气动打包机的电气控制毕业设计说明书

1、课题名称(4号,黑体,居中)气动打包机的电气控制摘要：（ 五号字，宋体，单倍行距，不能定义文档网格）（不超过100个字） 摘 要：本文首先对国内现状的气动打包机进行分析, 对其可改造性进行评估, 最后定下可行性的改做方案。根据方案, 设计工作状态流程图, 力求在最经济的情况下达到最终的控制要求。工作状态流程图包括各个使用的机械结构, 该机械结构都通过plc 进行控制, 从而确定所选用的plc型号及其配置。关键词：（ 五号字，宋体，单倍行距，不能定义文档网格）（不超过5个词）关键词：plc；气动装置； 设计（下面正文部分约2万字）（ 小四号字，宋体，单倍行距，不能定义文档网格，首行缩进2个字符）

2、1、引言随着电子技术、计算机技术、自动化技术的快速发展，对机电一体化产品的技术含量、性能、功能要求也越来越高。包装带捆扎机就是一种典型机电一体化产品。捆扎机正被越来越多的行业应用在产品包装工序上 。1.1课题背景捆扎机械作为包装设备中的一个主要分支,是将一个或多个包装物用捆扎带(绳) 紧束一起的机器 , 使包装件便于运输、保管和装卸 ,属于外包装设备。捆扎机械的发展 ,在一定程度上借助于捆扎材料的开发应用。在捆扎材料中先后出现的有草绳、绵麻绳、纸绳、金属丝、塑料绳、塑料带、钢带、聚胺酯带等。但由于其本身的强度和延伸率不同和对机械捆扎的适应程度各异 ,以及考虑制作成本，目前以钢带和塑料带的应用最

3、为广泛。特别是自上世纪五十年代以来 ,随着石油化工的崛起，开始用塑料作为捆扎材料 , 为塑料带 (绳) 捆扎机械的开发成功奠定了基础。由于塑料带比钢带、纸带具有较低的使用成本和不锈蚀、不污染、强度适中手感柔软、制造方便、外观美观等优点 ,使之在许多领域逐步替代原来的钢带 , 纸带 ,塑料带捆扎机成为包装机械中少有的技术成熟、简单可靠、品种齐全、覆盖面广的主要设备。 目前，我国很多企业的包装水平跟不上生产设备的更新速度，包装质量不高。虽然国内少数企业凭借自身的雄厚经济实力，从国外引进了部分全自动打捆设备，但其高昂的价格增加了生产成本，绝大多数企业仍在使用半自动或人工打包设备，这样既使生产效率降低

4、，也浪费了大量劳动力，为此，根据我国包装行业的实际需求和发展趋势，研发高质量，高可靠性的全自动打捆机以替代进口，以非常必要，而且形势紧迫。1.2 国内外发展现状1.2.1 包装带捆扎机国外发展状况国外捆扎机械的应用 ,起始可追溯到本世纪初期 ,如美国的 signode公司、德国的 cyklop公司等就涉足捆扎行业 ,以生产钢带捆扎设备为主 ,但其规模和生产技术水平都还较低。直到上世纪的五十年,塑料材料的问世 , 使以塑料带作为捆扎材料成为现实 ,极大地促进了塑料带捆扎机的发展 。较早的如日本的下岛株式会社、株式会社 ,日鲁工业株式会社等。至2001年 ，日本的塑料带捆扎机总产量达 94万台 ,

5、 约占包装机械总量的 19. 5%,总产值达 300亿日元。每年约有30%的出口 ,几乎占领了全部东南亚市场。由于他们能成功地引进和消化吸收别国的经验 ,不断改进发展。结构较为简单 , 可靠性高 ,在国际市场上有很大的竞争能力。其中最大的生产厂家为下岛株式会社 ,于 1969年开始正式生产自动捆扎机 ,主要从事产品开发 , 产品质量控制和推销工作 ,其零部件加工和装配均通过扩散的办法。在国内设有17家分公司和 270个代销点 , 并在 35个国家和地区设有代理点。产品品种达 200多个 , 正常生产品种为 29种。美国的 signode公司则是一家以钢带捆扎机为主 , 塑料带、聚酯带捆扎工具为

