【《一种口罩生产用翻片机的结构计算设计》7800字】

一种口罩生产用翻片机的结构计算设计中文摘要本设计的想法初衷，是为了解决社会由于新冠疫情的肆虐，导致口罩供不应求的问题，从而设计的一种用于口罩生产的翻片机。该翻片机的主要功能是，等传送带将口罩送达托盘上时，由红外检测装置将信号传输到PLC，通过PLC自动处理并输出信号，来分别控制台面上位于左右两个步进电机的驱动器和两个电磁换向阀，从而控制机器完成左右翻片动作，红外传感器检测托盘上有口罩时，气压缸向前推送。以此来实现把前端生产的口罩片分别传送到两个输送带上帮助成最后的生产。为完成该机器设计，我首先对翻片机的结构进行分析，再确定机械结构及电气控制系统。其中主要对机械结构方案进行说明介绍，确定需要采集的输入输出信号，然后对控制器进行预选介绍，本设计主要选用选择三菱FX3U-32MT单片机为该口罩翻片机的控制核心。之后我对翻片机的机械结构进行分析，对于各组成部分都进行了完整细致的介绍，对需要计算的组件进行了计算并校核。最后是翻片机电气系统的设计，绘制相应的电气原理图，一些电气元件的选用分析和对整个机器的成本分析。关键词：翻片机；PLC；红外传感器；步进电机；电磁换向阀目录TOC\o"1-2"\h\u19933口罩翻片机的设计 26246中文摘要 226948第一章概述 6271171.1工程背景 6164061.2研究意义 724413第二章翻片机的整体方案设 8239882.1机械的结构方案 8189102.2控制核心PLC的选型 973632.3步进电机的选择 10141032.4驱动器的选择 12254762.4电源的分配 1237632.5推送装置的选择 1321430第三章口罩翻片机的实体设计 14269233.1设计说明 1448003.2传动装置的总体设计 15209533.3口罩承接平台的设计 18133003.4轴系零件的设计 19303643.5联轴器的选用 21241093.6爪盘的设计 216543第四章电气控制系统 23202464.1供电系统原理图 23321734.2控制系统原理图 23127554.3红外感应模块 253410第五章气压系统 27112475.1气压推动模块 28127905.2气压缸的工作原理 2823225第六章成本分析 2920121总结 303183参考文献 317152附录 33

第一章前言1.1选题的目的可编程程序控制器是近二十几年发展起来的一种新型工业控制器。这些年来微处理器技术、存储技术的发展日新月异十分迅速。可编程程序控制器特点为：它的功能更强大,价格更便宜，研发的微处理器可以针对绝大多数的应用需求。这为可编程序控制器的发展提供了良好的环境。可编程序控制器基本上都采用多CPU,高性能、高速度和大容量是它所展现的优势。不仅如此，它价格便宜、重量轻、体积小、能耗低,非常适用于生产设备的自动化，因此该翻片机选择使用PLC控制。PLC技术需要将计算机技术与传统电气自动化控制技术相结合，以PC作为上位机，更好地实现电气自动化。可编程序控制器的快速发展，可以帮助人类轻易达成目的，例如逻辑运算、智能计时、精确计数等。它的功能不仅有效地节省了人力、物力和财力，而且提高了准确性；自动控制减少了人工劳动，提高了生产效率，缩短了生产周期，降低了成本。在庚子年春节来临之际﹐新型冠状病毒疫情如同洪水猛兽，突如其来，并短时间内肆虐全国。短短数周时间，全国感染人数激增，为了有效防控疫情，全国人民对于口罩的需求日益见增加，甚至达到供不应求的境地。在人类发展的过程中，口罩的生产经历了人工手动缝制，到分散开来加工，再到无菌环境全自动化生产线成产的过程，口罩机的结构也变得越来越简单化、智能化、高产能。为了解决社会的燃眉之急,口罩生产企业急需一种高效,安全,控制简单的口罩生产控制系统,加速生产满足市场需求。1.2研究意义通过本次毕业设计，可以更全面的、更系统的让我去了解和掌握口罩翻片机基本机械结构和电气控制系统的相关知识，也能够让我大致了解设计一款产品的流程和在设计过程中会遇到哪些问题并如何去解决优化。