自动饮料灌装系统的设计毕业论文.docx

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自动饮料灌装系统的设计毕业论文

自动饮料灌装系统的设计毕业论文

前言

工业现代化的进程，对生产过程的自动控制和信息通信提出了更高的要求。

随着计算机和网络通讯技术的发展，企业对生产过程的自动控制和信息通讯提出了更高的要求。

工业自动化系统已经从单机的PLC控制发展到多PLC及人机界面

（HMI，HumanMachineInterface）的网络控制。

全自动灌装生产线是由数台自动灌装机械经控制系统进行集中控制，并按照各自功能完成一定任务进行顺序、连续生产的一系列机器组合。

通过对饮料罐装自动控制的介绍，使我们对灌装这个行业有了更深的了解，也对自动化这个名词有了进一步的了解。

我国的饮料罐装自动化相对于西方发达国家来讲还有很大的差距。

设备陈旧，技术落后，成为阻碍我们灌装行业发展的一个严重问题。

鉴于这些问题，我国企业不断发展自身的实力，逐步朝着生产高速化、设备结构合理化、设备的多功能化、设备的绿色化、控制的智能化等方向发展。

推出适合自己需求的产品来。

早期的灌装生产流水线大多数采用容积泵式、蠕动泵式作为计量方式。

这些方式存在一些缺点。

例如：

灌装精度和稳定性难以保证、更换灌装规格困难等。

本设计鉴于PLC可靠性高、耐恶劣环境能力强、使用极为方便三大特点，利用PLC技术平台自主开发创新，将机械、电气和自动化等技术有机结合，将传统的继电器-接触器控制功能用PLC代替，构成实用、可靠的饮料灌装生产线PLC控制系统。

该控制系统可节省大量电气元件、导线与原材料,缩短设计周期,减少维修工作量,提高加工零件合格率,进而提高生产率，而且程序调整修改方便灵活，提高了设备的柔性和灵活性。

具有整体技术经济效益。

PLC控制具有编程简单、工作可靠、使用方便等特点，已经在工业自动化控制领域得到了广泛的应用。

1.概述

1.1概论

现代社会工业自动化水平日益提高，致使众多工业企业均面临着传统生产线的改造和重新设计问题。

几年前，自动化技术只占包装机械设计的30%，现在已占50%以上，大量使用了微电脑设计和机电一体化控制。

提高包装机械自动化程度的目的：

一是为了提高生产率；二是为了提高设备的柔性和灵活性；三是为了提高包装机械完成复杂动作的能力。

饮料灌装机用于灌装各种各样的瓶装饮料，适合大中型饮料生产厂家，早期的灌装机械大多数采用容积泵式、蠕动泵式作为计量方法。

这些方法存在一些缺点。

例如：

灌装精度和稳定性难以保证、更换灌装规格困难等。

本系统采用的饮料分装计量是通过时间和单位时间流量来确定的，计量精度由可编程控制器（PLC）控制确定。

PLC控制具有编程简单、工作可靠、使用方便等特点，在工业自动化控制领域广泛应用。

专为PLC应用而实际的触摸屏集主机、输入和输出设备于一体，适合在恶略的工业环境中使用。

饮料灌装装置主要包括两部分：

恒压储液罐灌液和计数部分。

在恒压储液罐灌液不封，里面有上限液位和下线液位传感器，它们淹没时是1状态。

液面低于下线液位时恒压储液罐为空。

饮料通过进液电磁阀流入恒压储液罐，液面达到上限位时进液电磁阀断电关闭，使液位保持恒定。

鉴于PLC可靠性高、耐恶劣环境能力强、使用极为方便三大特点，利用PLC技术平台自主开发创新，将机械、电气和自动化等技术有机结合，将传统的继电器-接触器控制功能用PLC代替，构成实用、可靠的饮料灌装生产线PLC控制系统。

该控制系统可节省大量电气元件、导线与原材料,缩短设计周期,减少维修工作量, 提高加工零件合格率,进而提高生产率，而且程序调整修改方便灵活，提高了设备的柔性和灵活性。

