全自動旋蓋機的設(shè)計【帶6張cad圖紙】
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摘 要
隨著社會的發(fā)展，我國的包裝行業(yè)發(fā)展迅速，特別是自動化行業(yè)的興起，隨著對自動化要求的越來越高，原有的機械設(shè)備已跟不上社會生產(chǎn)力的日益需求，我國早期多采取人工包裝，操作繁瑣、單調(diào)、重復，工人勞動強度大。所以本文的設(shè)計目的為全自動旋蓋機的的設(shè)計，包括了機械，電氣控制兩大部份。根據(jù)原始數(shù)據(jù)的要求，完成從理蓋，上蓋，瓶子的進料，旋蓋以及出料等幾個工序。只需簡單操作就可完成,這樣大大簡化了工人的勞動力，達到工業(yè)的自動化控制，機械系統(tǒng)包括進料輸送機的設(shè)計、旋蓋頭的設(shè)計以及中心轉(zhuǎn)盤的設(shè)計。
本旋蓋機的主要驅(qū)動部件包括一臺振動料斗、兩臺交流電機，一臺用于旋蓋的直流電機、一臺步進電機，以及三根氣壓桿，通過PLC的控制，來安排不同的工序，動作的先后，各個工序間的無縫配合來完成這樣一系列連續(xù)的旋蓋動作，從而滿足工業(yè)自動化的需求。電氣控制部分使用了PLC作為控制器，然后通過電源、接觸器、繼電器、脈沖控制器、以及各個行程開關(guān)的開閉配合。設(shè)計完成全自動旋蓋機的PLC編程，也包括了整個系統(tǒng)電氣原理圖的繪制，利于設(shè)備的維護、維修，以及高效可靠地處理各個信號，以達到整機控制的目的。
關(guān)鍵詞：包裝，自動化，旋蓋，輸送機，PLC
ABSTRACT
With the development of society, our packaging industry development is rapid, especially with the rise of automation industry, for automation requirements more and more higher, the original mechanical equipment already can't keep up with the social productive forces, the growing demand, China's early much take artificially packaging, operating trival, drab, repeat, workers labor intensity. So this design purpose for automatic capping machine design, including mechanical, electrical control two most. According to the original data requirements, completion from cover to cover, Daniel, bottle feeding, capping and discharging and several other processes. Just simple operation can be completed. This greatly simplifies the worker labor, achieve industrial automation control, mechanical system including feeding conveyor design, screw a covering design and center somewhere in the design.
This capping machine's main driver components include a vibration hopper, two ac motor, a used for capping the dc motors, a motor and three pillars pressure rod, through the control of PLC, to arrange different process, action, between every process has to accomplish such a series of seamless cooperate with continuous capping action, and meet the demand of industrial automation. Electric controlling part uses the PLC as controller, then through the power supply, contactor, relays, pulse controller, and the coordination of various travel switch. Design completed automatic capping machines PLC programming, including the whole system electrical principle drawing and favors the equipment maintenance, repair, and the effective and reliable processing various signal, in order to achieve the purpose of machine control.
Key words: packaging, automatization, capping, conveyor, PLC
目 錄
1 緒論-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1
1.1旋蓋機系統(tǒng)的介紹------------------------------------------------------------------------------------1
