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1、 毕业设计（论文）全套CAD图纸，加153893706题 目 固定式智能水泥包装机设计 学院(部) 工 业 制 造 专 业 机械设计制造及其自动化 学生姓名 学 号 年 级07级2班 指导教师 职称 副教授 2011年 5 月 29日固定式智能水泥包装机摘要： 水泥包装机是水泥厂家必备的包装设备之一，传统的水泥包装机自动化程度低、包装精度差、劳动强度大、噪声污染重、工人劳动环境差、包装时易堵料，而且堵料后 排除费时费力，加上粉尘较严重，直接影响环境和工人的身体健康。为了改善工人条件，提高生产效率，开发称量精度、自动化程度高、粉尘少的微机控制的智能固定式水泥包装机就非常必要。因此，本设计研究的是
2、水泥包装机智能称重及其控制系统设计，主要进行了包装称重系统的结构与智能控制系统设计。利用传感器实现自动称重，利用杠杆提高称重的精度和灵敏度，利用液压阻尼器来减小下料引起的动力冲击从而提高其控制和显示的灵敏度。由单片机来控制传感器的转换和LED显示等，同时对控制系统软、硬件进行了较为详细的设计。关键词：水泥包装机；智能称重；自动控制Fixed smart cement package machineAbstract： Cement packing machine is one of the necessary packaging equipment in cement plant, tradit
3、ional cement package machine of low degree of automation, packaging, poor accuracy, to solve heavy work intension, noise pollution, poor workers labor environment, packaging when blocking, and exclude costly after blocking, coupled with the dust more serious, direct impact on the environment and the
4、 health of workers. In order to improve the conditions of workers, increasing productivity, development of weighing accuracy, high degree of automation and computer control of dust emissions smart fixed cement packing machine is necessary. Therefore, this design study on the cement weighing and cont
5、rol system of intelligent design, mainly for packaging structure and intelligent control system design of weighing system. Sensors for automatic weighing, use of leverage to improve weighing precision and sensitivity, using hydraulic dampers to reduce material under dynamic shock caused by increasin
6、g its control and display sensitivity. By single-chip microcomputer to control the conversion of the sensor and LED display, simultaneously on the control system software and hardware for a more detailed design.Key words: Cement packing machine; intelligent weighing; automatic control目 录摘要.ABSTRAC.I
