基于PLC的液态药品包装机控制系统设计

I成型－充填－封口包装机是能够完成包装容器的成型，充填，封口的机器。按其功能可以分为袋成型－充填－封口包装机和热成型－充填－封口包装机两大类型。其中立式袋成型―充填―封口包装机是包装机械中应用最广泛，批量最大的机型之一，其特点是被包装材料的供料筒设置在制袋器内侧，制袋与充填物料由上到下沿竖直方向进行。该成型机器主要由计量装置，传动系统，横封和纵封装置，成型器，充填管及薄膜牵拉供送机构等部件组成。本次设计的包装机形式为液体立式成型－充填－封口包装机，机械无级调速装置，高频加热式横封器，纵封牵拉滚轮通过传动，执行机构实现包装机的包装参数要求。随着现代人们生活水平和质量不断提高，人们对各种商品的包装要求也相对提高，当然各种药品更是如此，所以药品的外观整齐美观，质量上也要求良好。为了达到要求，对包装机各个方面也更加严格，包装机的精确度得提高，要有较高的定位精度，具有一定的柔性和较高的生产率。因此想要达到要求，就得不断提高机械控制方面的技术。传统的继电器已经不能满足现代药品生产的要求了，所以高效、经济且有一定柔性的新型包装机械是市场迫切需要的。本文控制由PLC实现手动、单步、单周期、回原点、连续各种不同的工作方式的切换。对控制系统中硬件设计和软件设计做了详细的介绍。IIAbstractFormingfillingsealingpackingmachineisamachinewhichcancompletetheforming,fillingandsealingofthepackingcontainer.Accordingtoitsfunction,itcanbedividedintotwotypes:bagformingfillingsealingpackagingmachineandhotformingfillingsealingpackagingmachine.Theverticalbagforming-filling-sealingpackagingmachineisthemostwidelyusedinpackagingmachinery,oneofthelargestvolumeofmodelsanditscharacteristicsisbypackagingmaterialfeedingcylinderisarrangedintheinsideofthebagis,bagmakingandfillingmaterialbytothenextalongtheverticaldirection.Theformingmachineismainlycomposedofameasuringdevice,atransmissionsystem,ahorizontalsealingdevice,averticalsealingdevice,amoldingdevice,afillingpipeandafilmpullingsupplymechanism.Thedesignofpackagingmachineforverticalliquidforming-filling-sealingpackagingmachine,mechanicalsteplessspeedregulatingdevice,highfrequencyheatingtypetransversesealingdevice,sealing,verticaltractionrollerthroughatransmission,actuatormeetstherequirementofthepackagingmachinepackagingparameters.Andthepackagingofgoodsinmodernsocietyrequiresmoreandmorehigh,medicineisnoexception,formakethepackagingofpharmaceuticalstidyandbeautifulandhasagoodqualityofthepackaging,packagingmachinewithprecisemovements,positioningaccuracyandhigherproductivityandflexibility,socontrolofthepackagingmachinerequirementisgettinghigherandhigher.Traditionalrelaycannotmeettherequirementsofmodernpharmaceuticalproduction,soefficientandeconomicalandhasacertainflexibilityofthenewpackagingmachineryisanurgentneedforthemarket.ThispaperiscontrolledbyPLCtoachievemanual,singlestep,singlecycle,backtotheorigin,avarietyofdifferentwaysofworking.Thehardwaredesignandsoftwaredesignofthecontrolsystemareintroducedindetail.Keywords:Packagingmachine；Moldingmachine；PLC摘要....................................................................IAbstract.................................................................II第1章绪论............................................................11.1课题背景及意义....................................