2012毕业设计馒头摆放机方案论证报告

1、机电工程学院毕业设计方案论证报告设计题目: JD1255食品摆放装置及控制系统设计 学生姓名： 学 号： 专业班级： 指导教师： 2012年 3 月 16 日目 录1. 任务内容和要求12. 任务书分析23. 总体方案设计与选择33.1 总体方案论证33.2 本方案设计53.3 电动机的选择63.4 传送装置的选择73.5 机架的设计83.6 控制系统93.7 执行系统113.8 光电开关113.9 润滑与防护134. 论证方案总结145. 设计任务时间安排15参考文献161. 任务内容和要求本课题主要完成JD1255食品摆放装置设计方案选择、结构设计、零件设计及控制系统设计。设计系统能够完成

2、下列功能：（1）5行5列的馒头自动摆放；（2）行列间距100毫米；（3）每个位置的运行周期不大于1秒；（4）具有软件位置调整功能；（5）控制方案要求可行；（6）运行稳定可靠，成本经济。2. 任务书分析摆放是馒头生产过程中的关键步骤，一要劳动强度小，二要确保产品卫生，三要摆放准确，四要防止馒头变形，等等。此次设计一台馒头自动摆放机，解决由人工完成的摆放操作，降低工人的劳动强度，提高劳动生产率，还要求馒头排放位置准确可靠，不存在累积误差。自动摆放机要求能和各种馒头成型机相配套使用，即排放速度和时间是可调的。由于蒸锅的标准化及题目设计的尺寸要求，托盘可以是500mm * 500mm的型式，每行只限摆

3、放5个馒头，相应有5列，且馒头之间的间距均为100mm。此外还要设计一个在馒头成型机和摆放装置之间完成馒头输送的轻型输送带，且能适应于不同的高度的馒头成型机和摆放装置的要求，即要求输送机的高度是可以无级调节的，且要求输送机的角度可调范围为1525。由于食用和卫生方面的要求，所以要求相应设备的清洁卫生，避免污染。3. 总体方案设计与选择 3.1 总体方案论证通过参阅相关文献，网络搜索等途径了解到各式各样的食品摆放设计，目前馒头自动摆放有以下4种形式：第一种是旋转溜管式生面团自动排放机；第二种利用皮带传动和托盘运动实现馒头的摆放；第三种是推板式生面团自动摆放装置；第四种是利用XY工作台式自动摆放装

4、置。方案一 旋转溜管式自动排放机这种摆放机的原理是利用馒头的自重，通过一个间歇旋转导向器，将面坯导入固定的定位装置中，从而实现自动排列动作，其基本形式如图1所示。图1 旋转溜管式自动排放机原理示意图该机主要由导向器、固定定位装置和主传动机构三部分构成。当馒头成型后，通过传送带提升送入导向器的落料口，导向器是灵活旋转的滚道，一是控制馒头滚动下落，二是准确实现某个角度的转动，确保出口与定位装置上平面圆周分布的孔相对接。固定的定位装置作用则是将面坯实现位置转变，达到摆放功能。排列后的面坯落入托盘或输送带上，向前运行进入后一工序。方案二 利用皮带传动和托盘运动实现馒头的摆放该摆放设备由皮带传动机构，托

5、盘输送机构，控制系统和机架组成。其动作示意图如图2所示。图2 皮带传动动作示意图工作原理：皮带传动机构的主运动是皮带传动，由调速电机驱动，使其匀速运动，辅助运动是皮带末端部的滑块在电机的驱动下，实现皮带出口端作直线间歇运动。输送带在驱动装置作用下朝着一个方向匀速运动，出口端则由一个活动刀口支撑使皮带作伸缩动作，每个面坯在预定的位置落到盘中后，每个位置上的光电开关都会给控制器发出信号，当面坯的初始位置落到托盘中时，皮带输送机构即完成了第一排5个面坯的摆放。然后托盘前进100 mm后停止，皮带传动机构又重复上述摆放动作和过程，摆放第二排面坯，如此循环，进行间歇式摆放连续化作业。方案三 推板式自动摆