1.2旋蓋機的國內(nèi)現(xiàn)狀------------------------------------------------------------------------------------1
1.3旋蓋機的國外現(xiàn)狀------------------------------------------------------------------------------------2
1.4主要研究內(nèi)容--------------------------------------------------------------------------------------------2
1.5旋蓋機的國外現(xiàn)狀------------------------------------------------------------------------------------2
2 全自動旋蓋機總體的設(shè)計方案-----------------------------------------------------------------------4
2.1全自動旋蓋機的總體設(shè)計思想----------------------------------------------------------------4
2.2機械結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計--------------------------------------------------------------------------------4
3 主要部件的設(shè)計選型及計算校核-------------------------------------------------------------------8
3.1理蓋部分的振動盤選型----------------------------------------------------------------------------8
3.2帶式輸送機的設(shè)計------------------------------------------------------------------------------------8
3.3卡盤的設(shè)計及驅(qū)動----------------------------------------------------------------------------------14
3.4氣壓缸的計算及選型------------------------------------------------------------------------------16
3.5旋蓋頭的設(shè)計與計算------------------------------------------------------------------------------16
4 電氣部分的設(shè)計與選型----------------------------------------------------------------------------------21
4.1可編程控制器------------------------------------------------------------------------------------------21
4.2電器元件的選擇--------------------------------------------------------------------------------------23
4.3控制的原理--------------------------------------------------------------------------------------26
4.4電氣部分的設(shè)計---------------------------------------------------------------------------------29
4.5 PLC程序------------------------------------------------------------------------29
3 結(jié)論------------------------------------------------------------------------------------------------------------------31
參考文獻------------------------------------------------------------------------------------------32
致謝--------------------------------------------------------------------------------------------33
1 緒論
隨著科技社會的發(fā)展,我國的包裝行業(yè)得到迅猛的發(fā)展，包括了：醫(yī)藥,化妝品,飲料等好幾個大類,它們是國家生產(chǎn)行業(yè)中一個相當重要的群體，涉及了國民的健康、社會的安定和經(jīng)濟的發(fā)展。其中中國飲料行業(yè)是其中的一個重要的組成,是改革開放以后發(fā)展出來的新興行業(yè)，是國民生產(chǎn)總值的一個重要的組成部分。20多年來，飲料行業(yè)不斷地發(fā)展和改進，改變了以往的很多缺點、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單、無競爭力的局面，各個新興企業(yè)的規(guī)模和自動化程度不斷提高，產(chǎn)品的設(shè)計日趨合理。中國的飲料、醫(yī)療、化妝品在品牌方面的發(fā)展成果顯著。