具有整体技术经济效益。

1.2设计任务与要求

在《毕业设计任务书》中，我的毕业设计任务为：

以PLC控制为核心，采用电动机、流量计等辅助手段来完成6口0.5L饮料瓶的自动灌装系统设计。

设计电控系统、传动系统，完成机械结构图、电气原理图和控制程序设计。

设计要求：

1、毕业设计（论文）由学生本人独立完成。

2、完成整个系统的方案选型，元件选择，软件设计。

3、技术指标：

1）饮料瓶容积：

0.5L

2）每次灌装瓶数：

6

3）灌装节拍：

5～15S,可调节;

4）精度：

5mL

1.3相关预备知识

1.3.1PLC的定义

可编程控制器，简称PLC（ProgrammablelogicController）,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。

在1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：

“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

1.3.2PLC的基本组成

PLC的基本组成可归为四大部件：

1．中央处理单元（CPU板）——控制器的核心；

2.输入部件——连接现场设备与CPU之间的接口电路；

3.输出部件——送出PLC运算后得出的控制信息；

4.电源部件——为PLC内部电路提供能源。

另外，还必须有编程器——将用户程序写进规定的存储器内。

PLC的基本组成框图如图1-1所示：

图1-1PLC的基本组成框图

1.3.3PLC的功能与特点

功能：

1.逻辑控制

2.定时控制

3.计数控制

4.步进（顺序）控制、

5.PID控制、数据控制

6.PLC具有数据处理能力、通信和联网

7.其它PLC还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如定位控制模块、CRT模块。

特点：

1.可靠性高，抗干扰能力强

2.功能完善，适用性强

3.易学易用，深受工程技术人员欢迎

1.3.4PLC的应用范围

目前，在国内外PLC已广泛应用于冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、汽车、轻工、环保及文化娱乐等各行各业，随着PLC性能价格比的不断提高，其应用领域不断扩大。

从应用类型来看，PLC的应用大致可归纳为以下几个方面：

1.开关量逻辑控制2.运动控制3.过程控制4.数据处理

1.4总体方案设计

本次自动饮料灌装系统生产线是根据六口自动饮料灌装系统生产线的原理来设计的，其工作流程及原理如下：

首先，人工将饮料瓶放置在自动化生产线上（自动化生产线的宽度仅够一个瓶身通过，且两端空隙不超过2毫米，瓶与瓶之间无空隙，传送带前后端各有一铁杆拦住所有瓶子，并且两端各有一光电传感器计瓶数）。

