毕业设计（论文）颗粒自动化包装机设计计量充填机械设计

PAGE颗粒自动化包装机设计——计量充填机械设计AutomaticPackagingMachineDesign——MeasuringAndFillingMachineDesign学生姓名学号所在学院班级所在专业机械设计制造及其自动化申请学位本科指导教师职称职称答辩时间年月日目录目录TOC\o"1-4"\h\u23703设计总说明 I11367introduction II181151绪论 1140081.1本课题的目的和意义 1216081.2计量、充填机械概述及国内外发展状况 1293402设计任务 1129053方案设计 2253983.1总体方案设计 24823.1.1计量充填工艺流程确定 2198654供送装置的设计 26294.1料斗给料装置 2118494.1.1料斗给料装置设计 2215674.1.2料斗给料装置设计计算及应力校核 230684.2供送装置的选择 5138504.3立式电磁振动给料装置的设计 664464.3.1结构参数设计计算 7290设计要求 72547结构选型 7313基本参数计算 7179参数计算总结 13241734.4立式电磁振动给料器组装图 15196735计量装置设计 15327125.1计量装置的选择 1560955.2称重式计量装置的设计 15314725.2.1称重式计量装置的工作原理 15222405.2.2称量机构选择 16241395.3电阻应变片式称重机构设计 16135075.3.1电阻应变片式 172863电阻应变片式称重工作原理 171355电阻应变片传感器选择 17114545.3.2电阻应变片式传感器的测量电路 17127365.3.3放大电路 18228265.3.4A/D转换器 1832165.3.5用电阻应变片组成的称量电路原理图 19201285.4称斗和开斗机构 20102655.4.1称斗与开斗装置的选择 20244205.4.2开斗电路原理图 20180026计量充填机械控制系统设计 2190326.1计量充填机械控制系统方案图 21283136.2计量填充机械控制系统电路原理图 21245087计量充填机械组装 2126107总结 223448鸣谢 2321192参考文献 24设计总说明PAGEII设计总说明自动化包装机设计——计量、充填机械设计本设计主要介绍了自动化包装机里计量、充填机械部分的工作原理及其设计过程，对其供送装置设计里的料斗给料部分进行选择及强度校核，对振动盘给料部分进行计算设计及选择。该计量、充填机械主要广泛用于食品、粮食、种子、饲料、日化等诸多行业，适用于松散状、无粘性散粒体物料，一般不适宜片、块状物料。本计量、充填机械主要包括供送装置、计量装置和充填装置。在本设计中，我们的主要任务是与自动包装机其他部分协作，自动化、智能化、高效化、高精度、高可靠性地完成计量充填，使其满足设计要求。本计量充填机械的特点通过控制系统完成自动送料、称量、下料，主要是利用振动原理达到均匀供料效果，再利用电阻应变片称量机构完成准确称量并通过电阻应变片传感器与步进电机连接电路，完成下料。本机械可以通过改变振动频率以适应物料和质量的变化。关键词：计量、充填机械；设计；工作原理；机构选择；散粒体物料ABSTRACTintroductionAutomaticPackagingMachineDesign——MeasuringAndFillingMachineDesignThisdesignismainlyintroducedtheautomaticpackingmachineaboutthemeasuringandfillingmachineprincipleandthedesignprocessofitsmechanicalparts,selectingthedeviceoffeedingandmakingstrengthcheckinthepartofhopperfeeder,doingthecalculatingdesignandselectingthetruedeviceinthepartofvibrationplate,designingfortheoverallappearanceandanddoingareasonableimprovementinthebody.Themeasuringandfillingmachineiswidelyusedinfood,grain,seed,feed,chemical,andmanyotherindustries,applicabletobulk,non-viscousgranulematerial,generallynotsuitablefortabletandblockmaterial.Thismeasuringandfillingmachinemainlyincludesthesendingdevice,themeasuringdeviceandthefillingdevice.Inthisdesign,ourmaintaskistocollaboratewithotherpartsoftheautomaticpackingmachine,measuringandfillingautomatically,intelligently,withhighlyefficient,highprecision,highreliabilitytomakeitmeetthedesignrequirements.Thismeasuringandfillingmachine’sfeaturesautomaticallycompletefeeding,weighing,blankingbythecontrolsystem.Itmainlyusetheprincipleofvibrationtofeedequably,useresistancestraingaugetocompletetheaccurateweighingandtheweighinginstitutionsisconnectedbyresistancestraingaugesensorandstepmotortoformthecircuit,finallycompleteblanking.Thismachinecanadapttothechangeofthematerialanditsqualitybychangingthefrequency.Keywords:MeasuringandFillingmachine;Design;Circuit;Institutionalchoice;Thebulkmaterial－PAGE6－毕业设计题目毕业设计说明书绪论本课题的目的和意义随着经济的发展，社会的进步，科技的提升，人民生活水平的提高，包装在市场经济中的作用也越来越大。包装工业作为国民经济支柱产业之一，应该与时俱进。而包装机械在包装工业占据十分重要的位置，对包装工业现代化具有举足轻重的作用，所以，对包装机械的发展及科技上也提出了更高的要求，带来了机遇和挑战。而计量充填作为产品包装的一个重要工序，在随着包装机械及包装工业的发展过程中，也站在了一个举足轻重的位置。在现代化的工业生产中，计量充填机械也向着自动化、智能化、多样化的反向发展。计量、充填机械概述及国内外发展状况计量充填机械是指将待包装的物料按所需的精确量（质量、容量、数量）充填到包装容器内的机械。计量充填机械可以作为一种单机单独使用，也可与各种包装机组成机组联合工作；一般由物料供送装置、计量装置、下料装置等组成。计量充填机械是包装设备的重要组成部分，其关键内容是高速度，高精度和高可靠性的统一，其性能的好坏直接影响到包装质量。在现代化工业生产中，包装工业作为国民经济支柱产业之一，随着经济的发展及生产与流通的日益社会化和现代化，其在国民经济中所占比重和作用越来越大，世界各国经济发展历程也证明了这一点。