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1、西南大学工程技术学院机电一体化课程设计饮料灌装生产流水线的控制设计学院： 班级： 姓名： 学号： 指导老师： 日期： 目 录一、设计任务和总体方案确定31.设计任务32.课题内容简介和设计要求31）课题内容简介32）设计要求3二、总体方案设计思路4三、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5（1）齿轮的设计和计算5（2）齿轮设计的校核6四、控制系统硬件设计81、步进电机控制81）步进电机启动力矩的计算82）步进电机的最高工作频率92、LED显示屏及键盘及警报LCD103、传感器10五、控制系统软件设计111、流程图112、硬件电路图123、控制程序13六、总结23七
2、、参考文献23一、设计任务和总体方案确定1.设计任务饮料灌装生产流水线的控制设计2.课题内容简介和设计要求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）瓶子装满饮料后，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。（3）当瓶子定位在罐装设备下时，停顿1秒，罐装设备开始工作，罐装过程为5秒钟，罐装
3、过程应有报警显示，5秒后停止并不再显示报警。（4）一旦系统启动，记录罐装瓶数，设最多不超过9999瓶。（5）可以手动对计数值清零（复位）。二、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，并利用齿轮传动结构使传送带转动；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
4、单片机控制，联接三个按钮，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。三、机械系统结构的设计1、机械本体的结构设计该灌装设备仅提供于小型企业生产作业，故只在一台灌装设备上设计一个灌装口，其下方设置一条滚动的皮带传动设备，使饮料瓶能随皮带自动到达灌装口。2、传动方式的结构设计经过对机械传动的力学和运动分析，该灌装设备对于皮带轮和步进电机之间的传动方式选用圆柱直齿轮，起到减速和增大力矩的效果。同时由于灌装设备体
5、积较小，对于步进电机的减速要求并不是很高，故采用一级减速。经计算和校核采用如下材料和减速比。齿轮材料：45钢；i=3:1、（1）齿轮的设计和计算取系统整个过程中所以得到 1、选择齿轮材料和热处理方法，确定齿轮的疲劳极限由于齿轮尺寸较小，故参考机械设计表8-1，拟大小齿轮均选用20CrMnTi，渗碳淬火，查出齿轮的疲劳极限，确定许用应力为2、初定齿轮主要参数按齿面接触强度估算齿轮中心距其中，齿数比。小齿轮齿数，参考机械设计表8-7选取，得。按标准齿轮，查机械设计图8-24得。考虑载荷有轻微冲击，轴承非对称布置，初取载荷因数。齿宽因数。将齿宽因数转换为， 取。故许用接触应力小齿轮传递名义转矩 因为
6、，所以应以小齿轮参数代入弯曲强度设计公式。按公式计算模数取标准模数 满足接触强度要求的中心距齿轮分度圆直径,计算圆周速度，选择齿轮精度等级： 圆周速度参考机械设计表8-2及表8-3，可选8级精度。（2）齿轮设计的校核1.校核齿面接触疲劳强度由机械设计式（8-6）和式（8-10）齿面接触应力 接触强度安全因数 查资料得相关因数代入式子得 按一般可靠度要求，选用，可见两轮的计算安全因数均大于，接触强度安全。2 .齿轮尺寸该对齿轮尺寸如下：3.绘制齿轮的零件工作图样根据总体布置要求及传动箱总图，两齿轮的工作图样如下：大齿轮图小齿轮图3、饮料灌装的结构设计该灌装设备，是将饮料储存于一密闭储料桶内，故要
7、将其传送到灌装口需要一定的压力，介于这种情况，采用活塞和电磁阀配合使得饮料能在一个限定的时间内完成灌装。具体工作过程如下：1、电磁阀1得电，灌装口下移。2、电磁阀2得电，活塞上移进行灌装。3、电磁阀2失电，活塞下移储料罐重新装满。4、电磁阀1失电，灌装口上移。灌装结构示意图四、控制系统硬件设计1、步进电机控制1）步进电机启动力矩的计算设步进电机的等效负载力矩为,负载力为,根据能量守恒原理，电机所做的功和电机所做的功有如下关系： 式中为电机转角，为移动部件相应的位移，为机械传动效率。若取，则，且。所以：式中： 为移动部件负载，为移动部件质量，为重力方向一致的作用在移动部件上的负载力，为皮带轮的摩
