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1、PLC控制的包装食品膜分切边料回收机摘要本课题是对PLC控制的包装食品膜分切边料回收机进行国产化设计，使其更加适应国产化市场。边料回收机由卷绕、排布和张力控制三部分组成，它的工作速度必须与分切机同步。主传动部分为PLC、速度控制器控制下的交流伺服电机实现的速度同步控制、调节。本设计方案中排布控制，为PLC、速度控制器、交流伺服电机和位置传感器控制下的自动排布系统。张力控制部分为PLC、角度传感器、电/气转换器、气缸组成的闭环控制系统组成。此边料回收机为典型的机、电、气相结合的机电一体化型的单元设备。其具有结构紧凑，回收质量好，工作效率高的特点。关键词：边料回收 PLC控制 张力控制Abstra
2、ctThe task is to design retrieving machine controlled by PLC, which is to reclaim the marginal material for packing foodstuff, to adapt to the domestic market. It consists of three parts: coiling, arraying and tension control and must be synchronous with slitter. The initial driving part is that syn
3、chronous control and adjustment realized by ac servo motor which is controlled by PLC and speed controller. The arraying control of the scheme of this design is the automatic arraying system controlled by PLC, speed controller, ac servo motor and positional sensor. The part for controlling the tensi
4、on is closed-loop system consisted of PLC, angular sensor, electricity and gas transformer and cylinder. This machine is typical mechatronics installation combined of mechanism, electronics and pneumatics. It has the characteristics of compact structure and good coiling quality. Key words: marginal
5、retrieve PLC control tension control 引言 21世纪初期科学技术的进步日新月异，给机械设计学科注入新的生命力。在设计理论、设计技术、设计自动化和设计规律等方面均有新的研究成果涌现。机械设计学科突破了传动的设计方法，正由静态向动态、由经验计算向建模分析、由满足单个机件的性能要求向整个机械系统的功能综合和分析、由使用计算器计算和手工绘图向CAD发展。尤其在机械电子学方面，随着机械电子学的发展和机电一体化的推广，机械电子工程已成为机械设计、微电子技术、计算机控制及信息技术相互交叉、渗透的学科，其应用已遍及国民经济的各行各业。从发展趋势来看，必须用系统的观点走机电结
6、合的道路，才能满足各种机电系统愈来愈高的性能要求。机械电子工程设计正是从机电系统的观点出发，突出总体和各子系统的设计和分析，以及常见的计算机化现代设计方法，从而研究和总结机械电子工程设计的规律和方法。 衡量一个国家机械行业水平高低的一个生产要素就是看其自动化程度的高低。我们国家的自动化水平还是处于较低的阶段。这就有要求我们这些学习机电一体化专业的人员，要更加努力的去做，以改变这种局面。机电一体化是在机械的主功能，动力功能，信息功能，控制功能中引进了微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关的软件有结合而构成的系统。机电一体化系统主要用于实现自动控制。 首先，机械电子工程所研究的对象是机电系统，也
7、就是机电结合的产物。目前形式多样、功能各异的机械电子设备、产品都是机电系统的具体体现。从系统的含义而言，一般是指具有特定功能的、相互间具有有机联系的许多要素构成的一个整体，而机电系统则是一个非常重要的系统。 现在我们设计的课题是边料回收机的改进设计。边料回收机是一种把分切机分切塑料完成后把边料进行卷取的机器。津泽（天津）塑料有限公司，是一个生产塑料膜的厂家。其生产设备主要来自于日本，且自动化程度也比较高，从而选取此次设计作为我们的毕业设计课题。 这台边料回收机是一个机、电、液、气结合的典型小型机电一体化系统，总体来说，整个系统可分为：动力系统，传动系统，执行元件系统，检测部分，信息处理系统等几
