1、I / 71 精品 word摘摘 要要隨著工業自動化水平日益提高，眾多工業企業均面臨著傳統生產線的改造和重新設計問題。PLC（可編程序控制器）是以微處理器為核心的工業控制裝置，它將傳統的繼電器控制系統與計算機技術結合在一起，近年來在工業自動控制、機電一體化、改造傳統產業等方面得到普遍應用。作為通用工業控制計算機，其實現了工業控制領域接線邏輯到存儲邏輯的飛躍，在世界工業控制中發揮著越來越重要的作用。在飲料行業，自動化生產線的生產方式是推廣的最普及的一種生產模式，它促使灌裝的速度大幅提升，同時也使得灌裝精度更高，給企業帶來了不可小覷的生產力。鑒于此，設計者利用 PLC 的功能和特點設計出了一款飲料

2、灌裝生產流水線控制系統。本文所涉及的飲料灌裝自動化生產線采用 PLC 控制，流量計計量，確保了灌裝的速度和精度。本文詳細論述了飲料灌裝機控制系統的設計步驟，通過對灌裝機系統的充分了解，以行業現狀為出發點，結合其他行業自動控制技術的應用情況，提出了基于 PLC 的飲料灌裝機控制系統的基本結構。本系統設計中完成了飲料灌裝機控制系統的硬件的配置和軟件方面的設計，實現了飲料灌裝機控制系統的自動化。對勞動生產率的提高，對飲料的質量和產量的提高都具有深遠的意義。利用 PLC 控制飲料灌裝生產過程，可有效提高灌裝生產效率，并顯著增加控制系統的可靠性和柔性。關鍵詞：關鍵詞：可編程控制器；自動化；灌裝；生產線I

3、I / 71 精品 wordAbstractWith the increasing level of industrial automation, many industrial enterprises are faced with the transformation of traditional production line and re-design problem. PLC (programmable logic controller) is a microprocessor as the core of industrial control devices, it will rel

4、ay the traditional control system combined with computer technology in recent years in industrial automation, mechanical and electrical integration, the transformation of traditional industries such as generally applied. As a general-purpose industrial control computer, the realization of industrial

5、 control wiring logical leap in logic to storage, industrial control in the world is playing an increasingly important role. In beverage industry, automated production line mode of production is to promote the most popular a kind of production mode, it causes the filling speed increases, but make th

6、e filling a higher precision, to bring enterprise cannot small gaze of productivity. In view of this, the designers of the use of PLC functions and features designed a beverage filling production line control III / 71 精品 wordsystem. This paper involves the drinks filling automation production line a

7、dopts PLC control, flow meter metering, insure the filling speed and precision. This paper describes in detail the control system of the drinks filling machine design steps, a brief introduction of the drinks filling machine control system and base on the self-industry and the application of the oth

8、er trade on auto-control technique, proposed the frame of the control system based on programmable logical controller. This design completes the drinks production line hardware configuration and software design, to achieve the automation of the carbonated drinks filling machine. Not only improve the

9、 labor productivity, but also has far-reaching significance of the improvement of quality and yield. PLC control of the use of beverage filling production process, which can effectively improve the production efficiency of filling, and significantly increase the reliability of control systems and fl

10、exible. Keywords: Programmable controller；Automation；Filling；Production line 1 / 71 精品 word目目 錄錄摘摘 要要 .IABSTRACT.II前前 言言.11.概述概述.21.1 概論.21.2 設計任務與要求.31.3 相關預備知識.31.3.1 PLC 的定義.31.3.2 PLC 的基本組成.31.3.3 PLC 的功能與特點.41.3.4 PLC 的應用范圍.41.4 總體方案設計.52.系統機械結構設計系統機械結構設計.72.1 電機的選擇 .72.1.1 絲杠電機的選擇.72.1.2 傳送帶電機

11、的選擇.102.2 滾珠絲杠副的計算 .112.2.1 最大工作載荷 Fm的計算.112.2.2 最大動載荷 C 的計算 .112.2.3 額定動載荷 Ca的校核.112.2.4 剛度的驗算.122.3 滾動軸承的選擇 .122.3.1 絲杠滾動軸承的選擇.132.3.2 滾筒滾動軸承的選擇.132.4 聯軸器的選擇 .142.4.1 傳送帶電機聯軸器的選擇.142.4.2 絲杠電機聯軸器的選擇.142.5 灌裝機儲液箱的尺寸確定 .143.電氣控制系統硬件設計電氣控制系統硬件設計.153.1 總體方案分析 .153.2 控制系統的 I/O 點及地址分配.153.2.1 輸入信號 I/O 點地

12、址分配.153.2.2 輸出信號 I/O 點地址分配.163.3 電氣元件選型 .172 / 71 精品 word3.3.1 PLC 的選型.173.3.2 斷路器的選型.173.3.3 接觸器的選型.183.3.4 行程開關的選型.183.3.5 光電傳感器的選型.183.3.6 流量計的選型.193.3.7 電磁閥的選型.193.4 電氣控制系統原理圖 .203.4.1 電氣原理圖總體設計.203.4.2 傳送帶電機接線圖.203.4.3 絲杠電機接線圖.213.4.4 電磁閥接線圖.223.4.5 控制系統接線圖.224.電氣控制系統軟件設計電氣控制系統軟件設計.234.1 STEP7-

