一種口罩生產用翻片機的結構計算設計中文摘要本設計的想法初衷，是為了解決社會由于新冠疫情的肆虐，導致口罩供不應求的問題，從而設計的一種用于口罩生產的翻片機。該翻片機的主要功能是，等傳送帶將口罩送達托盤上時，由紅外檢測裝置將信號傳輸到PLC，通過PLC自動處理并輸出信號，來分別控制臺面上位于左右兩個步進電機的驅動器和兩個電磁換向閥，從而控制機器完成左右翻片動作，紅外傳感器檢測托盤上有口罩時，氣壓缸向前推送。以此來實現把前端生產的口罩片分別傳送到兩個輸送帶上幫助成最后的生產。為完成該機器設計，我首先對翻片機的結構進行分析，再確定機械結構及電氣控制系統(tǒng)。其中主要對機械結構方案進行說明介紹，確定需要采集的輸入輸出信號，然后對控制器進行預選介紹，本設計主要選用選擇三菱FX3U-32MT單片機為該口罩翻片機的控制核心。之后我對翻片機的機械結構進行分析，對于各組成部分都進行了完整細致的介紹，對需要計算的組件進行了計算并校核。最后是翻片機電氣系統(tǒng)的設計，繪制相應的電氣原理圖，一些電氣元件的選用分析和對整個機器的成本分析。關鍵詞：翻片機；PLC；紅外傳感器；步進電機；電磁換向閥目錄TOC\o"1-2"\h\u19933口罩翻片機的設計 26246中文摘要 226948第一章概述 6271171.1工程背景 6164061.2研究意義 724413第二章翻片機的整體方案設 8239882.1機械的結構方案 8189102.2控制核心PLC的選型 973632.3步進電機的選擇 10141032.4驅動器的選擇 12254762.4電源的分配 1237632.5推送裝置的選擇 1321430第三章口罩翻片機的實體設計 14269233.1設計說明 1448003.2傳動裝置的總體設計 15209533.3口罩承接平臺的設計 18133003.4軸系零件的設計 19303643.5聯軸器的選用 21241093.6爪盤的設計 216543第四章電氣控制系統(tǒng) 23202464.1供電系統(tǒng)原理圖 23321734.2控制系統(tǒng)原理圖 23127554.3紅外感應模塊 253410第五章氣壓系統(tǒng) 27112475.1氣壓推動模塊 28127905.2氣壓缸的工作原理 2823225第六章成本分析 2920121總結 303183參考文獻 317152附錄 33

第一章前言1.1選題的目的可編程程序控制器是近二十幾年發(fā)展起來的一種新型工業(yè)控制器。這些年來微處理器技術、存儲技術的發(fā)展日新月異十分迅速?？删幊坛绦蚩刂破魈攸c為：它的功能更強大,價格更便宜，研發(fā)的微處理器可以針對絕大多數的應用需求。這為可編程序控制器的發(fā)展提供了良好的環(huán)境?？删幊绦蚩刂破骰旧隙疾捎枚郈PU,高性能、高速度和大容量是它所展現的優(yōu)勢。不僅如此，它價格便宜、重量輕、體積小、能耗低,非常適用于生產設備的自動化，因此該翻片機選擇使用PLC控制。PLC技術需要將計算機技術與傳統(tǒng)電氣自動化控制技術相結合，以PC作為上位機，更好地實現電氣自動化?？删幊绦蚩刂破鞯目焖侔l(fā)展，可以幫助人類輕易達成目的，例如邏輯運算、智能計時、精確計數等。它的功能不僅有效地節(jié)省了人力、物力和財力，而且提高了準確性；自動控制減少了人工勞動，提高了生產效率，縮短了生產周期，降低了成本。