而，在现代化的工业生产中，计量充填机械也向着自动化、智能化、多样化的反向发展。设计任务包装对象：散粒体物料，如茶叶等生产能力：60-110包/min计量范围：1-1000g，本设计以20g作为计算的基本尺寸方案设计总体方案设计计量充填工艺流程确定通过实习观察及相关资料搜索分析总结，确定工作流程图（见图3-1）图3-1计量充填工艺流程图供送装置的设计本设计供送装置包括料斗给料装置和振动盘给料装置。4.1料斗给料装置4.1.1料斗给料装置设计为了空间布置更合理，料斗给料装置设计见图4-1图4-1料斗给料装置4.1.2料斗给料装置设计计算及应力校核料斗给料装置的受力分析见图4-2图4-2料斗给料装置的受力分析本设计的数据收集：AB=165.5mm，BC=54.5mm，CD=97mm，CE=263mm，取W=15N。固定板BD横截面上应力校核对连接杆AC及固定板BD进行受力分析见图4-3，根据平衡方程，得图4-3固定板BD和连接杆AC受力分析图由此求得固定板BD的轴力为由此求得固定板BD横截面上的应力为固定板用螺钉连接，因为选择螺钉和固定板的材料均为Q235，螺钉性能等级为4.6，由[7]表5-8查得材料的屈服极限，由[8]表5-10查得安全系数S=1.5，故螺钉材料的许用应力，远远达到了应力要求，固定板BD可靠。固定杆CE和连接杆AC的强度计算及校核固定杆CE和连接杆AC均选用螺纹的形式与底板相连接，见图4-1，在本设计中，其只需满足螺纹连接的强度计算即可。固定杆选择的材料为Q235，螺纹参照螺钉的性能等级为4.6，由[7]表5-8查得材料的屈服极限，由[8]表5-10查得安全系数S=1.5，故螺钉材料的许用应力。<1>固定杆CE由固定杆CE的C处螺纹受力放大图4-4所示，固定杆CE（螺纹直径d=12mm）在与底板之间有预紧力的拉伸而产生拉伸应力，还受螺纹摩擦力矩的扭转切应力，使螺栓处于拉伸和扭转的复合应力状态下。因此，应进行仅承受预紧力的螺纹强度计算。图4-4固定杆CE螺纹受力螺纹危险截面的拉伸应力为所以，固定杆CE可靠。<2>连接杆AC由连接杆AC的E处螺纹受力放大图4-5可知，连接杆AC（螺纹直径d=6mm）与固定杆CE的螺纹连接承受的是横向载荷，此时螺纹危险截面的拉伸应力为图4-5连接杆AC螺纹受力所以，连接杆AC可靠。4.2供送装置的选择应用供送装置是包装机实现自动化是摆脱手工操作的一个重要手段。常用的自动包装机送料装置方式有：电磁振动式送料和机械式送料（见表4-1）。表4-1常见自动包装机送料装置方式及特点方式原理结构比较图形（来自[3]）电磁振动式电磁振动送料工作时，由激振电磁铁驱动主振平板弹簧支承的工作料槽，使料槽内的物料在受惯性力的情况下，不断地向前做抛掷运动直槽式圆盘式电磁振动送料机，激振力大，效率高，适应性广。圆盘式（立式）机械式利用与材料形状相似的机构，通过机构之间的紧密联系，一步一步达到送料的目的，具体送料情况，看图片显示往复式机构相对复杂，且不适合茶叶包装转辊式因此，结合课题要求及查[3]表1-4，且考虑空间布置情况，方案确定采用（圆盘式）斗式电磁振动式送料机构。4.3立式电磁振动给料装置的设计原理：料盘与底盘受骤增的电磁吸力作用，使相向移动，迫使主振弹簧和隔振弹簧均产生复杂的弹性变形，随后两盘绕中心轴线作同步相向扭转，把往复运动变成旋转运动。（高频微幅振动）4.3.1结构参数设计计算设计要求参照[1]图4-2，设计一斗式电磁振动给料器，主要用来自动输送茶叶等散粒体物料，取供送滑道的宽度=30mm，高度=15mm，要求生产能力可调，一般控制在Q=60~100包/min。结构选型选圆柱型单内螺旋滑道振动料斗，用厚度=1.2mm的不锈钢板焊接，下连铝合金托盘。在上下两振盘之间的对心部位安置激振电磁铁，外加剖分式护罩。另附可控的单相半波整流激磁回路，供电电压的有效值U=220V，交流频率=50Hz，借调节线圈输入电压来改变生产能力。