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机电工程学院毕业设计方案论证报告设计题目:JD1255食品摆放装置及控制系统设计学生姓名：学号：专业班级：指导教师：2012年3月16日目录1.任务内容和要求................................12.任务书分析....................................23.总体方案设计与选择............................33.1总体方案论证....................................33.2本方案设计.......................................53.3电动机的选择....................................63.4传送装置的选择...................................73.5机架的设计.......................................83.6控制系统.........................................93.7执行系统........................................113.8光电开关........................................113.9润滑与防护......................................134.论证方案总结.................................145.设计任务时间安排.............................15参考文献........................................1611.任务内容和要求本课题主要完成JD1255食品摆放装置设计方案选择、结构设计、零件设计及控制系统设计。设计系统能够完成下列功能：（1）5行5列的馒头自动摆放；（2）行列间距100毫米；（3）每个位置的运行周期不大于1秒；（4）具有软件位置调整功能；（5）控制方案要求可行；（6）运行稳定可靠，成本经济。22.任务书分析摆放是馒头生产过程中的关键步骤，一要劳动强度小，二要确保产品卫生，三要摆放准确，四要防止馒头变形，等等。此次设计一台馒头自动摆放机，解决由人工完成的摆放操作，降低工人的劳动强度，提高劳动生产率，还要求馒头排放位置准确可靠，不存在累积误差。自动摆放机要求能和各种馒头成型机相配套使用，即排放速度和时间是可调的。由于蒸锅的标准化及题目设计的尺寸要求，托盘可以是500mm*500mm的型式，每行只限摆放5个馒头，相应有5列，且馒头之间的间距均为100mm。此外还要设计一个在馒头成型机和摆放装置之间完成馒头输送的轻型输送带，且能适应于不同的高度的馒头成型机和摆放装置的要求，即要求输送机的高度是可以无级调节的，且要求输送机的角度可调范围为15°～25°。由于食用和卫生方面的要求，所以要求相应设备的清洁卫生，避免污染。33.总体方案设计与选择3.1总体方案论证通过参阅相关文献，网络搜索等途径了解到各式各样的食品摆放设计，目前馒头自动摆放有以下4种形式：第一种是旋转溜管式生面团自动排放机；第二种利用皮带传动和托盘运动实现馒头的摆放；第三种是推板式生面团自动摆放装置；第四种是利用XY工作台式自动摆放装置。方案一旋转溜管式自动排放机这种摆放机的原理是利用馒头的自重，通过一个间歇旋转导向器，将面坯导入固定的定位装置中，从而实现自动排列动作，其基本形式如图1所示。图1旋转溜管式自动排放机原理示意图4该机主要由导向器、固定定位装置和主传动机构三部分构成。当馒头成型后，通过传送带提升送入导向器的落料口，导向器是灵活旋转的滚道，一是控制馒头滚动下落，二是准确实现某个角度的转动，确保出口与定位装置上平面圆周分布的孔相对接。固定的定位装置作用则是将面坯实现位置转变，达到摆放功能。排列后的面坯落入托盘或输送带上，向前运行进入后一工序。方案二利用皮带传动和托盘运动实现馒头的摆放该摆放设备由皮带传动机构，托盘输送机构，控制系统和机架组成。其动作示意图如图2所示。图2皮带传动动作示意图工作原理：皮带传动机构的主运动是皮带传动，由调速电机驱动，使其匀速运动，辅助运动是皮带末端部的滑块在电机的驱动下，实现皮带出口端作直线间歇运动。输送带在驱动装置作用下朝着一个方向匀速运动，出口端则由一个活动刀口支撑使皮带作伸缩动作，每个面坯在预定的位置落到盘中后，每个位置上的光电开关都会给控制器发出信号，当面坯的初始位置落到托盘中时，皮带输送机构即完成了第一排5个面坯的摆放。然后托盘前进100mm后停止，皮带传动机构又重复上述摆放动作和过程，摆放第二排面坯，如此循环，进行间歇式摆放连续化作业。方案三推板式自动摆放机将成型后的面坯由输送带按一定间距输送到摆放机上，摆放机上部设有一旋转的拨板盘，拨盘的旋转方向与输送带运动方向相垂直，每当输送带上通过一定数量的馒头时，拨盘运动一次，将一定数量的馒头拨入输送带下设的定位器中，利用馒头的自然落差和出料口的布置，使馒头按一定间隙整齐地排列在托盘或主5输送带上，进入下一道工序。拨盘拨下的馒头数量是根据生产线上的产量来设定，为了使拨盘动作与输送带速度完全同步，两者必须用一个传动系统来连接。方案四XY工作台式自动摆放机将成型的馒头坯由传送带等间距输送至XY工作台上，工作台由PLC和伺服系统控制，其动作示意图如图3所示。当第一个馒头落在托盘上时，工作台带动托盘向X方向运动，当X方向的馒头摆满后，托盘向Y方向运动100mm后停止，X方向开始运动，重复上述运动，直至馒头摆满整个托盘，然后迅速顶出托盘至传送带上，进入下一道工序。图3XY工作台式摆放装置示意图3.2本方案设计如前所述，上述四个方案过于复杂，且自动化程度低，很容易使馒头变形，结合方案二与方案三，将两个方案相结合，确定了本次设计的最终方案，其运动示意图如图4所示。将馒头成型机成型的生面坯等间距输送到传送带上，传送带前段安装一个光电开关，当第一个馒头运动到光电开关所处位置时，光电开关将信号传输给单片机，单片机控制气缸推动推板将5个馒头推送至与第一条传送带垂直放置的第二条传送带上，此传送带由步进电动机和单片机控制，其运动模式为100mm，100mm，100mm，100mm，200mm，100mm……如此往复。