在庚子年春節(jié)來臨之際﹐新型冠狀病毒疫情如同洪水猛獸，突如其來，并短時間內肆虐全國。短短數周時間，全國感染人數激增，為了有效防控疫情，全國人民對于口罩的需求日益見增加，甚至達到供不應求的境地。在人類發(fā)展的過程中，口罩的生產經歷了人工手動縫制，到分散開來加工，再到無菌環(huán)境全自動化生產線成產的過程，口罩機的結構也變得越來越簡單化、智能化、高產能。為了解決社會的燃眉之急,口罩生產企業(yè)急需一種高效,安全,控制簡單的口罩生產控制系統(tǒng),加速生產滿足市場需求。1.2研究意義通過本次畢業(yè)設計，可以更全面的、更系統(tǒng)的讓我去了解和掌握口罩翻片機基本機械結構和電氣控制系統(tǒng)的相關知識，也能夠讓我大致了解設計一款產品的流程和在設計過程中會遇到哪些問題并如何去解決優(yōu)化。在過程中使我能夠整合梳理大學四年以來所學的專業(yè)知識，讓我更能將書本知識應用于實踐操作，還讓我有了獨立思考問題以及解決問題的機會。不僅僅如此，通過此次獨立撰寫畢業(yè)論文，也能夠培養(yǎng)我的機械思維能力，為今后的工作奠定一定的基礎。第二章翻片機的結構分析2.1機械結構分析在拿到這個畢設課題之后，我便開始查閱各種資料，如：論文，學術期刊，視頻以及口罩生產機器的實物演示，腦海中開始構思我所設計的翻片機的機械結構。萬事開頭難，起初真的是毫無頭緒，不知道如何下手，不知道需要哪些電子元件，怎么能用這些零件拼裝組成我腦海中那個既美觀，又實用，占地面積還小的機器。我所設計的機器需要完成的動作有：口罩生產機器的傳送帶將生產線上的口罩片傳遞到機器的托盤上，托盤上的擋板可以有效限制口罩片的位置，防止飛出。托盤下方裝有紅外傳感器，用于檢測托盤上是否有口罩來進行下一步的運動。當傳感器感應到有物體時，PLC控制核心發(fā)出信號，控制左右電機輪流運行，以此來控制著連接在軸上的翻轉爪進行轉動。左側的翻轉電機逆?zhèn)鹊姆D電時針運行，右機順時針運行，分別將口罩片翻轉到左右倆個口罩支撐板上,此時口罩支撐板下面的傳感器檢測到支撐板上有口罩片，PLC發(fā)出信號控制氣壓缸運行，將口罩片推向口罩生產的下一個生成環(huán)節(jié)。初期的設計平面簡易示意圖，如下圖所示：圖2-1翻片機簡易示意圖2.2輸入信號和輸出信號分析該翻片機由金屬底座，二相步進電機，氣壓缸，擋板，翻轉爪，套筒，傳感器以及軸系組件組成。為了檢測托盤上有無待加工的口罩，在托盤中間開孔，安裝紅外傳感器；當托盤上有待加工件時，由傳感器將信號傳輸至PLC。接著PLC輸出信號控制左右電機的運行，軸帶動翻轉爪將口罩翻轉至左或右承接平臺后，由傳感器采集信號并輸入PLC；PLC輸出信號控制氣壓缸的運行，將口罩推送至下一工作區(qū)域。另外還設置有急停、報警、啟動、停止、復位開關，總計共有個八輸入信號。PLC需要通過驅動器控制電機（方向，使能，脈沖），電磁閥控制氣缸，共八個輸出信號。2.3控制核心PLC的選型表1不同PLC的對比成本控制難易控制精度其他三菱中易上手高編程直觀易懂，易學西門子高難上手高指令抽象，學習難度大根據表1的分析，本設計將在西門子PLC和三菱PLC之間進行選擇。三菱的PLC我選擇的是型號為FX3U-32MT，三菱公司生產的FX系列是增強型PLC，功能齊全，能夠滿足絕大多數客戶的使用要求，速度快，具備更大的資源空間。不僅可以滿足旋轉推片機的使用需求，而且可以節(jié)約成本。實物如圖1所示。