自动饮料灌装系统的设计(毕业设计)

1、I / 72 实用精品文档摘摘 要要随着工业自动化水平日益提高，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。PLC（可编程序控制器）是以微处理器为核心的工业控制装置，它将传统的继电器控制系统与计算机技术结合在一起，近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到普遍应用。作为通用工业控制计算机，其实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃，在世界工业控制中发挥着越来越重要的作用。在饮料行业，自动化生产线的生产方式是推广的最普及的一种生产模式，它促使灌装的速度大幅提升，同时也使得灌装精度更高，给企业带来了不可小觑的生产力。鉴于此，设计者利用 PLC 的功能和特点设计出了一款饮料灌

2、装生产流水线控制系统。本文所涉及的饮料灌装自动化生产线采用 PLC 控制，流量计计量，确保了灌装的速度和精度。本文详细论述了饮料灌装机控制系统的设计步骤，通过对灌装机系统的充分了解，以行业现状为出发点，结合其他行业自动控制技术的应用情况，提出了基于 PLC 的饮料灌装机控制系统的基本结构。本系统设计中完成了饮料灌装机控制系统的硬件的配置和软件方面的设计，实现了饮料灌装机控制系统的自动化。对劳动生产率的提高，对饮料的质量和产量的提高都具有深远的意义。利用 PLC 控制饮料灌装生产过程，可有效提高灌装生产效率，并显著增加控制系统的可靠性和柔性。关键词：关键词：可编程控制器；自动化；灌装；生产线II

3、 / 72 实用精品文档AbstractWith the increasing level of industrial automation, many industrial enterprises are faced with the transformation of traditional production line and re-design problem. PLC (programmable logic controller) is a microprocessor as the core of industrial control devices, it will relay

4、 the traditional control system combined with computer technology in recent years in industrial automation, mechanical and electrical integration, the transformation of traditional industries such as generally applied. As a general-purpose industrial control computer, the realization of industrial c

5、ontrol wiring logical leap in logic to storage, industrial control in the world is playing an increasingly important role. In beverage industry, automated production line mode of production is to promote the most popular a kind of production mode, it causes the filling speed increases, but make the

6、filling a higher precision, to bring enterprise cannot small gaze of productivity. In view of this, the designers of the use of PLC functions and features designed a beverage filling production line control III / 72 实用精品文档system. This paper involves the drinks filling automation production line adop

7、ts PLC control, flow meter metering, insure the filling speed and precision. This paper describes in detail the control system of the drinks filling machine design steps, a brief introduction of the drinks filling machine control system and base on the self-industry and the application of the other

8、trade on auto-control technique, proposed the frame of the control system based on programmable logical controller. This design completes the drinks production line hardware configuration and software design, to achieve the automation of the carbonated drinks filling machine. Not only improve the la

9、bor productivity, but also has far-reaching significance of the improvement of quality and yield. PLC control of the use of beverage filling production process, which can effectively improve the production efficiency of filling, and significantly increase the reliability of control systems and flexi

10、ble. Keywords: Programmable controller；Automation；Filling；Production line 1 / 72 实用精品文档目目 录录摘摘 要要 .IABSTRACT.II前前 言言.11.概述概述.21.1 概论.21.2 设计任务与要求.31.3 相关预备知识.31.3.1 PLC 的定义.31.3.2 PLC 的基本组成.31.3.3 PLC 的功能与特点.41.3.4 PLC 的应用范围.41.4 总体方案设计.52.系统机械结构设计系统机械结构设计.72.1 电机的选择 .72.1.1 丝杠电机的选择.72.1.2 传送带电机的选择.

11、102.2 滚珠丝杠副的计算 .112.2.1 最大工作载荷 Fm的计算.112.2.2 最大动载荷 C 的计算 .112.2.3 额定动载荷 Ca的校核.112.2.4 刚度的验算.122.3 滚动轴承的选择 .122.3.1 丝杠滚动轴承的选择.132.3.2 滚筒滚动轴承的选择.132.4 联轴器的选择 .142.4.1 传送带电机联轴器的选择.142.4.2 丝杠电机联轴器的选择.142.5 灌装机储液箱的尺寸确定 .143.电气控制系统硬件设计电气控制系统硬件设计.153.1 总体方案分析 .153.2 控制系统的 I/O 点及地址分配.153.2.1 输入信号 I/O 点地址分配.