6、辅的跨国公司 , 属于美国 itw上市公司。在美国和其他六个国家设有分公司该公司自 1913年就开始从事捆扎机械的生产 , 为 100多个国家的工业产品包装提供服务 , 并为各国用户提供 24小时内的配件供应服务 ,他们不仅具有巨大的生产能力 ,而且还有一支精益求精的研制和开发队伍 ,通过对捆扎机械各功能部件的反复试验和多方案对比 ,生产出的捆扎机械具有很好的可靠性和最佳的经济寿命 ,虽然价格昂贵 , 但仍然是国际市场上的强手。1.2.2 包装带捆扎机国内发展现状我国包装机械工业是在改革开放以后发展起来的。由于起步较晚，大部分设备都是通过引进设备消化吸收研制出来的。行业从无到有，从小到大，逐步

7、发展起来 。随着我国食品工业、包装工业和农业的迅速发展，我国的包装食品机械行业取得了世人瞩目的进步。产品品种的数量不断增加，使包装和食品机械行业成为直接为提高人民生活质量服务，为包装业和食品工业服务、农业和农副产品深加工业服务的新兴行业。成为我国机械工业十大支柱产业之一。基本上能生产出满足人民生活需求的各种各样、各种档次的产品，并正在不断努力、提高、缩小与国外先进水平、先进技术、先进设备的差距。在全行业广大企业、科研单位技术人员及行业工作者的共同努力下，新产品、新技术日益涌现并转化为生产力。我国人口众多，民以食为天，包装与食品机械产品市场广阔、潜力巨大。包装与食品机械在我同的迅速崛起已引起社会

8、的广泛关注，即使在东南亚国家遭受金融危机的情况下，该行业仍欣欣向荣，堪称“朝阳工业”。随着人民生活水平的不断提高，对商品包装提出了更高的要求，哪里有商品，哪里就有包装，可以说包装工业对国民经济整体结构的发展起着重要的作用。包装机械产品量大面广，广泛应用于食品、医药、化工、军工等各个行业。我国包装机械工业通过采用国际标准和吸收国外先进技术，在标准水平、设计制造和产品质量方面都有了较大的提高。一些企业的产品质量达到或接近国外同类机器的先进水平。这些企业采用先进的企业管理体系和质量保证体系，不断改善和提高产品的质量，以质量和售后服务为企业的命脉，解决了用户的后顾之忧。随着国民经济的不断发展，国内市场

9、对包装机械产品的需求量与日俱增，年产量也逐年提高，包装饥械企业数量越来越多，并且企业性质逐渐从国营转为私营、集体甚至个体，市场竞争日趋激烈，从过去经济短缺的卖方市场转变为买方市场。因此产品在技术、性能、价格上的竞争更为激烈。 目前国内产品与国外相比，市场竞争能力偏低 。目前我国包装机械产品普遍存在质量不稳定、性能单一、成本高、技术含量低的状况：随着我国进入世贸组织(wto)，国际先进的技术、设备和管理经验的进入势必会对我国刚刚发展起来的包装机械工业造成巨大冲击，企业面临着前所未有的严峻考验。我们应该根据自己的特点，发挥自身的优势。包装机械企业要想寻找较好的、长远的发展必须不断开发新产品，提高产

10、品的技术含金量以及机械的可靠性以适应当前日新月异的发展形势，要规范优质服务标准，努力搞好售后服务。只有这样，包装机械企业才能得以更好地发展。 捆扎机械作为包装设备中的一个主要分支，是将一个或多个包装物用捆扎带(绳)紧束一起的机器，使包装件便于运输、保管和装卸，属于外包装设备。捆扎机械的发展，在一定程度上借助于捆扎材料的开发应用，在捆扎材料中，先后出现的有草绳、绵麻绳、纸绳、盒属丝、塑料绳、塑料带、钢带、聚胺酯带等等，但由于其本身的强度和延伸率不同和对机械捆扎的适应程度各异，以及考虑制作成本,目前以钢带和塑料带的应用最为广泛。特别是自五十年代以来，随着石油化工的崛起，开始用塑料作为捆扎材料，为塑