隨著市場經(jīng)濟的發(fā)展, 如何摒棄舊的生產(chǎn)觀念,以及節(jié)約人力物力,降低成本,節(jié)約能源，提高能源利用率，使用機械設(shè)備代替工人的勞動力,是一個相當亟不可待的問題 。
所以原始的生產(chǎn)方式已經(jīng)跟不上,日益膨脹的社會需求,如何實現(xiàn)機械自動化,便設(shè)想如能設(shè)計一套全自動旋蓋系統(tǒng)將十分有利于日益膨脹的社會的需求。
1.1 旋蓋機系統(tǒng)的介紹
旋蓋機主要用于玻璃瓶和PET瓶的螺紋蓋封口。旋開蓋是一種密封可靠、開啟方便的包裝蓋，材料一般為鋁合金、塑料，在旋蓋機的作用下旋緊，從而達到密封的效果。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，旋開蓋廣泛應用于各種果汁、飲料、果蔬漿、調(diào)味料、嬰兒食品等瓶裝食用包裝中。普遍使用的旋開蓋直徑范圍為32-65mm，有三爪、四抓等結(jié)構(gòu)，在國內(nèi)俗稱三旋蓋、四旋蓋。
旋蓋機主要由供蓋裝置、出瓶機構(gòu)以及旋蓋機頭這幾個必要的部件組成。
近幾年來隨著食品飲料工業(yè)向大規(guī)模高效率方向發(fā)展，國際上先進的罐裝生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力一般都達到300～500瓶/min，并將洗瓶、罐裝和旋蓋組合成整機。這不僅使設(shè)備更加緊湊，減少生產(chǎn)線占地面積，又減小了洗瓶、灌裝和旋蓋工序之間的輸送距離，對防止產(chǎn)品的二次污染有很大意義。由于原有的直線式旋蓋機和回轉(zhuǎn)式灌裝機很難組合成整機，新穎的多頭回轉(zhuǎn)式旋蓋機就應運而生。這種旋蓋機可以和灌裝機一樣通過增加頭數(shù)來增加產(chǎn)量。采用抓蓋、旋蓋方式的旋蓋頭不僅適用各種旋開蓋的封口，稍加改動后還能用于其他各種金屬、塑料螺紋蓋的封口。旋蓋機的用前景良好，可在各種食品飲料生產(chǎn)線和制藥工業(yè)的生產(chǎn)線中廣泛應用。
然而，在我國應用的罐頭旋蓋機還存在很多的不足。首先是自動化程度低，經(jīng)旋蓋機旋蓋后仍需進行人工旋蓋才能達到加工要求；其次是效率低下，不能滿足我國罐頭生產(chǎn)現(xiàn)狀；還有就是旋蓋質(zhì)量低，返工率高等問題。這些問題，是由于旋蓋機自動化集成程度低、控制精度不高所造成的。[1]
1.2 旋蓋機的國內(nèi)現(xiàn)狀
現(xiàn)在工業(yè)上普遍運用的旋蓋機有兩大類，一種是直立式搓蓋機，另外一種是靠中間轉(zhuǎn)盤帶動的分瓶式的旋蓋機。第一種是基于蓋已經(jīng)裝在瓶上的情況，第二種雖然有他自己獨立的一套裝蓋方案，但是還是難以實現(xiàn)無人工干預的全機器操作的工作方式。
我國早期多采取人工包裝，操作繁瑣、單調(diào)、重復，工人勞動強度大，包裝質(zhì)量不高，有些藥品長期與人接觸還會影響身體健康。由于工業(yè)產(chǎn)品千差萬別，用戶要求各不相同，很難形成統(tǒng)一的灌裝模式和定型的包裝設(shè)備，因而包裝工序長期以來成為連續(xù)化生產(chǎn)過程中的薄弱環(huán)節(jié)。包裝工作包括包裝材料和容器的制造、印刷、包裝工藝程序的操作和質(zhì)量檢測等。實現(xiàn)包裝自動化能有效地提高生產(chǎn)能力，保證產(chǎn)品質(zhì)量,增加花色品種,有利于食物、藥品的清潔衛(wèi)生和金屬制品的防腐防銹并降低生產(chǎn)成本。包裝自動化還能改善工作條件，特別是對有毒性、刺激性、低溫潮濕性、飛揚擴散性等危害人體健康的物品的包裝尤為重要。以及那些人工難以實現(xiàn)的包裝,如無菌包裝、藥品飲料包裝、真空包裝、熱成型包裝等，更加需要實現(xiàn)自動化。伴隨電子技術(shù)的發(fā)展，包裝從單機分離電器為主的低級程序控制發(fā)展到多功能全自動包裝機和由電子計算機控制的包裝生產(chǎn)自動線。[2]
1.3 旋蓋機的國外現(xiàn)狀
國外的旋蓋機，在自動化程度上高于我國生產(chǎn)設(shè)計的旋蓋機，國外有一套自己的理蓋方式，以及全自動的旋蓋方案，雖然國外的機器總體水平比我過的高，但是限于瓶蓋的規(guī)格以及不同的行業(yè)標準等因素，旋蓋機很難從國外進口。
1.4 主要研究內(nèi)容
本課題主要研究輸送帶傳動，步進電機,交流電機,PLC,控制等。通過電機控制輸送帶，金屬桿的運動，步進電機的行程根據(jù)任務書的已知條件，對旋蓋機及其各個零件進行設(shè)計和總體布置。通過具體的參數(shù)計算及工況分析，擬定全自動旋蓋機的系統(tǒng)原理圖，完成液壓及電氣PLC控制系統(tǒng)原理圖繪制。
1.4.1 全自動旋蓋機的工作方式
第一部分:瓶子的進給部分
第二部分:瓶蓋的進給及裝蓋部分
第三部分:自動旋蓋部分
第四部分:控制部分
主要工作方式: 前一流水線上瓶子通過輸送帶進入旋蓋機------------→通過輸送帶及轉(zhuǎn)盤，并將瓶蓋輕放在瓶子上-------------→旋緊瓶蓋----------→下料
1.4.2 課題主要內(nèi)容
(1）根據(jù)設(shè)計要求，收集旋蓋機相關(guān)資料，并做相關(guān)的整理。
(2）根據(jù)已知技術(shù)參數(shù)，確定旋蓋機的總體設(shè)計方案。
1.理蓋部分的設(shè)計及選型
2.進瓶部分的設(shè)計
3.分瓶機構(gòu)的設(shè)計
4.旋蓋頭的設(shè)計
5.機架的設(shè)計
6.材料的選擇
(3）完成旋蓋機的結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用SOLIDWORKS、CAD等軟件繪制裝配圖、零件圖。
(4）擬定PLC控制系統(tǒng)原理圖，電氣控制原理圖。
1.4.3 設(shè)計主要的技術(shù)參數(shù)要求
生產(chǎn)能力50瓶/分鐘
瓶蓋尺寸：15-70毫米
瓶體直徑：Φ35-Φ130毫米
瓶體高度：50-320毫米
