大颗粒同时形状规则的药丸的技术比较成熟，但是一些小颗粒的自动装药机的研究还不是很多， 因为小颗粒的药片重量轻， 手动包装一次比较方便，但是这样就容易造成药品污染，同时长期直接接触药品对人体健康也不利，因此，对小型药粒的自动装药机的研究目前更被人们需要。SP100-2 自动装药机将原有的装药机与西门子 S7-200 的程序控制结合到一起， 采用光电传感器数药片，药瓶传送至下料口处时，药瓶检测器识别到药瓶，电磁阀开启使药物自动进入瓶中，光电传感器识别进入药瓶的药片数量。当药片数量达到一定程度后，药瓶会继续移动，下料口处电磁阀控制关闭，等待下一个空药瓶进行装瓶。结合现有的研发技术，本次设计主要通过机械设计的方式，完成自动装药机结构的设计，包括下药机构，传输机构及液压缸的设计。完成结构设计后根据要求对控制系统进行设计，并使用宇龙机电仿真软件对控制程序进行仿真，来验证程序的可行性。关键词：装药机；关键词：装药机；PLCPLC；自动化；自动化IIABSTRACTThe design of the SP100-2 automatic charging machine is based on a detailed analysis ofthe original loading machine and a large number of data, through comparison, verification,improvement and design. Through the investigation of the current situation and Prospect of thecurrent charging machine market, it is found that although there are many current chargingmachines, there is less automation bottling with PLC. The existing automatic charging machineis more mature for the pills with large particles and regular shape, but the research of somesmall particle automatic charging machines is not much, because the small particles are lighterin weight and convenient by manual packing, but it is easy to make the drug pollution and directcontact for a long time. Drugs are also harmful to human health. Therefore, the research onautomatic charging machine for small granules is more and more needed.SP100-2 automatic charging machine combines the original loading machine with theprogram control of SIEMENS S7-200, using photoelectric sensors to count tablets, and whenthe bottle is transferred to the outlet, the bottle detector recognizes the medicine bottle, thesolenoid valve opens to automatically enter the bottle, and the photoelectric sensor recognizesthe number of the pills into the bottle. When the number of tablets reaches a certain level, themedicine bottle will continue to move, and the solenoid valve at the outlet is controlled to close,waiting for the next empty bottle to be bottled.Combined with the existing R & D technology, this design is designed mainly throughmechanical design, and the design of the structure of the automatic charging machine iscompleted, including the design of the drug mechanism, the transmission mechanism and thehydraulic cylinder. After completing the structure design, the control system is designedaccording to the requirements, and the simulation software of the Yulong electromechanicalsimulation software is used to verify the feasibility of the program.Keywords:Keywords: loadingloading machine;machine; PLC;PLC; automationautomation1目录摘摘要要.IABSTRACTABSTRACT. II1.