基本参数计算通过下述计算步骤确定各基本参数，可为斗式电磁振动给料器的具体结构设计提供依据。（1）供送速度及生产能力选取供送滑道的有效宽度，平均螺旋角°，螺距（取整28mm），完整总圈数=1；出料槽高度=15mm；供送滑道与弹簧支座的半径比=1.5；主振板弹簧的斜置角=25°，算出滑道的平均半径（mm）（取整142mm，适合）料斗内直径（mm）主振板弹簧上支座外直径（mm）（取整95mm）料斗内高度（mm）滑道振动角激振力对滑道作用角取料盘振幅=0.5mm，激振频率=50Hz，算出起跳相位角进而由[1]式（4-45）求得着落与起跳相位角之差（或8.38rad），着落相位角（基本适用），料盘相对激振次数，圆整为2。取当量滑动摩擦系数，有效工作系数K=0.5，算出振动角校核准数（，适用）平均供送速度实际生产力因为茶叶大小均匀，流动性好，所以把每小包茶叶（）看成是长3cm，宽2.5cm，高0.4cm的物品，其生产能力在输送过程中，由于输送速度根据称斗内质量变化，所以实际生产能力，远远超过生产要求，所以完全适用。主振弹簧刚度及协调值<1>斗体与底盘的等效质量首先，对材料总体加以简化，见图4-6与图4-7。图4-6斗体简化结构图图4-7底盘简化结构图取料斗内半径=158mm，衔铁当量半径=60mm，弹簧支座宽度=20mm，给料器重=10N，托盘重=22N，主振弹簧上支座重（包括半段板弹簧重)，衔铁重=10N，算出斗体质量（kg）斗体对中心轴线的转动惯量斗体等效质量（kg）其次，对底盘总体加以简化，如图所示。取铁芯线圈当量半径=55mm，底盘半径=140mm，主振板弹簧下支座外半径=95+20=105mm，铁芯线圈重=42N，主振弹簧下支座重（包括半段板弹簧重），底盘重=250N，算出底盘质量（kg）底盘对中心轴线的转动惯量（kg）底盘等效质量（kg）斗体与底盘的振幅比（适用）<2>板弹簧结构尺寸与垂向动刚度查[2]表11-4-1，选用硅锰板弹簧钢（），弹性模量，，弹簧宽度B=16mm（），弹簧厚度h=2mm，校正系数，每组弹簧片数n=1，弹簧组数i=3，紧固系数，算出弹簧的有效长度（mm）（取整L=106mm）横向弯曲变形比例系数扭转-压缩变形比例系数主振片弹簧垂向总动刚度<3>系统固有频率与协调谐值根据上面求出的、和值可求系统的固有角速度取系统的激振角速度算出调谐值（<1，且在范围内，适用）（3）隔振弹簧刚度及激振力传递率<1>橡胶弹簧选型与垂向动刚度所选隔振橡胶弹簧系成型元件，弹性模量，切变模量，弹簧动载系数d=1.1；弹簧初始的内径，外径，高度H=30mm；弹簧与底盘的中心距；弹簧个数，算出弹簧初始横截面积弹簧形状系数隔振弹簧垂向总动刚度<2>弹簧最大压缩应变量与激振力传递率根据前面计算结果得知斗式电磁振动给料器的总量，再计入振动料斗内的物料总量，算出橡胶弹簧垂向总静刚度橡胶弹簧预压缩量橡胶弹簧最大压缩应变量激振力传递率（满足，适用）综上，、均适用。为了安装方便，可以选用能达到相同效果的橡胶隔振器代替。在画装配图所用隔振零件就是橡胶隔振器。（4）设计激振电磁铁的基本数据<1>电磁激振力取衰减振幅比1.4，，衰减振动周期，算出主振体转化质量主振系统的相对振幅当量阻尼系数故得激振力力幅及其与位移的相位角°。<2>磁极气隙量取气隙安全余量，算出相应的磁极气隙量<3>主磁极有效端面积选用Ⅲ形硅钢片制作铁芯，磁极个数，漏磁系数，最大磁感应强度，空气导磁率，以可控硅半波整流激磁回路（见图4-3）进行控制，并取超载系数为1.2，即计算力幅，算出主磁极有效端面积图4-8可控硅半波整流激磁回路铁芯最大磁通量<4>铁芯线圈匝数考虑供电电压的不稳定性，取降压系数为0.9，算出铁芯线圈匝数因此，应选用线圈匝数大于845匝的铁芯线圈。并且，因为“Ⅲ”形电磁铁采用硅钢片用螺栓固连而成，导磁率高，结构紧凑，对称性好，双极激振，可以通过增减片数适当改变主磁极面积；且工作中涡流损失和剩磁、漏磁都较少，加上电磁铁周围大都同空气接触，故有利于降低温升，故选用“Ⅲ”形电磁铁。