7、I1. 绪论.1 1.1课题背景.1 1.2 研究现状及发展趋势.22. 固定式水泥包装机方案设计.32.1 设计任务抽象化.32.1.1 建立黑箱.32.1.2 包装机结构组成.42.2 确定方案.2.2.1 称重控制方式比较 .2.2.2 确定最佳方案.3. 机械机构设计.3.1 秤架原理.3.2 计量秤架装置设计计算.3.3杠杆机构.3.3.1 杠杆板.3.3.2铰链销连接.3.3.3刀口支承.3.4 液压阻尼器.3.4.1 双杆液压缸.3.4.2 SR型节流阀.3.4.3 液压管路.3.5 差动变压器式传感器.3.5.1 差动变压器式传感器的工作原理.3.5.2 WY-D系列位移传感器
8、.3.6 弹簧预压紧及传感器调零和限位.3.7 圆柱螺旋压缩弹簧的计算和预压紧.3.7.1 圆柱螺旋压缩弹簧预压紧.3.7.2 圆柱螺旋压缩弹簧的计算.3.8 圆柱螺旋拉伸弹簧的计算和预压紧.3.8.1圆柱螺旋拉伸弹簧预压紧.3.8.2圆柱螺旋拉伸弹簧的计算.4. 控制部分设计.4.1 系统主要元件的选择及功能简介.4.1.1 A/D转换芯片.4.1.2 8751主芯片.4.1.3 8155芯片.4.2 硬件电路设计 .4.2.1 LED显示电路设计. .4.2.2 A/D转换电路设计.4.2.3 总体电路设计.4.3 软件程序设计.结论.参考文献.附录一 附录二 附录三附录四致谢词.第一章
9、绪论1.1课题背景水泥装袋计量是水泥厂生产工艺中的重要组成部分，是水泥厂计量水平的标志之一。我国最早的水泥包装机是采用螺旋铰刀推进下料，装袋后再过磅复秤。由于复秤工作量大，加之人工责任等因素的影响，致使计量不准，水泥耗损量大。早期的固定式包装机，采用平衡杠杆配重式机构称重。由于支点采用刀口支承，易磨损且配重易结灰，影响计量精度，有时误差达6.00kg/袋。后来又有厂家研制出了微机控制控制包装机，其主要原理是在早期固定式包装机的基础上去掉了刀口及平衡块，用重力传感器悬挂原称量架。因为原称重架与机体采用铰链连接，位移量较大。所以虽采用微机控制，其称量精度仍不理想，误 差范围为3.04.0kg/袋。
10、针对国内水泥包装的现状，研制了一种新型固定式智能水泥包装机，该机将最新称量结构与高可靠电路结合，采用进口大规模集成电路，提高了水泥包装的原理自动化程度，使袋重精度控制在0.5kg以内，十袋平均误差小于0.25kg。此包装机能应用于矿粉，面粉，大米等小颗粒及粉状物品的称重包装，且精度高。因此应用范围广，前景大，客户群多。 1.2 研究现状及发展趋势1.2.1 国内外水泥包装机研究现状：现代规模化生产对包装提出了更高、更新的要求，基本上有如下五项功能指标：调整高效：能满足每小时包装20吨以上物料并连续生产的要求。 牢度：包装袋的抗拉、抗冲击强度能承受重力、堆垛中的压力及运输中的冲击力。 密封性：由
11、于包装物料的不同，各有不同的密封要求。特别是粉料或有毒物品、怕受染的物品密封性能要求非常严格。 环保要求：保护人类赖以生存的环境已是世人的共识，对环境保护的水平已是衡量一个国家文明程度的标志；因此，不允许包装物污染环境；并且要求包装袋必须是可降解可回收的材料，以缓解对环境的污染。 易拆性能：现代化的大工业生产必然要求高效率，大袋包装多数是原材料或初加工产品，所以包装袋还须满足易拆开、易倾倒的要求。 改革开放以来，我国相继引进一批成套设备，其中也配套提供了高速高效的包装机，根据不同的需要满足了上述的功能要求，并且大都采用可降解环保型的包装材料。这些设备多数来自日、德、美等国，占有我国绝大部分市场
12、，十多年来发达国家又相继开发出更为合理的多种包装方式和设备，为我国包装机械行业提供了宝贵的借鉴和启发。 1.2.2 国内外水泥包装机的大致发展趋势如下：(1) 市场日趋垄断化 (2) 零部件生产专业化 (3) 增加技术含量，向智能化发展 (4) 向求精、求专、高效等方向发展 (5) 多功能与单一高速两极化 第二章 固定式水泥包装机方案设计2.1 设计任务抽象化2.1.1 建立黑箱固定式智能水泥包装机通过单片机控制，LED显示水泥的净重。称重范围为0100kg，精度控制在0.5kg以内。其黑箱示意图如2.1.1所示： 图2.1.1 黑箱示意图2.1.2 包装机结构组成新型固定式智能包装机系统由机