11、料带（绳）捆扎机械的开发成功奠定了基础，由于塑料带比钢带，纸带具有较低的使用成本和不锈蚀、不污染、强度适中、手感柔软、制造方便、外观美观等优点，使之在许多领域逐步替代原来的钢带、纸带，塑料带捆扎机成为包装机械中少有的技术成熟、简单可靠、品种齐全、复盖面广的主要设备。国际市场上的抢手。我国捆扎机械生产自1976年开始。随着我国社会经济的不断发展和各行业对改善产品包装产品质量的要求日益迫切，使捆扎机械不论在生产能力、生产技术、整机性能等方面都有了很大的提高，其主要表现为 ： （1）已将微机技木应用于捆扎机程序控制，具有温度控制、自动计数、定长送带、故障报警等多种功能，不仅可单机使用也可多机联用或与

12、自动生产线配套使用。 （2）从机器的传动方式来看，有机械传动、液压传动和气动，特别是液压传动具有结构简单，制造方便的特点，是我国特有的机型。 （3）品种规格比较齐全。为适应不同的用户需要，已有全自动、半自动和手提式捆扎器，根据包件捆扎要求不同，除通用的普通型外，又有带压力的捆扎机、双轨道捆扎机、侧封式捆扎机等，其工作台面有高有低，可适应单件捆扎或自动连续捆扎的需要，目前最大的自动捆包尺寸可达20001200毫米，最小的可捆扎5080毫米的捆件、品种已达20多种。 （4）捆扎能力在每分钟1221道之间，基本能满足国内当前的生产需要。 （5）目前仍大量采用宽度为13.5毫米的塑料捆扎带和直径为30

13、毫米的筒形薄膜捆扎绳，井正在开发使用宽度为510毫水的塑料捆扎带的捆扎机，但国外大繁使用的钢带自动捆扎机在国内尚未开发。 （6）捆扎带粘接主要利用烫头将捆扎带两端加热至一定温度后再施压使之粘合，称为热熔搭接型，其接头的拉力强度可达母带强度的80%。塑料绳捆结机则以打结的形式捆紧包件。 （7）目前已能生产二十多个品种的捆扎机和三个品种的捆结机，基本上能满足国内需求，其中半自动捆扎机的整个性能已接近国外先进水平，故每年有较大的批量出口，而全动捆扎机仍与国外有较大的差距。与国外捆扎机械生产技术水平相比，国产机差距主要为：品种单一，生产力低。虽然经过二十多年的发展，但只能生产20多个品种，还不及国外一

14、个公司的品种数，而且只能生产通用型的产品，如钢带自动捆扎机的生产至今仍是一个空白，无法满足一些特殊行业的需要：据调查2006年全国产量已达19000台，但仍太大落后于国外的水平。我国捆扎机械的生产起步较晚，主要是靠引进国外的整机经消化改进二次开发生产的。因此在生产中着重于产品的整机性能而忽视了对零部件的研究，导致在捆扎速度、接头粘接方式和送带轨道等主要技术性能方面不硬国外先进水平。工作可靠性较差，其中特别是捆扎带和元器件的质量不稳对整机的性能带来很大的影响。1.2.3 包装带捆扎机存在的主要问题自动捆扎机的工作过程主要由送带、收紧、切烫、粘结四个环节组成，因此送带机构、夹压机构、封口机构设计的

15、合理与否，将直接影响到捆扎质量和效率。当捆扎物人工搁置在规定的位置后，手动将捆扎带塞入焊接处并触动微开关，第一顶紧杆将带端压紧，同时机械装置和执行机构保证反时针方向收带，达到一定的捆紧力后焊接，稍后切刀上顶切带，最后机械送带，完成一个捆件的捆扎过程 。在设计过程中需解决以下难点：（1）、如何实现捆扎速度的可调，以适应不同的捆扎要求。（2）、依靠摩擦轮退带收紧过程中，如何判断包装带捆扎纸箱的捆紧力已达到要求而自动停止退带收紧。（3）、凸轮总成的精确设计，受凸轮控制的剪切、夹压机构的合理协调运行是完成捆扎的关键。（4）、如何避免以往捆扎机械中都伴有烟尘、气味的情况，保护操作者的身心健康及环境保护。