本设计选用的是“Ⅲ”形振动盘直线送料器线圈。参数计算总结表4-1计算过程所选参数值及名称符号代表意义可选范围所选真实值供送滑道与弹簧支座的半径比常取左右上下振盘振幅比常取=3~5d弹簧动载系数漏磁系数最大磁感应强度激振电磁铁一般多采用硅钢片制作，常取物料与工作面间的当量滑动摩擦系数物料与工作面间的当量滑动摩擦系数一般供送速度（约10m/min）情况下，实验测得大体可取K系统有效工作系数衰减振幅比（或主振动系统的衰减振动相对振幅比）一般承载条件下，中小型斗料电磁振动给料器料盘的值在1.5左右。垂向振幅斗式电磁振动给料器常取安全余量斗式电磁振动给料器常取供送滑道的平均螺旋角一般而言，自动定向排列的螺旋滑道，可取；垂直输送的螺旋滑道，可取。弹簧与支座连接的紧固系数常取。表4-2计算结果情况符号代表意义满足范围计算结果符合情况滑道平均半径适用激振力对滑道作用角适用Q实际生产能力适用上下振盘振幅比常取=3~5适用调谐值常取适用激振力传递率适用4.4立式电磁振动给料器组装图本设计的立式电磁振动给料器组装图见图4-9图4-9立式电磁振动给料器组装图5计量装置设计5.1计量装置的选择根据计量装置所采用的计量原理不同，可分为容积式、称重式、计数式三种类型。结合课题要求及查[3]表1-1有，选择称重式最合适。5.2称重式计量装置的设计5.2.1称重式计量装置的工作原理称重式计量装置由供料机构、称量机构、开斗机构组成。由供料机构将待称物料供送到称量机构中，当达到所需要的重量时停止供料，再由开斗机构开斗放料。（其中供料机构由前面所设计的斗式电磁振动给料装置代替。）5.2.2称量机构选择充填机上常用的称量机构型式主要有杠杆式、簧片式、杠杆簧片组合式、电阻应变片式等。见表5-1表5-1常用称量机构型式及其特点型式优点缺点图片（来自[3]）杠杆式称重机构一种传统的称量机构，机构简单，使用方便、直观稳定和动态性较差，称量精度不稳定簧片式称量机构称量精度高、反应灵敏、结构简单、寿命长仅适于1000g以下的物料杠杆簧片组合式称重机构综合了弹簧秤和杠杆秤的主要优点，称量精度高，平衡时间短不适宜10kg以上的定量称量，且预置质量时，调整不方便电阻应变片式称重机构应用广泛，称量精度高，称量范围宽，可实现称量值自动控制，方便预置质量值，动态性能好；制作简单，成本低控制原理复杂在现实生活中，由于电阻应变片式传感器测量范围宽、精度高；结构简单，体积小，重量轻，成本低；耐恶劣环境能力强及易于集成化和智能化的优点，在各个领域上被广泛应用。因此，结合课题要求及现代生产需求，方案确定选用电阻应变片式称重机构最为适合。5.3电阻应变片式称重机构设计电阻应变片式称重装置是由电阻应变片、测量电路、差动放大器、A/D转换器、显示电路等电路组成。系统方案见图5-1图5-1电阻应变片式称重装置控制系统方案图5.3.1电阻应变片式电阻应变片式称重工作原理将测量的物理量的变化转化为电阻值的变化，即通过应变片和弹性元件将机械构件的应变或应力转换为电阻的微小变化，再经由相应的测量电路进行电量测量，最后显示或记录测量值的变化。电阻应变片传感器选择电阻应变片式传感器可以用于测量应变、力、位移等参数。具有体积小、动态响应快、测量精度高、使用方便等优点，其可分为金属电阻应变片式与半导体应变片式两类，见表5-2表5-2电阻应变片的分类及特点分类特点及构成金属电阻应变片金属丝电阻应变片将一根具有高电阻率的金属丝（康铜或镍镉合金，直径约0.025mm）绕成栅形，粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间，有引线接于后续电路金属箔电阻应变片金属箔栅是用光刻成形，适用于大批量生产。金属箔应变片调线均匀，尺寸准确，阻值一致性好，散热好，粘接情况好传递试件应变性能好。半导体应变片利用半导体的阻值效应来测量参数。灵敏度高，但是温度稳定性能差、灵敏度离散度大，不稳定。