2 全自動旋蓋機的總體設(shè)計方案
2.1全自動旋蓋機的總體設(shè)計思想
蓋子通過理蓋部分，整理完朝向，瓶子通過流水線進入旋蓋環(huán)節(jié)，然后通過機械結(jié)構(gòu)將瓶蓋置于瓶子上方，待旋蓋。通過設(shè)計一個旋蓋頭來達到旋緊瓶蓋的目的，最后便可進入出料階段。
2.2機械結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計
2.2.1 理蓋送蓋部分方案的確定
方案1：
圖2-1 理蓋方案1
如圖2-1，瓶蓋通過輸送帶的傳輸，當經(jīng)過測距傳感器下方時，傳感器測出傳感器與瓶蓋面的距離為h，瓶蓋向下時距離為h1，瓶蓋向上時距離為h2。傳感器分別以脈沖的形式傳送給PLC，用SPD命令，計算脈沖的密度，從而判斷瓶蓋的正反向，若反向，則PLC控制氣壓缸伸出將瓶蓋推入下坡的導軌上，重新進入循環(huán)，這樣就能達到理蓋的目的。
方案2：使用振動送料盤
圖2-2 “E”形缺口[3]
通過底座的振動，支承彈簧片以一個角度安裝，通電之后產(chǎn)生扭振，使瓶蓋在慣性、自身重力、摩擦力、振動力，多個力的作用下，沿料斗側(cè)面的螺旋槽順著螺旋方向向上運動，同時在螺旋槽上開有“E”形缺口。如圖2-2，當蓋口向下時，瓶蓋運動到“E”
形缺口時會掉落下去，當蓋口向上時，瓶蓋能順利通過“E”形缺口。然后完成定向后的瓶蓋從振動盤出口，進入料斗的導軌，這樣就完成了理蓋、送蓋這兩個步驟。
兩種方案的比較：
方案1：控制部分較為復雜，瓶蓋還存在第三種情況，兩兩疊在一起
方案2：模塊化，控制簡單，直接可以使用
綜上所述，方案2更好，因此理蓋送蓋部分這里初確定常州銳凱公司的振動送料盤。
2.2.2 送瓶部分的結(jié)構(gòu)方案確定
因考慮到在實際生產(chǎn)中，整個灌裝、旋蓋過程是一條流水線，經(jīng)過查閱資料，灌裝的輸送基本上是采用輸送帶傳送，到達指定位置后探針往瓶中注入液體，然后再通過輸送帶運走。這里，為了和上一個流水線相連接，也就是灌裝環(huán)節(jié)的連接，這里送瓶的部分也采用輸送帶的方式。
瓶子通過輸送帶到達指定位置后，考慮的問題是瓶如何的定位，經(jīng)過實地的考察以及網(wǎng)絡(luò)的資料，目前市場上的旋蓋機，瓶的定位方式一般采用直列式的夾緊方式，或者星形卡盤的旋轉(zhuǎn)來完成送瓶的動作，考慮到經(jīng)濟、和動作的復雜程度的問題，這里初步選用星形卡盤的工作方式，并在下方安裝步進電機驅(qū)動以迎合進料時的工作節(jié)拍，如圖2-3。
圖2-3 卡盤設(shè)計思路
2.2.3 裝蓋環(huán)節(jié)的設(shè)計
瓶蓋從理蓋振動盤中的導軌上向下運輸，導軌延伸到星形卡盤之上，當星形卡盤帶著瓶經(jīng)過導軌的下方時（這里預先計算好角度，導軌方向可調(diào)）瓶口邊緣便會卡在瓶蓋下方側(cè)壁邊緣帶走一個瓶蓋。蓋裝上后，有幾種可能性，第一種是正好垂直，這種情況是我們要的情況，可以直接旋蓋，第二種情況是有一點角度需要糾正，所以在這里還要添加一個壓蓋裝置。于是在下一個工作位，安裝一個氣壓缸，瓶子經(jīng)過氣壓缸下方時氣壓缸就會工作，下降，將瓶蓋壓正，以便進行下面的工序。綜上所述，就完成了裝蓋這個動作。
2.2.4 旋蓋部分的結(jié)構(gòu)方案
待旋蓋的瓶通過星形卡盤旋轉(zhuǎn)到指定位置后，要考慮兩個大問題：如何旋蓋，和在旋蓋時，瓶身有自轉(zhuǎn)，如何克服這個自轉(zhuǎn)，使瓶身固定。
(1）如何實現(xiàn)旋蓋這功能。
當星形卡盤的卡槽內(nèi)收集了瓶子并裝蓋完畢以后，這里選用旋蓋頭的轉(zhuǎn)動，配合氣缸的上下運動，完成旋蓋的動作，旋蓋頭的設(shè)計，以及氣缸的具體原理選型，下文再作詳細說明，這里僅是擬定方案。
(2）如何克服瓶身的自轉(zhuǎn)。
在瓶身進入旋蓋環(huán)節(jié)后，選蓋頭帶動瓶蓋旋轉(zhuǎn)，當達到一定預緊力以后，極有可能發(fā)生瓶身的自轉(zhuǎn)，這里的方案是，在旋蓋頭的下方，星形卡盤的側(cè)面，另加一個氣壓缸，氣壓缸的前端加裝弧形的金屬片前方裝有橡膠墊，當星形卡盤旋轉(zhuǎn)到旋蓋位后，氣缸伸出，同時卡緊瓶身，這樣就能克服瓶身的自轉(zhuǎn)。
2.2.5 出料的方案
當機構(gòu)完成以上方案中的幾個動作后，即接下來要完成出料動作，所以在完成旋蓋后星形卡盤轉(zhuǎn)過一個角度，將已旋蓋的瓶移到出料口上，這里的出料口也配合流水線，因為下一道工序可能進入貼標環(huán)節(jié)所以出料口也應符合標準，使用輸送帶這個運輸方式，這樣就完成了一次旋蓋的流程。
3主要部件的設(shè)計選型及計算校核
3.1理蓋部分振動盤的選型
上文提到選用常州銳凱公司的振動送料盤，根據(jù)原始數(shù)據(jù)，瓶蓋直徑為15-70毫米，生產(chǎn)能力為50瓶/分鐘，瓶蓋高度數(shù)據(jù)中未給出，所以根據(jù)實際生產(chǎn)情況擬定高度為10-25毫米之間。
于是根據(jù)以上數(shù)據(jù)，選用常州銳凱公司的SP-03型振動送料盤，該振動盤參數(shù)：
瓶蓋高度：10-30毫米
瓶蓋直徑：10-75毫米
進給速度：60個每分鐘±5
振動盤高度：520毫米
振動盤直徑：600毫米
由于參數(shù)符合原始數(shù)據(jù)的要求，所以理蓋方面這里就確定選擇常州銳凱公司的SP-03振動送料盤。
3.2帶式輸送機的設(shè)計
因?qū)嶋H流水線此處應與灌裝流水線相連接，所以輸送機長度，也就是進料的距離由于工況的不同而不同，所以此處且定輸送距離，也就是所要設(shè)計的輸送機長度為1.5米。
3.2.1 帶的選型計算
(1）帶寬的確定
根據(jù)原始數(shù)據(jù)瓶體直徑為Φ35-Φ130毫米
帶速的計算:
(3-1)
式子中：—帶走的距離，單位為；
—帶走的時間，單位為；
這里以一分鐘為基準所以為,一分鐘帶走的距離，至少帶50瓶
其中2為安全系數(shù)
將，代入式子（3-1）求得帶速約為。
運載能力：
瓶的散狀密度約
最小帶寬：
（3-2）
