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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75BC380A，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=11