13、MICRO/WIN 軟件介紹.234.2 電氣控制系統程序設計 .254.2.1 電氣控制系統流程圖.254.2.2 傳送帶前進.264.2.3 光電傳感器開始計瓶數.274.2.4 噴口下壓.284.2.5 系統開始進行灌裝.294.2.6 噴口上抬.304.3 PLC 程序調試.314.3.1 調試思路.314.3.2 調試結果.31總結與體會總結與體會.34致致 謝謝.35參考文獻參考文獻.36附錄：系統程序梯形圖附錄：系統程序梯形圖.371 / 71 精品 word前前 言言工業現代化的進程，對生產過程的自動控制和信息通信提出了更高的要求。隨著計算機和網絡通訊技術的發展，企業對生產過程

14、的自動控制和信息通訊提出了更高的要求。工業自動化系統已經從單機的 PLC 控制發展到多 PLC 及人機界面（HMI，Human Machine Interface）的網絡控制。全自動灌裝生產線是由數臺自動灌裝機械經控制系統進行集中控制，并按照各自功能完成一定任務進行順序、連續生產的一系列機器組合。通過對飲料罐裝自動控制的介紹，使我們對灌裝這個行業有了更深的了解，也對自動化這個名詞有了進一步的了解。我國的飲料罐裝自動化相對于西方發達國家來講還有很大的差距。設備陳舊，技術落后，成為阻礙我們灌裝行業發展的一個嚴重問題。鑒于這些問題，我國企業不斷發展自身的實力，逐步朝著生產高速化、設備結構合理化、設備

15、的多功能化、設備的綠色化、控制的智能化等方向發展。推出適合自己需求的產品來。 早期的灌裝生產流水線大多數采用容積泵式、蠕動泵式作為計量方式。這些方式存在一些缺點。例如：灌裝精度和穩定性難以保證、更換灌裝規格困難等。本設計鑒于 PLC 可靠性高、耐惡劣環境能力強、使用極為方便三大特點，利用 PLC 技術平臺自主開發創新，將機械、電氣和自動化等技術有機結合，將傳統的繼電器-接觸器控制功能用 PLC 代替，構成實用、可靠的飲料灌裝生產線 PLC 控制系2 / 71 精品 word統。該控制系統可節省大量電氣元件、導線與原材料,縮短設計周期,減少維修工作量, 提高加工零件合格率,進而提高生產率，而且程

16、序調整修改方便靈活，提高了設備的柔性和靈活性。具有整體技術經濟效益。 PLC 控制具有編程簡單、工作可靠、使用方便等特點，已經在工業自動化控制領域得到了廣泛的應用。3 / 71 精品 word1.概述概述1.1 概論概論現代社會工業自動化水平日益提高，致使眾多工業企業均面臨著傳統生產線的改造和重新設計問題。幾年前，自動化技術只占包裝機械設計的 30%，現在已占 50%以上，大量使用了微電腦設計和機電一體化控制。提高包裝機械自動化程度的目的：一是為了提高生產率；二是為了提高設備的柔性和靈活性；三是為了提高包裝機械完成復雜動作的能力。 飲料灌裝機用于灌裝各種各樣的瓶裝飲料，適合大中型飲料生產廠家，

17、早期的灌裝機械大多數采用容積泵式、蠕動泵式作為計量方法。這些方法存在一些缺點。例如：灌裝精度和穩定性難以保證、更換灌裝規格困難等。本系統采用的飲料分裝計量是通過時間和單位時間流量來確定的，計量精度由可編程控制器（PLC）控制確定。PLC 控制具有編程簡單、工作可靠、使用方便等特點，在工業自動化控制領域廣泛應用。專為 PLC 應用而實際的觸摸屏集主機、輸入和輸出設備于一體，適合在惡略的工業環境中使用。 飲料灌裝裝置主要包括兩部分：恒壓儲液罐灌液和計數部分。在恒壓儲液罐灌液不封，里面有上限液位和下線液位傳感器，它們淹沒時是 1 狀態。液面低于下線液位時恒壓儲液罐為空。飲料通過進液電磁閥流入恒壓儲液

18、罐，液面達到上限位時進液電磁閥斷電關閉，使液位保持恒定。4 / 71 精品 word鑒于 PLC 可靠性高、耐惡劣環境能力強、使用極為方便三大特點，利用 PLC 技術平臺自主開發創新，將機械、電氣和自動化等技術有機結合，將傳統的繼電器-接觸器控制功能用 PLC 代替，構成實用、可靠的飲料灌裝生產線 PLC 控制系統。該控制系統可節省大量電氣元件、導線與原材料,縮短設計周期,減少維修工作量, 提高加工零件合格率,進而提高生產率，而且程序調整修改方便靈活，提高了設備的柔性和靈活性。具有整體技術經濟效益。1.2 設計任務與要求設計任務與要求在畢業設計任務書中，我的畢業設計任務為：以 PLC 控制為核

19、心，采用電動機、流量計等輔助手段來完成 6 口 0.5L 飲料瓶的自動灌裝系統設計。設計電控系統、傳動系統，完成機械結構圖、電氣原理圖和控制程序設計。設計要求：1、畢業設計（論文）由學生本人獨立完成。2、完成整個系統的方案選型，元件選擇，軟件設計。3、技術指標：1) 飲料瓶容積：0.5L2) 每次灌裝瓶數：63) 灌裝節拍：515S,可調節;4) 精度：5mL5 / 71 精品 word1.3 相關預備知識相關預備知識1.3.1 PLC 的定義的定義可編程控制器，簡稱 PLC（Programmable logic Controller）,是指以計算機技術為基礎的新型工業控制裝置。在 1987