式子中：—物料系數(shù)，取1
—傾角系數(shù)，根據(jù)輸送的傾角為0°，0-3°取1
—運載能力，單位
—瓶的散狀密度，單位
將，，，代入 （3-2）求得最小帶寬
圖3-1 輸送帶的尺寸表\ GBT4490-94
根據(jù)計算出的最小帶寬229.7，從上圖查得帶寬這里取300
(2）輪輥間距的確定
輪輥之間的距離：
（3-3）
式中：物料系數(shù)，取1
將代入（3-3）求得輪輥之間的距離
通過上述計算以及工況的要求，這里選擇，上海韋欣工業(yè)皮帶有限公司的2.0黑色輸送帶300M-ZB其基本參數(shù)為：
結(jié)構(gòu)：二布二膠
纖維層數(shù)：二層
表層材料：聚氯乙烯
總厚度：
重量：
最大生產(chǎn)寬度：
拉斷強度：
表面涂層硬度：75 shoreA
耐溫：-10/+90℃
最小滾輪直徑：
橫向穩(wěn)定性：是
(3）托輥的選擇
圖3-2 托輥的尺寸選擇 GB 990-91
如圖3-2所示，因為我們選擇的帶寬為300，所以托輥長度l取380，直徑取76.89 ，其余的尺寸如圖3-2所示，，，，。
圖3-3 托輥的尺寸規(guī)定 GB 990-91
托輥的機械外形以及各個尺寸代表的含義如圖3-3所示。
(4）滾筒的選擇
圖3-4 滾筒的尺寸選擇 GBT988-1991
如圖3-2所示，因為我們選擇的帶寬為300，所以滾筒長度L取400，直徑D取200。
圖3-5 滾筒的尺寸規(guī)定 GBT988-1991
滾筒的機械外形尺寸分布如圖3-5所示
(4）減速交流電機的選擇
運送速度的計算：
（3-4）
式中：
將，代入（3-4）求得轉(zhuǎn)速為
物料重量估算：（這里每瓶待旋蓋的瓶估算重量為）
交流電機功率的計算：
（3-5）
式中：—輸送機水平距離
—托輥阻力系數(shù)，對上有運料的情況
—單位長度機器運動部分質(zhì)量
（3-6）
其中：—單位長度上托輥質(zhì)量
—單位長度上運動部分質(zhì)量
—單位長度上輸送帶質(zhì)量
于是估算為
—帶速
—輸送速度
—送料的垂直高度，這里無垂直高度，取0
綜上：
所以約為,在實際工況下，還需用到同步帶，同步輪，考慮到摩擦等綜合因素，這里取安全系數(shù)
實際功率為
因為交流電機的功率一般為：180W、200W、250W、370W等，故這里選擇250W的交流電機。
圖3-6 減速交流電機
這里選擇250W的交流齒輪減速電機，60GU-10K減速馬達如圖3-6，定速型,具體參數(shù)如下：
電壓：380V
轉(zhuǎn)速比：60
功率：250W
固定轉(zhuǎn)速：21
扭矩：33
3.2.2同步帶，及同步帶輪的選型
（1）同步帶輪的選型
因選擇電機時，已經(jīng)選擇了1:60的減速電機，轉(zhuǎn)速已經(jīng)達到要求，故這里選擇同步帶輪時電機的主動輪以及滾筒的被動輪選用同樣半徑的，也就是同步帶的傳動比為1:1，這里初選型號為25L018BS的同步帶輪，直徑為72
（2）同步帶的選型
由于本設(shè)計的工況屬于輕載，所以對同步帶的強度不是很高，因此選擇，上海五同同步帶有限公司的STPD/SYS-S3M-20同步帶。
(3）物料（瓶）的導向性問題
前文選擇的輸送機帶寬為300，需運送的瓶體直徑最大為130,考慮到瓶體如何在輸送帶上定向地運動以及準確地輸送到目的地，于是在機架上可以裝一個導向鐵片用來限制瓶體的運動，這樣瓶就可以順利地通過輸送帶到達下一個工位，星形卡盤上。
3.3卡盤的設(shè)計以及驅(qū)動
3.3.1卡盤的設(shè)計以及計算
根據(jù)原始數(shù)據(jù)這里初定卡盤一周上有10個瓶，所以360°/10=36°所以每兩個瓶中線到圓心連線的夾角為36°半徑初定400，如圖3-7。
圖3-7 卡盤槽位的設(shè)計
在旋蓋機工作時，有四個槽位上是沒有瓶子的，也就是說實際工作時轉(zhuǎn)盤上只有6個瓶子材料初定為ABS塑料。（塑料的密度以0.85 計算）
卡盤可根據(jù)實際加工瓶身大小而更換，這里只列舉一種最大的情況。
星形卡盤的質(zhì)量約：0.855500=4710=4.71
瓶的質(zhì)量估算為1.5L，也就是1.5
所以，六個瓶質(zhì)量約為：1.56=9
總重量約為：(9+4.71)1.3=17.8
其中1.3為安全系數(shù)
3.3.2電機的選擇
這里初步考慮步進電機與伺服電機，比較其控制方式，步進電機大多為開環(huán)控制，不需要、或者說沒有反饋，而伺服電機的控制系統(tǒng)比較嚴密，閉環(huán)控制，有反饋。在價格方面，步進電機價格低廉，伺服電機價格較高；同時步進電機精確度差，而步進電機精確性好。但考慮到步進電機有一個特性，沒有累積誤差，每轉(zhuǎn)過一周，也就是360°會自動補償誤差，也考慮到實際運用的精度需求也不是很高，所以這里選用步進電機作為星形卡盤的驅(qū)動。
步進電機（步距角的選擇上，因為前面算得36°為一個節(jié)拍，所以這里步距角初定為1.8°）驅(qū)動物體運動0.3秒鐘。
必要脈沖數(shù)：
必要脈沖數(shù)頻率= （3-6）
必要脈沖數(shù)頻率=733.3HZ
（3-7）
（3-8）
估算其轉(zhuǎn)速約為70
所以轉(zhuǎn)矩為：
（3-9）
其中—功率：單位
—轉(zhuǎn)速：單位
代入得：
確定步進電機驅(qū)動負載所需要的力矩。方法是在負載的中心上加一根軸，用彈簧秤拉動軸，拉力乘以力臂長度既是負載力矩。于是經(jīng)過實驗以及上述計算，以轉(zhuǎn)動36°為準,綜合得，需要的扭矩約為7.5。
步進電機相數(shù)的確定，在選擇相數(shù)時，相數(shù)與步距角有關(guān)，因此只要滿足選擇的步距角的相數(shù)就可以。這里前文需要的步距角為1.8°所以，這里選擇兩相的步進電機。
于是這里初選型號為：86BYGH5430的步進電機，其參數(shù)如下：
步距角：1.8°
機身長：151
相電壓：5.7
相電流：3
相電阻：1.9
相電感：22
靜力矩：9.3
引線數(shù)：4
轉(zhuǎn)動慣量：3.6
重量：5