................11.2包装机的概述......................................................11.3国内外发展现状....................................................21.3.1国外包装机发展现状............................................21.3.2国内包装机发展现状............................................3第2章包装机系统部件机械设计............................................42.1袋成型器的设计....................................................42.2机械无级调速装置..................................................62.3高频加热式横封器..................................................72.4纵封牵拉滚轮......................................................82.5总体布局..........................................................9第3章设计数据计算.....................................................103.1确定主轴转速.....................................................113.2轴的设计.........................................................113.3选择电动机.......................................................123.4蜗轮减速器的设计.................................................133.5齿轮的设计.......................................................163.6V带设计.........................................................203.7双联滑移齿轮设计.................................................22第4章PLC控制系统的设计...............................................274.1可编程控制器（PLC）的特点.......................................274.1.1可靠性高，抗干扰能力强.......................................274.1.2易操作性.....................................................284.1.3灵活性.......................................................284.1.4适用性强.....................................................284.1.5易学易用.....................................................284.1.6容易改造.....................................................294.1.7使用方便.....................................................294.2PLC控制系统的硬件设计...........................................294.2.1PLC的硬件结构及工作原理.....................................294.2.2硬件配置.....................................................324.2.3输入输出点分配...............................................334.2.4PLC选型.....................................................344.2.5A/D模块的选择...............................................344.2.6PLC外部接线及电机的驱动电路.................................344.3PLC控制系统的软件设计...........................................364.3.1步进指令编程介绍.............................................364.3.2控制系统的主程序.............................................374.3.3初始化程序...................................................384.3.4手动程序.....................................................404.3.6自动程序.....................................................42结论.....................................................................46参考文献.................................................................47致谢.....................................................................48全套设计加QQ11970985或19721639611.1课题背景及意义随着社会的发展、生活水平的提高，人民对商品包装提出了更高的要求。