圖2-2FX3U-32MTFX3U-32MT三菱PLC采用的是一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、\t"/item/FX3U%E7%B3%BB%E5%88%97%E4%B8%89%E8%8F%B1PLC/_blank"計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。同時該plc共擁有32個輸入輸出口完全能夠極大的滿足翻片機的接口需求。其內置了64K步的\t"/item/FX3U%E7%B3%BB%E5%88%97%E4%B8%89%E8%8F%B1PLC/_blank"RAM內存。此外，可以通過使用存儲器盒，將程序內存變?yōu)閈t"/item/FX3U%E7%B3%BB%E5%88%97%E4%B8%89%E8%8F%B1PLC/_blank"快閃存儲器，這也使得這款PLC有極大的擴展性能。不僅僅如此，三菱的PLC的CPU核心處理速度達到了：0.065us/基本指令。它擁有極快的響應速度，生產效率得到了極大的保障。三菱PLC和西門子PLC的區(qū)別最主要一條就是他們的產品根據東西方人的操作習慣的不一致而設計的。這就使得倆個品牌的產品所適用的人群不同。三菱是日系品牌，編程直觀易懂，學習起來會比較輕松，而西門子是德國的品牌，指令理解起來比較抽象，沒有那么直觀簡潔，學習的過程中會遇到的困難較大，而且指令相對較少，但三菱的指令就更加豐富。三菱的優(yōu)勢在于離散控制和運動控制，三菱的指令豐富，指令庫中有專用的定位指令，控制伺服和步進容易實現，要實現某些復雜的動作控制也是三菱的強項，而西門子在這塊就較弱，沒有專用的指令，做伺服或步進定位控制不是不能實現，而是程序復雜。所以針對不同的設備不同的控制方式，我們要合理的選用PLC，用其長處，避其短處。例如某設備只是些動作控制，如機械手，可選擇三菱的PLC，某設備有伺服或步進要進行定位控制，也選三菱的PLC。在PLC的選型時，需要根據PLC的輸入/輸出口的數量進行PLC選型，在滿足設計要求的情況下還需要留出10％～30％的端口，作為備用，以便于未來進行軟件升級。最后從花費成本上考慮，從官網查詢到的信息，西門子的PLC價格遠遠高于三菱PLC的價格。綜上，三菱PLC完全適用于本口罩翻片機的設計，滿足機器的控制要求，加上大學期間學習用的設備的正是三菱PLC，所以選擇這一型號的PLC作為翻片機的控制核心。2.4驅動裝置的分析2.4.1電機選型在電機選擇方面需要基于對口罩翻片機的設計需求，滿足產品的生產需要，故其電機的選型需要滿足以下幾個條件：1、首先要保證電機擁有準確的位置控制；2、其次要求能夠進行頻繁通電啟動和斷電停止；3、再而為了保證機器的美觀，小體積同時不需要太大的輸出很大的力矩；4、在機器完成一次翻片動作后，需要電機能夠自保持鎖定在運動結束的停止位置；5、為了保證生產效率，需要電機擁有極快的相應速度；直流電機：體積大；有噪聲；需要380V的工業(yè)電壓，比較危險；結構復雜，使用維護不方便，與步進電機相比可靠性低，工作壽命短；伺服電機：價格高昂；適用于高精度控制，本設計的翻片機所需控制精度不高，同時伺服電機相比于步進電機控制方式復雜，過程繁瑣，不利于機器長時間持續(xù)生產，容易造成電機的轉子溫度過高容易失磁；步進電機：價格相對便宜；使用壽命長；同時步進電機具有瞬間啟動和急速停止的優(yōu)越特性，非常契合本次設計的動作需求；通過電動機功率計算公式來選擇合適功率大小的電動機，電動機的功率，應根據生產機械所需要的功率來選擇，盡量使電動機在額定負載下運行。