1、機電工程學院畢業(yè)設(shè)計方案論證報告設(shè)計題目: JD1255食品擺放裝置及控制系統(tǒng)設(shè)計 學生姓名： 學 號： 專業(yè)班級： 指導教師： 2012年 3 月 16 日目 錄1. 任務(wù)內(nèi)容和要求12. 任務(wù)書分析23. 總體方案設(shè)計與選擇33.1 總體方案論證33.2 本方案設(shè)計53.3 電動機的選擇63.4 傳送裝置的選擇73.5 機架的設(shè)計83.6 控制系統(tǒng)93.7 執(zhí)行系統(tǒng)113.8 光電開關(guān)113.9 潤滑與防護134. 論證方案總結(jié)145. 設(shè)計任務(wù)時間安排15參考文獻161. 任務(wù)內(nèi)容和要求本課題主要完成JD1255食品擺放裝置設(shè)計方案選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、零件設(shè)計及控制系統(tǒng)設(shè)計。設(shè)計系統(tǒng)能夠完成

2、下列功能：（1）5行5列的饅頭自動擺放；（2）行列間距100毫米；（3）每個位置的運行周期不大于1秒；（4）具有軟件位置調(diào)整功能；（5）控制方案要求可行；（6）運行穩(wěn)定可靠，成本經(jīng)濟。2. 任務(wù)書分析擺放是饅頭生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵步驟，一要勞動強度小，二要確保產(chǎn)品衛(wèi)生，三要擺放準確，四要防止饅頭變形，等等。此次設(shè)計一臺饅頭自動擺放機，解決由人工完成的擺放操作，降低工人的勞動強度，提高勞動生產(chǎn)率，還要求饅頭排放位置準確可靠，不存在累積誤差。自動擺放機要求能和各種饅頭成型機相配套使用，即排放速度和時間是可調(diào)的。由于蒸鍋的標準化及題目設(shè)計的尺寸要求，托盤可以是500mm * 500mm的型式，每行只限擺

3、放5個饅頭，相應(yīng)有5列，且饅頭之間的間距均為100mm。此外還要設(shè)計一個在饅頭成型機和擺放裝置之間完成饅頭輸送的輕型輸送帶，且能適應(yīng)于不同的高度的饅頭成型機和擺放裝置的要求，即要求輸送機的高度是可以無級調(diào)節(jié)的，且要求輸送機的角度可調(diào)范圍為1525。由于食用和衛(wèi)生方面的要求，所以要求相應(yīng)設(shè)備的清潔衛(wèi)生，避免污染。3. 總體方案設(shè)計與選擇 3.1 總體方案論證通過參閱相關(guān)文獻，網(wǎng)絡(luò)搜索等途徑了解到各式各樣的食品擺放設(shè)計，目前饅頭自動擺放有以下4種形式：第一種是旋轉(zhuǎn)溜管式生面團自動排放機；第二種利用皮帶傳動和托盤運動實現(xiàn)饅頭的擺放；第三種是推板式生面團自動擺放裝置；第四種是利用XY工作臺式自動擺放裝

4、置。方案一 旋轉(zhuǎn)溜管式自動排放機這種擺放機的原理是利用饅頭的自重，通過一個間歇旋轉(zhuǎn)導向器，將面坯導入固定的定位裝置中，從而實現(xiàn)自動排列動作，其基本形式如圖1所示。圖1 旋轉(zhuǎn)溜管式自動排放機原理示意圖該機主要由導向器、固定定位裝置和主傳動機構(gòu)三部分構(gòu)成。當饅頭成型后，通過傳送帶提升送入導向器的落料口，導向器是靈活旋轉(zhuǎn)的滾道，一是控制饅頭滾動下落，二是準確實現(xiàn)某個角度的轉(zhuǎn)動，確保出口與定位裝置上平面圓周分布的孔相對接。固定的定位裝置作用則是將面坯實現(xiàn)位置轉(zhuǎn)變，達到擺放功能。排列后的面坯落入托盤或輸送帶上，向前運行進入后一工序。方案二 利用皮帶傳動和托盤運動實現(xiàn)饅頭的擺放該擺放設(shè)備由皮帶傳動機構(gòu)，托