当推板推下5列馒头即摆满一托盘后，开始下一托盘的摆放。6图4推板式皮带传送装置运动示意图3.3电动机的选择步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制步进电机件，在不超载的情况下，电动机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲个数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一固定角度，称“步距角”，它的旋转是以固定的角度运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而准确定位，同时可以通过控制脉冲频率来控制电动机转速和加速度，从而高速转动。伺服电机又称执行电机，在自动控制系统中用作执行元件，把接收的电信号转换成电机轴上的角位移或角速度输出。伺服电机内部转子是永磁铁，驱动器控制的UVW三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器把信号反馈给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。编码器的精度（线数）决定伺服电机的精度，它每旋转一个角度都会发出相应数量的脉冲，这样伺服驱动器和伺服电机编码器的脉冲形成了呼应，所以它是闭环控制，而步进电机是开环控制。步进电机和伺服电机的区别在于：1、控制精度不同，步进电机的相数和拍数越多，它的精确度就越高，伺服电机取块于自带的编码器，编码器刻度越多，精度就越高；2、控制方式不同，一个是开环控制，一个是闭环控制；3、低频特性不同，步进电机在低速时易出现低频振动现象，在低速时一般采用阻尼技术7或细分技术来克服低频振动，伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可补偿机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点便于系统的调整；4、矩频特性不同，步进电机的输出力矩会随转速升高而下降，而交流伺服电机为恒力矩输出；5、过载能力不同，步进电机一般没有有过载能力，而交流伺服电机具有较强的过载能力；6、运行性能不同，步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易丢步或堵转，停止时转速过高易出现过冲现象，而交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈的信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲，控制性能更为可靠；7、速度响应性能不同，步进电机从静止加速到工作转速需上百毫秒，而交流伺服系统的加速性能较好，一般只需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机，此次馒头摆放装置设计要求低速运转平稳，恒力矩输出，控制性能可靠，可快速响应，防尘性能好，综上所述，在本方案中选择使用伺服电机。3.4传送装置的选择在加工工业中，存在着大量固体和流体物料的输送问题，为了提高劳动生产率和降低劳动强度，需要采用各种各样的输送设备来完成物料的输送。输送系统的选择关系到工厂的总体布置和结构形式，而生产工艺过程又决定了输送系统的合理选择。在考虑生产工艺过程时，应当把工作机构和输送系统设备有机结合起来。查询资料知带式输送机可输送物料有粉粒体、块状、成形物、麻袋等，其形式有固定式和移动式两种，既可水平输送，又可倾斜输送（如图4），其特点为：输送量大，动力消耗少，运转连续，工作平稳，输送距离大。图4水平式和倾斜式输送机8带式输送机原理图如图5，由绕在两个鼓轮上的封闭环形组成的运输系统，两鼓轮一个为主动轮，一个为从动轮，主动轮靠摩擦力带动环形带运转，环形带再靠摩擦力带动上面的物料，达到运输的目的。图5带式输送机原理橡胶带是由若干层纤维帆布作为带芯，层与层之间用橡胶加以粘合而成的，其上下两面和左右两侧还附有橡胶保护层。帆布带芯是交代承受拉力的主要部分，而橡胶保护层的主要作用是防止磨损及腐蚀，一般采用多层的橡胶带，有轻型、普通型、强力型、耐热型等多种类型，其中轻型主要用于农产品、粉末、包装物品。因此此次设计使用轻型橡胶带式输送机。3.5机架的设计机架设计准则：机架的设计主要应保证刚度、强度及稳定性．（１）刚度评定大多数机架工作能力的主要准则是刚度。在机床中刚度决定着机床生产效率和产品精度；在齿轮减速器中，箱体的刚度决定了齿轮的啮合情况及其工作性能；薄板轧机的机架刚度直接影响钢板的质量和精度。（２）强度强度是评定重载机架工作性能的基本准则。机架的强度应根据机器在运转过程中可能发生最大载荷或安全装置所能传递的最大载荷来校核其静强度，此外还要校核其疲劳强度。机架的强度和刚度都需要从静态和动态两方面来考虑。动刚度是衡量机架抗震能力的指标，而提高机架抗振能力应从提高机架构件的静刚9度、控制固有频率、加大阻尼等方面考虑。（３）稳定性机架受压结构及受压弯结构都存在失稳问题。有些构件制成薄壁式也存在局部失稳的问题。稳定性是保证机架正常工作的基本条件，必须加以校核。对于机床、仪器等精密机械还应考虑热变形，热变形将直接影响机架原有精度，从而使产品精度下降。此处馒头摆放装置的设计由于温度低，精度要求低，可暂不考虑热变形。本次机架设计应满足以下基本条件：1.在满足强度和刚度的前提下，机架的重量应要求轻、成本低；2.抗振性好；3.噪声小，造型好；4.结构设计合理，工艺性良好，便于铸造、焊接和机械加工；5.导轨面受力合理、耐磨性良好。综合上述分析，机架选用铸铁焊接而成。由于铸铁的铸造性能好、价廉和吸振能力强，所以应用最广。铸铁流动性好，体收缩和线收缩小，容易获得形状复杂的铸件。铸铁的内摩擦大、阻尼作用强，故动态刚性好，另外还有切削性能好、价格便宜和易于大量生产等优点。焊接机架具有制造周期短、重量轻和成本低等优点，故在机器制造业中，焊接机架日益增多。此外铸铁机架应加以时效处理，时效处理的目的是在不降低铸铁力