绪绪论论.- 1 -1.1设计的理论意义和应用价值设计的理论意义和应用价值.- 1 -1.2目前研究的概况和发展趋势目前研究的概况和发展趋势.- 1 -1.3论文的主要内容和章节安排论文的主要内容和章节安排.- 2 -2SP100-2 型自动装药机结构设计分析型自动装药机结构设计分析.- 3 -2.1工作原理与设计要求工作原理与设计要求.- 3 -2.2下药机构的设计下药机构的设计.- 3 -2.3传动机构的设计传动机构的设计.- 5 -2.4传送线的设计传送线的设计.- 9 -3 3SP100-2SP100-2 型自动装药机液压系统设计型自动装药机液压系统设计.- 11 -3.1执行件的选择执行件的选择.- 11 -3.2液压系统设计与计算液压系统设计与计算.- 11 -3.3液压系统回路方案设计液压系统回路方案设计.- 14 -4SP100-2 装药机控制系统设计及仿真分析装药机控制系统设计及仿真分析.- 17 -4.1设计程序要求设计程序要求.- 17 -4.2设计思路和设计思路和 PLC 可编程控制器介绍可编程控制器介绍.- 17 -4.3元件分配表元件分配表.- 18 -4.4控制流程图控制流程图.- 18 -4.5程序梯形图程序梯形图.- 19 -4.6元器件连接图元器件连接图.- 24 -5.5.总结总结.- 26 -参考文献参考文献.- 27 -附录附录 1 1：外文翻译：外文翻译.- 28 -附录附录 2：外文原文：外文原文.- 32 -致谢致谢. - 36 -SP100-2 型自动装药机设计- 1 -1.绪论1.1设计的理论意义和应用价值基于西门子 S7-200 控制的自动装药机，是针对现有的手工药片装瓶工作模式进行机械化和自动化的进一步改装， 着重研究药品装瓶过程中保障全自动化和安全卫生密封性好的装瓶机。手工装瓶的操作人员直接接触药品，长期接触会对人身体造成伤害。与传统的手工装瓶相比，自动装药机的优点是避免操作人员与药品直接接触，进而避免了在人与药品直接接触时操作人员带来的对药品的污染，在药品质量得以保障的同时人体健康也得以保障。在生产管理方面，传统手工装瓶出现的困难难免会带来一些出错的状况。本次设计研究出的自动装药机会使装药管理过程更流程化和自动化。这样改善后有所提高的经营系统使得生产效率一并提高，控制运行也更加健康可靠。考虑到对药品包装的特殊要求，主要是防止塑料瓶中药品气体挥发和外部气体向瓶体内部渗透，对塑料瓶口与瓶盖间有较高的密封性能要求。自动装药机可以满足这一性能要求， 并消除了操作人员的不合格的处理动作对药品装瓶产生的影响， 提高装瓶质量。1.2目前研究的概况和发展趋势随着我国药物生产设备市场的迅猛发展，与之相关的生产技术应用与研发必将成为人群关注的焦点。及时的了解国内外的药物装瓶设备生产技术的研发动向、工艺设备、技术应用及趋势可以提高企业产品技术规格，同时可以提高市场竞争力。目前食品药品安全的现状不容乐观，国家食品药品监督管理局发现两大导致近几年药品安全性突发事件频繁发生的现状， 一是药品生产企业规避监管、 不按生产工艺生产，潜在不安全的因素；二是在非 GMP 流水线厂房生产药品。只有着力消除问题隐患，才能改变这一现状，从生产环节入手，要采用机械化自动化的生产，而自动装药机可以解决这种生产中的许多问题。在医药行业中，医用的装瓶机械产品种类丰富，在药品的性质、形状、包装等的要求上差异很大，且产量大。因此自动装药机品种多，目前医用包装设备中，规则形状、大颗粒的要玩自动包装技术已经非常成熟，国内外均有相关设备，但是与异性颗粒、异性瓶等相关的包装技术却较为有限。通过 PLC 直接控制电机，不仅能够依据灵活控制装药的时间来节约电能并降低成本，而且能够实现装药机方式运行的控制，这样可以提高生产质量的目的。自动装瓶机基本可分为 3 个动作机构：主传动机构、数粒机构、自动供瓶机构。通过以上 3 个机构的联动实现包装产品传动、药片计数、自动供瓶等功能。生产中，主传动机构作为整个生产过程的运输链，连接所有的动作。供瓶、数片、供盖封盖这三个生- 2 -产过程都将在这条主传动机构上完成。其中供瓶机构为：从料斗中落下的药片，通过电动震动器以及震动通道，依次进入落瓶通道，通道中有三组气缸联动，保证瓶子在设计时间内以正确的方向进入主传动链，之后运送到数粒机构。瓶子到了数片机构后，开始数片模块。通过光电传感器的感应，从料斗中选出生产要求的药片数，通过落药通道落入瓶中。装有药片的药瓶继续被传动链带至供盖封盖机构。盖子通过料斗和震动器、震动通道依次进入等待区域，钳盖用气缸组将盖子钳起，由步进电机带至药瓶上方，然后由该气缸组与压盖气缸组配合完成封盖动作。近几年我国自动装药设备技术得到快速发展，有以下几方面的重点表现：（1）智能化该领域引进一些新技术，采用的是全电脑自动控制系统，使系统更快捷、准确、可靠。（2）专门化自动装药机系统拥有较高的可靠性，工作状态平稳，零故障运行时用户首选。同时提高产品专业化程度以保障我国药品安全形势。（3）高自动化自动装药机的高自动化主要表现在先进的自动控制科学知识应用中，实现了高自动化的产品，同时提高生产率并保证能达到国家药品安全规定的各项规范标准。