12、153.2.2 输出信号 I/O 点地址分配.163.3 电气元件选型 .172 / 72 实用精品文档3.3.1 PLC 的选型.173.3.2 断路器的选型.173.3.3 接触器的选型.183.3.4 行程开关的选型.183.3.5 光电传感器的选型.183.3.6 流量计的选型.193.3.7 电磁阀的选型.193.4 电气控制系统原理图 .203.4.1 电气原理图总体设计.203.4.2 传送带电机接线图.203.4.3 丝杠电机接线图.213.4.4 电磁阀接线图.223.4.5 控制系统接线图.224.电气控制系统软件设计电气控制系统软件设计.234.1 STEP7-MICRO

13、/WIN 软件介绍.234.2 电气控制系统程序设计 .254.2.1 电气控制系统流程图.254.2.2 传送带前进.264.2.3 光电传感器开始计瓶数.274.2.4 喷口下压.284.2.5 系统开始进行灌装.294.2.6 喷口上抬.304.3 PLC 程序调试.314.3.1 调试思路.314.3.2 调试结果.31总结与体会总结与体会.34致致 谢谢.35参考文献参考文献.36附录：系统程序梯形图附录：系统程序梯形图.371 / 72 实用精品文档前前 言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

14、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，Human Machine Interface）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、

15、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2 / 72 实用精品文档统。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

16、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。3 / 72 实用精品文档1.概述概述1.1 概论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

17、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

18、位时进液电磁阀断电关闭，使液位保持恒定。4 / 72 实用精品文档鉴于 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

19、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：0.5L2) 每次灌装瓶数：63) 灌装节拍：515S,可调节;4) 精度：5mL5 / 72 实用精品文档1.3 相关预备知识相关预备知识1.3.1 PLC 的定义的定义可编程控制器，简称 PLC（Programmable logic Controller）,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（I

20、nternational Electrical Committee）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。1.3.2 PLC 的基本组成的基本组成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 C

21、PU 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：6 / 72 实用精品文档图 1-1 PLC 的基本组成框图1.3.3 PLC 的功能与特点的功能与特点功能：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

22、易用，深受工程技术人员欢迎1.3.4 PLC 的应用范围的应用范围目前，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7 / 72 实用精品文档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

23、 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 P

24、LC，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8 / 72 实用精品文档感器传输信号给 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9 / 72 实用精品文档2.系统机械结构设计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

25、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10 / 72 实用精品文档2.1 电机的选择电机的选择2.1.1 丝杠电机的选择丝杠电机的选择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.

26、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

27、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 11 / 72 实用精品文档(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=(2*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 0.31s 之间取；其中：n=(vm

28、ax*)/(360*) (2-3)式中：vmax空载最快移动速度，本机器为 6000mm/min； 步进电机步矩角，预选电动机为 1.5 度； 脉冲当量，=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 =0.7，求得：Tamax=(2*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：12 / 72 实用精品文档Tf=(F摩*Ph)/( 2) (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； 传动系统总效率，一般取 =0.70.85；其中：

29、F摩=(Fc+G) (2-5)式中：导轨的摩擦因素（滑动导轨取 0.150.18，滚动导轨取 0.0030.005） ，取 =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)/( 2i)=(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)(1-02)/( 2i) (2-6)

30、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； 0滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取13 / 72 实用精品文档0=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.m3) 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 2.54 之间选取。

31、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=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

32、积 V=(D/2)2*h=3.14*3.52*10=384.65cm3,所以滚筒14 / 72 实用精品文档的质量 m=V*=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

33、/n=D，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*(2n)/(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

34、矩 Tjmax为：Tjmax=4M=0.696*4=2.784N.m15 / 72 实用精品文档所选电机最大静转矩为 5N.m，满足要求。2.2 滚珠丝杠副的计算滚珠丝杠副的计算2.2.1 最大工作载荷最大工作载荷 Fm的计算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 最大动载荷最大动载荷 C

35、 的计算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 3L(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 11.2，一般状态取1.21.5，有冲击振动取 1.52.5，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，16 / 72 实用精品文档可取最高速度的 1/31/2；L0为丝杠的基本导程，单位为mm)，计算时，可根据快进速度 vm

36、ax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。310802.2.3 额定动载荷额定动载荷 Ca的校核的校核 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

37、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 1在总变形量中占的比重比较大，可按下式计算： 1= IEMaESFm2217 / 72 实用精品文档(2-10) 式中：Fm丝杠的最大工作载荷，单位为 N； 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