20、年國際電工委員會（International Electrical Committee）頒布的 PLC 標準草案中對PLC 做了如下定義： “PLC 是一種專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。PLC 及其有關的外圍設備都應該按易于與工業控制系統形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計。1.3.2 PLC 的基本組成的基本組成PLC 的基本組成可歸為四大部件：1中央處理單元（CPU 板）控制器的核心；2. 輸入部

21、件連接現場設備與 CPU 之間的接口電路；3. 輸出部件送出 PLC 運算后得出的控制信息；4. 電源部件為 PLC 內部電路提供能源。另外，還必須有編程器將用戶程序寫進規定的存儲器內。PLC 的基本組成框圖如圖 1-1 所示：6 / 71 精品 word圖 1-1 PLC 的基本組成框圖1.3.3 PLC 的功能與特點的功能與特點功能：1.邏輯控制2.定時控制3.計數控制4.步進(順序)控制、5.PID 控制、數據控制6.PLC 具有數據處理能力、通信和聯網7.其它 PLC 還有許多特殊功能模塊，適用于各種特殊控制的要求，如定位控制模塊、CRT 模塊。特點：1.可靠性高，抗干擾能力強2.功能

22、完善，適用性強3.易學易用，深受工程技術人員歡迎1.3.4 PLC 的應用范圍的應用范圍目前，在國內外 PLC 已廣泛應用于冶金、石油、化工、建材、機械制造、電力、汽車、輕工、環保及文化娛樂等各行各業，隨著7 / 71 精品 wordPLC 性能價格比的不斷提高，其應用領域不斷擴大。從應用類型來看，PLC 的應用大致可歸納為以下幾個方面：1.開關量邏輯控制 2.運動控制 3.過程控制 4.數據處理1.4 總體方案設計總體方案設計本次自動飲料灌裝系統生產線是根據六口自動飲料灌裝系統生產線的原理來設計的，其工作流程及原理如下：首先，人工將飲料瓶放置在自動化生產線上（自動化生產線的寬度僅夠一個瓶身通

23、過，且兩端空隙不超過 2 毫米，瓶與瓶之間無空隙，傳送帶前后端各有一鐵桿攔住所有瓶子，并且兩端各有一光電傳感器計瓶數） 。啟動機器，后攔截桿收回，傳送帶將瓶子往前移，移至后光電傳感器下端時，后光電傳感器自動計數。計數至 6 個時，后光電傳感器傳輸信號給 PLC，PLC 控制后攔截桿，后攔截桿攔截第 7 個瓶子，后光電傳感器清零。延時 2S 后，傳送帶停止工作。此時 PLC 傳輸信號給絲杠電機，絲杠電機帶動絲杠使噴口向下運動。當噴口下壓到下限位時，噴口下限位行程開關打向另一側，使 PLC傳輸信號給噴口上的電磁閥，電磁閥開通，橢圓齒輪流量計開始計流量，噴口開始注水。當流量計顯示流量達 500ml

24、時，流量計傳輸信號給 PLC，PLC 關斷噴口電磁閥，噴口停止注水。隨后 PLC 傳輸信號給絲杠電機，絲杠電機帶動噴口上抬置頂，觸發噴口上限位行程開關。此后 PLC 控制傳送帶電機帶動傳動帶，前攔截桿收回，瓶子移動，前光電傳感器開始計滿瓶數。當計數至 6 個時，前光電傳8 / 71 精品 word感器傳輸信號給 PLC，PLC 控制前攔截桿伸出，后攔截桿收回，前光電傳感器清零，后光電傳感器繼續計數，而后往復循環。如圖 1.2所示。圖 1-2 控制系統流程圖9 / 71 精品 word2.系統機械結構設計系統機械結構設計系統的總體結構如圖 2-1 所示，移動部件上下移動的距離為100mm，應快速

25、到達，時間為 1s，選絲杠的公稱直徑為 d=20mm，估計移動部件總重量為 G=100N。其下方設置一條滾動的帶傳動設備，使飲料瓶能隨皮帶到達灌裝口。圖 2-1 系統總體結構10 / 71 精品 word2.1 電機的選擇電機的選擇2.1.1 絲杠電機的選擇絲杠電機的選擇1）絲杠電機轉軸上總轉動慣量 Jeq 的計算加在絲杠電機轉軸上的總轉動慣量 Jeq 是進給伺服系統的主要參數之一，它對選擇電機具有主要意義。Jeq 主要包括電動機轉子的轉動慣量與滾珠絲杠以及移動部件等折算到電動機轉軸上的轉動慣量等。Jeq 的具體計算方法如下：已知：滾珠絲杠的公稱直徑 d0=20mm，總長 480mm，導程 P

26、h=5mm,材料密度 P=7.85*10-3kg/cm3,移動部件總重力 G=100N。算得各零部件的轉動慣量如下：滾珠絲杠的轉動慣量Js=0.6kg.cm2，滑塊折算到絲杠上的轉動慣量 Jw=0.398kg.cm2。初選絲杠電機的型號為 75BC380A，為三相反應式，步矩角為1.5 度，查得該型號步進電機轉子的轉動慣量 Jm=0.2kg.cm2。由 Jeq=Js+Jw+Jm，帶入數據，則計算得加在絲杠電機轉軸上的總轉動慣量 Jeq=Js+Jw+Jm=0.6+0.398+0.2=1.198kg.cm2。2）等效負載轉矩的計算絲杠電機轉軸所承受的負載轉矩在不同的工況下是不同的。通?？紤]兩種情況