3.3.3 驅(qū)動器的選擇
根據(jù)上文選擇的步進電機86BYGH5430，相數(shù)為2相，引線數(shù)為4,電機屬于86BYG系列的,根據(jù)以上信息，選擇步進電機的驅(qū)動器為：D2HB882MB。驅(qū)動器參數(shù)見圖3-8。
圖3-8 驅(qū)動器參數(shù)
3.4氣壓缸的計算及選型
3.4.1選擇氣缸的類型
按操作方式分氣缸一般有兩種類型，單作用氣缸和雙作用氣缸。
單作用：通過氣壓驅(qū)動，通入氣體后開，或者通入氣體后關(guān)，斷氣后復位，結(jié)構(gòu)簡單，耗氣量小，活塞行程短，單作用氣缸多用于壓緊、印字等。推出時由于內(nèi)部有彈簧，所以還要克服彈簧力，因此要比較大的缸體直徑。
雙作用氣缸：兩個腔體都可以輸入壓縮空氣，它的結(jié)構(gòu)可分為雙活塞式、雙活塞桿式、緩沖式和非緩沖式，這類的氣缸使用廣泛行程長，伸出所需的作用力大于返回的作用力。
綜合情況下考慮，這里初定選用單作用型氣缸。
3.4.2 行程開關(guān)類型的選擇
行程開關(guān)開關(guān)：由于氣缸運動到極限位置需要反饋給控制器才能控制其縮回，因此
氣壓系統(tǒng)里需選擇行程開關(guān)作為位置檢測用，所以需選擇一種行程開關(guān)。
液壓、氣壓系統(tǒng)中常用物理的開關(guān)式行程開關(guān)，或者磁性開關(guān)，普通的物理式開關(guān)控制位置不精確，但是相對來說價格低廉一些。磁性開關(guān)位置控制精確，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中普遍運用，使用簡便，但是價格相對較高。
綜上的比較，以及實際運用，這里選擇磁性開關(guān)作為氣壓缸的行程開關(guān)，由于磁性開關(guān)的特殊性，因此，在選擇氣壓缸的時候，需要其內(nèi)置磁環(huán)。
3.4.3 氣缸的選擇
根據(jù)實驗，以及實地數(shù)據(jù)的收集，在以上這種工況下約需70N的推力，這里初定氣壓缸的缸徑為32，氣壓缸個數(shù)為三個。
圖3-9 氣缸理論輸出表 [14]
根據(jù)圖3-9缸徑32，受壓面積為3.14左右，根據(jù)上文估算的氣壓缸輸出約需70N的輸出力，所以從表中可以看出，氣缸的工作壓力為0.22-0.35左右，所以這里選擇CJ2B.CDJ2B彈簧壓回式氣缸。
有關(guān)氣源：由于工廠的集中氣源供氣，這里不用選擇氣泵。而要考慮如何將氣體分配給三個氣缸，這里需選擇三個減壓閥，所以根據(jù)氣缸的工作壓力，這里選擇上海野渡氣體設(shè)備有限公司的R41 不銹鋼減壓閥。
3.5旋蓋頭的設(shè)計與計算
3.5.1 旋蓋頭的設(shè)計
旋蓋頭是旋蓋機上最重要的部件之一，在其工作時需保證旋緊的力矩適中，太大旋不緊瓶蓋，太大則會損壞瓶蓋。所以這個旋蓋頭是整個設(shè)計的重點，因此這里參考日本的OC-A2型旋蓋頭的設(shè)計，這個設(shè)計的精妙之處就在于通過邊緣的永磁體的吸力，來控制瓶蓋的旋緊力度。若達到預定的力，也就是達到瓶蓋預先設(shè)定的預緊力之后，因為在此時的旋轉(zhuǎn)扭矩大于永磁體相互吸引的力，所以永磁體不足以克服這個力保持吸附狀態(tài)發(fā)生打滑這樣，計算好永磁體間相互的吸引力，就能控制旋蓋頭的旋蓋力矩。初步結(jié)構(gòu)如圖3-10。
這里還有一點要說的是，旋蓋頭最下方的旋蓋嘴設(shè)計為可更換式，這樣就能滿足不同的工況。
圖3-10 旋蓋頭的設(shè)計
3.5.1 旋蓋電機的選型計算
根據(jù)原始數(shù)據(jù)，需要50瓶每分鐘的速度，設(shè)計的旋蓋頭與瓶蓋的接觸時間約為0.5秒左右，一般情況下，瓶蓋里的螺旋線約為2圈左右所以：
所需轉(zhuǎn)速約為：
其中1.2為安全系數(shù)
所以電機轉(zhuǎn)速＞6 = 即可滿足要求
轉(zhuǎn)矩的估算：
旋緊瓶蓋約需轉(zhuǎn)矩為：
根據(jù)上面的計算，這里選擇型號為37GARH的直流小型電機
其參數(shù)為：
電源：DC 24V
直徑：Φ37
空載轉(zhuǎn)速：500
額定轉(zhuǎn)速：400
額定扭矩：
額定電流：1.2
外形尺寸不含軸：Φ37 95
重量：0.3
價格65元
額定轉(zhuǎn)速：400＞360
額定扭矩：2.5＞1.5
故滿足要求
3.5.2 永磁體的選擇
上文提到旋緊瓶蓋需1.5的扭矩，因為旋頭有自重所以為了安全起見，設(shè)永磁體的吸力為2，永磁體間接觸面積約為7。
磁力計算公式：
（3-10）
代入得：
B=2653.9
所以需選擇上下一共14塊接觸面積為1的，2600高斯左右的永磁體。
4電氣部分的設(shè)計與選型
4.1可編程控制器
4.1.1 可編程控制器的選擇
在全自動旋蓋機的控制方面，需要選擇一穩(wěn)定性較高的可編程邏輯控制器，現(xiàn)可選的有：單片機和PLC兩種控制器。
單片機：單片機是一種非常集成的電子控制芯片，是一種集成電路，內(nèi)部復雜，有中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、和外界許多個I/O口組成，內(nèi)部有中斷器，計時器，定時器等功能，可以集中在一塊小型的PCB板上從而形成一個小的微型計算機系統(tǒng)，優(yōu)點是體積小，成本低。但是維護較復雜。
PLC:PLC實際上是一種專門用于工業(yè)的邏輯控制器，其硬件結(jié)構(gòu)上基本與微型計算機相類似。主要工作方式為：輸入采樣階段、用戶程序執(zhí)行階段、輸出刷新階段。反復執(zhí)行這三部，因而形成了PLC的掃描周期。PLC在工程運用中相比單片機來說較可靠，也就是俗稱的可靠性，PLC不需要太多的連線以及電子元件，拋棄了繁雜的電路，有完善的斷電保護，以及各個廠家反饋的錯誤代碼，用來診斷錯誤。PLC相對于單片機來說，操作相對簡單很多其編程語言的易用性，可以大大地降低程序的錯誤率。PLC的還有一個易操作性的優(yōu)點，PLC的電氣圖與梯形圖相似容易掌握，對維護操作人員的要求也不高。
