机械专业课程设计-液体自动灌装机.doc

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1、辽宁工业大学专 业 课 程 设 计 说 明 书题目： 液 体 灌 装 机 学院（系）：机械工程与自动化学院 专业班级： 学 号： 学生姓名： 起止时间： 2011.12.122012.1.8 专业课程设计任务书院（系）： 机械工程与自动化学院 教研室： 机电教研室学 号学生姓名专业（班级）1设计题目液体自动灌装机技术参数与要求技术参数：1. 电压：220v/380v2. 灌装速度：4050瓶/分3. 灌装范围：2005000ml4. 重量：100kg要 求：自动灌装工作量1. 机械装配图一张，1#；2. 控制电路图一张，4#；3. 程序流程图一张，4#；4. 设计计算说明书一份工作计划1. 查

2、阅资料，方案讨论 6天2. 方案确定 1天3. 设计计算 4天4. 绘制机械装配图 5天5. 控制系统设计，绘制电路图 3天6. 软件设计，绘制程序流程图 3天7. 整理设计说明书 1天8. 答辩 1天成绩评定及评语图面(45)说明书(25)答辩(10)平时(20)总分 成绩： 指导教师签字： 学生签字： 年 月 日目 录一、设计任务与总体方案确定31.设计任务32.课题内容简介与设计要求31）课题内容简介32）设计要求3二、总体方案设计思路3三、机械系统结构的设计41、机械本体的结构设计42、传动方式的结构设计4（1）齿轮的设计与计算4（2）齿轮设计的校核4四、控制系统硬件设计41、步进电机

3、控制41）步进电机启动力矩的计算42）步进电机的最高工作频率42、LED显示屏及键盘及警报LCD43、传感器4五、控制系统软件设计41、流程图42、硬件电路图43、控制程序4六、总结4七、参考文献4 第一章 绪论1.1 我国液体灌装机的现状灌装机主要是包装机中的一小类产品,从对物料的包装角度可分为液体灌装机,膏体灌装机,粉剂灌装机,颗粒灌装机;从生产的自动化程度来讲分为半自动灌装机和全自动灌装生产线.灌装分类按包装物类别主要有三大类：袋、软管和瓶，灌装机的选用与包装物有密切关系。我国液体灌装机要满足包装行业快速发展的，并积极参与国际竞争，就必须打破“小而散”的行业态势，在“高精尖”的方向上不断

4、前进。业内人士认为，未来液体灌装机将配合产业自动化趋势，在技术发展上朝着机械功能多元化，结构设计标准化、模组化，控制智能化，结构高精度化等几个方向发展液体。因此灌装机的发展为食品、药品的现代化加工和大批量生产提供了必要的保证。1.2 选做液体灌装机的意义随着我国酒业的快速发展,啤酒、葡萄酒、黄酒、白酒等酒类产量持续增长，我国饮料酒(不含果露酒、发酵酒精)总产量已达2878万千升,同比增长8.2%。有关专家指出，我国饮料行业是高成长性的行业，成熟饮品增长稳定，新的热点和增长点不断涌现，新兴饮品的增长更快。同时，中国包装机械已发展成世界液态食品行业中有重大影响和极大市场占有率行业。因此，液体灌装机

5、市场发展潜力巨大。 第二章 总体方案的设计2.1 设计任务饮料灌装机的设计2.2 课题内容简介与设计要求1）课题内容简介该灌装设备利用单片机系统控制，达到自动控制饮料灌装过程的要求，但相对于目前市场上的复杂系统而言，该灌装设备自动化程度还有待完善，仅适合于小型企业进行投资使用。2）设计要求（1）系统通过开关设定为自动操作模式，一旦启动，则传送带的驱动电机启动并一直保持到停止开关动作或罐装设备下的传感器检测到一个瓶子时停止。（2）当瓶子定位在罐装设备下时，停顿1秒，罐装设备开始下移，到达指定位置。（3）罐装过程为5秒钟，罐装过程应有报警显示，5秒后停止并不再显示报警。（4）停顿一秒后，灌装头升起

6、。（5）然后，传送带驱动电机必须自动启动，并保持到又检测到一个瓶子或停止开关动作。2.3 总体方案设计思路根据课题要求，该灌装设备是针对小型企业生产灌装饮料的单片机控制，自动化运作系统。作为自动化设备，其机械结构，电路硬件设备和软件控制程序必须相对可靠，在系统运作过程中能够对于一般的意外情况作出相应的防护措施。并且在系统维护方面能够相对容易的找到失效点，及时得到修复。故其机械机构底座采用铸铁铸造，考虑到有一定的精确性和罐装的为液体，所以用丝杠螺母带动喷头上下移动；灌装机构的储料桶应密闭，防止细菌等有害物质进入影响产品质量，利用活塞压缩运动使储料达到罐装的目的。其控制系统硬件采用单片机控制，联接