38、以忽略不计，因此有1=(115*500)/(2.1*105*20)=0.01369。滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 2可从产品型号中查出。丝杠总变形量 =1+2。一般总变形量 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。18 / 72 实用精品文档2.3.1 丝杠滚动

39、轴承的选择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/T 292-1994，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=； 1066010Ln)(60106PrFCn(2-11)其中 =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=1.6

40、3*105h。)(60106PrFCn36)161. 025. 6(60006010寿命足够了。2.3.2 滚筒滚动轴承的选择滚筒滚动轴承的选择综前所述，选用角接触轴承，选轴承 GB/T 292-1994，角接触轴承 7004AC，其主要参数：19 / 72 实用精品文档内径：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联轴器的选择传送

41、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：20 / 72 实用精品文档轴孔直径：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灌装机储液箱的尺寸确定储液箱的长宽高尺寸是根据

42、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电气控制系统硬件设计3.1 总体方案分析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

43、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，21 / 72 实用精品文档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

44、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 控制系统的控制系统的 I/O 点及地址分配点及地址分配3.2.1 输入信号输入信号 I/O 点地址分配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SF1I0.0停止按钮SF2

45、I0.122 / 72 实用精品文档喷头上限位行程开关BG1I0.2喷头下限位行程开关BG2I0.3前挡杆前限位行程开关BG3I0.4前挡杆后限位行程开关BG4I0.5后挡杆前限位行程开关BG5I0.6后挡杆后限位行程开关BG6I0.7后光电开关KF1I1.0前光电开关KF2I1.11 号喷头流量计信号BG7I1.22 号喷头流量计信号BG8I1.33 号喷头流量计信号BG9I1.44 号喷头流量计信号BG10I1.55 号喷头流量计信号BG11I1.66 号喷头流量计信号BG12I1.73.2.2 输出信号输出信号 I/O 点地址分配点地址分配输出信号 I/O 点地址分配如表 3.2 所示。

46、表 3-2 输出信号 I/O 点地址分配23 / 72 实用精品文档名称代码地址编号传送带启动QA03Q0.0前挡杆伸出电磁阀MB1Q0.1前挡杆收回电磁阀MB2Q0.2后挡杆伸出电磁阀MB3Q0.3后挡杆收回电磁阀MB4Q0.5传送带停止MB01Q0.41 号喷口电磁阀MB11Q0.62 号喷口电磁阀MB12Q0.73 号喷口电磁阀MB13Q1.04 号喷口电磁阀MB14Q1.15 号喷口电磁阀MB15Q1.26 号喷口电磁阀MB16Q1.3喷口下压QA05Q1.4喷口上抬QA06Q1.53.3 电气元件选型电气元件选型3.3.1 PLC 的选型的选型从上面分析可知系统共有开关量输入 16

47、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 CPU226 AC/DC/继电器。如表 3-3 所示。24 / 72 实用精品文档3.3.2 断路器的选型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2）空开额定电流大于等于线路负载电流3）空开电磁脱扣器整定电流大于等于负载最大峰值电流（负载短路时电流值达到脱扣器整定值时，空开瞬时跳闸。一般 D 型代号的空开出厂时，电磁脱扣器整定电流值为额定电流的 8-12 倍。 ）也就是说短路跳闸而电机启动电流是可以避开的。断路器的作用：断路器的作用是切断和接通负荷电路，以及切断故障电路，防止事故扩

48、大，保证安全运行。而高压断路器要开断 1500V，电流为1500-2000A 的电弧，这些电弧可拉长至 2m 仍然继续燃烧不熄灭。故灭弧是高压断路器必须解决的问题。 吹弧熄弧的原理主要是冷却电弧减弱热游离，另一方面通过吹弧拉长电弧加强带电粒子的复合和扩散，同时把弧隙中的带电粒子吹散，迅速恢复介质的绝缘强度。 根据三个电动机的额定电流，选择断路器 QA01、QA02、QA04的型号为 DZ47-63-C16。如表 3-3 所示。3.3.3 接触器的选型接触器的选型接触器是一种用来接通或断开带负载的交直流主电路或大容量控制电路的自动化切换器，主要控制对象是电动机。通用接触器可25 / 72 实用精