13、械、电气、气动三大部分之间由电控制气、气操作机械部分来完成每一个工作过程。机械部分包括机架、料斗、秤体和推袋架等部分。气动部分包括电磁阀、各种气阀、气缸等。电气部分包括智能控制系统、电气系统等。但是本次设计的主要部分是机械结构的称重系统设计和智能控制系统2.2 确定方案2.2.1 称重控制方式比较 2.2.1.1 称重类型的比较称重类型有两种：一种是将称重装置和水泥一起秤，另一种是单独秤水泥。一起秤的优点有：机械结构简单，方便设计，称量方便。一起秤的缺点有：皮重较重，传感器的测量范围大，相对单独秤精度低。单独秤的优点有：皮重较轻，传感器的测量范围小，相对一起秤精度高。单独秤的缺点有：机械机构复
14、杂，设计较难，称重不方便，操作困难。2.2.1.2 选择传感器还是应变片采用传感器的优点是：使用方便，容易购买，外接电路方便，模拟信号到数字信号易于处理，便于单片机控制。采用传感器的缺点是：必需要和弹簧配套使用，来平衡要称重力的大小，而弹簧在长期使用过程中的刚度会发生变化，从而影响精度。如果定期更换弹簧会增加使用成本。2采用应变片的优点是：采用应变片就不需要弹簧，从而称重精度得到了保证。采用应变片的缺点是：应变片的转换电路复杂，且不便于智能控制，贴应变片更需要专业人士，更换成本很高。2.2.1.3 杠杆机构是选择铰链销支承还是刀口支承铰链销支承的优点：铰链销支承很常见，工艺简单，使用、维护方便
15、，价格便宜制造成本低。铰链销支承的缺点：铰链销为面接触，在杠杆机构中的摆动灵敏度没有刀口支承高，从而造成称重精度低。刀口支承的优点：刀口支承为刀口与杠杆板圆弧槽接触，为线接触精度比铰链销的面接触高，而且刀口与杠杆板圆弧槽接触摆动的空间更大，灵敏度更高。刀口支承的缺点：刀口支承为线接触，表面硬度要求高，需要进行热处理，表面质量要求高，工艺复杂，制造困难，成本高。 2.2.2 确定最佳方案综合各方面因素选择最佳方案为：称重类型选择一起秤，测力方式选择传感器，杠杆机构选择刀口支承。根据工作需要本次设计还需要传感器调零装置、限位装置，液压阻尼器，平衡附加弯矩的圆柱螺旋压缩弹簧和圆柱螺旋拉伸弹簧机构。第
16、三章 机械机构设计3.1秤架原理图3-1为固定式智能包装机秤架示意图。设水泥装袋时重量为一集中力G，距Y轴距离为一任意数a，根据力的平移定律， G1=G , M=aG ,由于M对弹簧的作用，产生一反向力矩M1, 根据物体的平衡定理，大小相等，方向相反，即M1M=0, 则M1=M=aG所以荷重传感器只受到水泥袋重的影响，这样就保证了传感器送给微机的信号准确。 图3.1 固定式智能包装机秤架示意图3.2 计量秤架装置设计计算根据经验及 。从而进一步设计出与水泥包装袋直接接触的称重板，和出料口与称重板的高度。其称重台的规格大小为：45060010，高度为：6070，又因为称重的大小是变化的水泥袋的规
17、格也不可能是一样的，故其高度做成可以调整的结构如下图3.2.1所示: 调整高度的方法是：放松螺钉1在开有滑槽的出料斗4上上下移动来调整其高度，当移动到预期高度时，拧紧螺钉1即可。 1- M8的开槽盘头螺钉 2-滑槽 3-称重支架 4-出料斗的一部分 图3.2.1 高度调整机构根据人机工程可知称重台到地面的距离为8090cm（半个人高，工人操作起来更方便）。由于每一个工人的身高不一样，称重板到地面的距离也不一样，故要做成高度可调的结构。方法原理同上。其示意图与3.2.1类似为了进一步提高称重台的强度，防止称重台与螺钉连接处因强度不够发生断裂，故采用加强筋结构。加强筋为非标件，其与称重台连接形式如
18、图3.2.2所示 图3.2.2 称重台与加强筋连接机构连接方式为：选用2M10的开槽锥端紧定螺钉。支承筋的规格为30020060由于水泥包装及要称重的水泥的重心不在称重台的正中心，会在铅锤面上产生附加的弯矩从而引起称重机构在铅锤面内左右晃动，而影响称重的精度。故采用如下图3.2.3所示机构来限制其左右晃动。尺寸为：10012850，将控制板通过螺钉安装在底座上其大小为：M8的开槽盘头螺钉。 图3.2.3 防止左右晃动机构 3.3杠杆机构3.3.1杠杆板 称重的大小及精度通过杠杆机构传递给差动变压器式传感器。称重机构向下很小的位移通过杠杆机构放大从而提高其灵敏度和精度，杠杆机构有杠杆板、刀口及刀