27、：一種是快速上升，另一種是快速下降。顯然快速上升時，負載轉矩較大。設快速上升時電機轉軸所承受的負載轉矩為 Teq，則Teq=Tamax+Tf+T0 11 / 71 精品 word(2-1)式中：Tamax快升時電動機轉軸上最大加速轉矩，單位為N.m； Tf部件移動時電動機轉軸上的摩擦轉矩，單位為N.m； T0滾珠絲杠預緊后折算到電機轉軸上的摩擦轉矩，單位為 N.m；快速空載啟動時折算到電機轉軸上的最大附加轉矩：Tamax=(2*Jeq*n)/(60t) (2-2)式中：Jeq電機轉軸上總轉動慣量，單位為 kg.m2； n電機的轉速，單位為 r/min； t電機加速所用時間，單位為 s，在 0.

28、31s 之間??；其中：n=(vmax*)/(360*) (2-3)式中：vmax空載最快移動速度，本機器為 6000mm/min； 步進電機步矩角，預選電動機為 1.5 度； 脈沖當量，=0.01mm；將以上各值代入式(2-3)，算得 n=2500r/min。設 t=0.4s，傳動系統總效率 =0.7，求得：Tamax=(2*1.198*10-4*2500)/(60*0.4*0.8)0.196N.m移動部件運動時折算到電機轉軸上的摩擦轉矩：12 / 71 精品 wordTf=(F摩*Ph)/( 2) (2-4)式中：F摩導軌的摩擦力，單位為 N； Ph滾珠絲杠導程，單位為 m； 傳動系統總效率

29、，一般取 =0.70.85；其中：F摩=(Fc+G) (2-5)式中：導軌的摩擦因素（滑動導軌取 0.150.18，滾動導軌取 0.0030.005） ，取 =0.15； Fc垂直方向的工作負載，車削時為 Fc，立銑時為Fz，單位為 N，取 Fc=0； G運動部件總重力，單位為 N，本設備 G=100N；將以上各值代入式(2-5)，算得 F摩=15N。由式(2-4)可知，移動部件運動時，折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩為：Tf=(F摩*Ph)/( 2i)=(15*0.005)/(2*3.14*0.7*2)=0.00853N.m滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩：T0=(FYJ*Ph)(

30、1-02)/( 2i) (2-6)式中：FYJ滾珠絲杠的預緊力，一般取滾珠絲杠工作載荷 FM的 1/3，單位為 N； 0滾珠絲杠未預緊時的傳動效率，一般取13 / 71 精品 word0=0.9；由于滾珠絲杠副的傳動效率很高，所以有式(2-6)算出的 T0 值很小，與 Tamax 和 Tf 比起來，通?？梢院雎圆挥?。最后由式(2-1)，求得快速啟動時電機轉軸所承受的負載轉矩：Teq=Tamax+Tf+T0=0.196+0.0085=0.2045N.m3) 絲桿電機的校核將上述計算說得的 Teq 乘上一個 K，用 K*Teq 的值來初選絲杠電機的最大靜轉矩，其中的系數 K 稱作安全系數。對于開環

31、控制，一般應在 2.54 之間選取。取 K=4，則絲杠電機最大靜轉矩：Tjmax=4Teq=4*0.2045=0.818N.m上述初選的絲杠電機型號為 75BC380A，該電機的最大靜轉矩Tjmax=0.98N.m，滿足要求。2.1.2 傳送帶電機的選擇傳送帶電機的選擇1）傳送帶電機的初選若傳送帶滾筒直徑 D=70mm，左右滾筒用 45#鋼實心柱型，滾筒長約 100mm(支撐部分不包含在內)，已知 45#鋼的密度為=7.85g/cm3。取傳送帶兩滾筒軸間的間距為 2m，平均 100mm 放一個瓶子，每一個瓶子容量為 0.5L，質量為 0.5kg。這時傳送帶上瓶子的最大質量為 10kg，傳送帶的

32、最大速度為 0.1m/s。則滾筒的體積 V=(D/2)2*h=3.14*3.52*10=384.65cm3,所以滾筒14 / 71 精品 word的質量 m=V*=384.65*7.85=3.02kg。若此時加上支撐部分的質量，則總質量為 4.25kg。這時兩個滾筒的轉動慣量為 J1=(1/2)*m*(D/2)2=0.5*4.25*3.52=26.03kg.cm2。傳送帶上的瓶子質量折算到電機主軸上的轉動慣量為：J2=(365w/4g)*(v/n) 2 (2-7)式中：w傳送帶上的最大重量，單位為 N，此處w=10kg*9.8m/s2； v傳送帶上瓶子的速度，單位為 m/s； n滾筒的轉速，單

33、位為 r/s；其中 v/n 簡化得 v/n=D，代入得：J2=365*10*(3.14*0.07)2/4=44.085kg.cm2。初選傳送帶電機型號為 86BYG250B-SAFRBC-0202，該電機轉子轉動慣量為 J3=3.0kg.cm2?？傓D動慣量 J0= J1+ J2+ J3=26.05+44.085+3.0=73.115kg.cm2。2）傳送帶電機的校核該電機的啟動時間為 0.03s，則電機轉軸上所受的轉矩為：M= J0*(2n)/(60t)=(73.115*6.28*27.3*10-2)/(60*0.03)=0.696N.m以 M 乘以一個系數 K，即以 KM 來初選電機的最大靜