選擇時如果電動機功率選得過小．就會出現“小馬拉大車”現象，造成電動機長期過載．使其絕緣因發(fā)熱而損壞．甚至電動機被燒毀；如果電動機功率選得過大．就會出現“大馬拉小車”現象．其輸出機械功率不能得到充分利用，功率因數和效率都不高，不但對用戶和電網不利。而且還會造成電能浪費，增加開銷。在選擇電機時，查閱相關資料得知一個醫(yī)用口罩的重量約在3克。電機的負載很小，所以不必選擇輸出功率大的電動機。相關計算在論文后面會給出。2.5推送裝置的分析為了使口罩被翻片過后能夠順利的進行下一個動作，我們需要設計一個推送裝置。推送裝置一般有電動與壓動兩種形式，但電動裝置一般需要電機帶動偏心輪進行往復運動，速度過快的情況下會有震動，不利于長期生產。因此我們考慮選擇壓動裝置進行設計。壓動的選擇包括機械傳動，氣壓傳動與液壓傳動。機械傳動裝置體積大，影響整體美觀；液壓傳動裝置適用于需要大力矩的場合，同時考慮到口罩生產需要相對清潔的環(huán)境和氣壓傳動裝置的簡單性，所以本次設計選擇氣壓傳動。設計的工作流程圖如下。圖2-3推送裝置工作流程圖

第三章翻片機的機械結構設計3.1設計說明機器用于口罩生產設備中間的翻片環(huán)節(jié)，圖示如示。連續(xù)運轉，載荷平穩(wěn)，兩班制工作，設計使用壽命為5年，作業(yè)場地比較干凈。73654217365421圖3-1口罩翻篇機示意圖口罩接收平臺聯軸器推送撐桿工作平臺翻篇接收平臺軸系零件抓盤機構設計數據表3.1口罩翻篇機的設計數據口罩機前端打片速度設計壽命工作方式90片/每分鐘5年一拖二式左右翻3.2傳動裝置的總體設計3.2.1傳動方案擬定1.組成：翻轉裝置由電機、傳動軸、抓盤、推送機組成。2.特點：需要頻繁啟動和停止。3.確定實現方案：由不同的電機分別控制左右兩根軸，再由軸帶動軸上爪盤的轉動。當需要翻轉時，控制軸的轉動，使位于中間托盤上的口罩被轉運到左邊或者右邊的托盤上，再由氣壓缸將其頂出，實現口罩的翻轉和上下加工工序的對接。3.2.2電動機的選擇a=0.98×0.99×0.98=0.9511為聯軸器帶的效率,2為軸承的效率,3為抓盤的工作效率。工作機的轉速為:90片/每分鐘——每邊45片/分鐘每次工作角度為180°暫定工作機的轉速：n=22.5r/min受啟停時間和工作間歇時間的影響工作機的轉速提高為n=45r/min即ｗ=4.71rad/s工作載荷為輕載荷但是需要考慮軸的轉動慣量和抓盤的轉動慣量故可設需要的工作載荷力矩為M=FxR=100n*0.01m=1n*m選擇步進電機為驅動裝置步進電機的力矩可以通過接線控制有三種型號的電機可供選擇表3-257步進電機的三種型Model相數步距角保持轉矩額定電流相電感相電阻引線數量轉子慣量轉矩重量機身長（°）N.MAmHOhmg.cm^2Kg.cmKgMm57HS091.20.882600.40.65457HS1321.81.342.1184600.717657HS20.884600.71.181經過多次比較多種電機后，最后確定本次設計采用雷賽57HS13型號電機，該產品為二相步進電機在滿足需要的同時，可以降低成本，延長使用時間并且具有很好的控制精度。實物圖如下圖所示。