19、坐等。杠杆板的外型及尺寸如下图3.2.4所示： 图3.2.4 杠杆板 图中杠杆板的210的两个孔为铰链连接的通孔，8160为与刀口连接的圆弧槽，2M81.5为螺纹孔3.3.2铰链销连接杠杆板两端都是铰链销连接。保证称重机构始终在铅锤面内上下移动，而受力的中心维持在杠杆一端的几何中心点上，从而保证杠杆板与双杆液压缸伸出端为线接触，提高其精度。故杠杆板的一端采用下图3.2.5所示的铰链销连接。其中36为轴销其规格，查机械零件设计手册公称直径d=20mm,长度l=65mm、材料为35钢、热处理硬度2838HRC、表面氧化处理的A型销轴： 销轴 GB 882 2065 利用M8的开槽盘头螺钉将杠杆板与
20、连接体37相连，其规格为：螺钉 GB/T 67 M850.又因为称重架太大不好与杠杆板一端直接相连，故采用间接连接。其中间接体为铸件，起连接固定作用。 图3.2.5 称重架与杠杆板铰链连接 杠杆板的另一端采用下图3.2.6所示的铰链销连接结构。将液压阻尼器的活塞杆端部结构为销轴2与杠杆板4铰链连接。 图3.2.6 杠杆板与液压阻尼器铰链连接图中1为连接销轴，查机械零件设计手册其规格为：公称直径d=16mm,长度l=120mm、材料为35钢、热处理硬度2838HRC、表面氧化处理的B型销轴：销轴 GB 882 161603为开口销，查机械零件设计手册其规格为：公称直径d=3.2mm、长度l=18
21、mm、材料为Q235不经表面处理的开口销； 销GB/T91 3.218为了不影响称重机构的精度，保证销轴与液压阻尼器的活塞杆端部线接触，故采用图3.2.6所示的较大间隙配合。而称重板与销轴采用图示16H7/h6的精度配合3.3.3刀口支承图3.2.7为杠杆机构中支承形式：采用刀口支承。其中1为杠杆板上的圆弧槽与刀口的接触线。因为是线接触，接触处1的强度要求很高。圆弧槽及刀口要经过特殊化处理（热处理）来提高其表面的硬度和内部的塑韧性。采用刀口支承的目的是：比起采用销连接来说采用刀口支承更能提高杠杆受力的摆动精度及灵敏度。刀口2与刀坐3做成一体，而刀座通过螺钉4连接在底座上。 图3.2.7 刀口支
22、承型式图 3.3 液压阻尼器液压阻尼器如下图3.5所示主要由双杆液压缸、SR节流阀和液压管路三部分构成，液压阻尼器是一种液压装置，一般装于油缸的两端，用以减小活塞运动到油缸两端底部时发生撞击。也可以用于油缸中部调节油缸运动节奏。它是一种对速度反映灵敏的振动控制装置，起抗冲击减震的作用，提高称重的精度。 图3.3 液压阻尼器3.4.1 双杆液压缸双杆液压缸为等速等行程式的双活塞杆双作用液压缸。其示意图3.4.1为： 图3.4.1.1 双杆液压缸工作示意图计算式为：液压缸活塞上下移动的速度 (3-1) 液压缸活塞上下移动的推力 (3-2) 其中D为液压缸直径，d为活塞杆直径，为输入液压缸的流量，P
23、为液压油的压力。双杆液压缸的特点是：活塞两端杆径相同，活塞正、反向运动速度和推力均相等。根据设计需要双杆液压缸的活塞杆两端部结构分别做成销轴和法兰型。其结构见图为： 3.4.1.2 双杆液压缸端部结构液压缸的安装方法为：中部法兰连接如图3.5所示。 用两个小径为6的圆锥销和四个螺栓连接。其中螺栓连接的螺栓、螺母和弹簧垫圈均为标准件，其规格查机械零件设计手册可知。其位置分布如下图所示 1-螺栓连接 2-圆锥销 3.4.1.3 中部法兰连接示意图双杆液压缸的外型尺寸参考工程液压缸标注系列可知：缸径D=80、UM=185、ZL+=275+s、PM=25、EW=25、FC=145、UC=175、NF=
24、20、WB=81、XV+215、WA+200、s=55。3.4.2 SR型节流阀图3.4.2 SR节流阀外型 SR型节流阀如上图3.4.2所示，用于工作压力基本稳定或允许流量压力变化的液压系统，以控制执行元件的速度。本元件是平衡式的，可以较轻松地进行调整。通过调节流量调整手轮可以调节液压阻尼系数的大小，从而调节双杆液压缸的速度V和推力F。选用的节流阀型号为：SR T-03，字母各含义分别是：系列号SR为节流阀，连接型式;T为管式，03为通径代号。技术规格为:通径代号：03、 通径为10mm、额定流量为30L、最小稳定流量为3L、管式重量为1.5kg、最高工作压力25MPa、介质为矿物液压油，高
25、水基液，磷酸酯油液、介质粘度15400、介质温度-1570特性曲线为： 调整手轮转速SR型节流阀外型尺寸为：A=72、B=36、C=44、D=150.5、E=53.5、F=38、G=46、H=22、J=RC (用螺纹密封的圆锥内螺纹，右旋) 查机械制图可知其螺纹尺寸。图3.5.2中 1为油液进口RC“J”（SRCT自由流动入口），2为锁紧螺母，3为流量调整手轮，4为油液出口RC“J”（SRCT自由流动出口）。3.4.3 液压管路 双杆液压杆与SR型节流阀之间要用管子连接，在液压传动中常用的管子有钢管、铜管、胶管、尼龙管和塑料管等。根据设计需要选用钢管，钢管能承受较高的压力，价格低廉，但安装时弯
