自动装箱与包装机及其控制系统设计

长春理工大学毕业论文I目 录第一章 绪论 .11.1 包装机械发展简史 .11.2 我国包装机械的现状 .11.3 包装机械的发展趋势 .2第二章 总体设计 .32.1 设计方案 .3第三章 机械部分 .53.1 传送带部分 .53.2 档箱阀部分 .63.3 夹具体部分 .7第四章 电控部分 .104.1 硬件设计 .104.1.1 总体设计 .104.1.2 键盘输入部分 .124.1.3 显示输出部分 .124.1.4 并行接口的扩展 .134.1.5 光电检测系统 .164.1.6 电机驱动电路 .194.1.7 “看门狗”电路 .214.2 软件设计 .234.2.1 系统分析及框图设计 .234.2.2 系统内存分配 .244.2.3 系统程序 .25结 论 .30参考文献 .31致 谢 .32长春理工大学毕业论文- 1 -第一章 绪论1.1 包装机械发展简史包装机械是指能完成全部或部分产品和商品包装过程的机械。它是随着新包装材料的出现，和包装技术的不断革新而发展的。中国发明的造纸技术，在历史上为纸包装的产生提供了条件。1850 年世界纸价大跌，纸包装开始用于食品。1852 年美国的沃利发明出制纸袋机，从而出现纸制品机械。1861 年德国建立了世界上第一个包装机械厂，并于 1911 年生产了全自动成形充填封口机。 1890 年美国开始生产液体灌装机，1902 年又生产了重力式灌装机。20 世纪初，英国的杜兰德采用金属容器保存食物，从而出现各种罐头包装食品。 二十世纪 60 年代以来，新材料逐渐代替传统的包装材料，特别是采用塑料包装材料后，包装机械发生重大变革。超级市场的兴起，对商品的包装提出了更新的要求。为保证商品输送快捷安全，集装箱应运而生，集装箱体尺寸也逐渐实现了标准化和系列化，从而促使包装机械进一步完善和发 。1展1.2 我国包装机械的现状我国的包装机械行业是在市场经济浪潮中诞生的一个新兴行业，近几年发展很快，取得的成绩也是显著的，但与国外产品相比存在一定的差距。拿饮料加工机械设备这一行业进行比较：从生产规模，生产效率角度看，国外包装机械生产规模大、速度快、效率高。例如，美国机械化程度较高的 10 家饮料公司生产占全美总产量的 70以上，而可口可乐和百事可乐饮料产量则占市场总量的一半。灌装速度已由上-世纪 50 年代的 150 瓶分钟发展到现在的 1200 瓶分钟，最高可以达到 2000 瓶分 。2钟从自动化角度看，国外包装机械采用计算机控制工序和加工程度化，并配备各种参数计量装置，使包装、计量检测机完成，自动化程度高。例如，为控制配料精确度，在生产系统中普遍装有与微机相连的流量机、速度计等连续测量装置，并由计算机控制每道工序的起始和结束，控制各种配料的浓度和流量，误差精度可控制在千分之的精度内，饮料生产设备一般都装有 CTP 系统，用微机对清洗过程实行控制。从生产卫生和质量角度看，国外的包装设备一般都采用不锈钢制造，并十分重视空瓶、实瓶和自动检验设备的原地高速、高效清洗等，以保证产品质量达到高度卫生。长春理工大学毕业论文- 2 -1.3 包装机械的发展趋势我国要赶上国际包装机械发展的步伐必须先了解各国包装机械发展的趋势。目前，世界各国对包装机械发展十分重视，集机、电、光、声、磁为一体的高新技术产品不断涌现。生产高效化、资源高利用化，产品节能化、高新技术实用化、科研成果商业化已成为国际包装机械的发展趋 。要实现这一目标可以从以下几方面着手：3势在产品结构上,包装机械行业应以市场为导向,改变目前以低技术含量为主、低水平竞争的状况,淘汰一批低效高耗、低档次、低附加值、劳动密集型的产品,努力开发生产高效低耗、产销对路的大型成套设备和高新技术产品。在包装功能上,由于包装机械的最终目的是完成产品包装,提高工作效率,因而在工农业产品趋向精致化与多元化的发展时期,要求包装机械产品朝着产品多功能与单一高速的两极化方向发展,如可口可乐产品的包装要求是速度与质量,而包装结构的变换是次要的；对于糖果包装就需要枕式的、异形的、联体的,这些产品的包装要求在一台包装机上完成。在技术性能上,要将其他领域的先进技术应用在包装机械上,如机电一体化技术、热管技术、远距离遥控技术、自动柔性补偿技术等,使产品技术性能大幅度提高。