7、三个按钮，分别为启动、停止和复位。联接一个LCD作为灌装报警指示牌，一块4位LED数码显示屏用于记录灌装数量。另外利用8155H扩展I/O接口联接一个步进电机，使传送带达到即行即停的效果，为灌装设备提供准确的灌装位置，以便达到自动化设备的要求。第三章 机械系统结构的设计与计算3.1 机械本体的结构设计用电动机带动丝杠，实现直线导轨上的喷嘴上下运动。其下方设置一条滚动的带传动设备，使饮料瓶能随皮带自动到达灌装口。图 13.2 运动与动力参数的设计计算移动部件上下移动的距离为100mm，应快速达到，时间为1s。选丝杠的公称直径为d0=20mm。估算移动部件的总重量为100G。3.2.1 电机的选择

8、1） 步进电动机转轴上的总转动惯量的计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量是进给伺服系统的主要参数之一，它对选择电动机具有主要意义。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。的具体计算方法如下计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 已知：滚珠丝杠的公称直径=20mm，总长l=480mm，导程=5mm，材料密度=7.85；移动部件总重力G= 100N。算得各个零部件的转动惯量如下：滚珠丝杠的转动惯量=0.6kg.；滑块折算到丝杠上的转动惯量=0.398 kg.。初选步进电动机的型号为75BC380A，为三相反应式，步矩角为，查得该型号步进电机转子的转动惯量=

9、0.2 kg.。则加在步进电机转轴上的总转动惯量为=+=1.198kg.3.2.2 等效负载转矩的计算步进电动机转轴所承受的负载转矩在不同工况下是不同的。通常考虑两种情况：一种情况是快速上升，另一种是快速下降。显然快速上升时，负载转矩较大。快速上升时电动机转轴所承受的负载转矩 （2-1）式中快速上升时折算到电动机转轴上的最大加速转矩，单位为N.m；移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩，单位为N.m；滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩，单位为N.m。具体计算过程如下：快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩： （22）式中步进电动机转轴上的总转动惯量，单位为.kg.；电动

10、机转轴的角加速度，单位为rad/；电动机的转速，单位为r/min；电动机加速所用时间，单位为s，一般在0.31S之间选取。其中： （2-3）式中 空载最快移动速度，本机器为6000mm/min 步进电动机步矩角，预选电动机为； 脉冲当量，脉冲当量=0.01mm。将以上各值代入式（2-2），算得=2500r/min。设步进电动机由静止到加速到转速所需要时间=0.4s，传动链总效率=0.7。则可求得：0.196N.m移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩： （2-4）式中导轨的摩擦力，单位为N；滚珠丝杠导程，单位为m；传动链总效率，一般取=0.70.85； （2-5）式中导轨的摩擦因数（滑动导

11、轨取0.150.18，滚动导轨取0.0030.005）取0.15；垂直方向的工作负载，车削时为，立铣时为单位为N， =0；G 运动部件的总重力，单位为N 。本设备G=100N。将以上各值代入（2-4）式，算得32N由式（2-3）可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：=0.0318N.m 滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩： （2-6）式中滚珠丝杠的预紧力，一般取滚珠丝杠工作载荷的1/3，单位为N； 滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取0.9由于滚珠丝杠副的传动效率很高，所以由式（2-6）算出的值很小，在式（2-3）中与和比起来，通常可以忽略不计。最后由式（2-5），求

12、得快速起动时电动机转轴所承受的负载转矩： =0.196+0.0318=0.2278N.m 经过上述计算后，可知加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为： =0.2278 N.m （2-7）3.2.3 步进电机的初选将上述计算所得的乘上一个K，用K的值来初选步进电机的最大静转矩，其中的系数K称做安全系数。因为在工厂应用中，当电网电压降低时，步进电动机的输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。所以，在选择步进电动机最大静转矩的时候，需要考虑安全系数K，对于开环控制，一般应在2.54之间选取。区安全系数K=4，则步进电机最大静转矩4=40.2278=0.9112N.m上述初选的步进电动机型号75B

13、C380A，该型号电动机的最大静转矩=0.98N.m。可见，满足（2-7）3.3滚珠丝杆副的计算3.3.1 最大工作载荷Fm的计算最大工作载荷Fm是指滚珠丝杠副在驱动工作台时所承受的最大轴向力，也叫进给牵引力。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可以看出，丝杠只受进给方向载荷=G=100N。KFK为颠覆力矩影响系数；这里k取1.15=1.15100=115N3.3.2 最大动载荷的计算最大动载荷的计算公式如下： 式中 滚珠丝杆副的寿命，单位为 。=60n/（其中T 为使用寿命，一般电机设备 T=15000h; n为丝杠每分钟 转数）； 载荷