1.3论文的主要内容和章节安排本篇论文主要论述的是自动装药机的基本结构的设计和将西门子PLC控制程序设计与装药机结合到一起来实现将药片装瓶自动化。考虑到手动装药既容易污染药品，同时装药速度有慢，西门子 PLC 既小巧有方便，设计到装药机中可以避免以上两种情况的发生。以下章节从第二章开始将说明自动装药机的结构设计，包括传动机构的设计计算，从第三章开始将说明液压系统的设计计算，最后第四章将说明装药机控制系统的设计过程。- 3 -2SP100-2 型自动装药机结构设计分析2.1工作原理与设计要求工作原理： 当 SP100-2 型自动装药机系统开关开启时， 药瓶被传送带带动开始运动，药瓶到达药瓶检测器后，检测器检测到瓶子，并且系统控制挡瓶子、装药。当药片数目达到预先设定值时，PLC 连通电磁阀停止装药，然后重复上次工作过程。设计要求：成本低，工作稳定性好，零件要小，适应多个装药机一起工作的环境，自动化程度较高。装药机的主要技术指标：（1）装药速度 6 瓶/min,（2）装药药瓶的尺寸：高度 15mm，截面直径70mm。确定机器类型：（1） 工位：考虑到结构简单，可以控制成本，生产线数量不大，装药动作不多，选择单工位装药机。（2） 运动形式：查找资料后，了解到装料机的运动形式有连续式和间歇式两种。因为本次设计需要的是生产量小与成本低的装药机，因此我选择间歇式运动形式。（3）工艺路线：设计需要机器方便控制，所以选用直线型工艺路线。（4）装料程序：装药瓶运动到位后，下料处进行装药，装药完成后再将药瓶推到下一个生产工位。对执行构件的运动要求：输送系统要保证运动平稳性高，工作噪声小，在要求的时间内将药瓶运送到指定的装料平台上。药粒在装药的过程中平稳进入药瓶中，对装料精度有一定要求。输送部件的运动要在规定的时间内将药瓶运送到规定的位置上。结果输出，装药过程完成后还要将药瓶输送出去上，再由传送机构将药瓶运输到下一环节。2.2下药机构的设计在查找自动装药机的相关资料后，我发现我这次设计的装药机用来装药粒的机构因为设计的装药机本身是小巧简便的类型，而且最开始预装的药粒不需要很多，所以药粒落入药瓶的这一部分不需要特殊考虑药粒的总重量对机构的影响，只需要放置一个电磁阀来控制阀口的打开和关闭。虽然药粒的重量对机器下药口的影响不是很大，但是也有一定的重量，同时药粒降下的过程有一点类似液体向下落的感觉，可以借用向瓶子里装液体时需要用的计算公式来计算本次设计的小颗粒装药机的下降药粒的总量与速度。2.2.1 下药口大小的计算下药口每次降下的药粒不需要很多，因此速度不需要很快，口的大小可以控制在药- 4 -粒直径大小的1.51倍左右。而药粒直径大小之前确定在 3mm 左右，因此mmmmdd5 . 435 . 110（2.1）2.2.2 下药口速度的计算通过实际查阅资料，推断出对于药粒在装药过程中的下降速度，可以类似液体下降时的速度进行计算，查资料可得，物料经过下药口的整体体积可以用公式表示00AUV（2.2）式中：0U下药口药粒的下降速度（sm/） ，0A下药口的截面面积（2m）由伯努利方程式可以通过下药口截面面积求出上式中的药粒下降速度：hZgpZgUgp0032332（2.3）通过整理计算，可以得到下药口药粒下降速度的相关公式：CZgpgAU200（2.4）式中：C下药口药粒下降速度系数（查找参考表可得5 . 0C） ，0A下药口截面面积，综上所述，可以计算出下药口整体体积smU/3.5110322010360025. 0106005 . 0690（2.5）因为数值要取整，所以最终smU/40。2.2.3 装药时间的计算通过计算装药的时间，可以往前检测一下前面对于装药部分的设计是否满足要求。已知装药瓶的瓶口截面面积是定值0F，根据公式可知装药是药粒下降的瞬时下降量：gpZgCAdtdzFV200（2.6）将已知数据带入公式则可以得到3 . 55 . 2231022034125. 03605 . 0240021ggpZgCAdzFtzz（2.7）检查设计要求可知，下药装置满足设计要求。本次下药口的设计如图 2.1 所示。- 5 -图 2.1下药口的部分截图2.3传动机构的设计（1）传动机构的选择：看过相关资料后，首先考虑的传动系统是带传动，虽然它的功率使它通常用于中小功率的工作，同时传动平稳，能缓冲甚至吸收冲击震动，但是它的中心矩变化范围有些大，用于高速转动的设计中更合适一些，不适合本次设计。第二个考虑的是齿轮传动，与带传动相比，具有传动比不变化，效率高的优点，与带传动的共通特点是体积小，外形尺寸小，同时圆周速度及功率范围大，但是圆柱齿轮有噪音，锥齿轮加工困难，开式齿轮磨损大，斜齿圆柱齿轮和人字齿轮虽然缺点少，但是因为本次设计关于传动的要求不是十分高，所以不太方便实用。在看完蜗杆传动，摩擦轮传动，高副传动等的传动机构的特点和链传动的特点后，最终本次设计使用链传动作为传动机构，因为链传动的瞬时传动比是不恒定的，同时工作时有冲击震动，虽然不适合精确传动比和高速传动的的地方，但是像本次设计的自动装药机这类的低速工作传动地方还是可以使用的，同时中心矩的变化范围大，也可以保证装药机需要的较远距离的传动工作， 而且在油性， 酸性或高温等的恶劣条件下工作时，链传动的轴承和轴的作用力较小， 因此选择链传动作为 SP100-2 型自动装药机的传动系统。（2）机身- 6 -查找现有的可供参考的颗粒灌装机与液体灌装机的资料后，同时要考虑系统需要运转良好，SP100-2 型自动装药机的箱机架与底座都采用槽钢作为材料。2.3.1 链传动设计根据本次系统设计的要求和各种传动形式通过查阅资料后了解到的特点，自动装药机选用链传动形式，按照低速工作进行设计较好。