34、轉矩，取K=4，則傳送帶電機的最大靜轉矩 Tjmax為：Tjmax=4M=0.696*4=2.784N.m15 / 71 精品 word所選電機最大靜轉矩為 5N.m，滿足要求。2.2 滾珠絲杠副的計算滾珠絲杠副的計算2.2.1 最大工作載荷最大工作載荷 Fm的計算的計算滾珠絲杠副的最大工作載荷 Fm是指滾珠絲杠副在驅動工作臺時所承受的最大軸向力，也叫進給力。它包括滾珠絲杠副的進給力、移動部件的重力以及作用在導軌上的切削力所產生的摩擦力。由圖1-2 可知，絲杠只受進給方向載荷 F=G=100N。又有 Fm=KF，K 為顛覆力矩影響系數，這里取 K=1.15。所以 Fm=1.15*100=115

35、N。2.2.2 最大動載荷最大動載荷 C 的計算的計算滾珠絲杠應根據額定動載荷 Ca選用，最大動載荷計算原理與滾動軸承相同。滾珠絲杠的最大動載荷 C 可用以下公式計算：C=*fm*Fm 3L(2-8)式中：L滾珠絲杠副的工作壽命，單位為 106r； fm運轉狀態系數，無沖擊狀態取 11.2，一般狀態取1.21.5，有沖擊振動取 1.52.5，此處取 fm=1.5； Fm滾珠絲杠副最大工作載荷，單位為 N； 其中：L=60nt/106 (2-9) 式中：n絲杠轉速，n=1000v/L0(v 為最大載荷下的進給速度，16 / 71 精品 word可取最高速度的 1/31/2；L0為絲杠的基本導程，

36、單位為mm)，計算時，可根據快進速度 vmax和絲杠最大轉速nmax初選一個數值(L0=1000vmax/nmax)，待剛度驗算后再確定； t額定使用壽命，單位為 h，可取 t=15000h；將以上數值代入式(2-9)得 L=60*(1000*6/0.005)*15000/106=1080(106r)。再由式(2-8)計算得 C=*1.5*115=1769.83N=1.77kN。310802.2.3 額定動載荷額定動載荷 Ca的校核的校核 滾珠絲杠的型號為 CDM2005-2.5-P3，其額定動載荷 Ca=10kN，遠大于 C=1.77kN，所以滿足要求。2.2.4 剛度的驗算剛度的驗算 滾珠

37、絲杠副的軸向變形將引起絲杠導程發生變化，從而影響定位精度和運動平穩性。軸向變形主要包括絲杠的拉伸或壓縮變形、絲杠與螺母之間滾道的接觸變形等。絲杠的拉伸或壓縮變形量 1在總變形量中占的比重比較大，可按下式計算： 1= IEMaESFm2217 / 71 精品 word(2-10) 式中：Fm絲杠的最大工作載荷，單位為 N； 絲杠兩端支撐間的距離，單位為 mm； E絲杠的材料彈性模量，鋼的 E=2.1*105MPa； S絲杠按底徑 d2確定的截面積，單位為 mm2； M轉矩，單位為 N.mm； I絲杠按底徑 d2確定的截面慣性矩，單位為 mm4；其中， “+”號用于拉伸， “”號用于壓縮。由于轉矩

38、 M 一般較小，所以式中第 2 項在計算時可以忽略不計，因此有1=(115*500)/(2.1*105*20)=0.01369。滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量 2可從產品型號中查出。絲杠總變形量 =1+2。一般總變形量 不應大于規定精度的一半，本產品精度不大，所以絲杠夠用。2.3 滾動軸承的選擇滾動軸承的選擇如今滾動軸承多為已標準化的構件。因而，在機械設計中，設計滾動軸承的部件時，只需：1）正確選擇出能滿足約束條件的滾動軸承，包括：合理選擇軸承和校核所選擇的軸承是否能滿足強度、轉速、經濟等方面的約束；2）進行滾動軸承部件的組合設計，包括：合理選擇軸承的類型、內徑以及諸如公差等級、特殊結構等。18

39、 / 71 精品 word2.3.1 絲杠滾動軸承的選擇絲杠滾動軸承的選擇由于絲杠滾動軸承主要受軸向力，所以選擇角接觸軸承。已知內徑為 20mm，所以初選軸承 GB/T 292-1994，角接觸軸承 7002C 型，其主要參數：內徑：d=15mm；外徑：D=32mm；寬：B=9mm；極限轉速：24000r/min；基本額定動載荷：Cr=6.25kN；基本額定靜載荷：C0=3.42kN；則軸承的壽命可由以下公式計算：Lh10=； 1066010Ln)(60106PrFCn(2-11)其中 =3，設軸承的轉速為 n=6000r/min，則當量動載荷FP=XFR+YFA=0.44*0+1.4*115

40、=161N。所以軸承的壽命為：Lh10=1.63*105h。)(60106PrFCn36)161. 025. 6(60006010壽命足夠了。2.3.2 滾筒滾動軸承的選擇滾筒滾動軸承的選擇綜前所述，選用角接觸軸承，選軸承 GB/T 292-1994，角接觸軸承 7004AC，其主要參數：19 / 71 精品 word內徑：20mm； 外徑：42mm； 寬：12mm； 極限轉速：19000r/min；基本額定動載荷：10.0kN；基本額定靜載荷：5.78kN；2.4 聯軸器的選擇聯軸器的選擇 聯軸器的選用，首先按工作條件選則合適的類型，然后再根據轉矩、軸徑及轉速查有關手冊選擇尺寸。2.4.1