綜上所述，本次的課題為全自動旋蓋機的設(shè)計，屬于工業(yè)生產(chǎn)范疇，對于穩(wěn)定性的要求比較高，而且本次設(shè)計的旋蓋機屬于中型機械設(shè)備，因此，對于體積來說，沒有太多的要求，不需要功能化的嵌入式系統(tǒng)。
所以這里選擇PLC作為本次設(shè)計旋蓋機的邏輯控制器。
4.1.2 PLC類型的選擇
PLC的輸出類型有繼電器和晶體管兩種類型：
（1）晶體管輸出工作原理
繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關(guān)”。電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合。這樣吸合、釋放，從而達到了在電路中的導通、切斷的目的。從繼電器的工作原理可以看出，它是一種機電元件，通過機械動作來實現(xiàn)觸點的通斷，是有觸點元件。晶體管是一種電子元件，它是通過基極電流來控制集電極與發(fā)射極的導通。它是無觸點元件。
（2）繼電器及晶體管輸出的主要差別
由于繼電器與晶體管工作原理的不同，導致了兩者的工作參數(shù)存在了較大的差異，下面進行比較說明。
驅(qū)動負載不同：
繼電器型可接交流220V或直流24V負載，沒有極性要求；晶體管型只能接直流24V負載，有極性要求。
繼電器的負載電流比較大可以達到2A，晶體管負載電流為0.2-0.3A。
響應時間不同 ：
繼電器響應時間比較慢（約10ms-20ms），晶體管響應時間比較快，約0.2ms-0.5ms，Y0、Y1甚至可以達到10 us。
使用壽命不同
繼電器由于是機械元件受到動作次數(shù)的壽命限制，且與負載容量有關(guān)，可以看出，隨著負載容量的增加，觸點壽命幾乎按級數(shù)減少。晶體管是電子原件只有老化，沒有使用壽命限制。
（3）繼電器與晶體管輸出的主要原則
繼電器型輸出驅(qū)動電流大，響應慢，有機械壽命，適用于驅(qū)動中間繼電器、接觸器的線圈、指示燈等動作頻率不高的場合。晶體管輸出驅(qū)動電流小，頻率高，壽命長，適用于控制伺服控制器、固態(tài)繼電器等要求頻率高、壽命長的應用場合。在高頻應用場合，如果同時需要驅(qū)動大負載，可以加其他設(shè)備（如中間繼電器，固態(tài)繼電器等）方式驅(qū)動。
（4）使用中要注意的事項
目前市場上經(jīng)常出現(xiàn)繼電器問題的客戶現(xiàn)場有一個共同的特點就是：出現(xiàn)故障的輸出點動作頻率比較快，驅(qū)動的負載都是繼電器、電磁閥或接觸器等感性負載而且沒有吸收保護電路。因此建議在PLC輸出類型選擇和使用時應注意以下幾點：
一定要關(guān)注負載容量。輸出端口須遵守允許最大電流限制，以保證輸出端口的發(fā)熱限制在允許范圍。繼電器的使用壽命與負載容量有關(guān)，當負載容量增加時，觸點壽命將大大降低，因此要特別關(guān)注。
一定要關(guān)注負載性質(zhì)。感性負載在開合瞬間會產(chǎn)生瞬間高壓，因此表面上看負載容量可能并不大，但是實際上負載容量很大，繼電器的壽命將大大縮短，因此當驅(qū)動感性負載時應在負載兩端接入吸收保護電路。尤其在工作頻率比較高時務必增加保護電路。從客戶的使用情況來看，增加吸收保護電路后的改善效果十分明顯。
根據(jù)電容的特性，如果直接驅(qū)動電容負載，在導通瞬間將產(chǎn)生沖擊浪涌電流，因此原則上輸出端口不宜接入容性負載，若有必要，需保證其沖擊浪涌電流小于規(guī)格說明中的最大電流。
一定要關(guān)注動作頻率。當動作頻率較高時，建議選擇晶體管輸出類型，如果同時還要驅(qū)動大電流則可以使用晶體管輸出驅(qū)動中間繼電器的模式。當控制步進電機/伺服系統(tǒng)，或者用到高速輸出/PWM波，或者用于動作頻率高的節(jié)點等場合，只能選用晶體管型。PLC對擴展模塊與主模塊的輸出類型并不要求一致，因此當系統(tǒng)點數(shù)較多而功能各異時，可以考慮繼電器輸出的主模塊擴展晶體管輸出或晶體管輸出主模塊擴展繼電器輸出以達到最佳配合。[6]
本設(shè)計對控制要求并不高，只需要滿足時序，以及工作節(jié)拍，所以對輸入輸出點的個數(shù)要求也不是很高，所以這里初選PLC型號為FX1n的PLC。
整個控制系統(tǒng)，需要控制的執(zhí)行元件有：
步進電機-------------控制方式，脈沖 ，工作節(jié)拍
交流電機-------------控制方式，觸電，啟停
直流電機-------------控制方式，觸電，啟停
氣壓缸的電磁閥-------控制方式，觸電（線圈）
氣壓缸的磁性行程開關(guān)-控制方式，觸電（線圈）
振動料斗的啟停-------控制方式，觸電控制開、關(guān)
根據(jù)上面的分析，我們這里選的PLC必須具備脈沖輸出的功能，因此PLC脈沖輸出的形式必須有晶體管形式的，這里初步選擇FX1n-24MT-001?？紤]到成本原因，這里沒有選擇功能更強的FX2n系列的PLC，帶繼電器輸出和晶體管輸出。以加裝中間繼電器的形式來彌補FN1n-24MT-001晶體管形式輸出不能帶交流負載以及功率較大負載的缺點。
4.2電氣元件的選擇
4.2.1 電源的選擇
本次設(shè)計，需要特殊電壓的用電器有：
驅(qū)動器電源-------24V
直流電機---------24V
繼電器的線圈供電-24V
電磁閥的線圈供電-24V
脈沖供電---------5V
PLC自帶24V的電壓輸出，由于24V的負載較多，單靠PLC供電很有可能超過PLC的負載極限，因此我們這里另外選擇外接的開關(guān)電源，來滿足24V以及5V的供電要求。
根據(jù)上述要求，這里選擇“兵裝”公司的AC-DC機殼式開關(guān)電源。
分別有220V的輸入端，以及兩路24V、COM接地端，單路5V、及COM接地端。
4.2.1 磁性感應開關(guān)的選擇
本全自動旋蓋機用到三個氣壓缸，因此需選擇三個磁性感應限位開關(guān)，由于這里選擇的氣缸屬于小型氣缸，所以這里選擇寧波江東若水自動化設(shè)備有限公司的KT-32R的磁性感應限位開關(guān)。