在设计思路上,结构设计的标准化与模块化应为同一种模式,这样可以利用原有机型进行模块化设计,以便在较短时间内开发出新机型,提高产品更新换代的速度,同时也有利于包装机械的专业化生产。在生产制造上,专业化生产已成为趋势。国际包装机械厂商都十分重视包装机械零部件的通用性,一些通用标准件不再由包装机械厂生产,某些特殊的零部件则由高度专用化的生产厂家生产,而真正的包装机械厂在某种意义上只是组装厂。而我国的包装机械企业也不必做大做全,而应集中力量发展核心技术,提升产品的竞争优势。长春理工大学毕业论文- 3 -第二章 总体设计2.1 设计方案本论文的任务就是设计出一套适合各种灌装饮料或罐头的包装系统的总体结构，它是以单片机控制为基础的，集光、机、电为一体的一套机械设备。该设备具有上面所提到的生产效率高、自动化程度高、保障食品安全，减少生产消耗等优点。设计的主体为一套装箱的检测和控制系统，包括控制系统的组成，控制器、传感器的选择，接口设计及主程序的编制。另外，基于市场调研，关于装箱机械手的设计已非常成熟，如南昌大学邹文生教授关于全自动装箱机机械手的设计，他采用气动吸瓶头的设计，实现抓瓶平稳可靠，另外结构也简 。而本文的机械部分主要是箱体的自动检测和定位机构。4单 5右自动走瓶台夹具纸箱纸箱机械手图 2.1 装箱工艺流程图根据“自动装箱”这一设计要求，系统必须满足以下要求：1 具有对箱体的自动走箱、定位功能；2 对罐头或者瓶体的自动走瓶功能；3 机械手的自动抓瓶、提瓶、运瓶、放瓶功能；4 箱体装满后的自动运输功能；5 保证以上四步动作按一定的时序完成；6 对箱体和瓶体的大小具有对结构的调节功能。图2.1为装箱工艺流程图，它的基本流程是：从灌装机源源不断地传来的瓶子流入各走瓶槽内,在终端排成方阵,由机械手从走瓶台上一次抓起一箱的瓶子装到走箱槽上的空箱内。空箱不断从入口进入走箱槽,到达装箱工位后,等待装箱,装满后继续前进,传给打包机。全部传输都是最简单的直线运动,不仅机械结构和控制线路简单,而且运行可靠。本文主要研究的是传送箱体这一流水线上的机构以及控制部分。图 2.2 为装箱工位长春理工大学毕业论文- 4 -的示意图，当纸箱 5 经输送皮带 1 传送过来，传送带由电机 7，经减速器 8 减速后带动。当纸箱到达光电检测开光 4 处，开关命令传到控制系统，控制系统则控制挡箱阀 2 快速升起，挡箱阀由升降电机 6 带动，当纸箱 5 撞击到挡箱阀 2 时，延迟 3 秒，以保证倾斜的纸箱左侧与挡箱阀齐平，完成水平方向的定位。3 秒后主电机停止，即传送带 1 停止运动，同时启动纸箱两侧的夹具 3，完成对纸箱的前后定位。定位完成以后，系统再延迟 30 秒，这 30 秒系统用来完成装箱的操作，30 秒后夹具 3 松开，同时挡箱阀 2 快速下降，这些操作系统设置用 3 秒完成，3 秒后主电机启动，把装满的纸箱运走。12 345传输方向678图 2.2 装箱工位示意图另外，在设备开始工作之前，可以设置一个每次运行的装箱数，通过键盘输入。在装箱时，通过七段发光二极管实时显示当前的装箱数。当装箱达到设定的数时，系统等待下一步命令：1 系统停止运行；2 保持这个装箱数，进行下一次装箱循环；3 改变装箱数，然后再运行。在对于箱体的系统设计中，要求完成以下功能：（1） 包装箱数可用键盘设定及修改。（2） 包装箱体传送带可由程序控制，当箱体传送到指定位置后，光电检测开关发出状态信号，控制挡箱阀的状态，当箱体撞击挡箱阀时，挡箱阀再输出一状态信号，控制主电机的状态及侧位夹具的状态，定位完成后，系统设定一段延时，用来完成机械手的装箱工作，装箱完成后延迟结束，主电机工作，把装满的箱体运走。（3） 装满的箱体运走后，系统产生一记数脉冲，由计算机进行统计计数，并不断地与设定值比较，当未达到设定值时，重复步骤（2）的过程，直至满足了设定值指定的箱数，关断电机，等待新的操作命令。（4） 设置启动开关和停止开关，以备必要时进行人工干预。（5） 包装的箱数应用数字显示，便于操作人员对工况的了解，如发生错误给予停长春理工大学毕业论文- 5 -止中断。第三章 机械部分3.1 传送带部分传送带联轴器减速器轴承图 3.1 传送带动力装置示意图图 3.1 为传送带动力装置示意图，传送带电机输出扭矩，经 1/2V 带减速、1/50 减速器减速后，带动传送带运动 。12动按工作条件和要求，选用一般用途的 Y 系列三相异步电动机。三相异步电动机由定子、转子、轴承、机壳、端盖等构成。