启动机器，后拦截杆收回，传送带将瓶子往前移，移至后光电传感器下端时，后光电传感器自动计数。

计数至6个时，后光电传感器传输信号给PLC，PLC控制后拦截杆，后拦截杆拦截第7个瓶子，后光电传感器清零。

延时2S后，传送带停止工作。

此时PLC传输信号给丝杠电机，丝杠电机带动丝杠使喷口向下运动。

当喷口下压到下限位时，喷口下限位行程开关打向另一侧，使PLC传输信号给喷口上的电磁阀，电磁阀开通，椭圆齿轮流量计开始计流量，喷口开始注水。

当流量计显示流量达500ml时，流量计传输信号给PLC，PLC关断喷口电磁阀，喷口停止注水。

随后PLC传输信号给丝杠电机，丝杠电机带动喷口上抬置顶，触发喷口上限位行程开关。

此后PLC控制传送带电机带动传动带，前拦截杆收回，瓶子移动，前光电传感器开始计满瓶数。

当计数至6个时，前光电传感器传输信号给PLC，PLC控制前拦截杆伸出，后拦截杆收回，前光电传感器清零，后光电传感器继续计数，而后往复循环。

如图1.2所示。

图1-2控制系统流程图

2.系统机械结构设计

系统的总体结构如图2-1所示，移动部件上下移动的距离为100mm，应快速到达，时间为1s，选丝杠的公称直径为d=20mm，估计移动部件总重量为G=100N。

其下方设置一条滚动的带传动设备，使饮料瓶能随皮带到达灌装口。

图2-1系统总体结构

2.1电机的选择

2.1.1丝杠电机的选择

1）丝杠电机转轴上总转动惯量Jeq的计算

加在丝杠电机转轴上的总转动惯量Jeq是进给伺服系统的主要参数之一，它对选择电机具有主要意义。

Jeq主要包括电动机转子的转动惯量与滚珠丝杠以及移动部件等折算到电动机转轴上的转动惯量等。

Jeq的具体计算方法如下：

已知：

滚珠丝杠的公称直径d0=20mm，总长480mm，导程Ph=5mm,材料密度P=7.85*10-3kg/cm3,移动部件总重力G=100N。

算得各零部件的转动惯量如下：

滚珠丝杠的转动惯量Js=0.6kg.cm2，滑块折算到丝杠上的转动惯量Jw=0.398kg.cm2。

初选丝杠电机的型号为75BC380A，为三相反应式，步矩角为1.5度，查得该型号步进电机转子的转动惯量Jm=0.2kg.cm2。

由Jeq=Js+Jw+Jm，带入数据，则计算得加在丝杠电机转轴上的总转动惯量Jeq=Js+Jw+Jm=0.6+0.398+0.2=1.198kg.cm2。

2）等效负载转矩的计算

丝杠电机转轴所承受的负载转矩在不同的工况下是不同的。

通常考虑两种情况：

一种是快速上升，另一种是快速下降。

显然快速上升时，负载转矩较大。

设快速上升时电机转轴所承受的负载转矩为Teq，则

Teq=Tamax+Tf+T0（2-1）

式中：

Tamax——快升时电动机转轴上最大加速转矩，单位为N.m；

Tf——部件移动时电动机转轴上的摩擦转矩，单位为N.m；

T0——滚珠丝杠预紧后折算到电机转轴上的摩擦转矩，单位为N.m；

快速空载启动时折算到电机转轴上的最大附加转矩：

Tamax=（2π*Jeq*n）/（60t）（2-2）

式中：

Jeq——电机转轴上总转动惯量，单位为kg.m2；

n——电机的转速，单位为r/min；

t——电机加速所用时间，单位为s，在0.3~1s之间取；

其中：

n=（vmax*α）/（360*δ）（2-3）

式中：

vmax——空载最快移动速度，本机器为6000mm/min；

α——步进电机步矩角，预选电动机为1.5度；

δ——脉冲当量，δ=0.01mm；

将以上各值代入式（2-3），算得n=2500r/min。

设t=0.4s，传动系统总效率η=0.7，求得：

Tamax=（2π*1.198*10-4*2500）/（60*0.4*0.8）≈0.196N.m

移动部件运动时折算到电机转轴上的摩擦转矩：

Tf=（F摩*Ph）/（2πη）（2-4）

式中：

F摩——导轨的摩擦力，单位为N；

Ph——滚珠丝杠导程，单位为m；

η——传动系统总效率，一般取η=0.7~0.85；

其中：

F摩=μ（Fc+G）（2-5）

式中：

μ——导轨的摩擦因素（滑动导轨取0.15~0.18，滚动导轨取0.003~0.005），取μ=0.15；

Fc——垂直方向的工作负载，车削时为Fc，立铣时为Fz，单位为N，取Fc=0；

G——运动部件总重力，单位为N，本设备G=100N；

将以上各值代入式（2-5），算得F摩=15N。

由式（2-4）可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：