（1）链轮齿数 z1,z2：按书中表格选 z1，取121Z。5101407001212112dnnidZ,105200传动比 i21zzi （2.8）上式中一般链传动的传动比为6i，而实际5i，因此可以以此传动比设计；（2）确定链条节距 p：单排链计算功率caP：PKKPZAca（2.9）式中：P额定功率，kW；AK工况系数；ZK主动链轮齿数系数。因为工作状态较为平稳，所以从书中表格查得：0 . 1, 0 . 1ZAKK，综上可得kWPca5 . 70 . 10 . 15 . 7。在特殊情况下，单排链传递功率0P0PKKKKPpaiZca（2.10）式中：传动比系数查书中表格得08. 1iK；多排链系数查书得单排链0 . 1pK；中心矩系数查书中表格得0 . 1aK；主动链轮齿数系数查书中图得13. 1zK。综上可得，01.131.081.01.07.5P，145. 60P。由上述公式可查表得到链号(05B)和链条节距 p：节距 p=8mm,排距mmPt46 . 5；销轴mmLx6 . 81,极限拉伸载荷NQ44001,质量mkgq/18. 0min；滚子直径mmd5max1,内链节内宽mmb31，链条节距8p。(3)计算中心距 a 和链节数0pL- 7 -无论链条的中心矩过大或是过小，都对链轮所在的链传动的正常工作有所影响，一般可取pa50300,最大取pa80max0。因此mmpa320048040。可计算链节数0pL：02122100222apzzzzpaLp（2.11）mmLp147.46832082125102510128320220又因为0pL圆整,因此取偶数mmLp481。最后计算实际中心距：21222122128224zzzzLzzLpa（2.12）322.252mm21251082510124812510124814822aa 的差值为 2.252mm5mm，所以可以选用。（4）验算链速smpnzv/96. 110006070082110006011（2.13）1.96m/s2m/s，链轮在正常工作过程中的速度在这一区间范围内，所以可以选用。（5）计算链传动作用在轴承上的压力NvpKKKFFpeFpp5 .468784. 15 . 7100015. 11000（2.14）计算出链传动在正常工作时作用在轴承上的压力同时此压力数值在轴承能承受的一定区间范围内可以确保链轮正常工作时可以平稳安全，同时确定了轴承可以在工作过程中承受住压力并不易磨损严重。（6）链轮的主要尺寸选材：经过沾火处理的 45 钢。节圆直径mmzpd3 .5321180sin8180sin11（2.15）mmzpd7 .266105180sin8180sin22（2.16）齿根圆直径mmdddTf3 .490 . 43 .5311（2.17）- 8 -mmdddTf262.70 . 4266.722（2.18）齿顶圆直径mmzpda9 .5721180cot54. 08180cot54. 011（2.19）mmzpda271.0105180cot54. 08180cot54. 022（2.20）最大齿根距离mmzpdg3 .4508. 0121180cot808. 01180cot11（2.21）选mmdg451，mmzpdg258.608. 01105180cot808. 01180cot22（2.22）选mmdg2502。齿侧凸圆最大直径尺侧凸圆的计算一共有两种计算的情况，因为尺侧的凸圆可能是偶数齿，也有可能是奇数齿，此次涉及的链轮的尺侧凸圆就是奇数齿，此次计算时选择奇数齿的公式。奇数齿：TxdzdL90cos（2.23）因此：mmLx15.490 . 42190cos3 .531mmLx261.30 . 410590cos266.72轴面主要尺寸，查书中表格可得:,1 . 7,5 . 0,6 . 11mmbmmrmmbfaammhmmrmmpxt4 . 6,5 .13,7 . 5。链轮结构:采用整体式结构，这样的结构轻便简单，减少了链轮在此系统中的出错率。链轮的润滑:采用人工润滑进行滚子链轮的润滑。如图 2.2 为依照上述计算结果绘制出的链齿平面图。- 9 -图 2.2链齿零件图2.4传送线的设计供送药瓶系统的机构：查找输送机械的资料后，选择板式输送机的机构。板式传输机相对来说运送平稳，可以保证药瓶在运送的过程中不容易掉落到输送线以外的位置，同时可以设计挡边的高度来阻挡药瓶的倾斜或窜动，为药瓶在输送过程中提供了双重的保障。2.4.1 传送线部分的计算（1）底板宽度：底板宽度按参考书中表格选择，因为药瓶在摆放到传送带上的时候不一定是以什么样的方式，有可能是人工放置，也有可能是机械手放置，因此为了药瓶在传送带上运送的过程中方向准确，避免药瓶在传送带上面摆动地厉害，底板旁边要有挡边，因此，底板宽度选择取整数以方便设计与计算，取 400mm。- 10 -挡边高度：为了药瓶在底板上的位置相对来说可靠性高一点，参照了直线型传送链的现有设计，让挡边取 1500mm，相对更能安全的保证药瓶不会从传送带上掉落。（2）牵引力的计算：输送机单位长度载荷的计算：对于承载分支：Mqqq0（2.24）式中：0q行走部分单位长度的载荷（kg/m） ，Mq底板上单位长度的重量（kg/m） 。aGqvM（2.25）ABq 600（2.26）式中：vG成件物的单重（kg） ，B底板的宽度（m） ，A底板的中立重量系数，查找书中表格可得mmA04. 0。所以：kgqM28407 . 0mmq04.2404. 0604 . 00mkgqqqM/04.532804.240（2.27）牵引链的最小张力牵引链的最小张力可以取所选用的许用张力的4%， 但单根链条的张力不锝小于40N。