在过程中使我能够整合梳理大学四年以来所学的专业知识，让我更能将书本知识应用于实践操作，还让我有了独立思考问题以及解决问题的机会。不仅仅如此，通过此次独立撰写毕业论文，也能够培养我的机械思维能力，为今后的工作奠定一定的基础。第二章翻片机的结构分析2.1机械结构分析在拿到这个毕设课题之后，我便开始查阅各种资料，如：论文，学术期刊，视频以及口罩生产机器的实物演示，脑海中开始构思我所设计的翻片机的机械结构。万事开头难，起初真的是毫无头绪，不知道如何下手，不知道需要哪些电子元件，怎么能用这些零件拼装组成我脑海中那个既美观，又实用，占地面积还小的机器。我所设计的机器需要完成的动作有：口罩生产机器的传送带将生产线上的口罩片传递到机器的托盘上，托盘上的挡板可以有效限制口罩片的位置，防止飞出。托盘下方装有红外传感器，用于检测托盘上是否有口罩来进行下一步的运动。当传感器感应到有物体时，PLC控制核心发出信号，控制左右电机轮流运行，以此来控制着连接在轴上的翻转爪进行转动。左侧的翻转电机逆侧的翻转电时针运行，右机顺时针运行，分别将口罩片翻转到左右俩个口罩支撑板上,此时口罩支撑板下面的传感器检测到支撑板上有口罩片，PLC发出信号控制气压缸运行，将口罩片推向口罩生产的下一个生成环节。初期的设计平面简易示意图，如下图所示：图2-1翻片机简易示意图2.2输入信号和输出信号分析该翻片机由金属底座，二相步进电机，气压缸，挡板，翻转爪，套筒，传感器以及轴系组件组成。为了检测托盘上有无待加工的口罩，在托盘中间开孔，安装红外传感器；当托盘上有待加工件时，由传感器将信号传输至PLC。接着PLC输出信号控制左右电机的运行，轴带动翻转爪将口罩翻转至左或右承接平台后，由传感器采集信号并输入PLC；PLC输出信号控制气压缸的运行，将口罩推送至下一工作区域。另外还设置有急停、报警、启动、停止、复位开关，总计共有个八输入信号。PLC需要通过驱动器控制电机（方向，使能，脉冲），电磁阀控制气缸，共八个输出信号。2.3控制核心PLC的选型表1不同PLC的对比成本控制难易控制精度其他三菱中易上手高编程直观易懂，易学西门子高难上手高指令抽象，学习难度大根据表1的分析，本设计将在西门子PLC和三菱PLC之间进行选择。三菱的PLC我选择的是型号为FX3U-32MT，三菱公司生产的FX系列是增强型PLC，功能齐全，能够满足绝大多数客户的使用要求，速度快，具备更大的资源空间。不仅可以满足旋转推片机的使用需求，而且可以节约成本。实物如图1所示。图2-2FX3U-32MTFX3U-32MT三菱PLC采用的是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、\t"/item/FX3U%E7%B3%BB%E5%88%97%E4%B8%89%E8%8F%B1PLC/_blank"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。同时该plc共拥有32个输入输出口完全能够极大的满足翻片机的接口需求。其内置了64K步的\t"/item/FX3U%E7%B3%BB%E5%88%97%E4%B8%89%E8%8F%B1PLC/_blank"RAM内存。此外，可以通过使用存储器盒，将程序内存变为\t"/item/FX3U%E7%B3%BB%E5%88%97%E4%B8%89%E8%8F%B1PLC/_blank"快闪存储器，这也使得这款PLC有极大的扩展性能。不仅仅如此，三菱的PLC的CPU核心处理速度达到了：0.065us/基本指令。它拥有极快的响应速度，生产效率得到了极大的保障。三菱PLC和西门子PLC的区别最主要一条就是他们的产品根据东西方人的操作习惯的不一致而设计的。这就使得俩个品牌的产品所适用的人群不同。三菱是日系品牌，编程直观易懂，学习起来会比较轻松，而西门子是德国的品牌，指令理解起来比较抽象，没有那么直观简洁，学习的过程中会遇到的困难较大，而且指令相对较少，但三菱的指令就更加丰富。