41、傳送帶電機聯軸器的選擇傳送帶電機聯軸器的選擇傳送帶電機轉子直徑為 28mm，所以根據所傳送的轉矩、軸徑及轉速，從聯軸器標準件中選取聯軸器型號：GY4，其主要參數：軸孔直徑：28mm；軸孔長度：62mm；許用轉矩：40N.m；許用轉速：9500r/min；轉動慣量：0.0093kg.m2；2.4.2 絲杠電機聯軸器的選擇絲杠電機聯軸器的選擇絲杠電機轉子直徑為 8mm，所以根據所傳送的轉矩、軸徑及轉速，從聯軸器標準件中選取聯軸器型號：NL1，其主要參數：20 / 71 精品 word軸孔直徑：8mm；軸孔長度：23mm；公稱扭矩：40N.m；許用轉速：6000r/min；2.5 灌裝機儲液箱的尺寸

42、確定灌裝機儲液箱的尺寸確定儲液箱的長寬高尺寸是根據儲液箱的有效容積來確定，它的長寬高按 1:1:1 或 1:2:3 結合系統的發熱和散熱及熱平衡原則來計算，因為系統發熱少，所以無需熱平衡校核。參照現有的水箱尺寸，定其長寬高分別為：900mm，500mm，200mm。儲液箱需要進行噴丸、酸洗和表面清洗，內壁可以涂一層塑料薄膜或清漆。3.電氣控制系統硬件設計電氣控制系統硬件設計3.1 總體方案分析總體方案分析本次自動飲料灌裝系統生產線是根據六口自動飲料灌裝系統生產線的原理來設計的，其工作流程及原理如下：首先，人工將飲料瓶放置在自動化生產線上（自動化生產線的寬度僅夠一個瓶身通過，且兩端空隙不超過 2

43、 毫米，瓶與瓶之間無空隙，傳送帶前后端各有一鐵桿攔住所有瓶子，并且兩端各有一光電傳感器計瓶數） 。啟動機器，后攔截桿收回，傳送帶將瓶子往前移，移至后光電傳感器下端時，后光電傳感器自動計數。計數至 6 個時，21 / 71 精品 word后光電傳感器傳輸信號給 PLC，PLC 控制后攔截桿，后攔截桿攔截第 7 個瓶子，后光電傳感器清零。延時 2S 后，傳送帶停止工作。此時 PLC 傳輸信號給絲杠電機，絲杠電機帶動絲杠使噴口向下運動。當噴口下壓到下限位時，噴口下限位行程開關打向另一側，使 PLC傳輸信號給噴口上的電磁閥，電磁閥開通，橢圓齒輪流量計開始計流量，噴口開始注水。當流量計顯示流量達 500

44、ml 時，流量計傳輸信號給 PLC，PLC 關斷噴口電磁閥，噴口停止注水。隨后 PLC 傳輸信號給絲杠電機，絲杠電機帶動噴口上抬置頂，觸發噴口上限位行程開關。此后 PLC 控制傳送帶電機帶動傳動帶，前攔截桿收回，瓶子移動，前光電傳感器開始計滿瓶數。當計數至 6 個時，前光電傳感器傳輸信號給 PLC，PLC 控制前攔截桿伸出，后攔截桿收回，前光電傳感器清零，后光電傳感器繼續計數，而后往復循環3.2 控制系統的控制系統的 I/O 點及地址分配點及地址分配3.2.1 輸入信號輸入信號 I/O 點地址分配點地址分配輸入信號 I/O 點地址分配如表 3.1 所示。表 3-1 輸入信號 I/O 點地址分配

45、名稱代碼地址編號啟動按鈕SF1I0.0停止按鈕SF2I0.122 / 71 精品 word噴頭上限位行程開關BG1I0.2噴頭下限位行程開關BG2I0.3前擋桿前限位行程開關BG3I0.4前擋桿后限位行程開關BG4I0.5后擋桿前限位行程開關BG5I0.6后擋桿后限位行程開關BG6I0.7后光電開關KF1I1.0前光電開關KF2I1.11 號噴頭流量計信號BG7I1.22 號噴頭流量計信號BG8I1.33 號噴頭流量計信號BG9I1.44 號噴頭流量計信號BG10I1.55 號噴頭流量計信號BG11I1.66 號噴頭流量計信號BG12I1.73.2.2 輸出信號輸出信號 I/O 點地址分配點地

46、址分配輸出信號 I/O 點地址分配如表 3.2 所示。表 3-2 輸出信號 I/O 點地址分配23 / 71 精品 word名稱代碼地址編號傳送帶啟動QA03Q0.0前擋桿伸出電磁閥MB1Q0.1前擋桿收回電磁閥MB2Q0.2后擋桿伸出電磁閥MB3Q0.3后擋桿收回電磁閥MB4Q0.5傳送帶停止MB01Q0.41 號噴口電磁閥MB11Q0.62 號噴口電磁閥MB12Q0.73 號噴口電磁閥MB13Q1.04 號噴口電磁閥MB14Q1.15 號噴口電磁閥MB15Q1.26 號噴口電磁閥MB16Q1.3噴口下壓QA05Q1.4噴口上抬QA06Q1.53.3 電氣元件選型電氣元件選型3.3.1 PL