Tf=（F摩*Ph）/（2πηi）=（15*0.005）/（2*3.14*0.7*2）=0.00853N.m

滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩：

T0=（FYJ*Ph）（1-η02）/（2πηi）（2-6）

式中：

FYJ——滚珠丝杠的预紧力，一般取滚珠丝杠工作载荷FM的1/3，单位为N；

η0——滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取η0>=0.9；

由于滚珠丝杠副的传动效率很高，所以有式（2-6）算出的T0值很小，与Tamax和Tf比起来，通常可以忽略不计。

最后由式（2-1），求得快速启动时电机转轴所承受的负载转矩：

Teq=Tamax+Tf+T0=0.196+0.0085=0.2045N.m

3）丝杆电机的校核

将上述计算说得的Teq乘上一个K，用K*Teq的值来初选丝杠电机的最大静转矩，其中的系数K称作安全系数。

对于开环控制，一般应在2.5~4之间选取。

取K=4，则丝杠电机最大静转矩：

Tjmax>=4Teq=4*0.2045=0.818N.m

上述初选的丝杠电机型号为75BC380A，该电机的最大静转矩Tjmax=0.98N.m，满足要求。

2.1.2传送带电机的选择

1）传送带电机的初选

若传送带滚筒直径D=70mm，左右滚筒用45#钢实心柱型，滚筒长约100mm（支撑部分不包含在内），已知45#钢的密度为ρ=7.85g/cm3。

取传送带两滚筒轴间的间距为2m，平均100mm放一个瓶子，每一个瓶子容量为0.5L，质量为0.5kg。

这时传送带上瓶子的最大质量为10kg，传送带的最大速度为0.1m/s。

则滚筒的体积V=π（D/2）2*h=3.14*3.52*10=384.65cm3,所以滚筒的质量m=V*ρ=384.65*7.85=3.02kg。

若此时加上支撑部分的质量，则总质量为4.25kg。

这时两个滚筒的转动惯量为J1=（1/2）*m*（D/2）2=0.5*4.25*3.52=26.03kg.cm2。

传送带上的瓶子质量折算到电机主轴上的转动惯量为：

J2=（365w/4g）*（v/n）2（2-7）

式中：

w——传送带上的最大重量，单位为N，此处w=10kg*9.8m/s2；

v——传送带上瓶子的速度，单位为m/s；

n——滚筒的转速，单位为r/s；

其中v/n简化得v/n=πD，代入得：

J2=365*10*（3.14*0.07）2/4=44.085kg.cm2。

初选传送带电机型号为86BYG250B-SAFRBC-0202，该电机转子转动惯量为J3=3.0kg.cm2。

总转动惯量J0=J1+J2+J3=26.05+44.085+3.0=73.115kg.cm2。

2）传送带电机的校核

该电机的启动时间为0.03s，则电机转轴上所受的转矩为：

M=J0*（2πn）/（60t）=（73.115*6.28*27.3*10-2）/（60*0.03）=0.696N.m

以M乘以一个系数K，即以KM来初选电机的最大静转矩，取K=4，则传送带电机的最大静转矩Tjmax为：

Tjmax>=4M=0.696*4=2.784N.m

所选电机最大静转矩为5N.m，满足要求。

2.2滚珠丝杠副的计算

2.2.1最大工作载荷Fm的计算

滚珠丝杠副的最大工作载荷Fm是指滚珠丝杠副在驱动工作台时所承受的最大轴向力，也叫进给力。

它包括滚珠丝杠副的进给力、移动部件的重力以及作用在导轨上的切削力所产生的摩擦力。

由图1-2可知，丝杠只受进给方向载荷F=G=100N。

又有Fm=KF，K为颠覆力矩影响系数，这里取K=1.15。

所以Fm=1.15*100=115N。

2.2.2最大动载荷C的计算

滚珠丝杠应根据额定动载荷Ca选用，最大动载荷计算原理与滚动轴承相同。

滚珠丝杠的最大动载荷C可用以下公式计算：

C=

*fm*Fm（2-8）

式中：

L——滚珠丝杠副的工作寿命，单位为106r；

fm——运转状态系数，无冲击状态取1~1.2，一般状态取1.2~1.5，有冲击振动取1.5~2.5，此处取fm=1.5；

Fm——滚珠丝杠副最大工作载荷，单位为N；

其中：

L=60nt/106（2-9）

式中：

n——丝杠转速，n=1000v/L0（v为最大载荷下的进给速度，可取最高速度的1/3~1/2；L0为丝杠的基本导程，单位为mm），计算时，可根据快进速度vmax和丝杠最大转速nmax初选一个数值（L0>=1000vmax/nmax），待刚度验算后再确定；