14、系数。 硬度系数（58HRC时，取1.0；等于55HRC时，取1.11； 等于52.5HRC时，取1.35；等于50HRC时，取1.56；等 于45HRC时，取2.40）； 滚珠丝杆副的最大载荷，单位为N。 3.3.3 额定动载荷的校核 滚珠丝杠的型号为FF2005，其额定动载荷为=10kN,远大于。满足要求 3.3.4 刚度的演算 滚珠丝杠副的轴向变形将引起丝杠导程发生变化，从而影响定位精度和运动的平稳性。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。（1） 丝杠的拉伸或压缩变形量 在总变形量中占的比重较大，可按下列计算： = 式中 丝杠的最大工作载荷，单位为N； 丝

15、杠两端支撑间的距离，单位为mm； E 丝杆的材料弹性模量，钢的E=2.1M S 丝杠按底径确定的截面积，单位为； M 转矩，单位为； I 丝杠按底径确定的截面惯性矩，单位为。 其中，“+”号用于拉伸，“”用于压缩。由于转矩M一般较小，式中第2 项在 计算时可忽略。 = 0.01314滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 可从产品型号中查出，或由下 式中 滚珠直径，单位为mm； 滚珠总数量，=Z圈数列数； Z 单圈滚珠数，Z=/； 预紧力，单位为N。 当滚珠丝杠副有预紧力，且预紧力达轴向工作载荷的1/3时，值可减小一半左右。 3.3.5 刚度验算 丝杠的总变形量=+。一般总变形量不应大于机床规定的定位精

16、度一般；本产品精度不大。所以此丝杠足够用。34 联轴器的选择联轴器的选用，首先按工作条件选择合适的类型，然后再根据转矩、轴径及转速查有关手册选择尺寸（即型号）。3.4.1 类型选择由于在工作过程中，震动和冲击比较小，不需要缓冲和吸震。所以不需要补偿。根据有无补偿相对位移的能力，联轴器可分为刚性联轴器和弹性联轴器。刚性联轴器结构简单，制造容易、承载能力大，成本低，适用于载荷平稳、转速稳定、两轴对中良好的场合。 刚性联轴器中应用最广的是凸缘联轴器，如图14.1.3所示。它由两个带有凸缘的半联轴器用螺栓联接而成，图14.1.3a采用两半联轴器凸缘肩和凹槽对中，依靠两半联轴器接触面间的摩擦力传递转矩，

17、两半联轴器用普通螺栓联接。图14.1.3b采用铰制孔对中，直接利用螺栓与螺栓孔壁之间的挤压传递转距。凸缘联轴器使用方便，能传递较大转距，安装时对中性要求高，主要用于刚性较好、转速较低、载荷平稳的场合，适用于该产品。3.4.2 尺寸的选择尺寸的选择，即是确定联轴器的型号。根据所传递的转矩、轴的直径和转速，从联轴器标准中选取，选择的型号：NL2 1) 计算转矩Tc应小于所选联轴器的许用转矩T；即TcT（N.m）=0.2278 T=0.92 满足要求2) 转速n应小于所选联轴器的许用转速n；即nn（r/min） n=6000（r/min） n=6000 （r/min） 满足要求3) 轴的直径d应在所

18、选联轴器允许的孔径范围内。即 dminddmax（mm） 式中：T（N.m）为许用最大转矩；n（r/min）为许用最高转速，T与n由机械设计手册或有关标准中查得。考虑到机器启动和制动时的惯性力以及工作过程中过载等不利因素的影响，选择型号时所用的计算转矩为Tc=KT 其中：K工作情况系数，见表3.4.1； T理论工作转矩(N.m) 。理论工作转矩按下式计算 =9.55=0.2238 式中P为联轴器传动的功率，单位kW。表3.4.1 工作情况系数K工作机名称原动机为电动机原动机为活塞式内燃机电 动 机离心水泵鼓风机带式或链式运输机往复式工作机金属切削机床吊车升降机1.02.02.03.01.252

19、.01.52.02.53.51.253.53.05.01.52.53.05.02.253.5-4.0-注：1.刚性联轴器、无弹性元件挠性联轴器选用较大K值；有弹性元件的挠性联轴器选用较小K值。2.嵌合式离合器K=23；摩擦式离合器K=1.21.5。3.被带动的转动惯量小，载荷平稳K取较小值。3.5滚动轴承的选择由于滚动轴承多为已标准化的外购件，因而，在机械设计中，设计滚动轴承部件时，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出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滚动轴承的选择包括：合理选择轴承的类型、尺寸系列、内径以及诸如