8、擦系数，为步进电机的步距角，为电机轴负载力矩。取（皮带轮和皮带之间的摩擦系数），。考虑到重力影响，向电机负载较大，因此,所以有：考虑到启动时运动部件惯性的影响，则启动转矩：取系数为，则：对于工作方式为三相六拍的步进电机：2）步进电机的最高工作频率为使电机不产生失步空载启动频率要大于最高运行频率，同时电机最大静转矩要足够大，查表选择型三相磁阻式步进电机。电机有关参数如下：型号主要技术参数相数步距角电压相电流最大静转矩空载启动频率空在运行频率分配方式36BF00331.5271.50.0783100三相六拍外形尺寸重量转子转动惯量外直径长度轴直径36430.222、LED显示屏及键盘及警报LCD
9、3、传感器五、控制系统软件设计1、流程图 START初始化（置堆栈、工作寄存器清零、开中断）步进电机启动判断按下的是哪个按键判断有无按键按下灌装结束，步进电机启动报警灯开，计数器加1，LED显示延时5秒步进电机停（延时1秒）开始灌装无 有 停止 启动 检测到瓶子 主程序流程2、硬件电路图3、控制程序LED EQU 7FFFH; 定义LED选通入口CMD8155 EQU 0FFFBH; 定义8155选通入口PA8155 EQU 0FFFCH; 定义PA口PB8155 EQU 0FFFDH; 定义PB口PC8155 EQU 0FFFEH; 定义PC口KEYSIGN EQU 05HKEYCS EQU
10、 0C00CH WCOMADDR EQU 0C008H WDATADDR EQU 0C009H RCOMADDR EQU 0C00AH DIWEI EQU 30H GAOWEI EQU 31HORG 0000H; 程序入口地址LJMP START; 调用初始化ORG 0003H; 中断入口地址LJMP INT0; 调用中断ORG 0010H;LJMP INT1START: MOV SP, #60H; 置堆栈指针SETB IT0; 置边沿触发方式MOV IP, #01H; 置高优先级MOV IE, #81H; 开中断SETB IT1; 置边沿触发方式MOV IP, #04H; 置高优先级MOV
11、IE,#81H; 开中断LJMP MAIN; 转主程序XRAM_INIT:MOV SFRPAGE, #0FH;外部数据存储器接口初始化MOV EMI0CF, #00000111B MOV SFRPAGE, #00H RETINT0_INIT:MOV IT01CF,#01100101B ;选择P0.5为INT0,P0.6为INT1 SETB IT0 SETB EX0 SETB EA RETIT0P_INIT:MOV TMOD,#00H ;定时器中断初始化 MOV DIWEI, #0CHMOV GAOWEI, #0F0H MOV TL0, DIWEI MOV TH0, GAOWEISETB TR0
12、SETB ET0SETB EARETPCA_INIT:MOV PCA0CN, #01000000B ;Watchdog初始化MOV PCA0MD,#00000000B RETCHKBF:PUSH ACC;检测bf标志子程序 MOV DPTR, #RCOMADDRCHKBF0: MOVX A,DPTR JB ACC.7, CHKBF0 POP ACCRETORG 0100H; 中断服务程序首地址INT0: PUSH PSW ;INT0中断服务程序PUSH ACCPUSH DPHPUSH DPLSETB KEYSIGNMOV DPTR, #KEYCS MOVX A,DPTR ;读键值ANL A, #0FHMOV R1,APOP DPLPOP DPHPOP ACCPOP PSWRETIIT0P:PUSH PSW ;定时器中断服务程序PUSH ACCPUSH DPHPUSH DPLMOV TL0, DIWEIMOV TH0, GA