牵引链的最小张力影响了在工作过程中链轮可以安全正常的工作。最小张力可依据经验计算以承载分支的水平投影长度（m） ：kgLBSc1702523004 . 02300min（2.28）50kg170kg，可以安全使用。- 11 -3SP100-2 型自动装药机液压系统设计3.1执行件的选择（1）执行机构的选型：在查阅资料后我决定选择液压传动。当药瓶的送药机构将药粒送到位后,升降液压缸将药瓶顶起,进行装料。装药过程结束后药瓶下降回原位,然后推动液压缸工作,接着液压缸推动药瓶继续运动，相当于整个装药过程结束。 之后又一次推动液压缸收回,系统回位,程序同时带动系统进行下一轮的工作。本次设计装药时对系统的要求是要稳定可靠,输送与装药的过程中在传送带上停留的时间要少，以防止停留时间长时当前药瓶的装药受到影响，同时也可能影响到之后等待装药的药瓶，所以选用液压传动作为执行件较好。把系统的油液压力和缸的运动速度控制在一定的范围内，使两者互相制约，互相管理，减少了控制系统需要的零件，节省了设计成本，既可以满足使用要求，同时系统安全得以保证，运行平稳。3.2液压系统设计与计算图 3.1液压动力图示（1）负载移动力分析有已知条件可以得到， 惯性力NtvmFm502 . 01 . 0100， 负载移动阻力NF500，设静摩擦阻力1 . 0sf，负载动摩擦系数1 . 0df，NmgfFsfs100101001 . 0，NmgfFdfd100101001 . 0，但是工作过程中液压缸密封装置存在摩擦阻力（取液压缸的机械效率9 . 0m） ，所以液压缸中各工况阶段的负载值见表 3.1。- 12 -表 3.1液压缸各运动阶段负载表运动阶段计算公式液压缸负载力（N）液 压 缸 的 推 力0F(N)启动fsFF 100111加速fdmFFF150166.7快进fdFF 100111装料fdtFFF600666.7缩回fdFF 100111停止mfdFFF5055.6（2）运动分析：根据设计已有的条件，在工作时快进、快退速度为 6m/min，换算单位为 0.1m/s，真正工作时加速的时间很短所以可暂时忽落不计。所以设定其行程分别为 100mm 和300mm。（3）确定液压缸的参数：液压缸的工作压力：MpaP61，确定液压缸尺寸：通过查阅液压缸设计的相关资料，结合我自己需要的液压缸的设计要求，选择单活塞式液压缸较好，同时让122AA 。考虑到管路中的压力损失，采用差动连接的方式较为合适。在工进时，在液压缸回油路上要加背压阀可以使液压缸的运动更为平稳，背压阀一般为pa510155，本次设计的自动装药机对于液压缸的设计选取没有很多特殊的要求，因此选取背压阀paPb51010用于本次液压缸的设计中。由表 3.1 可知，最大负载为工进阶段的负载NF7 .6660，根据液压缸相关公式11220PAAPF，可求出液压缸大腔面积为24511021. 1105 . 010607 .666mA。表 3.2液压过程中的工况分析工况计算公式负载 NF0液压缸paVPP52110paP510smQ/3kWN开启启动21221AAPVAFP21AAQ3110QPN22301VP52VP22.3加速166.716.67上顶11111.1-4100.10.95- 13 -装料1221APAFP1VAQ 310 PQN666.7102P33.3-5100.41.58回缩启动1221APAFP3110QPNVAQ122372VP01VP22.3加速166.716.7回缩11111.1-4100.11.49终止00000根据 GB 2348-80 圆整就近的标准值，mmAD40.1241取整得mmD16，方便接下来的设计计算，液压缸活塞直径mmDd39.112圆整就近后取mmd12，因此通过计算可知液压缸的有效面积为：22212016. 044cmDA（3.1）2222221012. 0016. 044cmdDA（3.2）按最低工进速度验算液压缸尺寸，查找已有的设计好的液压缸的相关数据，调速阀最小稳定流量min/1005. 03minLq，而工作中的最小速度是smv/02. 0，所以2223minmin4 . 0102 . 11005. 0cmcmvq，22104. 02cmcmA， 满足了正常工作的最低的速度要求。（4）计算液压缸各工作阶段的流量、工作压力和功率：根据液压缸的负载和速度及液压缸的有效面积，通过公式可以算出液压缸在工作过程中各阶段的压力流量和功率，在计算快退时背压按普通背压阀计算时的公式paPb5107代入，计算工进时背压也按照普通背压阀的计算数据计算，按公式paPb610代人。（5）液压缸壁厚和外径的计算查找资料可知，液压缸工作时的强度决定了液压缸的壁厚的计算。本次液压缸的缸壁的设计采用无缝钢管的材料，壁厚按薄壁圆筒的公式计算： RQDP23（3.3）式中：R液压缸壁厚（mm） ，D液压缸内径大小（mm） ，- 14 -3P试验压力，一般取最大工作压力的5 . 125. 1倍，这里取 1.4 倍，Q缸筒材料的许用应力，这里取Q=100Mpa，由于薄壁液压缸的内径 D 与其厚度 r 的比值dD10 ，于是得898. 0R综上所述取mmR2。（6）液压缸工作行程的确定：液压缸的工作行程为 300mm。（7）最小导向长度的确定对于一般液压缸，最小导向长度 H 应满足以下要求HDL220（3.4）式中：L-液压缸的最大行程，D-液压缸的内径，活塞宽度 B 一般取DB0 . 16 . 0， 这里取 B=18mm， 于是得mmH20， 则 H 取 35mm，缸 盖 滑动支撑面的 长度1L根据液压缸内径 D 确定：当mmD80时， 取DL0 . 