三菱的优势在于离散控制和运动控制，三菱的指令丰富，指令库中有专用的定位指令，控制伺服和步进容易实现，要实现某些复杂的动作控制也是三菱的强项，而西门子在这块就较弱，没有专用的指令，做伺服或步进定位控制不是不能实现，而是程序复杂。所以针对不同的设备不同的控制方式，我们要合理的选用PLC，用其长处，避其短处。例如某设备只是些动作控制，如机械手，可选择三菱的PLC，某设备有伺服或步进要进行定位控制，也选三菱的PLC。在PLC的选型时，需要根据PLC的输入/输出口的数量进行PLC选型，在满足设计要求的情况下还需要留出10％～30％的端口，作为备用，以便于未来进行软件升级。最后从花费成本上考虑，从官网查询到的信息，西门子的PLC价格远远高于三菱PLC的价格。综上，三菱PLC完全适用于本口罩翻片机的设计，满足机器的控制要求，加上大学期间学习用的设备的正是三菱PLC，所以选择这一型号的PLC作为翻片机的控制核心。2.4驱动装置的分析2.4.1电机选型在电机选择方面需要基于对口罩翻片机的设计需求，满足产品的生产需要，故其电机的选型需要满足以下几个条件：1、首先要保证电机拥有准确的位置控制；2、其次要求能够进行频繁通电启动和断电停止；3、再而为了保证机器的美观，小体积同时不需要太大的输出很大的力矩；4、在机器完成一次翻片动作后，需要电机能够自保持锁定在运动结束的停止位置；5、为了保证生产效率，需要电机拥有极快的相应速度；直流电机：体积大；有噪声；需要380V的工业电压，比较危险；结构复杂，使用维护不方便，与步进电机相比可靠性低，工作寿命短；伺服电机：价格高昂；适用于高精度控制，本设计的翻片机所需控制精度不高，同时伺服电机相比于步进电机控制方式复杂，过程繁琐，不利于机器长时间持续生产，容易造成电机的转子温度过高容易失磁；步进电机：价格相对便宜；使用寿命长；同时步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性，非常契合本次设计的动作需求；通过电动机功率计算公式来选择合适功率大小的电动机，电动机的功率，应根据生产机械所需要的功率来选择，尽量使电动机在额定负载下运行。选择时如果电动机功率选得过小．就会出现“小马拉大车”现象，造成电动机长期过载．使其绝缘因发热而损坏．甚至电动机被烧毁；如果电动机功率选得过大．就会出现“大马拉小车”现象．其输出机械功率不能得到充分利用，功率因数和效率都不高，不但对用户和电网不利。而且还会造成电能浪费，增加开销。在选择电机时，查阅相关资料得知一个医用口罩的重量约在3克。电机的负载很小，所以不必选择输出功率大的电动机。相关计算在论文后面会给出。2.5推送装置的分析为了使口罩被翻片过后能够顺利的进行下一个动作，我们需要设计一个推送装置。推送装置一般有电动与压动两种形式，但电动装置一般需要电机带动偏心轮进行往复运动，速度过快的情况下会有震动，不利于长期生产。因此我们考虑选择压动装置进行设计。压动的选择包括机械传动，气压传动与液压传动。机械传动装置体积大，影响整体美观；液压传动装置适用于需要大力矩的场合，同时考虑到口罩生产需要相对清洁的环境和气压传动装置的简单性，所以本次设计选择气压传动。设计的工作流程图如下。图2-3推送装置工作流程图

第三章翻片机的机械结构设计3.1设计说明机器用于口罩生产设备中间的翻片环节，图示如示。连续运转，载荷平稳，两班制工作，设计使用寿命为5年，作业场地比较干净。73654217365421图3-1口罩翻篇机示意图口罩接收平台联轴器推送撑杆工作平台翻篇接收平台轴系零件抓盘机构设计数据表3.1口罩翻篇机的设计数据口罩机前端打片速度设计寿命工作方式90片/每分钟5年一拖二式左右翻3.2传动装置的总体设计3.2.1传动方案拟定1.组成：翻转装置由电机、传动轴、抓盘、推送机组成。2.特点：需要频繁启动和停止。3.确定实现方案：由不同的电机分别控制左右两根轴，再由轴带动轴上爪盘的转动。当需要翻转时，控制轴的转动，使位于中间托盘上的口罩被转运到左边或者右边的托盘上，再由气压缸将其顶出，实现口罩的翻转和上下加工工序的对接。