与人民生活息息相关，各种药品都需要精确的定量包装。如工农业生产用品、化学药品、农药、特别是医学药品，一点误差都会带来难以意料的不好后果。而这些药品在生产包装的要求更是严格，对人体有害。如果包装方式采用手工进行，其不仅仅劳动强度比较大，而且包装速度较慢，质量也相对较差，效益较低，事倍功半。因此，需采用自动包装枧来完成这些工作。机械在现代工业生产中占有重要地位，而在包装工业中包装机械是基本设备之一。包装生产领域离不开包装机械,现代社会产品包装实现机械化和自动化更离不开包装机材料，降低产品成本；有利于被包装产品的卫生，提高产品包装质量，增强市场销售的竞争力；由于包装机械的计量精度高，产品包装的外形美观、整齐、统一、封口严密，提高了产品包装的质量，延长产品的保质期，方便产品的流通。因此对机械的创新设计机械功能要求多元化。由于我国现有的自动包装机硬件和软件存在的问题，缺乏相应的设计指导理论，对其进行研究和改进具有十分重要的意义。包装容器的制袋-充填-封口是包装工艺必须的工序。充填精度影响到工厂的经济效益，密封质量是产品外观质量和保质期的影响因素。因此，包装质量在很大程度上取决于袋长的精确控制以及封口质量，本研究对整机结构了解的基础上针对纵封、横封的封口形式完成了对薄膜输送系统等关键部分硬件设计其在实际生产中也具有十分重要的指导意义。1.2包装机的概述包装机械根据包装物与包装材料的供给方式，可分为全自动包装机械及半自动包装包装种类可分为内包装机及外包装机等。虽然近年来，我国的包装机械取得了很快发展，产品水平也上升到了一个新的水平，开始出现规模化趋势，成套自动化、传输复杂、设备技术含量高的设备开始出现。但是与国外产品相比仍然存在很大的技术差距。我国现2有的包装机械产品技术含量不高，国外有很多先进的技术在包装机械中使用，如远程遥控技术（包括显示器）、步进电机技术、自动柔性补偿技术、激光切割技术、信息处理技术等。中国包装机械单机多、成套小，通用机模多、以满足特殊的要求，特种材料设备；技术含量低，技术附加值高，生产的产品少；智能设备仍处于开发阶段。中国包装机械产品质量差距主要体现在稳定性和可靠性差，落后的造型，外观粗糙，基础和支撑件短寿命，无故障运行时间短，大修周期短，绝大多数产品尚未制定标准的可靠性。目前，国内的研究和开发投资少。我们的开发手段落后、产品开发缺乏创新。落后的生产方式，大多数使用旧设备和通用处理。新产品的开发不仅是一个小数目，而且也是一个长期的发展。在企业管理中，往往重生产加工，轻研发，创新不够，不能及时跟上市场需求，提供产品。所以现代包装机的设计应符合“绿色设计”，即人性化设计的要求。它是面向质量设计、装配设计、制造设计、维修设计、可靠性设计的综合设计。包装机械的设计要考虑到可靠性、安全性、环保性、低噪音等各方面的因素。充分体现原理优化、结构优化、制造优化、造型优化。自动袋包装机具有热塑性、软化、包装容器等包装材料的热塑性特性，在设备上完成了全自动袋成型、充填计量、封切全过程的自动化包装设备。这一类型的包装机具有(4)控制智能化、弹性化。1.3国内外发展现状为了满足现代商品包装多样化的要求，国内外开始发展适应多品种、小批量的通用包装机械和设备，使包装机械的形式不断增加。全自动塑料袋成型包装机具有热塑性塑料复合膜的热塑性塑料复合膜，软化并制成包装容器，在设备上完成了全自动袋成型、灌装计量、封切全过程自动化包装设备。根据不同的包装材料，可分为以下几类：(1)粉粒料包装设备。如小袋奶粉、咖啡等物料的包装。(2)流体、半流体粘稠类包装设备。如调味品、酱类、油脂类等物料的包装。(3)定型类包装设备。由于固体定型类物料的大小及形状差异颇大，所以需根据不同的材料，采用不同的填充形式，或采用电子称量机。国外袋成型包装机发展全面，优势明显，主要特点有：（1）结构设计规范化与模块化。用一个包装机来完成不同材质的包装，采用模块化设计的原始模型，可以在短时间内快速更换或转换成其他形式的包装模型，而不同的测3量系统提供足够的空间。（2）包装速度高速化。目前，国外的小袋包装机单列包装速度一般为30-80袋／分，近些年来很多公司推出的多列式包装机(从2列到10列)可使包装速度大大提离。（3）结构运动高精度化。（4）智能控制与柔性。大部分国外的机器通过智能控制仪表和触摸屏菜单式的应用软件对各种参数的机器进行跟踪和调整。电子显示屏显示。标准的彩色码跟踪光伏系统可保证正确的印刷包装产品。此外，该机可以进行在线状态监测和故障诊断分析的工作过程中，一旦出现问题，自动停止，并显示故障原因和解决方案。（5）包装形式多样化。用户可以根据市场的需要，具有更大的选择空间。国外袋包装机执行机构和传动系统往往简单，横向密封和垂直密封和动作执行机构使用的气动元件，动作填充的对冲快速灵活，整机噪声小；采用频率控制，无级变速器实现，不仅速度范围大，平稳和良好的低速特性和实现恒转矩调速和节能效果也非常明显。我国包装机械发展较晚目前仍然处于起步应用阶段。随着市场需求的不断增加，90年后，我国的袋式自动包装机发展迅速。通过借鉴国外的产品，消化，吸收和自主开发，研发，技术有了很大的提高，特别是产品功能和自动化方面也取得了长足的进步。我国通过参考国外同类型产品，进行消化、吸收及自行开发研制，技术上有了很大的发展和提高。我国现有的袋成型自动包装机应用广泛，机型分为立式和卧式两种，可包装液体、糊状物料、粉状物料、颗粒和固体物料，包装形式有枕形袋、三封袋、四封袋、砖形袋、屋形袋、角形自立袋等多种类型。