定子铁心槽中嵌装三相绕组（有单层链式、单层同心式和单层交叉式三种结构）。定子绕组成接入三相交流电源后，绕组电流产生的旋转磁场，在转子导体中产生感应电流，转子在感应电流和气隙旋转磁场的相互作用下，又产生电磁转柜（即异步转柜），使电动机旋转。由于三相笼型异步电机具有结构简单、价格便宜、坚固耐用、维修方便等优点，所以得到广泛的应用。据统计，在一般工矿企业中，笼型异步电机的数量占电力拖动设备总台数的 85%左 。5右电机的输出功率 为Pda=Fv/10设定运输带的有效拉力 F=10000 N,运输带的速度 v=0.2m/s.长春理工大学毕业论文- 6 -电动机至运输带的传动总效率为42a承带 齿 联 卷=0.960.9940.9820.990.960.84则 Pd=Fv/1000 a=100000.1510000.841.79kW选定电动机的型号为 Y100L2-4其基本参数为表 3.1 传送带电机参数电动机型号 额定功率/kW 满载转数/r.min-1堵 转 转 矩额 定 转 矩 最 大 转 矩额 定 转 矩Y100L1-4 2.2 1420 2.2 2.2知道了电机的型号和减速比，可以向生产厂家购买现成的减速器、减速带轮、V 带等。3.2 档箱阀部分为了便于装配，使系统更为紧凑，挡箱阀电机选用特殊电机升降电机，直接实现挡箱阀的升降，能满足一次上升到最高位置、一次下降到最低位置。其基本参数如下表 3.2 档箱阀电机参数产品型号 电压 负载 行程 速度 固定方式 回馈信号IMD3、M 12V/24V DC 700N 50300mm 575mm/s 两端点固定 可变电阻挡箱阀部分相当于一个行程开关，将机械位移转变为电信号，用来控制生产机械的动作。这里当空箱撞击挡箱阀后，延时 3 秒，确保空箱在传送带方向的准确定位，再启动夹具部分，完成垂直与传送带方向的定位。长春理工大学毕业论文- 7 -行程开关又分为直动式行程开关、滚轮旋转式行程开关、微动式行程开关和组合式行程开 。直动式行程开关6关虽然结构简单，但是触头的分合速度取决于撞块移动的速度。荣撞块移动速度太慢，则触头就不能瞬时切断电路，使电弧在触头上停留的时间过长，易于烧蚀触头。因此，这种开关不宜用在撞块移动速度小于 0.4m/min 的场合。本设计使用单轮自动复位行程开关，可以克服直动式行程开关易于烧蚀触头的缺点，另外在箱体移开后开关自动复位，其内部结构如图 3.2 所示。当滚轮 1 受到向左的外力作用时，上转臂 2 向左侧转动，推杆 4 向右转动，并压缩右边弹簧 5，同时下面的小滚轮 6 也很快沿着擒纵件 10 向右转动，小滚轮滚动又压缩弹簧 11，当滚轮6 走过擒纵件 10 的中点时， 盘形弹簧 3 和弹簧 11 都使擒纵件 10 迅速转动，因而使动触头迅速地与右边的静触头分开，并和左边的静触头闭合。这样就减少了电弧对触头的损坏，并保证了动作的可靠性。图 3.2 滚轮式行程开关的内部结构1-滚轮 2-上转臂 3-盘形弹簧 4-推杆5-弹簧 6-小滚轮 7-压板 8、9-触点10-擒纵件 11-压缩弹簧长春理工大学毕业论文- 8 -3.3 夹具体部分图 3.3 气动夹具图图3.3为气动夹具图，它的主要作用是实现箱体在垂直于传送带方向上的定位和夹紧。设计尺寸基于普通饮料包装箱的尺寸：450mm300mm250mm。具体夹具装配图、零件图见CAD图。夹具的工作过程是：当纸箱到达指定位置，撞击挡箱阀，系统接到指令，控制气缸推杆上升，与气缸推杆螺纹连接的推杆同时也上升，这里需克服一个弹簧力。推杆上升推动两侧的两个单杆向两侧扩张，而由于夹持杆中部与机座连接，下部向外侧摆的同时，上部向内侧收，实现对箱体的夹紧。夹具部分的动力系统采用气动装置。气动技术具有洁净、小型轻量化、集成化，与电子技术相结合, 广泛应用于自动化生产线、生产系统与工艺装 。13备这里气缸选用柱塞式气缸，压缩空气驱动活塞单向运动，反向复位依靠外界弹簧完成；这种气缸仅一端进排气，结构简单，耗气量小，可获得较大行程，但部分压缩空气能量用于克服复位外力，故减少了输出力，适用于无导杆、长行程、稳定性差的提升机和压力机等设备 。7上下面确定气缸的型号长春理工大学毕业论文- 9 -图 3.4 夹具受力简图按装配和工作要求，设纸箱受到的夹持力为10N。受力简图如3.4所示。经受力分析、几何计算（计算过程略），1