26、曲半径不能太小，多用在装配位置比较方便的地方。常用的钢管是无缝钢管，当工作压力小于1.6MPa时，也可以用焊接钢管。钢管公称通径、外径、壁厚、联接螺纹和推荐流量分别为：公称通径DN：5mm、 钢管外径10mm、 管接头联接螺纹M101、 公称压力2.5MPa、管子壁厚1mm、推荐管路通过流量6.3 L，最小曲率半径为50mm，支架最大距离400mm。液压系统常用的管路联接螺纹有：细牙普通螺纹（M）、米制锥螺纹（ZM）、55直管螺纹（G）、55锥管螺纹（R）、60锥管螺纹（NPT）、在中、低压管路中，采用锥螺纹型式，通过密封胶带或密封胶即可获得满意的密封效果。又因为公称压力2.5MPa为低压，故
27、采用锥螺纹型式。 3.5 差动变压器式传感器 3.5.1 差动变压器式传感器的工作原理 差动变压器式传感器属于位移传感器中的小位移互感型传感器，其工作原理如图3.5.1.1所示 图3.5.1.1 差动变压器式传感器工作原理变压器由一次侧线圈W和两个参数完全相同的二次侧线圈W1、W2组成。线圈中心插入圆柱形铁心，二次侧线圈W1及W2反极性串联，当一次侧线圈W加上交流电压时，二次侧线圈W1及W2分别产生感应电势e1和e2，其大小与铁心的位置有关，当铁心在中心位置时，e1 =e2，输出电压e0=0；铁心向上运动时，e1e2；向下运动时，e1e2，随着铁心偏离中心位置，e0逐渐增大，其输出特性如图3.
28、5.1.2所示。图3.5.1.2 输出特性曲线差动变压器的输出电压是交流量，其幅值与铁心位移成正比，其输出电压如用交流电压表指示，输出值只能反映铁心位移的大小，不能反映位移的方向性。其次，交流电压输出存在一定的零点残余电压。零点残余电压是由于两个二次侧线圈结构不对称，以及一次侧线圈铜损电阻、铁磁质材料不均匀、线圈间分布电容等原因形成。所以，即使铁心处于中间位置时，输出也不为零。为此差动变压器式传感器的后接电路形式，需要采用既能反映铁心位移方向性，又能补偿零点残余电压的差动直流输出电路。如下图3.5.1.3所示 图3.5.1.3 的差动相敏检波电路工作原理图图3.5.1.3是一种用于小位移测量的
29、差动相敏检波电路工作原理图。在没有输入信号时，铁心处于中间位置，调节电阻R，使零点残余电压减小；当有输入信号时，铁心移上或移下，其输出电压经交流放大、相敏检波、滤波后得到直流输出，由表头指示输入位移量的大小和方向。3.5.2 WY-D系列位移传感器3.5.2.1 WY-D系列位移传感器原理及优点由于差动变压器式传感器在市场上能买到，故选WY-D系列位移传感器（LVDT），WY-D系列位移传感器（LVDT）的原理是：WY-D系列位移传感器（LVDT）是基于变压器原理。通过一次线圈与二次线圈弱电磁藕合，使得铁芯的位移变化量与输出电讯号（电压或电流）变化量呈精密线性关系，可以直接把机械变化量转变为标
30、准电讯号供给电脑数据采集或PLC进行过程控制。优点是：WY-D系列产品是将传感器线圈和电子线路安装在一个不锈钢管里，实现了机电一体化，具有较强的抗干扰能力。该系列产品具有行程大、精度高、稳定性好、安装使用方便等优点3.5.2.2 WY-D位移传感器的技术指标1、灵敏度（mv/mm）：100-10002、初级励磁电压：5V（3-8）3、动态频率：0-200HZ（3DB）标准 0-800HZ最高（动态位移测量）4、灵敏度漂移：零点：0.01（%/） 满度：0.025（%/）5、负载阻抗：20K6、工作温度：-20+70标准7、高精度：0.05%8、高分辨率：0.001um9、供电电压：6VDC 12VDC 15VDC 24VDC 9VDC 12VDC 15VDC10、输出电压：05V 010V 05V 010V 输出电流：010mA 0-20mA 4-20mA根据本设计需要传感器为单极性输入，单向位移，故输出电压为单极性选010V，输出电流选010mA，供电电压选24VDC。选传感器的型号为：WYD-10L（L为单向）其最要参数为：量程10mm，精度选为0.05%3.5.2.3传感器的外型及主要尺寸图 3.5.2.3 传感器外型图L1=10 mm、L2=14 mm、L=71 mm 、S=56.5mm。1为电缆，2为传感器