20、公差等级、特殊结构等。3.5.1类型选择选用滚动轴承时，首先是选择滚动轴承的类型。选择轴承的类型，应考虑轴承的工作条件、各类轴承的特点、价格等因素。和一般的零件设计一样，轴承类型选择的方案也不是唯一的，可以有多种选择方案，选择时，应首先提出多种可行方案，经深入分析比较后，再决定选用一种较优的轴承类型。一般，选择滚动轴承时应考虑的问题主要有：1、轴承所受载荷的大小、方向和性质。这是选择轴承类型的主要依据。(1)载荷的大小与性质通常，由于球轴承主要元件间的接触是点接触，适合于中小载荷及载荷波动较小的场合工作；滚子轴承主要元件间的接触是线接触，宜用于承受较大的载荷；(2)载荷方向若轴承承受纯轴向载荷

21、，一般选用推力轴承；若所承受的纯轴向载荷较小，可选用推力球轴承；若所承受的纯轴向载荷较大，可选用推力滚子轴承；若轴承承受纯径向载荷， 一般选用深沟球轴承、圆柱滚子轴承或滚针轴承；当轴承在承受径向载荷的同时，还承受不大的轴向载荷时，可选用深沟球轴承或接触角不大的角接触球轴承或圆锥滚子轴承，当轴向载荷较大时，可选用接触角较大的角接触球轴承或圆锥滚子轴承，或者选用向心轴承和推力轴承组合在一起的结构，分别承担径向载荷和轴向载荷。2、轴承的转速通常，转速较高，载荷较小或要求旋转精度较高时，宜选用球轴承；转速较低，载荷较大或有冲击载荷时，宜选用滚子轴承。 推力轴承的极限转速很低。工作转速较高时，若轴向载荷

22、不很大，可采用角接触球轴承承受轴向载荷。3.5.2 尺寸系列、内径等的选择尺寸系列包括直径系列和宽（高）度系列。选择轴承的尺寸系列时，主要考虑轴承承受载荷的大小，此外，也要考虑结构的要求。就直径系列而言，载荷很小时，一般可以选择超轻或特轻系列；载荷很大时，可考虑选择重系列；一般情况下，可先选用轻系列或中系列，待校核后再根据具体情况进行调整。对于宽度系，一般情况下可选用正常系列，若结构上有特殊要求时，可根据具体情况选用其它系列。 轴承内径的大小与轴颈直径有关，一般可根据轴颈直径初步确定。公差等级，若无特殊要求，一般选用0级，若有特殊要求，可根据具体情况选用不同的公差等级。综上所述，由于主要受轴向

23、力，所以选择圆锥滚子轴承，已知轴径为20mm，所以初选轴承GB/T2971994圆锥滚子轴承30000型23系列，其主要参数：内径： d=14mm外径： D=47mm宽： B=20mm极限转速： 8400r/min基本额定负荷： C =41.2kN =29.5kN轴承的寿命： 设轴承的转速： n=6000r/min =3当量动载荷： 设轴承承受的径向载荷为： =0N轴承承受的轴向载荷为： =115N所以轴承的寿命为： = 寿命足够了 第四章 控制系统的设计 4.1 控制系统的选择首先PLC是电子产品，在用户看来用户不必关心其内部实现，而只需自己关心自己的问题编程。其实质是一个计算机产品，其实现

24、有很多是单片机实现的，也有用嵌入系统实现的。PLC内部的单片机或者嵌入系统要求比较高而已，满足较为苛刻的环境要求而已，特别是抗干扰能力上和元器件选择上，都比一般的单片机设计要求高。对单片机系统抱如此不信任的态度不是因为单片机不行，而是单片机的设计要求考虑的问题和对待问题所要采用的措施相当复杂，不是随便的一个电子工程师就能搞定的，国内企业为了降低所谓的成本，在80年代大量采用的单片机系统，但由于设计人员的经验问题，往往经常死机或者非常不可靠，这大大加深了大家的怀疑，这和单片机技术本身没有关系。总体来说，优秀的单片机或者嵌入系统的设计工程师，可以设计出可靠性达到甚至超过PLC的控制系统，这是因为PLC是大批量的产品，必须考虑批量成本，而某些专业的系统对成本不那么敏感。PLC系统适合小批量，控制逻辑或者工艺需要经常改动的系统，比如大家常说的工程项目，在这样的系统下能够达到最佳的性能价格比。基于自动灌装机的控制只需要完成控制步进电动机的转动，由于完成的功能不是很多，并且要降低成本，所以选择8051单片机作为控制系统的处理芯片。六、总结通过这次课程设计，我学会了如何查阅现有的技术资料、如何举一反三、如何通过改进并加入自己的想法与观点，使之成为自己的东西。并且结合生产知识，培养理论联系实际以及分析和解决工程实际问题的才能，并使大学三年所学的知识得到进一步巩固、深化和扩展。七、参考文献