通过PLC和PC控制技术的不断推广和应用，使袋成型自动包装机的自动化程度得到了很大的提高。我国生产的全自动袋包装机一般在普通型、普通型，即在同一个设备中，具有垂直侧袋自动包装袋的形成、计量、日期打印、充填、封口、切割、输出的过程。包装材料一般为：液体、粘稠体、颗粒状物料、粉体、糊状、片剂、膨化食品等。灌装量测量方尺度，歪秤。一些包装机也采用了组合式。该包装材料主要用于塑料薄膜和各种复合薄枕头袋、三边封袋、四边封袋）。热封法主要包括：往复式、升闭式、回转型。小包装机横封装置，使用扇形伸缩密封模式，作为包装袋的规模的扩大，其密封质量难以保证。客观地说，我国袋式自动包装机的综合性能指标与国外发达国家相比之下差距仍然平不高、自动化控制水平低、设备的可控制性不好、设备不便于维修、充填精度低、速度慢、外观比美观、表面质量差等。4第2章包装机系统部件机械设计2.1袋成型器的设计立式袋成型―充填―封口包装机是包装机械中应用最广泛，批量最大的机型之一，其特点是被包装材料的供料筒设置在制袋器内侧，制袋与充填物料由上到下沿竖直方向进行。该成型机器主要由计量装置，传动系统，横封和纵封装置，成型器，充填管及薄膜牵拉供送机构等部件组成。其工作原理（如图2-1所示）为：放置在支承装置上的卷筒薄膜1绕经导辊组2，张紧装置3，通过成型器4卷成薄膜圆筒裹包在充填管5的表面。先用纵向热封器6对卷成圆筒的接口部位薄膜进行纵向热封，得到密封管筒，然后筒状薄膜移动到横封器7处进行横封，构成包装袋筒。计量装置把量好的物料，通过上部的充填管5充填到包装袋内，再由横向热封器7热封并在中间切断，形成包装袋单元体，同时形成下一个筒袋的底部封口。图2-1包装机工作原理图薄膜在通过该成型器的时候应该力求不产生纵向与横向拉伸变形，使成袋的外形平整美观，符合制袋要求。因此，在设计翻领式成型器的时候，不但要考虑形状和尺寸，更主要的在于确定其领口交接曲线，该设计中选用圆形加料管翻领式成型器。5图2-2圆形料管翻领式成型器的几何关系图如图所示,建立三维坐标系,直线AC为薄膜从立式包装机最后导向滚轮引出后与成型器的接触线,MAC组成平面等腰三角形,其所在平面与XOY平面夹角为α。B为AC中点,角AMB=CMB=β,AMS与CMS为两侧面的两个曲面,S是成型器交线的最低点,并位于X轴上。成型器的设计方法如下：成型器中内导管半径R为ra，式中a—空袋宽度，成型器展开成的平面的尺寸L2a（mm）L—成型器展开平面的长边长，a—包装空袋的宽度（mm）—纵封搭接宽度（一般取10mm）—成型器展开平面的宽边长（一般取5~10mm）拼接曲线方法如下图6图2-3拼接曲线作法取O为原点，在Y轴上取OA=2r（r为内导管外半径以A为圆心，取2r为半径做圆弧，然后国S点向圆弧桌切线相接，所得曲线即为近似的拼接曲线。这样将拼接薄板沿拼接曲线剪截，再卷制和焊接成型。为使薄膜通过时的摩擦阻力小，一般宜采用不锈钢凹凸板，厚度为1~1.5mm，焊接后抛光，特别在拼接处应保持光滑。此设计方法适用于2r<75mm情况，若成型器口径大于75mm是，在Xr区间里应以抛物线代替圆弧线，其抛物线方程为Y16xx翻领成型器是立式包装机的一个重要组成部分，成型机做的好，电阻很小，不会造成薄膜的拉伸变形和起皱。实际应用中可根据不同的包装材料，选择不同的高度和接触线，并作出适当的调整根据膜的运行条件，可以使翻领成型器满意。2.2机械无级调速装置本机采用机械式无级调速装置，根据实际需要包装速度可以在15－20袋/min范围内任意调节，图2-4示为无级调速装置结构图。通过旋钮的顺逆动带动可动分离锥盘6，即可实现速度的增减达到无极调速的目的，分离锥盘5是不动的，由输出轴通过弹性定位套4加以固定，当需要变速时，首先松开锁紧螺母10，转动手轮9，调节螺杆8转动时，带动调节螺母7轴向移动，分离锥盘6也轴向移动，使三角胶带沿径向外移或内嵌。因而改变输入与输出轮的作用半径，达到无级调速的要求。7图2-4机械式无级调速装置机械无级调速机构的类型很多，但多数是利用摩擦传动机构实现的，由于其结构简单，传动平稳，噪声小，使用维修方便，效率高，所以在各类机械中得到了广泛的应用。但由于摩擦副元件的弹性滑动，存在速度损失，所以不能用于要求调速精度高的场合。该设计采用宽V带式机械无级调速装置，其传动比范围为2－4。2.3高频加热式横封器下图所示为高频加热式横封器的截面图。它左右两只电极，即封合电极。其间通入高频电流进行加热。在电极两外侧各配置一对弹性夹板，以利于减少电极合拢时的刚性8冲击和对封口缝的拉力。电极表面胶粘着环氧板及聚四氟乙烯编织物作为耐热，绝缘，防粘材料，与薄膜偶尔被热穿时可以防止高频加热切刀与封合电极直接接触而产生的电火花现象。这种高频加热式横封器兼有横封和切断的功能。图2-5高频加热式横封器1，3封合电极2，弹性夹板4，加热切刀2.4纵封牵拉滚轮该立式包装机的纵封牵拉滚轮选用热辊加压封合，如图2-6所示，将一对或其中一个相向等速回转的辊筒1加热，使连续通过其间的薄膜2受压封合，因为三角袋立式包装机袋用材料较厚，所以易采用这种热封加压封合方法。这组纵封牵拉滚轮兼有纵封和牵拉薄膜的功能。该设计中纵封滚轮的转动是通过一对锥齿轮传动从主轴上得到。图2-6热辊加热封合92.5总体布局自动制袋包装机自上个世纪50年代发展至今已数十年，当时模型功能单一的发展，应用范围窄，但是容易实现可靠。电机功率和运动通过三角带（或是）或平带传送到轴的分布，轴的分配给进料装置，垂直密封装置，横向密封装置，切割装置，输出和其他包装，只在单一内容的包装。考虑到追求产品多元化，个性纯正。因此，产品的包装范围很广，功能齐全，速度快。我国包装市场的发展，也提出了全自动包装机的发展。一台包装机出哪些几部分组成，决定于包装工艺的要求。袋成型自动包装机由以下部分及牵引构件系统。