16 . 01，这里取mmL241。如图 3.2 所示，根据上述计算出的数据绘制出液压缸的图纸。图 3.2液压缸整体图3.3液压系统回路方案设计（1）调速回路：如图 3.3 所示，我所设计的 SP100-2 型自动装药机使用的液压系统功率小，选用节流阀调速方式作为调速回路。根据液压缸在运动过程中有进和退的两- 15 -种工况可以选择，采用节流阀调速更能保证液压系统工作过程中速度的稳定性，同时根据查阅的液压缸相关资料考虑，将调速阀安装在液压缸回油路上，对本次液压缸内部设计有好处，可以使负载在低速运动时比较平稳，以此保证整个液压回路正常工作时能够平稳安全地进行。图 3.3节流阀调速回路（2）卸荷回路：如图 3.4 所示，采用单活塞杆对液压缸进行驱动。由上述的退和进的两种工况可知，系统正常工作时的压力和流量不大，同时因为液压缸正常工作时需要考虑到负载实现自动化的移动，不需要人为的操作，决定选用二位二通电磁换向阀放在液压缸的回路当中，这样可以对流量进行控制。图 3.4卸荷回路（3）快速运动回路：如图 3.5 所示，为了实现负载的快速进给同时要结构简单成本较低的工件，我在设计时选用由二位三通电磁换向阀构成的液压缸的差动连接，这样可以保证在快速运动的回路当中，液压缸能够平稳快速的带动传送机构进行工作，同时此种结构简单，可以使使用此自动装药机的人更快地了解此种液压缸的工作原理，方便使用。图 3.5快速运动回路如图 3.6 所示，是液压整体系统图。- 16 -图 3.6 液压整体系统图- 17 -4SP100-2 装药机控制系统设计及仿真分析4.1设计程序要求在 SP100-2 型自动装药机的程序设计中，需要实现把一定数量的药片自动连续地装入药瓶当中。操作过程的要求如下文所示：单独按下按钮 SM1、SM2 或 SM3，系统可以连续向药瓶中装入 3 片、5 片或 7 片的药片，通过指示灯灯泡 1、灯泡 2 或灯泡 3 分别表示当前装药瓶的装药数量。当选择好装入药瓶的药片数量后，系统开关控制开启系统开始装药，电动机 M 驱动皮带轮转动带动药瓶运输，药瓶检测器检测到药瓶位置已经到达指定位置时，电动机 M 运转终止。当下药口通过电磁阀 YV 打开后，光电传感器检测到药片掉落，记录从装药装置进入药瓶的药片的数量，当瓶中药片的数量达到预选的数量后，电磁阀 YV 关闭，皮带机重新自动启动， 将药瓶运送走并进行下一瓶的药片装瓶， 保持整个装药过程的连续运行。在想好以上的设计思路后，我想到正常运行系统时是没有问题，但是如若药片正在装入药瓶中时因临时需要而使装入药瓶的药片的数量有改变的话，只有在当前正在装药的药瓶装够了预选药片的数量并结束装药过程后，才能改变装入药瓶的药片的数量，从新一轮装药的药瓶开始。另一个问题就是，如果在药片装瓶的过程中将系统开关中断，则在正在装药的药瓶中的药片数量装够了预选值后，系统才会停止运行。4.2设计思路和 PLC 可编程控制器介绍本次设计的控制系统选择西门子 S7-200PLC 控制器。在之前的学习过程中，我对于西门子系列的 PLC 控制器也了解了不少，选用此种 PLC 控制器的原因，一是在实际实验中发现相对于三菱系列的 PLC 控制器，西门子系列的 PLC 控制器在连接完电路之后适应性更强，更容易使电路正常运行，出错率较低，二是西门子系列的 PLC 控制器在生活当中是十分常见的，方便一些时候通过不同的零件进行组装，三是西门子系列的 PLC 控制器小巧简单，可以节省成本，对于本次设计的自动装药机来说，更适合使用此系列 PLC 控制器。控制程序的设计流程：首先根据设计的功能要求，查找相关资料，确定程序电路要用到的开关(有1 个)、灯泡（有 3 个）和按钮（有 3 个） ，还有其他连接电机需要的接触器（1 个） ，热继电器（1 个）等元器件。在确定了所需元器件后，初步大致分配地址，并列出分配表。根据控制要求将连接细化，绘制工作流程图，通过仿真将元器件放置好并连接电路。- 18 -根据上一步的元器件连接图，初步画出步进指令的状态转移图和状态梯形图。在计算机仿真软件上进行仿真测试，进一步优化梯形图，修改不足，确定出最后程序。根据前面的流程撰写控制程序的说明书。4.3元件分配表表 4.1输入/输出继电器地址分配输入元件代号输入点输出元件代号输出点系统开关ONI0.0皮带机驱动MQ0.03 片按钮SM1I0.1电磁阀YVQ0.45 片按钮SM2I0.23 片指示灯灯泡 1Q0.17 片按钮SM3I0.35 片指示灯灯泡 2Q0.2光电传感器光电传感器I0.57 片指示灯灯泡 3Q0.3控制程序要同时有输入和输出指令，在 PLC 输入端输入指令后，按照指令通过程序，之后会在输出端输出指令，本次设计的系统就是先通过系统开关将系统开启，输入端输入指令，要从下料口放出三片药片，经过程序之后，皮带机驱动带动药瓶移动，电磁阀开启打开下药口，输出端对应的降下三片药片的指示灯亮起，下药口向药瓶中装入三片药片。4.4控制流程图根据本次设计的要求，编制 PLC 控制流程，如图 4.1 所示。图 4.1自动装药机控制系统流程图- 19 -在构思控制系统流程图时，首先决定第一步为系统开启；第二步药瓶检测器开启，便于传送带将药瓶传送过来是及时检测药瓶位置；第三步为并列程序，即可以选择三条程序中的任意一条，选择药片数量为 3 片，5 片或 7 片；最后在药片装药结束后停止装药同时程序指令回到最开始系统刚开启时，至此整条控制系统结束。