47、C 的選型的選型從上面分析可知系統共有開關量輸入 16 個，開關量輸出 14 個。參照西門子 S7-200 產品目錄及市場實際價格，選用主機 CPU226 AC/DC/繼電器。如表 3-3 所示。24 / 71 精品 word3.3.2 斷路器的選型斷路器的選型斷路器選用原則:1）空開額定工作電壓大于等于線路額定電壓2）空開額定電流大于等于線路負載電流3）空開電磁脫扣器整定電流大于等于負載最大峰值電流（負載短路時電流值達到脫扣器整定值時，空開瞬時跳閘。一般 D 型代號的空開出廠時，電磁脫扣器整定電流值為額定電流的 8-12 倍。 ）也就是說短路跳閘而電機啟動電流是可以避開的。斷路器的作用：斷路

48、器的作用是切斷和接通負荷電路，以及切斷故障電路，防止事故擴大，保證安全運行。而高壓斷路器要開斷 1500V，電流為1500-2000A 的電弧，這些電弧可拉長至 2m 仍然繼續燃燒不熄滅。故滅弧是高壓斷路器必須解決的問題。 吹弧熄弧的原理主要是冷卻電弧減弱熱游離，另一方面通過吹弧拉長電弧加強帶電粒子的復合和擴散，同時把弧隙中的帶電粒子吹散，迅速恢復介質的絕緣強度。 根據三個電動機的額定電流，選擇斷路器 QA01、QA02、QA04的型號為 DZ47-63-C16。如表 3-3 所示。3.3.3 接觸器的選型接觸器的選型接觸器是一種用來接通或斷開帶負載的交直流主電路或大容量控制電路的自動化切換器

49、，主要控制對象是電動機。通用接觸器可25 / 71 精品 word大致分以下兩類。 1）交流接觸器。主要有電磁機構、觸頭系統、滅弧裝置等組成。常用的是 CJ1、0CJ12、CJ12B 等系列。2）直流接觸器，一般用于控制直流電器設備，線圈中通以直流電，直流接觸器的動作原理和結構基本上與交流接觸器是相同的。接觸器的選型有諸多因素外與負載密切相關一般三相異步電機的起動電流為額定電流的 3-5 倍。所以接觸器的額定電流為：4IN=36A 綜上所述，本系統選用 CJX2-09 接觸器：額定電壓為220V。如表 3-3 所示。3.3.4 行程開關的選型行程開關的選型行程開關又稱限位開關或位置開關。它是一

50、種根據運動部件的行程位置而切換電路工作狀態的控制電器。行程開關的動作原理與控制按鈕相似，在機床設備中，事先將行程開關根據工藝要求安裝在一定位置上，部件在運行中，裝在其上撞塊壓下行程開關頂桿，使行程開關的觸點動作而實現電路的切換，達到控制運動部件行程位置的目的。根據系統的整體要求，選擇行程開關的型號為 LX19-001。如表3-3 所示。3.3.5 光電傳感器的選型光電傳感器的選型本設計采用的是歐姆龍的光電傳感器（光電開關） ，型號為26 / 71 精品 wordE3JK-5M3，直流正負 12240V，交流 24240V。如表 3-3 所示。該光電傳感器的特點有：1）檢測距離長； 2）對檢測物

51、體的限制少； 3）響應時間短； 4）分辨率高； 5）可實現非接觸的檢測； 6）可實現顏色判別； 7）便于調整。3.3.6 流量計的選型流量計的選型根據系統整體要求，選用橢圓齒輪流量計，型號為 LWGY。如表 3-3 所示。橢圓齒輪流量計是容積式流量計的一種，用于緊密的連續或間斷的測量管道中液體的流量或瞬時流量，精度較高。長期使用的橢圓齒輪流量計，其內部的齒輪會被腐蝕和磨損，從而影響測量精度。因而，要經常注意觀察，并定期拆下進行檢查，若條件允許最好定期進行標定。3.3.7 電磁閥的選型電磁閥的選型國內外的電磁閥從原理上分為三大類（即：直動式、分步直動式、先導式） ，而從閥瓣結構和材料上的不同與原

52、理上的區別又分為六個分支小類（直動膜片結構、分步膜片結構、先導式膜片結構、27 / 71 精品 word直動活塞結構、分步活塞結構、先導活塞結構） 。本設計采用的主要是直動式電磁閥。根據系統整體要求，選用直動式電磁閥，型號為 BS12C。如表3-3 所示。表 3-3 電氣元件選型表序號代號名稱型號數量備注1SF1按鈕LA19-111綠色2SF2按鈕LA19-111紅色3BG1BG12行程開關LX19-001124KF1KF2光電傳感器E3JK-5M325BF流量計LWGY6橢圓式6CPU226可編程控制器CPU226 AC/DC 繼電器17MA1傳送帶電機86BYG250B-SAFRBC120

53、0W8MA2絲杠電機75BC380A1500mW9QA01斷路器DZ47-63-C1611QA02、QA電機斷路器DZ47-63-C16228 / 71 精品 word00411QA03電機接觸器CJX2-091AC220V12QA05、QA06電機接觸器CJX2-092AC220V13LB電源濾波器DF200-10A-011220/10A14DY24V 直流電源AC/DC 24V110A15PG電源指示燈XB2-BW31M1C1AC220V16MB1MB4電磁閥BS12C4直動式17MB11MB16電磁閥BS12C6直動式18MB01電磁制動器119KF1KF12繼電器JZ7-111220F