3.2.2电动机的选择a=0.98×0.99×0.98=0.9511为联轴器带的效率,2为轴承的效率,3为抓盘的工作效率。工作机的转速为:90片/每分钟——每边45片/分钟每次工作角度为180°暂定工作机的转速：n=22.5r/min受启停时间和工作间歇时间的影响工作机的转速提高为n=45r/min即ｗ=4.71rad/s工作载荷为轻载荷但是需要考虑轴的转动惯量和抓盘的转动惯量故可设需要的工作载荷力矩为M=FxR=100n*0.01m=1n*m选择步进电机为驱动装置步进电机的力矩可以通过接线控制有三种型号的电机可供选择表3-257步进电机的三种型Model相数步距角保持转矩额定电流相电感相电阻引线数量转子惯量转矩重量机身长（°）N.MAmHOhmg.cm^2Kg.cmKgMm57HS091.20.882600.40.65457HS1321.81.342.1184600.717657HS20.884600.71.181经过多次比较多种电机后，最后确定本次设计采用雷赛57HS13型号电机，该产品为二相步进电机在满足需要的同时，可以降低成本，延长使用时间并且具有很好的控制精度。实物图如下图所示。图3-257HS13型号步进电机与其驱动器根据设计计算选择型号为57HS13的步进电机为主轴电机其主要尺寸入下图图3-3步进电机的主要尺寸引线接法如下表3-357HS13步进电机的接法接法驱动器接线对应电机引线适用场合串联A+A低速A-CB+BB-D悬空AC悬空BD并联A+AC高速A-ACB+BDB-BD电机接线图如下所示：图3-42相/4相接线图驱动器作为步进电机的配套零件，根据生产方公司发布的步进电机的应用手册，与雷赛57-HS13配备的步进电机驱动器型号为：DM542。实物图与接线示意图如下图3-5驱动器给步进电机加装驱动器是为了提高步进电机运行的精确率。步进电机驱动器能够将电脉冲信号转化为角位移，当步进驱动器接收到一个由PLC发出的脉冲信号，驱动步进电机就可以以一个固定的角度向设定的方向转动，旋转的过程是按照一个固定的角度逐步完成的。因此可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到精准定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速和定位的目的。3.3口罩承接平台的设计图3-6如上图所示；一般医用口罩的主体尺寸为175mm乘以95mm。本加工阶段口罩上还未贴合耳线故不需要考虑口罩耳线的干扰。在观察到口罩生产线的上下端，可以发现口罩片是通过上游生产线的传送带竖着打向口罩翻片机。因此在设计口罩承接平台的时候，竖向方向考虑够用，横向方向考虑容错。设计为，175mm乘以130mm的平台。如下图所示。零件图见附录；图3-7零件1零件厚度为1cm增强其刚度和稳定性。零件一整体可通过铸造完成，对其表面进行精加工。使表面粗糙度达到Ra3.2中间圆孔由铣床或钻床完成。为红外传感器的探头孔。四周开槽，使得爪盘能够顺利回转。使用时在其后端安装一毫米厚铝制或不锈钢制挡板，防止口罩飞出。示意图如下。图3-8挡板3.4轴系零件的设计传动轴及其组件是本次口罩翻片机设计的核心，它关系到机构能否正常的运行。因此我们应该采取更加谨慎的态度对待。轴系零件包含传动轴，轴承，爪盘和联轴器四个部分；以下是对这四个部分的设计说明。1、初步确定轴的直径先初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为45钢，调质处理，查表得C=110故最小直径可以为0.86mm当然这是不合理的考虑到径向强度和安装的方便性。考虑到美观和耐用性，选择最小直径为10mm。2、轴的结构示意图L1L2L3L4图3-9传动轴结构图三维效果图如下图3-10传动轴三维模型3、根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度1）初步选择滚动轴承。