4.5程序梯形图- 20 - 21 - 22 - 23 - 24 -4.6元器件连接图- 25 -图 4.2程序元器件连接图从上图可以看到，通过宇龙机电仿真软件，将西门子 PLC 与自动装药机的仿真按照之前输入输出的列表连接在一起，同时前面截图列出的程序输入到西门子 PLC 当中，可以实现装药机的自动控制。首先可以通过打开断路器将传送带通电；第二步按动按钮 K 将系统开启，药瓶开始在传送带上运送；第三步按动开关 SM1，药瓶检测器在药瓶到达下药口正下方时传送信号，使 PLC 控制传送带停止输送，同时电磁阀开启，药粒通过下药口向药瓶中装入 3 粒药片；同理，在第三步时按动按钮 SM2 或 SM3，下药口将下落 5 片或 7 片药片，当药片按指定数量装入瓶中后，整个系统停止运转。- 26 -5.总结本次设计完成了对自动装药机的整体结构设计(包括下药机构，传动机构)，液压系统设计和控制系统设计。在设计过程中学习并利用了机械原理，机械设计，PLC 等在大学学到的各种专业知识，最后成功地运用到毕业设计课程中。通过本次的毕业设计， 成功地通过计算与绘制图纸设计出完整的符合设计要求的自动装药机。通过查阅资料，根据已有的公式进行设计计算，设计出了适用于本次自动装药机的药粒下药机构，输送药瓶的链传动机构。通过液压缸的推动，药瓶上升更能保证药粒完全成功地装入药瓶当中，同时也保证了在装药过程中药瓶不容易掉到传送带外面。 。根据其完全自动化的控制运行机制，可以将它运用到小颗粒药品的包装生产当中并可以避免手动装药对药粒的污染和对药粒直接接触对人体健康的伤害，并且通过按钮可以调整装入药瓶的药片数量， 以上从第二章到第四章说明了 SP100-2 型自动装药机的所有设计，实现了此种类型的自动装药机可以适用于不同的生产包装环境的设计要求，完全实现了自动装药机的设计初始想法。- 27 -参考文献01余雷声.电气控制与 PLC 应用M.北京:机械工业出版社.2002.02田瑞庭.可编程序控制器应用技术M.北京:机械工业出版社.1994.03万太福，唐贤永.可编程序控制器及其应用M.重庆:重庆大学出版社.2000.04王田苗, 丑武胜.机电控制基础理论及应用M. 北京: 清华大学出版社. 2003: 第二版.05孙卫青，李建勇.机电一体化技术M. 北京: 科学出版社,.2015: 第二版.06罗宇航.流行 PLC 使用程序及设计.西安电子科技大学出版社.2006.07王振臣.齐占庆.机床电气控制技术.机械工业出版社.2007.08罗及红.基于西门子 S7-200PLC 实现药片装瓶机自动控制J信息技术.2014: 01，189192；09段莉，周福斌自动药片装瓶机 PLC 控制设计J可编程控制器与工厂自动化2014:01，3840；10陈锋， 陈白宁， 刘文波.基于 Pro/E 和 ADAMS 的自动装药机设计J.机械工程师.2006:11,7374；11潘远翠基于 PLC 控制的自动药片装瓶机J硅谷2011：09，5255；12匡学建， 刘海萍， 何宗连， 夏琦明.安全环保自动装药机的研究J,花炮科技与市场.2009:02,35；13周怀军.卢瑜.顾波.S7-200PLC 技术基础及应用M北京：中国电力出版社.2011.614胡诚明.中药自动调配药系统的研究D福建：集美大学.201415濮良贵.陈国定.吴立言.机械设计M北京：高等教育出版社.2013.516Zhiyuan He;A method of design of automatic electromagnetic charging machine forhardware tools based on PLC.2010 International Conference on Intelligent Control andInformation Processing.2010,780783.17Komolov,V.G.;Zhazhin,S.N.;Veretelnik,S.P.;Parfenyuk, A.S.Developmentand study ofcoal charging machine plate feeder design.Coke and chemistry U.S.S.R.1986:10,7376;18Jian-Yu Chen;Kuo-Cheng Tai;Guo-Chin Chen;Application of Programmable Logic Controllerto Build-up an Intelligent Industry 4.0 PlatformJ, Procedia CIRP.,2017:63,150155.- 28 -附录 1：外文翻译一种自动电磁充电的设计方法一种自动电磁充电的设计方法基于基于 PLCPLC 的五金工具机的五金工具机何志远在五金工具生产过程中金属轴总是需要磁力充电在五金工具生产过程中金属轴总是需要磁力充电，因为方便取螺丝因为方便取螺丝。磁荷能级作为硬件工具的主要性能指磁荷能级作为硬件工具的主要性能指标之一标之一，对高职院校的稳定性有很高的要求对高职院校的稳定性有很高的要求。目前随着目前随着时间的推移时间的推移，电磁式充电机得到了广泛的应用电磁式充电机得到了广泛的应用。五金工五金工具生产企业具生产企业，但大多数采用小尺寸电磁线圈但大多数采用小尺寸电磁线圈，工作在手工作在手动操作动操作。磁性充电机上面提到的通常有很多缺点磁性充电机上面提到的通常有很多缺点，比如比如高高。劳动强度低劳动强度低，生产效率低生产效率低，线圈温度高线圈温度高，人体健康人体健康的灾难性危害长距离和短距离磁场接触的灾难性危害长距离和短距离磁场接触。因此因此，研究和研究和开发具有积极意义。用于硬件生产的自动充电机工具开发具有积极意义。用于硬件生产的自动充电机工具。