圖3-257HS13型號步進電機與其驅動器根據設計計算選擇型號為57HS13的步進電機為主軸電機其主要尺寸入下圖圖3-3步進電機的主要尺寸引線接法如下表3-357HS13步進電機的接法接法驅動器接線對應電機引線適用場合串聯A+A低速A-CB+BB-D懸空AC懸空BD并聯A+AC高速A-ACB+BDB-BD電機接線圖如下所示：圖3-42相/4相接線圖驅動器作為步進電機的配套零件，根據生產方公司發(fā)布的步進電機的應用手冊，與雷賽57-HS13配備的步進電機驅動器型號為：DM542。實物圖與接線示意圖如下圖3-5驅動器給步進電機加裝驅動器是為了提高步進電機運行的精確率。步進電機驅動器能夠將電脈沖信號轉化為角位移，當步進驅動器接收到一個由PLC發(fā)出的脈沖信號，驅動步進電機就可以以一個固定的角度向設定的方向轉動，旋轉的過程是按照一個固定的角度逐步完成的。因此可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到精準定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速和定位的目的。3.3口罩承接平臺的設計圖3-6如上圖所示；一般醫(yī)用口罩的主體尺寸為175mm乘以95mm。本加工階段口罩上還未貼合耳線故不需要考慮口罩耳線的干擾。在觀察到口罩生產線的上下端，可以發(fā)現口罩片是通過上游生產線的傳送帶豎著打向口罩翻片機。因此在設計口罩承接平臺的時候，豎向方向考慮夠用，橫向方向考慮容錯。設計為，175mm乘以130mm的平臺。如下圖所示。零件圖見附錄；圖3-7零件1零件厚度為1cm增強其剛度和穩(wěn)定性。零件一整體可通過鑄造完成，對其表面進行精加工。使表面粗糙度達到Ra3.2中間圓孔由銑床或鉆床完成。為紅外傳感器的探頭孔。四周開槽，使得爪盤能夠順利回轉。使用時在其后端安裝一毫米厚鋁制或不銹鋼制擋板，防止口罩飛出。示意圖如下。圖3-8擋板3.4軸系零件的設計傳動軸及其組件是本次口罩翻片機設計的核心，它關系到機構能否正常的運行。因此我們應該采取更加謹慎的態(tài)度對待。軸系零件包含傳動軸，軸承，爪盤和聯軸器四個部分；以下是對這四個部分的設計說明。1、初步確定軸的直徑先初步估算軸的最小直徑。選取軸的材料為45鋼，調質處理，查表得C=110故最小直徑可以為0.86mm當然這是不合理的考慮到徑向強度和安裝的方便性?？紤]到美觀和耐用性，選擇最小直徑為10mm。2、軸的結構示意圖L1L2L3L4圖3-9傳動軸結構圖三維效果圖如下圖3-10傳動軸三維模型3、根據軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度1）初步選擇滾動軸承。中間有退刀曹部分是安裝滾動軸承的直徑d1,d2，因軸承幾乎只受有徑向力的作用，是不是在密封的環(huán)境下工作。故選用兩面帶防塵罩的深溝球軸承。參照工作要求并根據dmin=10mm，由軸承產品目錄中選取深溝球軸承6002-2z，其尺寸為d×D×B=15×32×9mm，故d1=d2=15mm。2）軸承的一端有軸肩定位，查得深溝球軸承6002-2c的軸肩尺寸范圍為17-20.5mm，故取安裝抓盤處的中間軸段的直徑d3=20mm；3）軸承的另一端由軸承座的軸肩固定。如圖所示：圖3-11軸承座軸承座中間大圓直徑為32mm小圓直徑為27mm。其具體尺寸見附錄考慮材料和加工的經濟性，取軸承之間距離L2=250mm,L2=15mm在兩端距離軸肩9mm位置開定位溝如上圖所示。