图2-7总体布局图1，料斗2，阀开度调节器3，翻领式成型器4，锥齿轮5，双联滑移齿轮6，二轴7，凸轮8，主轴9，蜗轮减速器10，无级调速装置11，电动机43第3章设计数据计算见主传动示意图，设电动机的转速为n，无级调速装置输出轴的转速为n1，主轴的转速为n2，二轴的转速为n3，带动纵封滚轮转动的轴的转速为n4，无级调速装置的传动蜗轮减速器的传动比为i2，主轴与二轴之间齿轮的传动比为i3。其中：n1nn2nn4n3；t为两横封凸轮之间的间隔时间，tk（k；为两凸轮之间的夹角，该设计中180，即k）故纵封滚轮的角速度线速度包装袋的袋长(3-2)(3-3)(3-4)由上式可以看出：包装袋的袋长L取决i3和r，纵封滚轮的半径r在设计的过程中是个定值，所以要想改变包装袋的袋长尺寸必须改变传动比i3。该设计采用一对双联滑移齿轮来改变i3的值。3333袋长L取120mm和180mm两种尺寸规格进行计算，纵封滚轮的半径取定值r30mm，则l3。(3-5)(3-6)3.1确定主轴转速该包装机时采用纵封滚轮实现连续牵拉和纵封，采用两组相互垂直的横封装置连续工作实现对包装袋的横封和切断，所以包装机工作的时候其包装速度取决于两垂直横封器之间的间隔时间，间隔时间越长每分钟包装的袋子就越少，正因为这样我们可以知道横封器的间隔时间又与主轴的转速有关，主轴转速越高，两垂直横封器之间的间隔时间就越短。由设计参数我们知道该包装机的包装速度为15－20袋/min，即横封器的间隔时间为3－4s/袋。主轴旋转一周包装机完成两次包装，所以主轴的转速为7.5－10r/min。3.2轴的设计轴是机器中的重要零件之一，主要用来支承旋转的机械零件（如齿轮，蜗轮，带轮，链轮和联轴器等并且传递动力及运动。根据承受载荷的不同，轴可以分为转轴，心轴和传动轴三种。工作中既要承受弯矩又要承受扭矩的轴称为转轴，如齿轮减速器中的轴；只承受弯矩而不承受扭矩的轴称为心轴，心轴又分为转动心轴和固定心轴两种；只承受扭矩而不承受弯矩的轴称为传动轴。按轴线的形状不同，轴还可以分为直轴和曲轴。轴通过轴承与机架相联接，装在轴上的零件都围绕轴心线回转运动，形成了一个以轴为基础的轴系部件。因此，在轴的设计过程中，不能只考虑轴本身，还必须计及轴系零部件对轴的影响，轴的设计主要解决轴的结构设计和工作能力计算两方面的问题。轴的结构设计是根据轴上的零件的安装，定位以及轴的制造工艺等方面的要求。合理的确定轴的各部分形状和结构尺寸，轴的结构设计不合理将会影响轴的工作能力和轴上零件的可靠性，造成轴上零件装配困难等。轴的工作能力的计算指的是轴的强度，刚度和振动稳定性等方面的计算，多数情况下轴的工作能力的计算主要取决于轴的强度，这时只需要对轴进行强度计算，防止轴断裂或塑性变形，对刚度要求较高的轴和受力大的细长轴，还应该进行刚度计算，防止轴工作的时候产生过大的弹性变形。对高速运转的轴还应改进行振动稳定性的计算，防止轴因发生共振而破坏。轴的结构设计包括决定轴的合理结构和全部结构尺寸。在进行轴的结构设计时，一般应已知：装配简图，轴的转速，传递的功率，轴上零件的主要参数和尺寸等。轴的设计应该以强度计算为基础，但在轴的结构设计前，不知道支反力的作用点，因而不能按弯扭合成的强度条件确定轴的直径，通常按扭转强度初步估算出轴端直径，如果该轴端需要开键槽，应该将此轴径圆整成标准值并作为轴端最小直径，在此基础上再合理地定出轴的结构形状以及相关配置的结构。轴的合理外形应该满足：轴和装在轴上的零件定位准确，便于装拆和调整，轴应该具有良好的制造和装配工艺性。图3-1主传动示意图3.3选择电动机电动机一般由专业工厂按标准系列成批大量生产，在机械设计中应该根据工作载荷，工作要求，工作环境，安装要求及尺寸，重量有无特殊限制等条件从产品目录中选择电动机的类型和结构型式，容量和转速，并确定其具体的型号。生产单位一般采用三相交流电源，如果没有特殊要求通常采用Y系列三相交流异步电动机。电动机的容量主要根据运行时发热条件决定，额定功率是连续运转下电动机的发热不超过许用温度的最大功率，满载转速是指负荷相当于额定功率时的电机转速，同一类型的电动机按额定功率和转速的不同具有一定的型号，对于长期连续运行的机械，要求所选的电动机的额定功率应该大于等于电动机所需要的功率。电动机工作要求的功率pw应该由机器工作阻力和运动参数计算求得，计算该包装机的主轴转速为7.5－10r/min。通过上式可以知道所需电动机的pw非常小，且转速较小。符合的同步转速为750r/min、1000r/min两种。表3-1电动机参数型号功率kw型号同步转速r/min满载转速r/minY801-40.55Y802-40.75Y90S-6075910根据设计资料选取Y90S－6三相异步交流电动机，其额定功率为0.75kw，满载转速为910r/min。3.4蜗轮减速器的设计因为所选的电动机的满载转速为910r/min，而主轴的转速为7.5－10r/min，调速范围很大，所以选择传动比比较大的蜗杆传动实现调速。电动机输出轴与无级调速装置相联，选用宽V带无级调速装置，其传动比为2－4。蜗杆传动的单级传动比为10－40，选取传动比为40进行计算。则此时无级调速装置的传动比为2.3－3.0，在所选取的无级调速装置的传动比范围之内，所以满足要求。则蜗杆轴输入功率p=0.75=0.750.95=0.71kw(3-7)蜗轮轴的转速为10r/min，载荷平稳，单向连续运转，预期使用寿命为16000h。1)选择蜗杆，蜗轮材料，确定许用应力。选择材料：由于是自动生产线上的传送机构，较为重要，选择蜗杆的材料为40Cr，6(3-8)1表面淬火，硬度为45－50HRC；蜗轮齿圈的材料为ZCuSn10Pb16(3-8)1N260n2Lh=601016000=9.610查表10-4（参考《机械设计》教材，以下计算过程中所查的图，表未注明的与此相同）得：OH=220MPa；OF=70MPaHZNOH=OH=221.1MPaFYNOF=OF=54.4MPa(3-9)2)选择z1,z2根据传动比i=40，取z1＝1，z2=40，取z2=41，则实际传动比i=41。