本文以本文以 PLCPLC 为基础为基础，重点研究了重点研究了 PLCPLC 的设计的设计。自动电磁自动电磁充电机控制系统对系统结构进行了研究充电机控制系统对系统结构进行了研究，程序框架为给程序框架为给出了出了 PLCPLC 梯形图的部分程序梯形图的部分程序。这个系统投入运行这个系统投入运行，实际实际运行结果表明所设计的控制系统具有较易控制的特点运行结果表明所设计的控制系统具有较易控制的特点。操作，智能更高，稳定性更好。操作，智能更高，稳定性更好。一、引言五金工具生产过程中，金属轴总是需要磁力充电，为了方便地取出螺钉。磁荷能级作为硬件的主要性能指标之一工具，对高职院校的稳定性有很高的要求。 AT 目前，电磁式充电机是广泛应用于五金工具生产企业，但大多数采用小的电磁线圈。尺寸，并通过脚踏开关在手动操作模式下工作。上述磁性充电机具有通常存在许多弊端，如劳动强度高、低。生产效率，高线圈温度，灾难性长期健康对人体健康的危害近距离磁场接触。因此，对于克服这些关键障碍的目的和提高专业自动化程度，具有积极的意义一种新型自动充电的研究与开发适合于生产五金工具的机器。伴随着技术的进步，教学可编程逻辑控制器（PLC）系统逐渐丰富，其容量、运行速度，以及加工能力大大提高1。近年来，PLC 已用于模拟变量处理，数字计算、人机交互与网络通信2-5 。与其他对照相比方法 PLC 具有编程简单、易实现的优点。性价比高，可靠性高，坚固耐用抗干扰能力强，维护保养方便。触摸屏作为人机交互的一种新手段有很多好处， 例如，亮度更高，更清晰。分辨率响应，交互简单，更好兼容性。PLC 与触摸屏结合获得更多以及在工业控制领域中的更多应用6 。 基于欧姆龙 CP1H-XA40DRA 的 PLC欧姆龙 NT5Z-ST121B-EC 触摸屏本文对自动控制系统的结构进行了设计。电磁式充电机及其控制研究结构，并对 PLC 程序设计进行了研究。这个机器设计投入运行，实际应用结果表明，所提供的控制系统具有操作简便、 智能高的特点更好的稳定性。二。系统总体结构设计根据磁力充电的要求五金工具，自动电磁结构计费机被规划并表示在图 1 中。这个系统作为一种渐进装配线主要由PLC、 触摸屏、 充磁线圈组成， 三相整流器，三相升压变压器，测温单元，变频器，驱动机构、位置检查单元等。被磁化的硬件工具被包裹起来。在包装容器中，容器将在容器上移动。在电机驱动的帮助下组装生产线。对于由一个或两个操作符操作，系统描述为图 1 有两种工作模式需要选择，一种命名为单向移动，另一个有权双向运动。浅谈磁荷组装线，四个光电接近开关适合检查位置，并标明 A、B、C、D。系统参数可以预先设定。操作员在触摸面板的帮助下， 将通过RS485总线传输到PLC寄存器中。这个 PLC 在磁力充电机上的应用指令实现其每一步的操作和功能。装料机 的 控 制 系 统 采 用 PLC 具 有 欧 姆 龙CP1H-XA40DR-A 的类型， 具有 40 个数字点I/O， 其中 24 个输入点和 16 个输出点， 并嵌入 4 个模拟电压 I/O 点，2 个类似的电流 I/O 点。PLC 的逻辑信号是 24V 继电器类 型 。 触 摸 屏 采 用 欧 姆 龙NT5Z-ST121B-EC，它具有 4MB 嵌入式 RAM和单色 5.7 英寸尺寸秤。交流在 PLC、触摸屏和变频器之间，依赖于 RS485 总线。- 29 -图 1 电磁式自动充电机系统总体结构用 QZY-1 卷绕磁荷线圈聚酯漆包铜线及其耐热性约 130。线圈在循环模式下工作。断路器的工作电压和电流磁线圈为850V，15A 直流。因为磁的温度升高线圈在其工作时间内，预置线圈温度在控制系统约为 80，以保护线圈过烧损坏。温度传感器热电阻是先前内置在线圈。当过温发生时，控制系统将用频率报警和减速电机转速从逆变器输出减少。泰安 N2-201-H 型三相逆变器在系统中采用。主要技术参数逆变器采用 380V交流电源， 1.7kVA， 4.5A； IP20 保护结构；频率调节范围 0.1Hz400Hz； 驱动电机功率 300 W。光电接近开关用于位置测量。开关的额定电压为 24V 直流，最大感应距离为30mm 左右。 一种递增式光电编码器的欧姆龙实现在控制系统中采用了 E6A2-CW3E。电机转速的测定。三、系统原理和程序设计A.系统原理控制参数预置与实时显示将通过触摸面板完成。在工作模式中光电接近的上升沿开关 B 被锁定。装有磁性工具的包装容器在磁装配件中移动。将该序列列为一个ABCBA 开始时，包装容器放在 A位置， 光电接近开关 A 的上升沿将是触发，驱动马达向前旋转的命令将由 PLC、包装容器进行装配线通过位置B移动到位置C，并且将同时由所产生的脉冲计数光电接近开关 B 当前端包装容器到达位置 C，跌落边缘光电接近开关 B 和上升沿光电接近开关 C 同时进行触发。这表明包装容器已经被包装过了。 完全在磁性线圈内部的位置。在这电机停止时间，充电线圈工作一段时间。在给定的时间。然后电机驱动装配线向后移动，如果包装容器到达 A 位置，马达自动停止下一个转弯。类似地，在单方向下，光电接近开关 B 锁定，包装容器将在充电装配线上移动。a、b、c、c、d 的位置序列，将停止通过光电接近开关 D 的上升沿。从图 1 和上面的描述，专业控制系统实现的功能可以概括如下： PLC、 触摸屏之间的通信，以及变频器，额定转速预置，线圈上限温度； 线圈电流的实时测量温度，电机转速反馈测量，计数包装容器实现三相驱动升压变压器、 三相整流器和磁线圈。B.程序框架的设
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