t——额定使用寿命，单位为h，可取t=15000h；

将以上数值代入式（2-9）得L=60*（1000*6/0.005）*15000/106=1080（106r）。

再由式（2-8）计算得C=

*1.5*115=1769.83N=1.77kN。

2.2.3额定动载荷Ca的校核

滚珠丝杠的型号为CDM2005-2.5-P3，其额定动载荷Ca=10kN，远大于C=1.77kN，所以满足要求。

2.2.4刚度的验算

滚珠丝杠副的轴向变形将引起丝杠导程发生变化，从而影响定位精度和运动

平稳性。

轴向变形主要包括丝杠的拉伸或压缩变形、丝杠与螺母之间滚道的接触

变形等。

丝杠的拉伸或压缩变形量σ1在总变形量中占的比重比较大，可按下式计算：

σ1=

（2-10）

式中：

Fm——丝杠的最大工作载荷，单位为N；

α——丝杠两端支撑间的距离，单位为mm；

E——丝杠的材料弹性模量，钢的E=2.1*105MPa；

S——丝杠按底径d2确定的截面积，单位为mm2；

M——转矩，单位为N.mm；

I——丝杠按底径d2确定的截面惯性矩，单位为mm4；

其中，“+”号用于拉伸，“－”号用于压缩。

由于转矩M一般较小，所以式中第2项在计算时可以忽略不计，因此有σ1=（115*500）/（2.1*105*20）=0.01369。

滚珠与螺纹滚道间的接触变形量σ2可从产品型号中查出。

丝杠总变形量σ=σ1+σ2。

一般总变形量σ不应大于规定精度的一半，本产品精度不大，所以丝杠够用。

2.3滚动轴承的选择

如今滚动轴承多为已标准化的构件。

因而，在机械设计中，设计滚动轴承的部件时，只需：

1）正确选择出能满足约束条件的滚动轴承，包括：

合理选择轴承和校核所选择的轴承是否能满足强度、转速、经济等方面的约束；

2）进行滚动轴承部件的组合设计，包括：

合理选择轴承的类型、内径以及诸如公差等级、特殊结构等。

2.3.1丝杠滚动轴承的选择

由于丝杠滚动轴承主要受轴向力，所以选择角接触轴承。

已知内径为20mm，所以初选轴承GB/T292-1994，角接触轴承7002C型，其主要参数：

内径：

d=15mm；

外径：

D=32mm；

宽：

B=9mm；

极限转速：

24000r/min；

基本额定动载荷：

Cr=6.25kN；

基本额定静载荷：

C0=3.42kN；

则轴承的寿命可由以下公式计算：

Lh10=

=

；（2-11）

其中ε=3，设轴承的转速为n=6000r/min，则当量动载荷FP=XFR+YFA=0.44*0+1.4*115=161N。

所以轴承的寿命为：

Lh10=

=

=1.63*105h。

寿命足够了。

2.3.2滚筒滚动轴承的选择

综前所述，选用角接触轴承，选轴承GB/T292-1994，角接触轴承7004AC，其主要参数：

内径：

20mm；

外径：

42mm；

宽：

12mm；

极限转速：

19000r/min；

基本额定动载荷：

10.0kN；

基本额定静载荷：

5.78kN；

2.4联轴器的选择

联轴器的选用，首先按工作条件选则合适的类型，然后再根据转矩、轴径及转速查有关手册选择尺寸。

2.4.1传送带电机联轴器的选择

传送带电机转子直径为28mm，所以根据所传送的转矩、轴径及转速，从联轴器标准件中选取联轴器型号：

GY4，其主要参数：

轴孔直径：

28mm；

轴孔长度：

62mm；

许用转矩：

40N.m；

许用转速：

9500r/min；

转动惯量：

0.0093kg.m2；

2.4.2丝杠电机联轴器的选择

丝杠电机转子直径为8mm，所以根据所传送的转矩、轴径及转速，从联轴器标准件中选取联轴器型号：

NL1，其主要参数：

轴孔直径：

8mm；

轴孔长度：

23mm；

公称扭矩：

40N.m；

许用转速：

6000r/min；

2.5灌装机储液箱的尺寸确定

储液箱的长宽高尺寸是根据储液箱的有效容积来确定，它的长宽高按1:

1:

1或1:

2:

3结合系统的发热和散热及热平衡原则来计算，因为系统发热少，所以无需热平衡校核。

参照现有的水箱尺寸，定其长宽高分别为：

900mm，500mm，200mm。

储液箱需要进行喷丸、酸洗和表面清洗，内壁可以涂一层塑料薄膜或清漆。

3.电气控制系统硬件设计

3.1总体方案分析

本次自动饮料灌装系统生产线是根据六口自动饮料灌装系统生产线的原理来设计的，其工作流程及原理如下：

首先，人工将饮料瓶放置在自动化生产线上（自动化生产线的宽度仅够一个瓶身通过，且两端空隙不超过2毫米，瓶与瓶之间无空隙，传送带前后端各有一铁杆拦住所有瓶子，并且两端各有一光电传感器计瓶数）。

启动机器，后拦截杆收回，传送带将瓶子往前移，移至后光电传感器下端时，后光电传感器自动计数。

计数至6个时，后光电传感器传输信号给PLC，PLC控制后拦截杆，后拦截杆拦截第7个瓶子，后光电传感器清零。

延时2S后，传送带停止工作。

此时PLC传输信号给丝杠电机，丝杠电机带动丝杠使喷口向下运动。

当喷口下压到下限位时，喷口下限位行程开关打向另一侧，使PLC传输信号给喷口上的电磁阀，电磁阀开通，椭圆齿轮流量计开始计流量，喷口开始注水。

当流量计显示流量达500ml时，流量计传输信号给PLC，PLC关断喷口电磁阀，喷口停止注水。

随后PLC传输信号给丝杠电机，丝杠电机带动喷口上抬置顶，触发喷口上限位行程开关。

此后PLC控制传送带电机带动传动带，前拦截杆收回，瓶子移动，前光电传感器开始计满瓶数。

当计数至6个时，前光电传感器传输信号给PLC，PLC控制前拦截杆伸出，后拦截杆收回，前光电传感器清零，后光电传感器继续计数，而后往复循环

3.2控制系统的I/O点及地址分配

3.2.1输入信号I/O点地址分配

输入信号I/O点地址分配如表3.1所示。

表3-1输入信号I/O点地址分配

名称

代码

地址编号

启动按钮

SF1

I0.0

停止按钮

SF2

I0.1

喷头上限位行程开关

BG1

I0.2

喷头下限位行程开关

BG2

I0.3

前挡杆前限位行程开关

BG3

I0.4

前挡杆后限位行程开关

BG4

I0.5

后挡杆前限位行程开关

BG5

I0.6

后挡杆后限位行程开关

BG6

I0.7

后光电开关

KF1

I1.0

前光电开关

KF2

I1.1

1号喷头流量计信号

BG7

I1.2

2号喷头流量计信号

BG8

I1.3

3号喷头流量计信号

BG9

I1.4

4号喷头流量计信号

BG10

I1.5

5号喷头流量计信号

BG11

I1.6

6号喷头流量计信号

BG12

I1.7

3.2.2输出信号I/O点地址分配

输出信号I/O点地址分配如表3.2所示。

表3-2输出信号I/O点地址分配

名称

代码

地址编号

传送带启动

QA03

Q0.0

前挡杆伸出电磁阀

MB1

Q0.1

前挡杆收回电磁阀

MB2

Q0.2

后挡杆伸出电磁阀

MB3

Q0.3

后挡杆收回电磁阀

MB4

Q0.5

传送带停止

MB01

Q0.4

1号喷口电磁阀

MB11

Q0.6

2号喷口电磁阀

MB12

Q0.7

3号喷口电磁阀

MB13

Q1.0

4号喷口电磁阀

MB14

Q1.1

5号喷口电磁阀

MB15

Q1.2

6号喷口电磁阀

MB16

Q1.3

喷口下压

QA05

Q1.4

喷口上抬

QA06

Q1.5

3.3电气元件选型

3.3.1PLC的选型

从上面分析可知系统共有开关量输入16个，开关量输出14个。

参照西门子S7-200产品目录及市场实际价格，选用主机CPU226AC/DC/继电器。

如表3-3所示。

3.3.2断路器的选型

断路器选用原则:

1）空开额定工作电压大于等于线路额定电压