54、A熔斷器MDA-12A1限流12A29 / 71 精品 word3.4 電氣控制系統原理圖電氣控制系統原理圖3.4.1 電氣原理圖總體設計電氣原理圖總體設計根據設計需求分析，需要 2 個電機，電機分別有：傳送帶電機、絲杠電機，絲杠電機正反轉控制絲桿的上下運動，并帶動噴口上下運動。所有電機過載保護均采用熔斷器保護。另外選擇 CPU226 作為主機，設計顯示燈有：電源顯示燈。設有電磁閥作為各種狀態的輸出，電磁閥的數量為 10 個。輸入有兩個光電傳感器，用來計空瓶數和滿瓶數。3.4.2 傳送帶電機接線圖傳送帶電機接線圖 如圖 3-2 所示，傳送帶由一個三相異步電機控制。當 QA03 接觸器閉合時，傳

55、送帶啟動；當 QA03 接觸器斷開時，傳送帶停止。QA03 的閉合與否可由啟動按鈕和停止按鈕控制，也可由自動運行過程中 PLC 說給的相應型號來控制。30 / 71 精品 word圖 3-2 傳送帶電機電氣圖3.4.3 絲杠電機接線圖絲杠電機接線圖 如圖 3-3 所示，絲杠由電機正反轉控制。當 QA05 接觸器閉合時，絲杠電機正轉，帶動絲杠向下運動；當 QA06 接觸器閉合時，絲杠電機反轉，帶動絲杠向上運動。QA05 與 QA06 的閉合斷開以及正反轉由 PLC 控制31 / 71 精品 word圖 3-3 絲杠電機電氣圖3.4.4 電磁閥接線圖電磁閥接線圖 如圖 3-4 所示，為電磁閥接線圖

56、。電磁閥不能直接連在 PLC 上，應該使用中間繼電器來實現。MB1MB4 為控制前后擋桿伸出或收回的電磁閥，MB11MB16 為控制灌裝關斷的電磁閥。圖 3-4 電磁閥電氣圖32 / 71 精品 word3.4.5 控制系統接線圖控制系統接線圖 如圖 3-5 所示，為控制系統接線圖?？刂葡到y的輸入有兩個光電開關，用來計瓶數；輸出接中間繼電器，用來實現電磁閥的關斷?？刂葡到y選用 CPU226 作為主電路板來驅動整個電路。圖 3-5 控制系統電氣圖4.電氣控制系統軟件設計電氣控制系統軟件設計4.1 STEP7-Micro/WIN 軟件介紹軟件介紹STEP7-Micro/WIN 是在 WINDOWS

57、 平臺上運行的 S7-200 系列PLC 的專用編程軟件，操作界面簡單方便，能解決復雜的自動化任務，可快速進入，節省編程時間，其主要功能及特點如下。程序結構簡單，通過一個主程序調用其他子程序或中斷程序，保證了程序結構的清晰；可以用語句表(STL)和梯型圖(LAD)編程；可以進行符號編程；通過符號表分配符號和絕對地址，并可打印輸33 / 71 精品 word出；支持三角函數，開方，對數運算功能；指令集易學，指令由容易記的縮寫組成。相同的指令只需稍加修改就可用于不同的功能(例如指令 MOVE 根據傳送的方式不同有不同的形式)；易于使用的組態向導，包括文本顯示器，PID 控制器，CPU 間的數據傳輸

58、的通訊功能，高速計數器；可用于 CPU 硬件設置，包括擴展模塊設置，輸入延時，實時時鐘設置，口令分配，通訊系統的網絡地址設置等；二進制運算功能，包括移位、循環移位、轉換、與、或、異或等邏輯運算，計數器、定時器設置，16 位、32 位整數運算，浮點數運算，比較指令運算，數值轉換等；可在線、離線編程；通過鍵盤的快捷鍵可編輯全部功能，語句和程序段可使用剪切、粘貼和插入功能，可取消上一次操作，在用戶程序中還可以查找文字和操作等。進行 PLC 控制邏輯程序設計應遵循以下幾個基本步驟。(1)分解被控對象或機器把要控制的對象或機器分解成相互獨立的部分，這些分解將影響功能描述及資源的分配。(2)建立功能規范寫

59、出被控對象或機器的每部分的描述，它包括輸入/輸出點(I/O)、操作的功能描述、每個執行器(線圈、電機、驅動器等)的允許狀態(執行前要滿足的狀態)、操作接口的描述、與被控對象或機器的其他部分的接口。(3)安全電路的設計控制設備在不安全的狀態下出現故障，會造成不希望的啟動或34 / 71 精品 word機器操作的變化。當不希望的或不正確的機器操作會造成人身傷害或嚴重的財產損失時，應該考慮采用和 CPU 獨立的機電冗余來防止不安全的操作。在安全電路設計中應該考慮下面的任務：防止會造成危害的不適合的執行器操作；識別那些保證不危險操作的條件，并決定如何獨立于 CPU 檢測這些條件；當控制對象得電或斷電時

60、 CPU 和 I/O如何影響控制對象；設計獨立于 CPU 的手動或機電冗余來阻止危險的操作；向 CPU 提供獨立電路的適當的狀態信息，以便于程序員和操作界面得到所需要的信息；識別其它的和控制對象安全操作有關的安全要求。(4)詳細說明操作站根據功能描述的要求建立操作站的配置圖，包括：與控制對象或機器有關的每個操作站的位置總圖、操作站的設備機械圖(顯示、開關、指示燈等)、與 CPU 或擴展模塊有關的電氣圖。(5)建立 PLC 配置圖根據功能描述的要求建立控制設備的配置圖，包括控制對象或機器有關的每個 CPU 的位置圖、CPU 和擴展 I/O 模塊的機械布局圖(包括控制柜和其他設備)、每個 CPU