5、盤輸送機構(gòu)，控制系統(tǒng)和機架組成。其動作示意圖如圖2所示。圖2 皮帶傳動動作示意圖工作原理：皮帶傳動機構(gòu)的主運動是皮帶傳動，由調(diào)速電機驅(qū)動，使其勻速運動，輔助運動是皮帶末端部的滑塊在電機的驅(qū)動下，實現(xiàn)皮帶出口端作直線間歇運動。輸送帶在驅(qū)動裝置作用下朝著一個方向勻速運動，出口端則由一個活動刀口支撐使皮帶作伸縮動作，每個面坯在預定的位置落到盤中后，每個位置上的光電開關(guān)都會給控制器發(fā)出信號，當面坯的初始位置落到托盤中時，皮帶輸送機構(gòu)即完成了第一排5個面坯的擺放。然后托盤前進100 mm后停止，皮帶傳動機構(gòu)又重復上述擺放動作和過程，擺放第二排面坯，如此循環(huán)，進行間歇式擺放連續(xù)化作業(yè)。方案三 推板式自動擺

6、放機 將成型后的面坯由輸送帶按一定間距輸送到擺放機上，擺放機上部設(shè)有一旋轉(zhuǎn)的撥板盤，撥盤的旋轉(zhuǎn)方向與輸送帶運動方向相垂直，每當輸送帶上通過一定數(shù)量的饅頭時，撥盤運動一次，將一定數(shù)量的饅頭撥入輸送帶下設(shè)的定位器中，利用饅頭的自然落差和出料口的布置，使饅頭按一定間隙整齊地排列在托盤或主輸送帶上，進入下一道工序。撥盤撥下的饅頭數(shù)量是根據(jù)生產(chǎn)線上的產(chǎn)量來設(shè)定，為了使撥盤動作與輸送帶速度完全同步，兩者必須用一個傳動系統(tǒng)來連接。方案四 XY工作臺式自動擺放機將成型的饅頭坯由傳送帶等間距輸送至XY工作臺上，工作臺由PLC和伺服系統(tǒng)控制，其動作示意圖如圖3所示。當?shù)谝粋€饅頭落在托盤上時，工作臺帶動托盤向X方向

7、運動，當X方向的饅頭擺滿后，托盤向Y方向運動100mm后停止，X方向開始運動，重復上述運動，直至饅頭擺滿整個托盤，然后迅速頂出托盤至傳送帶上，進入下一道工序。圖3 XY工作臺式擺放裝置示意圖3.2 本方案設(shè)計如前所述，上述四個方案過于復雜，且自動化程度低，很容易使饅頭變形，結(jié)合方案二與方案三，將兩個方案相結(jié)合，確定了本次設(shè)計的最終方案，其運動示意圖如圖4所示。將饅頭成型機成型的生面坯等間距輸送到傳送帶上，傳送帶前段安裝一個光電開關(guān)，當?shù)谝粋€饅頭運動到光電開關(guān)所處位置時，光電開關(guān)將信號傳輸給單片機，單片機控制氣缸推動推板將5個饅頭推送至與第一條傳送帶垂直放置的第二條傳送帶上，此傳送帶由步進電動機

8、和單片機控制，其運動模式為100mm，100mm，100mm，100mm，200mm，100mm 如此往復。當推板推下5列饅頭即擺滿一托盤后，開始下一托盤的擺放。圖4 推板式皮帶傳送裝置運動示意圖3.3 電動機的選擇步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制步進電機件，在不超載的情況下，電動機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖個數(shù)，而不受負載變化的影響，當步進驅(qū)動器收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一固定角度，稱“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而準確定位，同時可以通過控制脈沖頻率來控制電動機轉(zhuǎn)速和加速度，從而

9、高速轉(zhuǎn)動。 伺服電機又稱執(zhí)行電機，在自動控制系統(tǒng)中用作執(zhí)行元件，把接收的電信號轉(zhuǎn)換成電機軸上的角位移或角速度輸出。伺服電機內(nèi)部轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的U V W三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機自帶的編碼器把信號反饋給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標值進行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。編碼器的精度（線數(shù)）決定伺服電機的精度，它每旋轉(zhuǎn)一個角度都會發(fā)出相應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣伺服驅(qū)動器和伺服電機編碼器的脈沖形成了呼應(yīng)，所以它是閉環(huán)控制，而步進電機是開環(huán)控制。 步進電機和伺服電機的區(qū)別在于：1、控制精度不同，步進電機的相數(shù)和拍數(shù)越多，它的精確度就越高，伺服電機取塊于自帶的編碼器，編碼器刻度