4.2.2 電磁閥的選型
上文提到電磁閥的線圈電壓為24V,以及氣壓缸的工作壓力為0.22-0.35mpa左右，根據(jù)這個數(shù)據(jù)，我們選擇KOGANEI公司的180-4E1-PLL DC24V電磁閥。
4.2.3 繼電器的選型
繼電器是一種電子控制器件，用于工業(yè)控制，常用于自動化控制系統(tǒng)中繼電器，在這里我們的作用是用較小控制電壓，去控制大電壓，也起到了電氣隔離的作用，用來保護PLC以及人體的安全。
于是這里選擇歐姆龍公司的繼電器，具體型號參數(shù)如圖4-1所示。
圖4-1 歐姆龍繼電器 [20]
根據(jù)圖4-1，以及先前的參數(shù)，這里選擇MY2J這個型號的繼電器，然后必須為這個型號的繼電器選擇底座。
圖4-2 歐姆龍繼電器底座 [20]
根據(jù)圖4-2的描述，我們選擇繼電器的底座為PYF08A-E,適用于我們上面選擇的型號MY2J。
4.2.4接觸器的選型
接觸器(Contactor)是指工業(yè)電中利用線圈流過電流產(chǎn)生磁場，使觸頭閉合，以達到控制負載的電器。接觸器由電磁系統(tǒng)（鐵心，靜鐵心，電磁線圈）觸頭系統(tǒng)（常開觸頭和常閉觸頭）和滅弧裝置組成。其原理是當接觸器的電磁線圈通電后，會產(chǎn)生很強的磁場，使靜鐵心產(chǎn)生電磁吸力吸引銜鐵，并帶動觸頭動作：常閉觸頭斷開；常開觸頭閉合，兩者是聯(lián)動的。當線圈斷電時，電磁吸力消失，銜鐵在釋放彈簧的作用下釋放，使觸頭復原：常閉觸頭閉合；常開觸頭斷開。
在電工學上，因為可快速切斷交流與直流主回路和可頻繁地接通與大電流控制(某些型別可達800安培)電路的裝置，所以經(jīng)常運用于電動機做為控制對象﹐也可用作控制工廠設(shè)備﹑電熱器﹑工作母機和各樣電力機組等電力負載，接觸器不僅能接通和切斷電路，而且還具有低電壓釋放保護作用。接觸器控制容量大，適用于頻繁操作和遠距離控制。是自動控制系統(tǒng)中的重要元件之一。 在工業(yè)電氣中，接觸器的型號很多，電流在5A-1000A的不等，其用處相當廣泛。
交流接觸器利用主接點來開閉電路，用輔助接點來導通控制回路。 主接點一般是常開接點，而輔助接點常有兩對常開接點和常閉接點，小型的接觸器也經(jīng)常作為中間繼電器配合主電路使用。交流接觸器的接點，由銀鎢合金制成，具有良好的導電性和耐高溫燒蝕性。交流接觸器動作的動力源于交流通過帶鐵芯線圈產(chǎn)生的磁場，電磁鐵芯由兩個「山」字形的幼硅鋼片疊成，其中一個固定鐵芯，套有線圈，工作電壓可多種選擇。為了使磁力穩(wěn)定，鐵芯的吸合面加上短路環(huán)。交流接觸器在失電后，依靠彈簧復位。 另一半是活動鐵芯，構(gòu)造和固定鐵芯一樣，用以帶動主接點和輔助接點的閉合斷開。 20安培以上的接觸器加有滅弧罩，利用電路斷開時產(chǎn)生的電磁力，快速拉斷電弧，保護接點。接觸器具可高頻率操作，做為電源開啟與切斷控制時﹐最高操作頻率可達每小時1200次。接觸器的使用壽命很高﹐機械壽命通常為數(shù)百萬次至一千萬次，電壽命一般則為數(shù)十萬次至數(shù)百萬次。[15]
通過中間繼電器的轉(zhuǎn)換，這里就能直接用接觸器去控制交流負載，由于負載電壓為220V或者380V,所以所要求的電壓為220V—380V之間。
圖4-3 交流接觸器[19]
這里選擇無錫臺安公司的CU-18型接觸器，根據(jù)圖4-3所示，該接觸器的額定電壓為110V—380V,滿足上文要求的電壓220V—380V，所以可以選擇本型號的接觸器。
4.3控制的原理
4.3.1控制的基本原理
本設(shè)計的動作先后順序為：打開總開關(guān)，PLC開始工作，機器這時不做動作；按下啟動按鈕，也就是PLC的一個觸電閉合，這時此觸電控制的中間繼電器線圈得電，使得接觸器的線圈也得電， 接觸器控制交流電機的運轉(zhuǎn)，以及振動料斗的運行，這一路為交流控制，用電器。另一路PLC觸點閉合后，PLC的輸出點控制直流電機的24V電壓的回路開閉情況，這個時候振動料斗運行、輸送機的兩個交流電機運行、24V的直流電機運行。
以上動作開始運行以后，實際工況為，振動料斗的振動，自動理蓋開始，瓶蓋自動順著流道向下運動到等待區(qū)。同時輸送機的電機轉(zhuǎn)動，通過減速機、同步帶的傳動，使得輸送帶開始運動，瓶子由于輸送帶的帶動，向前運送。這個時候，旋蓋頭也在直流電機的帶動下開始不停地旋轉(zhuǎn)。
然后PLC向驅(qū)動器發(fā)送一個頻率的脈沖，脈沖帶動步進電機轉(zhuǎn)動一個特定的角度，步進電機轉(zhuǎn)完后，PLC控制三個電磁閥的工作，開關(guān)的開閉，控制氣缸，氣缸到達限位后，磁性開關(guān)將這個位置的信號反饋給PLC這個時候，控制電磁閥的關(guān)閉。
實際的動作是，步進電機帶動的星形卡盤帶著瓶子轉(zhuǎn)動一個角度（本工況為36°），轉(zhuǎn)過時，瓶口帶出一個瓶蓋，然后進入下一個工位，第二個工位時氣缸下壓，將瓶身上的瓶蓋壓平，這樣以便下一個工序，接下來一個氣壓缸伸出將瓶身壓緊，防止自轉(zhuǎn)；然后另一個帶動旋蓋頭的氣缸下壓，完成旋蓋這個工序。
最后隨卡盤的轉(zhuǎn)動將加工完成的瓶身導向輸送機出口，這樣就完成了整個旋蓋工作。
4.3.2控制的時序圖
圖4-4 時序圖
如圖4-4整個旋蓋機控制、運動的思路基本上這樣。
4.3.3 PLC端口的分配
輸入：
X000 :啟動
X001 :停止
X002 :氣缸1限位（磁性開關(guān)）
X003 :氣缸2限位（磁性開關(guān)）
X004 :氣缸3限位（磁性開關(guān)）
輸出：
Y000 :輸送機的啟停
Y001 :步進電機（脈沖輸出）
Y002 :氣缸1伸出（電磁閥）
Y003 :氣缸2伸出（電磁閥）
Y004 :氣缸3伸出（電磁閥）
Y005 :直流電機的啟停
Y006 :振動料斗的啟停
4.4電氣部分的設(shè)計
電氣設(shè)計的總體思路：兩臺250W的交流電
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