49、品文档大致分以下两类。 1）交流接触器。主要有电磁机构、触头系统、灭弧装置等组成。常用的是 CJ1、0CJ12、CJ12B 等系列。2）直流接触器，一般用于控制直流电器设备，线圈中通以直流电，直流接触器的动作原理和结构基本上与交流接触器是相同的。接触器的选型有诸多因素外与负载密切相关一般三相异步电机的起动电流为额定电流的 3-5 倍。所以接触器的额定电流为：4IN=36A 综上所述，本系统选用 CJX2-09 接触器：额定电压为220V。如表 3-3 所示。3.3.4 行程开关的选型行程开关的选型行程开关又称限位开关或位置开关。它是一种根据运动部件的行程位置而切换电路工作状态的控制电器。行程开

50、关的动作原理与控制按钮相似，在机床设备中，事先将行程开关根据工艺要求安装在一定位置上，部件在运行中，装在其上撞块压下行程开关顶杆，使行程开关的触点动作而实现电路的切换，达到控制运动部件行程位置的目的。根据系统的整体要求，选择行程开关的型号为 LX19-001。如表3-3 所示。3.3.5 光电传感器的选型光电传感器的选型本设计采用的是欧姆龙的光电传感器（光电开关） ，型号为26 / 72 实用精品文档E3JK-5M3，直流正负 12240V，交流 24240V。如表 3-3 所示。该光电传感器的特点有：1）检测距离长； 2）对检测物体的限制少； 3）响应时间短； 4）分辨率高； 5）可实现非接

51、触的检测； 6）可实现颜色判别； 7）便于调整。3.3.6 流量计的选型流量计的选型根据系统整体要求，选用椭圆齿轮流量计，型号为 LWGY。如表 3-3 所示。椭圆齿轮流量计是容积式流量计的一种，用于紧密的连续或间断的测量管道中液体的流量或瞬时流量，精度较高。长期使用的椭圆齿轮流量计，其内部的齿轮会被腐蚀和磨损，从而影响测量精度。因而，要经常注意观察，并定期拆下进行检查，若条件允许最好定期进行标定。3.3.7 电磁阀的选型电磁阀的选型国内外的电磁阀从原理上分为三大类（即：直动式、分步直动式、先导式） ，而从阀瓣结构和材料上的不同与原理上的区别又分为六个分支小类（直动膜片结构、分步膜片结构、先导

52、式膜片结构、27 / 72 实用精品文档直动活塞结构、分步活塞结构、先导活塞结构） 。本设计采用的主要是直动式电磁阀。根据系统整体要求，选用直动式电磁阀，型号为 BS12C。如表3-3 所示。表 3-3 电气元件选型表序号代号名称型号数量备注1SF1按钮LA19-111绿色2SF2按钮LA19-111红色3BG1BG12行程开关LX19-001124KF1KF2光电传感器E3JK-5M325BF流量计LWGY6椭圆式6CPU226可编程控制器CPU226 AC/DC 继电器17MA1传送带电机86BYG250B-SAFRBC1200W8MA2丝杠电机75BC380A1500mW9QA01断路器

53、DZ47-63-C1611QA02、QA电机断路器DZ47-63-C16228 / 72 实用精品文档00411QA03电机接触器CJX2-091AC220V12QA05、QA06电机接触器CJX2-092AC220V13LB电源滤波器DF200-10A-011220/10A14DY24V 直流电源AC/DC 24V110A15PG电源指示灯XB2-BW31M1C1AC220V16MB1MB4电磁阀BS12C4直动式17MB11MB16电磁阀BS12C6直动式18MB01电磁制动器119KF1KF12继电器JZ7-111220FA熔断器MDA-12A1限流12A29 / 72 实用精品文档3.

54、4 电气控制系统原理图电气控制系统原理图3.4.1 电气原理图总体设计电气原理图总体设计根据设计需求分析，需要 2 个电机，电机分别有：传送带电机、丝杠电机，丝杠电机正反转控制丝杆的上下运动，并带动喷口上下运动。所有电机过载保护均采用熔断器保护。另外选择 CPU226 作为主机，设计显示灯有：电源显示灯。设有电磁阀作为各种状态的输出，电磁阀的数量为 10 个。输入有两个光电传感器，用来计空瓶数和满瓶数。3.4.2 传送带电机接线图传送带电机接线图 如图 3-2 所示，传送带由一个三相异步电机控制。当 QA03 接触器闭合时，传送带启动；当 QA03 接触器断开时，传送带停止。QA03 的闭合与