6、放机 将成型后的面坯由输送带按一定间距输送到摆放机上，摆放机上部设有一旋转的拨板盘，拨盘的旋转方向与输送带运动方向相垂直，每当输送带上通过一定数量的馒头时，拨盘运动一次，将一定数量的馒头拨入输送带下设的定位器中，利用馒头的自然落差和出料口的布置，使馒头按一定间隙整齐地排列在托盘或主输送带上，进入下一道工序。拨盘拨下的馒头数量是根据生产线上的产量来设定，为了使拨盘动作与输送带速度完全同步，两者必须用一个传动系统来连接。方案四 XY工作台式自动摆放机将成型的馒头坯由传送带等间距输送至XY工作台上，工作台由PLC和伺服系统控制，其动作示意图如图3所示。当第一个馒头落在托盘上时，工作台带动托盘向X方向

7、运动，当X方向的馒头摆满后，托盘向Y方向运动100mm后停止，X方向开始运动，重复上述运动，直至馒头摆满整个托盘，然后迅速顶出托盘至传送带上，进入下一道工序。图3 XY工作台式摆放装置示意图3.2 本方案设计如前所述，上述四个方案过于复杂，且自动化程度低，很容易使馒头变形，结合方案二与方案三，将两个方案相结合，确定了本次设计的最终方案，其运动示意图如图4所示。将馒头成型机成型的生面坯等间距输送到传送带上，传送带前段安装一个光电开关，当第一个馒头运动到光电开关所处位置时，光电开关将信号传输给单片机，单片机控制气缸推动推板将5个馒头推送至与第一条传送带垂直放置的第二条传送带上，此传送带由步进电动机

8、和单片机控制，其运动模式为100mm，100mm，100mm，100mm，200mm，100mm 如此往复。当推板推下5列馒头即摆满一托盘后，开始下一托盘的摆放。图4 推板式皮带传送装置运动示意图3.3 电动机的选择步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制步进电机件，在不超载的情况下，电动机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲个数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一固定角度，称“步距角”，它的旋转是以固定的角度运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而准确定位，同时可以通过控制脉冲频率来控制电动机转速和加速度，从而

9、高速转动。 伺服电机又称执行电机，在自动控制系统中用作执行元件，把接收的电信号转换成电机轴上的角位移或角速度输出。伺服电机内部转子是永磁铁，驱动器控制的U V W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器把信号反馈给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。编码器的精度（线数）决定伺服电机的精度，它每旋转一个角度都会发出相应数量的脉冲，这样伺服驱动器和伺服电机编码器的脉冲形成了呼应，所以它是闭环控制，而步进电机是开环控制。 步进电机和伺服电机的区别在于：1、控制精度不同，步进电机的相数和拍数越多，它的精确度就越高，伺服电机取块于自带的编码器，编码器刻度

10、越多，精度就越高；2、控制方式不同，一个是开环控制，一个是闭环控制；3、低频特性不同，步进电机在低速时易出现低频振动现象，在低速时一般采用阻尼技术或细分技术来克服低频振动，伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可补偿机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点便于系统的调整；4、矩频特性不同，步进电机的输出力矩会随转速升高而下降，而交流伺服电机为恒力矩输出；5、过载能力不同，步进电机一般没有有过载能力，而交流伺服电机具有较强的过载能力；6、运行性能不同，步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易丢步或堵转，停

11、止时转速过高易出现过冲现象，而交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈的信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲，控制性能更为可靠；7、速度响应性能不同，步进电机从静止加速到工作转速需上百毫秒，而交流伺服系统的加速性能较好，一般只需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机，此次馒头摆放装置设计要求低速运转平稳，恒力矩输出，控制性能可靠，可快速响应，防尘性能好，综上所述，在本方案中选择使用伺服电机。3.4 传送装置的选择在加工工业中，存在着大量固体和流体物料的输送问题，为了提高劳动生产率和降低劳动强度，需要采用各

12、种各样的输送设备来完成物料的输送。输送系统的选择关系到工厂的总体布置和结构形式，而生产工艺过程又决定了输送系统的合理选择。在考虑生产工艺过程时，应当把工作机构和输送系统设备有机结合起来。 查询资料知带式输送机可输送物料有粉粒体、块状、成形物、麻袋等，其形式有固定式和移动式两种，既可水平输送，又可倾斜输送（如图4），其特点为：输送量大，动力消耗少，运转连续，工作平稳，输送距离大。图4 水平式和倾斜式输送机带式输送机原理图如图5，由绕在两个鼓轮上的封闭环形组成的运输系统，两鼓轮一个为主动轮，一个为从动轮，主动轮靠摩擦力带动环形带运转，环形带再靠摩擦力带动上面的物料，达到运输的目的。图5 带式输送机