按齿面接触疲劳强度设计m2d19kT2(ZE)2(3-12)z2H通过跑合可以改善偏载程度，取k=1；载荷系数当z1=1时，取=0.7；n 1由表10-6查得，ZE155MPa2,将以上数值代入接触疲劳强度设计公式，求得m2d19KT2(ZE)2=760mm3(3-15)z2H按疲劳强度要求，m2d1760，m=5mm，d1=50，z1=1，q=10，z2=41，r5.71。22221.6KT2YFa2Y(3-21)Fm2dz525041d2=mz2=5441=205mm(3-17)a127.5mm不是标准中推荐的中心距，如取推荐的中心距a125mm，蜗轮变位系数x20.5，本设计不采用变位，取a127.5mm。3)验算初设参数蜗轮圆周速度v2原估计v3m/s 选KV值相符。0.16m/s4)滑动速度vsvv2ssinr选用锡青铜为蜗轮材料适合。蜗杆传动效率(0.95~0.95)1，根据vs1.6m/s，查表10-8得v2.1， tgrtg57.1传动效率(0.95~0.95)1=(0.95~0.95)0.730.69~0.70，初选0.7相符。5)验算齿根弯曲疲劳强度Fm2dzF蜗轮当量齿数zv2=43，由图9-19查得zv243时的齿形系数YFa2=2.38，YFa20.9;FF，弯曲强度满足。6)蜗杆，蜗轮几何尺寸计算蜗杆齿顶圆直径:rg2a2127.5220mmdd2hd2h*m60mm蜗杆齿根圆直径：df1d12hf1d12(hc*)m38mm蜗杆齿宽:b12.52.5581mm蜗轮喉圆直径：da2d22ha2d22m(hx2)215mm蜗轮齿根圆直径：df2d22hf2d22(hc*x2)193mm蜗轮咽喉母圆直径:d215d蜗轮齿宽:b2d1sin50sin5038.3mm选蜗轮轮齿端面为锥面结构，见表10-3蜗轮轮缘高度：B(da12c*m)sin0.8m50.5取B52mm为切去顶圆齿尖，蜗轮顶圆直径：de2da22rg2(1cos2)229mm为了不损伤齿宽b2de2da22(rg2)221.9mm取de2225mm。(3-23)(3-24)(3-25)(3-26)(3-27)(3-28)(3-29)(3-30)(3-31)3.5齿轮的设计 0.7071 0.7071 0.7071根据传动方案选用锥齿轮传动n39.55r/min；14.34r/min。该设计中，纵封滚轮的转动是通过一对锥齿轮传动从主轴上得到，传递功率p0.750.950.750.970.52kw，锥齿轮的转速为14.34r/min，传动比i1，载荷稳定，使用寿命为18000h。因是开式齿轮传动，选用软齿面齿轮，参考表9-1，选用45号钢。小齿轮调质，齿面硬度为220－230HBS；大齿轮正火，齿面硬度为190－200HBS。2）选择齿轮精度等级，齿数，齿宽系数锥齿轮推荐齿宽系数r0.25~0.3，因齿轮悬臂布置，取r0.26。3）确定相关参数coscoscoscos分锥角zz当量齿数：zv1zv227当量齿轮端面重合度(3-32)(3-33)(3-34)(3-35)(3-36)4）按齿根弯曲疲劳强度设计开式齿轮传动，主要失效形式是齿面磨损，按弯曲疲劳强度设计，通过增大模数考SFminF1Flim1SFminF1Flim1YN1Flim2YN2F2272MPa2900.0142720.015F1P60.52Y0.250.250.71虑磨损的影响。由公式m(3-37)确定式中各项数值，因载荷平稳，转速不高，可以初选载荷系数Kt1.5；T19.55106n=9.551014.3346304N·mm(3-38)由式9-13计算弯曲疲劳强度重合系数Y；0.750.75(3-39)按zv1,zv2查取YFa12.58，YSa11.60;YFa22.58，YSa21.60；计算应力循环次数N160n1jLh=6014.3418000=1.5107(3-40)N2N11.5107(3-41)u查得接触疲劳强度寿命系数YN11.1,YN21.1；选SFmin1.25;Flim1330MPa，Flim2310MPa；齿轮单向传动290MPaSFminYYFa1SaYY F1YYFa2SaYY F2取YFa1YSa10.014，设计齿轮的模数。将确定的数值代入(3-37)，求得：(3-42)(3-43)(3-44)(3-45)mt mt 241.53463040.71(3-46)km=30.014=4.94mmm=30.014=4.94mm修正mt：d1tmtz14.941993.96mm(3-47)(3-48)mmt3kt4.9331.54.67mm因是开式齿轮传动，考虑磨损影响，将模数加大(10~15)%。即选取锥齿轮大端标准模数m6mm。5）确定锥齿轮传动主要几何参数d2mz2619144mmRmzz319219280.610mmbRR0.2680.61020.95mm取齿宽B1B221mm；df1d12hfcos1d121.2mcos1103.808mmdf2d22hfcos2d221.2mcos2103.808mmda2d22hacos2d22mcos2122.485mm(3-49)(3-50)(3-51)(3-52)(3-53)(3-54)(3-55)(3-56)(3-57)(3-58)(3-59)20 3.6V带设计电动机的型号为Y90－6，额定功率p0.75kw，转速n910r/min,传动比i2.3；1）确定设计功率pdpdkAp，由《机械设计》教材查得工作情况系数kA1.1；pdkAp=1.10.750.825kw(3-60)2）选择V带型号已知pd和n，根据《机械设计》教材选用普通V带，由图7-8选取用spz型V带3）选择带轮直径d1，d2计算小带轮的基准直径d1由表7-4查，spz型V带dmin=75mm，应使d1dmin。考虑小带轮转速不是很高，结构尺寸又没有特别的限制，初选小带轮的基准直径d1125mm；验算带速v：因为5msv30ms，故带速合适，d1选择合适。