55、否可由启动按钮和停止按钮控制，也可由自动运行过程中 PLC 说给的相应型号来控制。30 / 72 实用精品文档图 3-2 传送带电机电气图3.4.3 丝杠电机接线图丝杠电机接线图 如图 3-3 所示，丝杠由电机正反转控制。当 QA05 接触器闭合时，丝杠电机正转，带动丝杠向下运动；当 QA06 接触器闭合时，丝杠电机反转，带动丝杠向上运动。QA05 与 QA06 的闭合断开以及正反转由 PLC 控制31 / 72 实用精品文档图 3-3 丝杠电机电气图3.4.4 电磁阀接线图电磁阀接线图 如图 3-4 所示，为电磁阀接线图。电磁阀不能直接连在 PLC 上，应该使用中间继电器来实现。MB1MB4

56、 为控制前后挡杆伸出或收回的电磁阀，MB11MB16 为控制灌装关断的电磁阀。图 3-4 电磁阀电气图32 / 72 实用精品文档3.4.5 控制系统接线图控制系统接线图 如图 3-5 所示，为控制系统接线图。控制系统的输入有两个光电开关，用来计瓶数；输出接中间继电器，用来实现电磁阀的关断。控制系统选用 CPU226 作为主电路板来驱动整个电路。图 3-5 控制系统电气图4.电气控制系统软件设计电气控制系统软件设计4.1 STEP7-Micro/WIN 软件介绍软件介绍STEP7-Micro/WIN 是在 WINDOWS 平台上运行的 S7-200 系列PLC 的专用编程软件，操作界面简单方便

57、，能解决复杂的自动化任务，可快速进入，节省编程时间，其主要功能及特点如下。程序结构简单，通过一个主程序调用其他子程序或中断程序，保证了程序结构的清晰；可以用语句表(STL)和梯型图(LAD)编程；可以进行符号编程；通过符号表分配符号和绝对地址，并可打印输33 / 72 实用精品文档出；支持三角函数，开方，对数运算功能；指令集易学，指令由容易记的缩写组成。相同的指令只需稍加修改就可用于不同的功能(例如指令 MOVE 根据传送的方式不同有不同的形式)；易于使用的组态向导，包括文本显示器，PID 控制器，CPU 间的数据传输的通讯功能，高速计数器；可用于 CPU 硬件设置，包括扩展模块设置，输入延时

58、，实时时钟设置，口令分配，通讯系统的网络地址设置等；二进制运算功能，包括移位、循环移位、转换、与、或、异或等逻辑运算，计数器、定时器设置，16 位、32 位整数运算，浮点数运算，比较指令运算，数值转换等；可在线、离线编程；通过键盘的快捷键可编辑全部功能，语句和程序段可使用剪切、粘贴和插入功能，可取消上一次操作，在用户程序中还可以查找文字和操作等。进行 PLC 控制逻辑程序设计应遵循以下几个基本步骤。(1)分解被控对象或机器把要控制的对象或机器分解成相互独立的部分，这些分解将影响功能描述及资源的分配。(2)建立功能规范写出被控对象或机器的每部分的描述，它包括输入/输出点(I/O)、操作的功能描述

59、、每个执行器(线圈、电机、驱动器等)的允许状态(执行前要满足的状态)、操作接口的描述、与被控对象或机器的其他部分的接口。(3)安全电路的设计控制设备在不安全的状态下出现故障，会造成不希望的启动或34 / 72 实用精品文档机器操作的变化。当不希望的或不正确的机器操作会造成人身伤害或严重的财产损失时，应该考虑采用和 CPU 独立的机电冗余来防止不安全的操作。在安全电路设计中应该考虑下面的任务：防止会造成危害的不适合的执行器操作；识别那些保证不危险操作的条件，并决定如何独立于 CPU 检测这些条件；当控制对象得电或断电时 CPU 和 I/O如何影响控制对象；设计独立于 CPU 的手动或机电冗余来阻

60、止危险的操作；向 CPU 提供独立电路的适当的状态信息，以便于程序员和操作界面得到所需要的信息；识别其它的和控制对象安全操作有关的安全要求。(4)详细说明操作站根据功能描述的要求建立操作站的配置图，包括：与控制对象或机器有关的每个操作站的位置总图、操作站的设备机械图(显示、开关、指示灯等)、与 CPU 或扩展模块有关的电气图。(5)建立 PLC 配置图根据功能描述的要求建立控制设备的配置图，包括控制对象或机器有关的每个 CPU 的位置图、CPU 和扩展 I/O 模块的机械布局图(包括控制柜和其他设备)、每个 CPU 和扩展模块的电气图(包括设备型号，通讯地址和 I/O 地址)。(6)建立符号名