中间有退刀曹部分是安装滚动轴承的直径d1,d2，因轴承几乎只受有径向力的作用，是不是在密封的环境下工作。故选用两面带防尘罩的深沟球轴承。参照工作要求并根据dmin=10mm，由轴承产品目录中选取深沟球轴承6002-2z，其尺寸为d×D×B=15×32×9mm，故d1=d2=15mm。2）轴承的一端有轴肩定位，查得深沟球轴承6002-2c的轴肩尺寸范围为17-20.5mm，故取安装抓盘处的中间轴段的直径d3=20mm；3）轴承的另一端由轴承座的轴肩固定。如图所示：图3-11轴承座轴承座中间大圆直径为32mm小圆直径为27mm。其具体尺寸见附录考虑材料和加工的经济性，取轴承之间距离L2=250mm,L2=15mm在两端距离轴肩9mm位置开定位沟如上图所示。取与联轴器相连的一段L4=12mm，d=10mm在距轴肩两端各65mm的地方开M4的螺纹孔，方便转盘的固定。至此，已初步确定了轴的各段直径和长度。3.5联轴器的选用本次设计需要传递的力矩不大。为了方便安装和拆卸，联轴器选用梅花式联轴器型号为CPHD-D20-A6-101，三维视图如下：图3-12该款联轴器采用夹持工作原理。两端孔直径与电机输出轴直径和传动轴的轴端部分直径相同；使用时通过螺钉施加压紧力，让其夹紧两端实现传动。3.6爪盘的设计爪盘有套筒和翻转爪构成。使用时通过螺钉把套筒固定在传动轴上，把翻转爪固定在套筒上，形成一个整体。如下图所示。图3-13

第四章电气控制系统4.1电源的分配电源是保证电气系统工作的前提对与本系统而言我们需要给不同的设备供电如下表2.表2用电器PLC驱动器PLCI/O口气泵电磁换向阀红外传感器用电电压220v24v24v220v24v24v4.2供电系统原理图图4-1如图所示工厂的二相220V交流电L,N经过保险电闸链接一个电气开关通过开关链接PLC为其提供220V工作电源。还链接一个24V控制电源把220V交流电转化为24V直流电为红外传感器、PLC输入输出端口和步进电机驱动器供电；在主供电线路上还并联着气压泵机使得气压泵可以正常工作为气压推动系统提供动力。它们都有着PE端口链接着地线。4.3控制系统原理图本次设计通过PLC控制电机的运行和气泵的推进，其控制原理流程图和原理框图如下电气原理图见附录图4-23、下图4-3为右翻电机与驱动器的接线原理图；其为两项步进电机，24v电源驱动，通过Y1输入脉冲信号、Y5输入方向信号、Y4输入使能信号控制电机的启停转速与转角。给步进电机加装驱动器是为了提高步进电机的精确率。步进电机驱动器它是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速和定位的目的。图4-34.4红外感应模块图4-4本次设计选用的是Domenzi漫反射光电传感器。上图左边为红外传感器的实物图右边为红外探头安装的区域。红外传感器通过中间的圆孔来检测托盘上是否有口罩传送来；当有口罩来的时候会被检测到然后信号会被输入PLC中，PLC对信号处理然后输出下一步指令。

第五章气压系统气压系统基本架构设计图如下：图5-1气压系统示意图1.气压源：工作压力4～7bar(1Kg/cm2=0.981bar)2.三点组合（调理组）：调压、滤水、润滑3.气压缸:单动缸4.基本气压回路5.plc控制的气动示意图5.1气压推动模块图5-35.2气压缸的工作原理气压泵为系统提供压力源经过干燥机的干燥先存入储气罐内在需要使用时PLC控制电磁阀打开推动气压泵活塞向外运动顶出口罩，动作完成后电磁阀断开转换接口气压缸的活塞被弹簧推回。完成一个往复运动。气动装置电气原理图见附录。

成本分析1.FX3U-32MTPLC定价1148元2.57HS13步进电机+DM542驱动器定价180*2=360元3.飓霸空压机气泵额定功率1200W定价1088元4.气压缸:可根据需求定制两个价格约为250元5.电池换向阀定价130*2=260元6.Domenzi漫反射光电传感器定价30元7.空气开关、熔断器约200元8.华晓24V控制电源定价850元9.轴承9*2=18元10.其