10、越多，精度就越高；2、控制方式不同，一個是開環(huán)控制，一個是閉環(huán)控制；3、低頻特性不同，步進電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象，在低速時一般采用阻尼技術(shù)或細分技術(shù)來克服低頻振動，伺服電機運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可補償機械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機能（FFT），可檢測出機械的共振點便于系統(tǒng)的調(diào)整；4、矩頻特性不同，步進電機的輸出力矩會隨轉(zhuǎn)速升高而下降，而交流伺服電機為恒力矩輸出；5、過載能力不同，步進電機一般沒有有過載能力，而交流伺服電機具有較強的過載能力；6、運行性能不同，步進電機的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負載過大易丟步或堵轉(zhuǎn)，停

11、止時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，而交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機編碼器反饋的信號進行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進電機的丟步或過沖，控制性能更為可靠；7、速度響應(yīng)性能不同，步進電機從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速需上百毫秒，而交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，一般只需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合。交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進電機，此次饅頭擺放裝置設(shè)計要求低速運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，恒力矩輸出，控制性能可靠，可快速響應(yīng)，防塵性能好，綜上所述，在本方案中選擇使用伺服電機。3.4 傳送裝置的選擇在加工工業(yè)中，存在著大量固體和流體物料的輸送問題，為了提高勞動生產(chǎn)率和降低勞動強度，需要采用各

12、種各樣的輸送設(shè)備來完成物料的輸送。輸送系統(tǒng)的選擇關(guān)系到工廠的總體布置和結(jié)構(gòu)形式，而生產(chǎn)工藝過程又決定了輸送系統(tǒng)的合理選擇。在考慮生產(chǎn)工藝過程時，應(yīng)當把工作機構(gòu)和輸送系統(tǒng)設(shè)備有機結(jié)合起來。 查詢資料知帶式輸送機可輸送物料有粉粒體、塊狀、成形物、麻袋等，其形式有固定式和移動式兩種，既可水平輸送，又可傾斜輸送（如圖4），其特點為：輸送量大，動力消耗少，運轉(zhuǎn)連續(xù)，工作平穩(wěn)，輸送距離大。圖4 水平式和傾斜式輸送機帶式輸送機原理圖如圖5，由繞在兩個鼓輪上的封閉環(huán)形組成的運輸系統(tǒng)，兩鼓輪一個為主動輪，一個為從動輪，主動輪靠摩擦力帶動環(huán)形帶運轉(zhuǎn)，環(huán)形帶再靠摩擦力帶動上面的物料，達到運輸?shù)哪康摹D5 帶式輸送機

13、原理橡膠帶是由若干層纖維帆布作為帶芯，層與層之間用橡膠加以粘合而成的，其上下兩面和左右兩側(cè)還附有橡膠保護層。帆布帶芯是交代承受拉力的主要部分，而橡膠保護層的主要作用是防止磨損及腐蝕，一般采用多層的橡膠帶，有輕型、普通型、強力型、耐熱型等多種類型，其中輕型主要用于農(nóng)產(chǎn)品、粉末、包裝物品。因此此次設(shè)計使用輕型橡膠帶式輸送機。3.5 機架的設(shè)計機架設(shè)計準則：機架的設(shè)計主要應(yīng)保證剛度、強度及穩(wěn)定性（）剛度評定大多數(shù)機架工作能力的主要準則是剛度。在機床中剛度決定著機床生產(chǎn)效率和產(chǎn)品精度；在齒輪減速器中，箱體的剛度決定了齒輪的嚙合情況及其工作性能；薄板軋機的機架剛度直接影響鋼板的質(zhì)量和精度。（）強度強度是

14、評定重載機架工作性能的基本準則。機架的強度應(yīng)根據(jù)機器在運轉(zhuǎn)過程中可能發(fā)生最大載荷或安全裝置所能傳遞的最大載荷來校核其靜強度，此外還要校核其疲勞強度。機架的強度和剛度都需要從靜態(tài)和動態(tài)兩方面來考慮。動剛度是衡量機架抗震能力的指標，而提高機架抗振能力應(yīng)從提高機架構(gòu)件的靜剛度、控制固有頻率、加大阻尼等方面考慮。（）穩(wěn)定性機架受壓結(jié)構(gòu)及受壓彎結(jié)構(gòu)都存在失穩(wěn)問題。有些構(gòu)件制成薄壁式也存在局部失穩(wěn)的問題。穩(wěn)定性是保證機架正常工作的基本條件，必須加以校核。對于機床、儀器等精密機械還應(yīng)考慮熱變形，熱變形將直接影響機架原有精度，從而使產(chǎn)品精度下降。此處饅頭擺放裝置的設(shè)計由于溫度低，精度要求低，可暫不考慮熱變形。