取與聯軸器相連的一段L4=12mm，d=10mm在距軸肩兩端各65mm的地方開M4的螺紋孔，方便轉盤的固定。至此，已初步確定了軸的各段直徑和長度。3.5聯軸器的選用本次設計需要傳遞的力矩不大。為了方便安裝和拆卸，聯軸器選用梅花式聯軸器型號為CPHD-D20-A6-101，三維視圖如下：圖3-12該款聯軸器采用夾持工作原理。兩端孔直徑與電機輸出軸直徑和傳動軸的軸端部分直徑相同；使用時通過螺釘施加壓緊力，讓其夾緊兩端實現傳動。3.6爪盤的設計爪盤有套筒和翻轉爪構成。使用時通過螺釘把套筒固定在傳動軸上，把翻轉爪固定在套筒上，形成一個整體。如下圖所示。圖3-13

第四章電氣控制系統(tǒng)4.1電源的分配電源是保證電氣系統(tǒng)工作的前提對與本系統(tǒng)而言我們需要給不同的設備供電如下表2.表2用電器PLC驅動器PLCI/O口氣泵電磁換向閥紅外傳感器用電電壓220v24v24v220v24v24v4.2供電系統(tǒng)原理圖圖4-1如圖所示工廠的二相220V交流電L,N經過保險電閘鏈接一個電氣開關通過開關鏈接PLC為其提供220V工作電源。還鏈接一個24V控制電源把220V交流電轉化為24V直流電為紅外傳感器、PLC輸入輸出端口和步進電機驅動器供電；在主供電線路上還并聯著氣壓泵機使得氣壓泵可以正常工作為氣壓推動系統(tǒng)提供動力。它們都有著PE端口鏈接著地線。4.3控制系統(tǒng)原理圖本次設計通過PLC控制電機的運行和氣泵的推進，其控制原理流程圖和原理框圖如下電氣原理圖見附錄圖4-23、下圖4-3為右翻電機與驅動器的接線原理圖；其為兩項步進電機，24v電源驅動，通過Y1輸入脈沖信號、Y5輸入方向信號、Y4輸入使能信號控制電機的啟停轉速與轉角。給步進電機加裝驅動器是為了提高步進電機的精確率。步進電機驅動器它是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速和定位的目的。圖4-34.4紅外感應模塊圖4-4本次設計選用的是Domenzi漫反射光電傳感器。上圖左邊為紅外傳感器的實物圖右邊為紅外探頭安裝的區(qū)域。紅外傳感器通過中間的圓孔來檢測托盤上是否有口罩傳送來；當有口罩來的時候會被檢測到然后信號會被輸入PLC中，PLC對信號處理然后輸出下一步指令。

第五章氣壓系統(tǒng)氣壓系統(tǒng)基本架構設計圖如下：圖5-1氣壓系統(tǒng)示意圖1.氣壓源：工作壓力4～7bar(1Kg/cm2=0.981bar)2.三點組合（調理組）：調壓、濾水、潤滑3.氣壓缸:單動缸4.基本氣壓回路5.plc控制的氣動示意圖5.1氣壓推動模塊圖5-35.2氣壓缸的工作原理氣壓泵為系統(tǒng)提供壓力源經過干燥機的干燥先存入儲氣罐內在需要使用時PLC控制電磁閥打開推動氣壓泵活塞向外運動頂出口罩，動作完成后電磁閥斷開轉換接口氣壓缸的活塞被彈簧推回。完成一個往復運動。氣動裝置電氣原理圖見附錄。

成本分析1.FX3U-32MTPLC定價1148元2.57HS13步進電機+DM542驅動器定價180*2=360元3.颶霸空壓機氣泵額定功率1200W定價1088元4.氣壓缸:可根據需求定制兩個價格約為250元5.電池換向閥定價130*2=260元6.Domenzi漫反射光電傳感器定價30元7.空氣開關、熔斷器約200元8.華曉24V控制電源定價850元9.軸承9*2=18元10.其