d2id11252.28252.5mm计算大带轮的基准直径d2(3-61)(3-62)查考表7-8给出的带轮基准直径系列，考虑滑动率的影响，d2应该往小圆整至基准直径系列，故取大带轮的基准直径d2250mm；转速误差为0.9%5%(3-63)4）确定V带的中心距a和基准长度Ld设计条件中没有限制中心距a，故初选中心距a0，由公式210.7d1d2a02d1d2得：262.5mma0750mm；初选中心距a0500mm；计算带所需的基准长度：Ld02a0d1d2由公式(3-65)计算得Ld0=1596mm由《机械设计》选带的基准长度Ld1600mm。计算实际中心距aa0由公式(3-67)计算得a500502mm中心距的变化范围是464.79~537.62mm;a的调整范围：amina0.015Ld5020.0151600478mmamaxa0.03Ld5020.031600550mm中心距的变化范围是478mm~550mm。5）验算小带轮的包角1a得合适。(3-64)(3-65)(3-66)(3-67)(3-68)(3-69)(3-70)(3-71)(3-72)223.7双联滑移齿轮设计在该设计中，主轴与二轴之间采用双联滑移齿轮啮合，通过操纵机构拨动齿轮之间的啮合关系从而改变二轴的转速，用以实现对包装机包装袋长的改变，在上面的数据计算过程中我们知道两对齿轮之间的传动比分别为1.3和1.9，对应的二轴的转速为n39.55r/min；14.34r/min，功率0.52kw以下是对双联滑移齿轮设计的数据计算和校核：1)选择齿轮材料和热处理，精度等级，齿轮齿数考虑到传递功率较小，并且要求结构紧凑，使用寿命长，由表9-3选大小齿轮材料用40MnB钢，齿面硬度48-55HRC。精度等级8级，查表选取两对齿轮的齿数和sz72；2)对闭式硬齿面齿轮传动，承载能力一般取决于齿面弯曲强度，故先按弯曲强度设计，验算接触强度，公式m确定式中各项数值：nn(3-73)(3-74)(3-75) 1根据相关资料，查表选取齿轮宽系数得d0.9，zE189.8MPa2，zH2.5；分别计算两对齿轮的当量齿轮端面重合度对于齿轮z132；z240。a1=arccos[z1cosa/(z12h)]a2=arccos[z2cosa/(z22h)]1z1(tana1tan')z2(tana2tan')/2由公式(3-78)计算得(3-76)(3-77)(3-78)23=1.88-3.2=1.88-3.2z=3对于齿轮z124；z248a3=arccos[z1cosa/(z12h)]a4=arccos[z2cosa/(z22h)]2z1(tana1tan')z2(tana2tan')/2由公式(3-82)计算得计算接触疲劳强度重合度系数z41.690.875(3-79)(3-80)(3-81)(3-82)(3-83)(3-84)根据式9-12，计算齿轮工作应力循环次数：则N60njLhn2.16106(3-85)N29.552.161062.06107(3-87)N37.52.161061.62107(3-88)YN10.55,YN20.88；SFmin1.60;Flim1450MPa，Flim2450MPa；F1239MPa(3-90)F2248MPa(3-91)24F1F2mt13F1F2mt13(a)30.01592.92Avm1mt2.91322.45mm kYY2.781.56Fa1SaYY2.781.56239YY2.251.75Fa2SaYY2.251.75248取0.0159设计齿轮模数。计算弯曲疲劳强度重合系数YY10.250.250.70Y20.250.250.69将确定的各项数值代入设计公式，求得：mt23()30.01593.08修正mt：v2t22v2t220.04m/s 由图9-7查得kv1；由图9-10查得k1；由表9-6查得k1.2；则则k km2mt3.08322.6mm(3-92)(3-93)(3-94)(3-95)(3-96)(3-97)(3-98)(3-99)2522222kTu22222kTu1HzEzHzbd1uHH1H2964MPa1 选取第一系列的标准模数m1m23mm;齿轮的主要几何尺寸：d1mz133296mmdmz340120mma(z1z2)(3240)108mmb960.986.4取齿厚b192mm，b288mm；第2对齿轮：d1mz132472mmdmz348144mma(z1z2)(2448)108mmb720.964.8取齿厚b165mm，b270mm；3)校核齿面接触疲劳强度 1查得zH2.5；材料的弹性影响系数zE=189.8MPa2；接触疲劳强度重合度系数z=41.70.883查得zN10.88,zN20.91；Hlim11060MPa，Hlim21060MPa;选取SFmin1；Hlim1zN1SHminHlim2zN2SHmin932MPa126 将确定的各项数值代入接触强度校核公式(3-111)，得：H8H82742MPaH1第2对齿轮：H189.82.5H82803MPaH1所以两对齿轮的接触强度满足要求。27第4章PLC控制系统的设计可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专门在工业环境下应用而设计。它采用可以编制程序的存储器，用来在执行存储逻辑运算和顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟的输入(I)和输出(O)接口，控制各种类型的机械设备或生产过程。4.1可编程控制器（PLC）的特点可编程控制器（PLC）是一种用在工业自动化控制的“专用计算机”，实质上也属于计算机控制方式。可编程控制器（PLC）与普通微型计算机一样。以通用或专用CPU作为处理器，实现运算和数据存储等功能，除此之外还有位处理器（布尔处理器）可以进行点（位）运算与控制。可编程控制器（PLC）控制一般具有可靠性高、操作容易、维修方便、编程易、操作灵活。1）维护容易，维修时间短。2）多种类的设计方法使其可靠性得以提高。3）操作、编程、检修都非常容易，一通常情况下不会发生误操作。4）比通用计算机更加简单的编程语言和更加可靠的硬件。