15、本次機架設(shè)計應(yīng)滿足以下基本條件：1.在滿足強度和剛度的前提下，機架的重量應(yīng)要求輕、成本低；2.抗振性好；3.噪聲小，造型好；4.結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，工藝性良好，便于鑄造、焊接和機械加工；5.導軌面受力合理、耐磨性良好。綜合上述分析，機架選用鑄鐵焊接而成。由于鑄鐵的鑄造性能好、價廉和吸振能力強，所以應(yīng)用最廣。鑄鐵流動性好，體收縮和線收縮小，容易獲得形狀復雜的鑄件。鑄鐵的內(nèi)摩擦大、阻尼作用強，故動態(tài)剛性好，另外還有切削性能好、價格便宜和易于大量生產(chǎn)等優(yōu)點。焊接機架具有制造周期短、重量輕和成本低等優(yōu)點，故在機器制造業(yè)中，焊接機架日益增多。此外鑄鐵機架應(yīng)加以時效處理，時效處理的目的是在不降低鑄鐵力學性能的前

16、提下，使鑄鐵的內(nèi)應(yīng)力和機加工切削應(yīng)力得到消除或穩(wěn)定，以減少長期使用中的變形，以保證幾何精度。3.6 控制系統(tǒng)單片機自20世紀70年代問世以來，以其極高的性價比，受到人們的重視和關(guān)注，應(yīng)用廣，發(fā)展快。單片機體積小，重量輕，抗干擾能力強，環(huán)境要求不高，價格低廉，可靠性高，靈活性好，開發(fā)也較為容易。由于具有上述優(yōu)點，在我國，單片機已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化控制、自動檢測、智能儀器儀表、家用電器、電力電子、機電一體化設(shè)備等各方面。 單片機作為微型機的一個主要分支，在結(jié)構(gòu)上的最大特點就是把CPU、存儲器、定時器和多種輸入輸出接口電路集成在一塊超大規(guī)模集成電路芯片上。就其組成和規(guī)模而言，一塊單片機就是一臺計算

17、機。 單片機具有豐富的內(nèi)部資源，性能全面、適應(yīng)性強。用戶可以根據(jù)實際需求，設(shè)計一個以通用單片機芯片為核心，再配以外部接口電路及其它外圍設(shè)備，來滿足各種不同需要的測控系統(tǒng)。在設(shè)計中已經(jīng)對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、可靠性、成本等因素進行了全面考慮，所以專用單片機綜合優(yōu)勢十分明顯的。MCS-51單片機優(yōu)點有以下幾個方面：（1）小巧靈活、成本低、易于產(chǎn)品化，能方便地組裝成各種智能式測控設(shè)備及各種智能儀器儀表。（2）集成度高，MCS-51單片機的典型代表產(chǎn)品為8031，8031芯片內(nèi)部包含了128個字節(jié)的RAM，4個8位并行I/O口，1個全雙工的串行口，2個16位的定時器/計數(shù)器，以及一個處理能力很強的中央處理器。 （

18、3）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，MCS-51芯片內(nèi)部采用模塊式結(jié)構(gòu)，增加或更換一個模塊，就能得到指令系統(tǒng)和引腳兼容的新產(chǎn)品。（4）系統(tǒng)擴展方便，MCS-51具有外擴至64K字節(jié)程序存儲器和64k字節(jié)的外部RAM和I/O口的能力。 （5）可靠性高，MCS-51單片機的總線大多在芯片內(nèi)部不易受干擾，而且MCS-51應(yīng)用系統(tǒng)體積小，容易采取屏蔽等措施，適應(yīng)范圍寬，在各種惡劣的環(huán)境下都能可靠的工作。（6）處理功能強、速度高，MCS-51單片機指令系統(tǒng)中有加、減、乘除及各種邏輯運算和轉(zhuǎn)移指令，還具有位操作功能。CPU時鐘頻率為12MHz，指令系統(tǒng)中近50%的指令為單字節(jié)指令，指令執(zhí)行速度快。 （7）容易產(chǎn)品化。MCS