13、原理橡胶带是由若干层纤维帆布作为带芯，层与层之间用橡胶加以粘合而成的，其上下两面和左右两侧还附有橡胶保护层。帆布带芯是交代承受拉力的主要部分，而橡胶保护层的主要作用是防止磨损及腐蚀，一般采用多层的橡胶带，有轻型、普通型、强力型、耐热型等多种类型，其中轻型主要用于农产品、粉末、包装物品。因此此次设计使用轻型橡胶带式输送机。3.5 机架的设计机架设计准则：机架的设计主要应保证刚度、强度及稳定性（）刚度评定大多数机架工作能力的主要准则是刚度。在机床中刚度决定着机床生产效率和产品精度；在齿轮减速器中，箱体的刚度决定了齿轮的啮合情况及其工作性能；薄板轧机的机架刚度直接影响钢板的质量和精度。（）强度强度是

14、评定重载机架工作性能的基本准则。机架的强度应根据机器在运转过程中可能发生最大载荷或安全装置所能传递的最大载荷来校核其静强度，此外还要校核其疲劳强度。机架的强度和刚度都需要从静态和动态两方面来考虑。动刚度是衡量机架抗震能力的指标，而提高机架抗振能力应从提高机架构件的静刚度、控制固有频率、加大阻尼等方面考虑。（）稳定性机架受压结构及受压弯结构都存在失稳问题。有些构件制成薄壁式也存在局部失稳的问题。稳定性是保证机架正常工作的基本条件，必须加以校核。对于机床、仪器等精密机械还应考虑热变形，热变形将直接影响机架原有精度，从而使产品精度下降。此处馒头摆放装置的设计由于温度低，精度要求低，可暂不考虑热变形。

15、本次机架设计应满足以下基本条件：1.在满足强度和刚度的前提下，机架的重量应要求轻、成本低；2.抗振性好；3.噪声小，造型好；4.结构设计合理，工艺性良好，便于铸造、焊接和机械加工；5.导轨面受力合理、耐磨性良好。综合上述分析，机架选用铸铁焊接而成。由于铸铁的铸造性能好、价廉和吸振能力强，所以应用最广。铸铁流动性好，体收缩和线收缩小，容易获得形状复杂的铸件。铸铁的内摩擦大、阻尼作用强，故动态刚性好，另外还有切削性能好、价格便宜和易于大量生产等优点。焊接机架具有制造周期短、重量轻和成本低等优点，故在机器制造业中，焊接机架日益增多。此外铸铁机架应加以时效处理，时效处理的目的是在不降低铸铁力学性能的前

16、提下，使铸铁的内应力和机加工切削应力得到消除或稳定，以减少长期使用中的变形，以保证几何精度。3.6 控制系统单片机自20世纪70年代问世以来，以其极高的性价比，受到人们的重视和关注，应用广，发展快。单片机体积小，重量轻，抗干扰能力强，环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发也较为容易。由于具有上述优点，在我国，单片机已广泛应用于工业自动化控制、自动检测、智能仪器仪表、家用电器、电力电子、机电一体化设备等各方面。 单片机作为微型机的一个主要分支，在结构上的最大特点就是把CPU、存储器、定时器和多种输入输出接口电路集成在一块超大规模集成电路芯片上。就其组成和规模而言，一块单片机就是一台计算

17、机。 单片机具有丰富的内部资源，性能全面、适应性强。用户可以根据实际需求，设计一个以通用单片机芯片为核心，再配以外部接口电路及其它外围设备，来满足各种不同需要的测控系统。在设计中已经对系统结构、可靠性、成本等因素进行了全面考虑，所以专用单片机综合优势十分明显的。MCS-51单片机优点有以下几个方面：（1）小巧灵活、成本低、易于产品化，能方便地组装成各种智能式测控设备及各种智能仪器仪表。（2）集成度高，MCS-51单片机的典型代表产品为8031，8031芯片内部包含了128个字节的RAM，4个8位并行I/O口，1个全双工的串行口，2个16位的定时器/计数器，以及一个处理能力很强的中央处理器。 （