16、1.3 本课题所做的主要工作 本文研制的包装带打捆机，以纸箱、塑料包裹为捆扎对象对象，研发的主要内容包括:送、退带捆紧机构的研究、剪切、熨烫机构的设计、气动执行系统的设计、捆扎形式的选择，捆扎材料的选用等。具体动作顺序要求如下：检测到捆扎带（宽6mm厚1mm），收到捆扎信号-气动手指夹紧捆扎带-制动气缸缩回（25mm，出力40kgf）-拉带气缸伸出（270mm，出力70kgf），推动气动手指带动工件带前行-前行到位，制动气缸伸出压住工件带-粘合气缸伸出（150mm，出力70kgf），3s后缩回-切割气缸伸出（50mm，出力50kgf）切割捆扎带-气动手指松开捆扎带，拉带气缸缩回-完成一个工作循

17、环。2 方案论证21：22：2.1 设计思路本文着重对包装带捆扎机的控制部分进行设计，将包装带捆扎机的控制部分设计成三部分，其中收紧机构主要实现包装带的收紧与退带，使包装袋紧紧的困住物料；捆扎机构主要通过将捆扎带输送与捆绑，同时完成将捆扎带加热、粘贴。夹压剪切机构主要实现是捆扎带的切割。同时为了方便手动取带与自动收紧，本文特定选用了一个单向轴承固定在电机上。为保证包装带捆扎机能够高效正常运转，特对本捆扎机的设计提出如下要求：（1）各操作按钮灵活、可靠，电路控制动作正常，电气设备安全可靠.指示灯显示正常。（2）送带长度可调整，送退带正常，无撕裂现象。（3）送带停止时，带盘刹车可靠。（5）每道捆扎

18、时间应不大于15s。（6）带盘稳定性高，不会出现松动或卡带现象。（7）烫头温升时间 合上总开关后，烫头从室温升到200 ，时间应不超过 5 min。（8）烫头表面温度应在在 200-300之间。（9）接头外观无过熔现象，上、下层对齐，中心偏移量应不大于 1. 5 mm，接头末端未烫部分长大于2mm。（10）外观质量a.工作台面平整、光亮，不应有锈点、凹陷等缺陷;b. 表面涂漆或喷塑牢固、光滑、色泽均匀.不应有划痕、磕碰等有损美观的缺陷。（11） 最大捆扎体积为400 mm400 mm1200 mm图2-1 机械示意图2.2 方案选择整个系统分为：机械系统和控制系统。机械系统分为：送带、退带张紧

19、机构，捆扎封接机构。控制系统分为：收紧机构，捆扎机构，夹压剪切机构。2.2.2 控制系统设计研制包装带捆扎机的一个重要任务就是要实现打捆过程的半自动化或尽可能自动化。气动控制方式与电气、液压控制方式一样，是实现生产过程自动化的常用的方式之一。随着电气控制技术在气动元件中不断的进步和发展，一系列高性能的气动元件的出现，如快速响应的电磁阀，位置感应气缸等，使得气动元件更加易于进行远距离的操作控制。因此，气动系统在很多自动化设备中正得到越来越广泛的应用。在打捆过程中，气动控制主要实现了位置控制。相对于电机控制而言，气缸在实现来回伸缩控制方而有其独特的特点和优势;具有动作实现简单，可大大减少辅助机构的

20、设计(相对于电机控制而言)。气缸的运动过程由电磁阀进行控制，简单易行。机电配合的整个工作过程如下:（1）接通电源,plc开始工作,电热烫头开始加热升温。（2）手动将带拉出，将包装带缠绕捆扎物一周，当带碰到行程开关后，气动手指夹紧捆扎带，1s后拉带气缸伸出，推动气动手指带动工件带前行。（3）2s后电机运转转，实现收带，对包装件进行捆紧，2s后停转。（4）前行到位，制动气缸，将捆扎带固定.（3）粘合气缸伸出，热熔搭接器开始对包装带加热。3s后缩回。（5）切割气缸上升将包装带切断并迅速下移。（6）气缸收缩，捆扎完成。3 各电路设计和论证 31 311 312 32 321 322 图3-1 电气原理