19、-51由于單片機應(yīng)用系統(tǒng)具有體積小、可靠性高、功能強、價格低等特點，因此容易形成產(chǎn)品，可以把它裝入各種儀器、儀表及控制設(shè)備中。所以自1980年MCS-51系列單片機推出以來，直到現(xiàn)在，其市場仍很堅挺。它已成為我國在工業(yè)檢測控制領(lǐng)域中的優(yōu)選機種和機型。 且單片機開發(fā)成本低，一個單片機十幾塊到幾十塊，上百不等。綜上所述，在饅頭擺放裝置中，由于精度要求不高，成本低等因素，所以控制系統(tǒng)選用MCS-51單片機。 3.7 執(zhí)行系統(tǒng)根據(jù)本次設(shè)計的要求和條件，要求執(zhí)行系統(tǒng)到達行程終端無沖擊現(xiàn)象和撞擊噪聲，重量輕，要求安裝空間窄且行程短，在有塵等惡劣環(huán)境下需有防護裝置，饅頭生產(chǎn)要求無污染，需要選用無給油或無油潤

20、滑裝置。綜合上述考慮，執(zhí)行系統(tǒng)選用輕型緩沖氣缸，且在活塞桿伸出端安裝防塵罩。根據(jù)此次設(shè)計的安裝位置、使用目的等因素，氣缸需固定安裝。氣缸原理：工質(zhì)在發(fā)動機氣缸中通過膨脹將熱能轉(zhuǎn)化為機械能；氣體在壓縮機氣缸中接受活塞壓縮而提高壓力，引導活塞在其中進行直線往復運動的圓筒形金屬機件。渦輪機、旋轉(zhuǎn)活塞式發(fā)動機等的殼體通常也稱“氣缸”。當氣缸的活塞運動速度較高時（一般為1m/s 左右），在行程的末端將會猛烈撞擊氣缸的前、后端蓋，容易引起氣缸的振動和損壞。在行程末端裝上緩沖裝置（如圖6所示），可減輕或消除端部撞擊。圖6 緩沖氣缸的緩沖裝置3.8 光電開關(guān)光電開關(guān)是光電接近開關(guān)的簡稱，它是利用被檢測物對光束

21、的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測物體有無，如圖7所示。物體不限于金屬，所有能反射光線的物體均可被檢測。光電開關(guān)將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號射出，接收器再根據(jù)接收到的光線強弱或有無對目標物體進行探測。安防系統(tǒng)中常見的光電開關(guān)煙霧報警器，工業(yè)中經(jīng)常用它來記數(shù)傳送物品的個數(shù)。圖7 光電開關(guān)工作示意圖本次設(shè)計中采用對射型光電開關(guān)，它由發(fā)射器和接收器組成，結(jié)構(gòu)上是兩者相互分離的，在光束被中斷的情況下會產(chǎn)生一個開關(guān)信號變化（如圖8），典型的方式是位于同一軸線上的光電開關(guān)可以相互分開達50米。直射式光電開關(guān)由相互分離且相對安裝的光發(fā)射器和光接收器組成，當饅頭位于發(fā)射器和接收器之間時，光線被阻斷

22、，接收器接收不到紅外線而產(chǎn)生開關(guān)信號。其特征有：辨別不透明的反光物體；有效距離大，因為光束跨越感應(yīng)距離的時間僅一次；不易受干擾，可以可靠合適的使用在野外或者有灰塵的環(huán)境中。圖8 對射型光電開關(guān)示意圖3.9 潤滑與防護食品加工機械潤滑特點：（1）在某些食品加工機械中，潤滑劑可能與食品發(fā)生接觸或造成食品污染，引起食用者中毒或其他不良影響，因此潤滑劑不得對食品造成污染；（2）加強對食品加工機械的潤滑管理，必須選擇符合設(shè)備性能要求的潤滑劑，潤滑劑必需保持清潔。食品機械一般使用專用的潤滑劑，我國已有相應(yīng)標準，如食品機械專用白油（GB12494-90）；食品添加劑白色油（GB4853-84）；另有食品機械潤滑脂（GB15179-94）。食品機械潤滑主要用深度精致白油，但對負荷大或沖擊性負荷的潤滑部位，則潤滑性能不能滿足要求，而必需加入油性劑或極壓劑，但必需是無毒無臭無味的。油性劑可用鯨魚油或蓖麻油等動植物油。另外，在可能被面粉粉塵污染的地方，如電機，氣缸等處應(yīng)加防護罩。4. 論證方案總結(jié)綜上所述，本次設(shè)計總體方案采用推板式皮帶傳送裝置，機架用鑄鐵