因此，为了能更好的满足课题要求，本设计选用应用较多且基本不受温度影响的金属箔电阻应变片传感器。然后，把应变片用特制胶水粘固在弹性元件上，将机械构件的应变或应力转换为电阻的微小变化，再经由相应的测量电路进行电量测量，最后显示或记录测量值的变化。5.3.2电阻应变片式传感器的测量电路在生产和科学教研中常用各种电桥来测量电路元件的电阻、电容和电感，在非电量的电测技术中也常用到电桥。电桥是一种比较仪表，它的准确度和灵敏度都较高。所以，本设计中的电阻应变片式传感器的测量电路用交流电桥电路。图5-2交流电桥的电路由于被测应变信号很小，也是很小的。因此，还要经过放大、整流、滤波的关节后输出，用测量装置显示和记录。5.3.3放大电路近年来，集成电路正在取代分立电路。集成电路与由晶体管等分立元器件连接而成的电路比较，其具有体积更小，重量更轻，功耗更低，可靠性更好，价格更便宜的特点。所以，在选择放大电路上可以优先选用集成运算放大器的电路，其中，运算放大器的输入级都采用差分放大电路。在现有放大器芯片商品中，LM358型号的芯片在市场上比较常见，价格也比较稳定。所以，本设计选用LM358型号的芯片，见图5-3。LM358型号的芯片作为双运算放大器，内部含有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适用于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。图5-3LM358型号芯片5.3.4A/D转换器A/D转换器是将模拟量转换成数字量的器件，其中模拟量是在实际的检测和控制系统中检测到的连续变化的物理量，可以是电压、电流等信号，也可以是声、光、压力、温度、湿度等随时间连续变化的非电物理量，与之对应的电信号就是模拟电信号。模拟量首先要输入到单片机中进行处理，要经过 模拟量到数字量的转换，单片机或PLC才能接受和处理。因为双积分型A/D转换器具有转换精度高、廉价、抗干扰能力强等要求，所以，本设计选用双积分型A/D转换器。双积分型A/D转换器一般由积分器、比较器、逻辑控制电路、闸门电路、计算器及时钟脉冲源等电路组成。常用的双积分型A/D转换器有MC14433、ILC1706、AD7555等芯片。而ICL7107/IC7106是应用非常广泛的集成电路。它包含31/2位数字A/D转换器，可直接驱动LED数码管，内部设有参考电压、独立模拟开关、逻辑控制、显示驱动、自动调零功能等。所以，本设计选用ICL7106。由ICL7106组成的数字电压表电路图，见图5-4图5-4数字电压表电路图5.3.5用电阻应变片组成的称量电路原理图用电阻应变片组成的称量电路原理图见图5-5图5-5电阻应变片组成的称量电路原理图5.4称斗和开斗机构5.4.1称斗与开斗装置的选择在间歇式称重中，称斗与开斗装置一般是组合在一起的，常用的开斗排料方式有控制式和非控制式两类。见表5-2表5-2称斗和开斗装置方式及其特点方式特点适用范围控制式在每次开斗排料后，根据称斗内残留物料的增减，通过重新修正量值进行计量；或直接控制称斗的排料量来确定所称物重。需进行二次称量，需设计比较繁杂的调整控制系统适用于吸潮性、粘结性强、流动性差的物料非控制式将称斗底部活门打开，利用物料自重自动排除称斗适用于流动性较好的散粒体物料因为计量、充填的物料是散粒均匀且流动性好的，所以称斗和开斗装置应选用非控制式开斗排料方式，设计结果见图5-6。图5-5非控制式开斗排料方式其中控制开斗的步进电机选用成都金士利自动化技术的金士利直线步进电机。5.4.2开斗电路原理图本设计的开斗电路原理图见图5-6图5-6开斗电路原理图6计量充填机械控制系统设计6.1计量充填机械控制系统方案图计量填充机械控制系统方案图见图6-1图6-1控制系统方案图6.2计量填充机械控制系统电路原理图计量填充机械控制系统电路原理图见附图共15张的第15张。7计量充填机械组装计量充填机械的组装图见图7-1图7