18、3）系统结构简单，MCS-51芯片内部采用模块式结构，增加或更换一个模块，就能得到指令系统和引脚兼容的新产品。（4）系统扩展方便，MCS-51具有外扩至64K字节程序存储器和64k字节的外部RAM和I/O口的能力。 （5）可靠性高，MCS-51单片机的总线大多在芯片内部不易受干扰，而且MCS-51应用系统体积小，容易采取屏蔽等措施，适应范围宽，在各种恶劣的环境下都能可靠的工作。（6）处理功能强、速度高，MCS-51单片机指令系统中有加、减、乘除及各种逻辑运算和转移指令，还具有位操作功能。CPU时钟频率为12MHz，指令系统中近50%的指令为单字节指令，指令执行速度快。 （7）容易产品化。MCS

19、-51由于单片机应用系统具有体积小、可靠性高、功能强、价格低等特点，因此容易形成产品，可以把它装入各种仪器、仪表及控制设备中。所以自1980年MCS-51系列单片机推出以来，直到现在，其市场仍很坚挺。它已成为我国在工业检测控制领域中的优选机种和机型。 且单片机开发成本低，一个单片机十几块到几十块，上百不等。综上所述，在馒头摆放装置中，由于精度要求不高，成本低等因素，所以控制系统选用MCS-51单片机。 3.7 执行系统根据本次设计的要求和条件，要求执行系统到达行程终端无冲击现象和撞击噪声，重量轻，要求安装空间窄且行程短，在有尘等恶劣环境下需有防护装置，馒头生产要求无污染，需要选用无给油或无油润

20、滑装置。综合上述考虑，执行系统选用轻型缓冲气缸，且在活塞杆伸出端安装防尘罩。根据此次设计的安装位置、使用目的等因素，气缸需固定安装。气缸原理：工质在发动机气缸中通过膨胀将热能转化为机械能；气体在压缩机气缸中接受活塞压缩而提高压力，引导活塞在其中进行直线往复运动的圆筒形金属机件。涡轮机、旋转活塞式发动机等的壳体通常也称“气缸”。当气缸的活塞运动速度较高时（一般为1m/s 左右），在行程的末端将会猛烈撞击气缸的前、后端盖，容易引起气缸的振动和损坏。在行程末端装上缓冲装置（如图6所示），可减轻或消除端部撞击。图6 缓冲气缸的缓冲装置3.8 光电开关光电开关是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束

21、的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无，如图7所示。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线强弱或有无对目标物体进行探测。安防系统中常见的光电开关烟雾报警器，工业中经常用它来记数传送物品的个数。图7 光电开关工作示意图本次设计中采用对射型光电开关，它由发射器和接收器组成，结构上是两者相互分离的，在光束被中断的情况下会产生一个开关信号变化（如图8），典型的方式是位于同一轴线上的光电开关可以相互分开达50米。直射式光电开关由相互分离且相对安装的光发射器和光接收器组成，当馒头位于发射器和接收器之间时，光线被阻断

22、，接收器接收不到红外线而产生开关信号。其特征有：辨别不透明的反光物体；有效距离大，因为光束跨越感应距离的时间仅一次；不易受干扰，可以可靠合适的使用在野外或者有灰尘的环境中。图8 对射型光电开关示意图3.9 润滑与防护食品加工机械润滑特点：（1）在某些食品加工机械中，润滑剂可能与食品发生接触或造成食品污染，引起食用者中毒或其他不良影响，因此润滑剂不得对食品造成污染；（2）加强对食品加工机械的润滑管理，必须选择符合设备性能要求的润滑剂，润滑剂必需保持清洁。食品机械一般使用专用的润滑剂，我国已有相应标准，如食品机械专用白油（GB12494-90）；食品添加剂白色油（GB4853-84）；另有食品机械润滑脂（GB15179-94）。食品机械润滑主要用深度精致白油，但对负荷大或冲击性负荷的润滑部位，则润滑性能不能满足要求，而必需加入油性剂或极压剂，但必需是无毒无臭无味的。油性剂可用鲸鱼油或蓖麻油等动植物油。另外，在可能被面粉粉尘污染的地方，如电机，气缸等处应加防护罩。4. 论证方案总结综上所述，本次设计总体方案采用推板式皮带传送装置，机架用铸铁