21、图（1-1） 图3-1 电气原理图（1-2） 图3-1 电气原理图（2-1）图3-1 电气原理图（2-2）图3-1 电气原理图（3） 31 各回路说明： 当启动开关sb1启动，plc得电，加热电阻r1开始加热，r1温度到达300摄氏度，温度开关st1闭合，系统准备状态完成；当接近开关sq1检测到捆扎带，气动手指运行，拉带气缸运行，拉带气缸到位，磁性开关sm1得电，收带电机运行，当捆扎带被收紧，接近开关sq2得电，收带电机停止运行。制动气缸启动，到位后，完成捆扎带制动，同时sm2得电，粘合气缸启动，到位后sm3得电，3s后收回，完成捆扎带的粘合。切割气缸伸出，到位，sm4得电，完成切割过程。气动

22、手指松开，各个气缸归位。4. 软件设计41程序流程图411系统主程序流程图412各子程序流程图42程序421主程序422 各子程序41程序流程图42程序5软硬件系统的调试.5.元器件的选型5.1.1 plc的选型1、plc简介 可编程逻辑控制器（programmable logic controller，plc），它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。2、 基本结构 可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机， 可编程逻辑控制器其硬件结构基本上与微型计算机相同，

23、基本构成为： 1、 电源 可编程逻辑控制器的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此，可编程逻辑控制器的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将plc直接连接到交流电网上去 2、 中央处理单元(cpu) 中央处理单元(cpu)是可编程逻辑控制器的控制中枢。它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收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，并能诊断用户程序中的语法错误。当可编程逻辑控制器投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态

24、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数运算的结果送入i/o映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，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。 为了进一步提高可编程逻辑控制器的可靠性，近年来对大型可编程逻辑控制器还采用双cpu构成冗余系统，或采用三cpu的表决式系统。这样，即使某个cpu出现故障，整个系统仍能正常运行。 3、 存储器 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用户程序存储器。 4、 输入输出接口电路 1现场输入接口

25、电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道。 2现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。 5、 功能模块 如计数、定位等功能模块。 六、通信模块5.1.2 电机与变频器选型1、电动机的选择电动机的作用是将电能转换为机械能，现代各种生产机械都广泛应用电机来驱动。在生产上主要用的是交流电动机，特别是三相异步电动机。它被广泛地用来驱动各种金属切削机床、起重机、锻压机、传动带、铸造机械、功率不大的通风机及水泵等。1、三相异步电动机的构造三相异步电动机分成两个

26、基本部分：定子（固定部分）和转子（旋转部分）。三相异步电动机的转子根据构造上的不同分为两种型式：鼠笼式和绕线式。鼠笼式和绕线式只是在转子构造上的不同，它们的工作原理是一样的。鼠笼式电动机由于构造上简单，价格低廉，工作可靠，使用方便，就成为生产上应用最广泛的一种电动机。2、电动机的转动原理图3.8是三相异步电动机转子转动的原理图，图中n，s表示两极旋转磁场，转子中只示出两根导条。当旋转磁场向顺时针方向旋转时，其磁力线切割转子导条，导条中就感应出电动势。在电动势的作用下，闭合的导条中就有电流。这电流与旋转磁场相互作用。而使转子导条受到电磁力f。电磁力的方向可应用左手定则来确定。电磁力产生电磁转矩，

27、转子就转动起来。图3.8电动机转子转动原理图3、三相异步电动机的选择要为一生产机械选配一台电动机，首先要考虑电动机的功率，合理选择电动机的功率具有重大的经济意义。如果电动机的功率选大了，虽然能保证正常运行，但是不经济。因为这不仅使设备投资增加和电动机未被充分利用，而且电动机经常不是在满载荷下运行，它的效率和功率也都不高。如果电动机的功率选小了，就不能保证电动机和生产机械的正常运行，不能充分发挥机械的效能，并使电动机由于过载而过早地损坏。根据执行机构摩擦轮的功率和转速情况， 额定功率：0.75kw；2、 变频器的选型与安装 一、变频器的概念及组成1、变频器的概念 （frequency chang

28、er / frequency converter）是一种用来改变交流电频率的电气设备。此外，它还具有改变交流电电压的辅助功能。过去，变频器一般被包含在电动发电机、旋转转换器等电气设备中。随着半导体电子设备的出现，人们已经可以生产完全独立的变频器。2、变频器主要是由主电路、控制电路组成。 1、） 主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。 它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的

29、“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。 （1）整流器：最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。（2）平波回路：在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。（3）逆变器：同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。 2、）控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。 （1）运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。（2）电压、电流检测电路：与主回路电