采用了精简化的编程语言，编程错误率低。5）可编程控制器硬件方面：采用了一系列可以提高可靠性的措施。6）可编程控制器的软件方面，亦采取了一系列提高其系统可靠性的措施。总的来说，PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的1/10~1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。28可编程控制器的操作简单表现在下列几个方面：1）操作方便：可编程控制器的操作包括程序输入和程序更改等许多操作。大多数可编程控制器采用编程器或编辑软件进行操作。编程器至少可以提供输入信息的显示，对大中型可编程控制器而言，编程器多使用用了CRT屏幕显示，因此，程序的输入直接可以显示。更改程序的操作也可直接根据所需要的地址编号或接点号进行搜索或顺序助记符等多种编程方式。对与使用者而言，这其中梯形图编程方式理解掌握更加容易。而助记符语言也可以方便的编辑，对于使用者而言，这些也很容易掌握。3维修方便：可编程控制器可以进行自诊断，而且对使用着有着比较低的能力要求。在故障发生时，使用者通过自诊断来判断其硬件和软件问题之所在，维护起来非常的方便。多重编程语言的使用，使得编程的方式方法的更加的多样，也使得其可以在不同环境下使用。2）扩展的灵活性：可编程控制器可以灵活的进行多模块扩展，使用者根据使用要求的不同选择不同的扩展模块，使得其可以实现更多功能，具有跟大的容量，更广的应用推展范围。3）操作的灵活性可以模拟运行，操作方便可靠。PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，并且已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有较强的带负载能力，可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC少量开关量逻辑控制指令就能方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。29系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造。PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/2~1/10。它的重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制器。4.2PLC控制系统的硬件设计从PLC的硬件结构形式上，PLC可以分为整体固定I/O型，基本单元加扩展型，模块式，集成式，分布式5种基本结构形式。PLC的组成：1）中央处理单元(CPU)中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢，是PLC的核心起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU。它按照PLC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PLC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PLC的可靠性，对大型PLC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。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，I/O数量及软件容量等，因此限制着控制规模。302）存储器系统程序存储器是存放系统软件的存储器；用户程序存储器是存放PLC用户程序应用；数据存储器用来存储PLC程序执行时的中间状态与信息，它相当于PC的内存。3）输入输出接口（I/O模块）PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。4）通信接口通信接口的主要作用是实现PLC与外部设备之间的数据交换（通信）。通信接口的形式多样，最基本的有UBS,RS-232,RS-422/RS-485等的标准串行接口。可以通过多芯电缆，双绞线，同轴电缆，光缆等进行连接。PLC的电源为PLC电路提供工作电源，在整个系统中起着十分重要的作用。一个良好的、可靠的电源系统是PLC的最基本保障。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。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。前三大部分是PLC完成各种控制任务所必需的，一般称为PLC的基本组成部分。其它可选部件包括编程器、外存储器、仿真I／O、通讯接口、扩展接口以及测试设备等，主要用于系统的编程组态、程序存储、通讯联网、系统扩展和系统测试等。CPU是PLC的核心部件，用于字节指令的处理，并实现各种控制作用；数字I／O接口用作CPU模板与外部开关量讯号之间的接口，它完成诸如电平转换电气隔离、串／并型数据转换以及对外提供一定的驱动能力等工作；模拟I／O接口输入部分主要完成阻抗匹配、讯号放大、讯号滤波、I／V变换、Ⅵ变换或者A／D交换等工作，|以便将来自受控对象的仿真量转换成PLC能够处理的数字量其输如部分主要实现阻抗匹配、功率放大、波形校正等功能。目前PLC的发展非常迅速，型号众多，各种特殊功能模板不断涌现。通常根据其的点的数量将PLC分为三大类：具体实现时，通常采用模板式结构，以便用户根据实际应用需求进行配置但一些小型机常制作成一体机，其配置固定，主要供定型成套设备使用；而一些大型机一般在电源、或者CPU，甚至两者都作了热备份。31图4-1输入/输出原理PLC是采用“顺序扫描，不断循环"的方式进行王作的。即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号(或地址号)作周期