8、个部分。分别介绍如下：动力系统：主要利用电力为运转执行部件提供动力，分别用主电机和伺服电机进行驱动。传动部件：主传动采用同步带传动和压力传动。机器上部左右摆动部分，采用伺服电机带动摇杆完成。执行元件系统：主要包括一些汽缸，电磁阀等。传感检测系统：主要是利用一些传感器进行检测，为PLC提供各种状态信号，为控制服务。主要包括温度传感器，速度传感器，射线测厚仪等。信息处理系统：PLC控制部分是总系统的信息中心，运用控制整个系统的协调工作。随着现场信号的改变，利用PLC程序的运行，产生的某种控制信号控制各个执行部分的动体。从而控制整台机器各个部分的协调动体。简单地介绍了整台机器，系统的详细资料请参阅说
9、明书。设计的优势是：边料回收机和分切机同步工作稳定，利用PLC控制，使用控制较简单。同时使得自动化程度更高，对降低工人劳动程度、提高生产率也起着重要的作用。 第一章 方案论证第一节 总体方案设计 边料机是用于塑料膜分切时产生的边料进行卷取的机器。因此，它的主体应该和分切机是同步的。根据对边料机的特点以及其主体状况，我给出了如下设计思路，对传动部分来说：我把主电机和主动轮之间的传动采用同步带传动；主动轮和从动轮以及从动轮与卷取部分的传动，采用摩擦轮传动。对于机器上部左右摆动部分（跳舞轴译名）则采用丝杠传动。 对于控制部分，我选取PLC控制。因为PLC控制的可靠性较高，且编程简单。我选取日本三菱公
10、司的欧姆龙产品。第二节 方案论证一 传动部分 传动装置是大多数机器的主要组成部分。它是一种在距离间传递能量并兼实现某些其他作用的装置，如：能量的分配，转速的改变，运动形式的改变等等。按照传递和控制动力时所用机件或介质的不同，传递机构可分为：机械传动、电传动、流体传动三种。1 电气传动电气传动是以电能为动力，将电能转换为位移或转角，再经机械调速器拖动负载，以实现传动的。电气传动一般是由电动机、继电器等来实现的，其调速性能较好。由于本课题对调速并没有什么要求，所以我没有选择电气传动。2 流体传动流体传动有液压传动和气压传动两种。他们分别是以液体或气体为工作介质，把原动机（或电动机）的机械能先转化为
11、工作介质的压力功能，再由传送管道将具有压力能的工作介质传送到执行机构，最后由执行机构推动负载运动，把液体或气体的压力能再转化为工作机构所需的机械运动和动力。液压传动有以下几个优点：（1） 功率/重量比和转矩/惯性比大。液压动力系统工作压力高（可达35Mpa甚至更高）。因而在一定体积下能传递很大的动力。在同等功率下。液压动力系统家具有重量轻、体积小、反应灵敏等优点。（2） 工作平稳，能在大范围内实现无级调速，还可以在运行过程中进行调速。（3） 易于实现自动化。当与电气或气压传动配合使用时，更能实现远距离的操纵和自动控制。（4） 易于实现元件的通用化、标准化和系列化，便于设计、制造和推广使用。同样
12、液压动力系统也存在某些缺点：（1） 效率较低，长距离传输更甚。（2） 外漏油液易污染环境，故要求系统有良好的密封以防止外漏。（3） 介质的工作温度范围有上下极限的限制，系统的工作稳定性必受介质温度的影响。（4） 对液体介质的清洁度和元件的制造精度要求较高，因此造价较高。因本机器在工作过程中无需调速，且液压传动效率低，易污染环境，成本也高。因此在设计过程中没有采用液压元件。气压传动的主要优点有：（1） 以空气为介质，容易得到，用后排到大气中，处理方便。它不必象液压系统那样设置回油箱和管道。如有外漏也不会污染环境。（2） 因为空气的粘度小（约为液压油动力粘度的万分之几），故流动中损失小，便于集中供
13、气，远距离输送。（3） 气动动作迅速，工作介质与设备维护简单，成本低。（4） 工作环境适应性好，特别在易燃易爆、多尘埃、强磁辐射、振动的恶劣工作环境中比液压、电气控制优越。气压传动的缺点：（1） 空气可压缩，系统执行件工作速度平稳性较差。（2） 因空气工作压力不宜太高，故输出动力较小（不大于1040KN）。（3） 噪声大，需加消声器。（4） 气动信号传动速度不光电信号慢，故不宜用于高速传递信号的复杂回路。 由于气压传动系统执行工件工作速度平稳性较差，且边料机的主运动多为旋转运动，故我在主要传递部分没有气压传动。但鉴于气压传动传动体迅速、成本低、工作环境适应性好且不污染环境的优点，所以，我在一些
14、地方也使用了汽缸。如控制边料卷取臂的升降，就采用了汽缸。3 机械传动机械传动的传动方式很多，如有摩擦轮传动、带传动、蜗杆传动、齿轮传动、链传动等等。但从总体看来可分为：啮合传动和摩擦传动两种。摩擦传动的外廓尺寸较大，由于打滑和弹性滑动等原因，其传动比不能保持恒定。但它的回转体要比啮合传动简单，即使精度要求很高，制造也不困难。摩擦传动运行平稳、无噪声。大部分摩擦传动都能起安全作用（自动压紧的除外），可借助零件的打滑来限制传递的最大转矩。摩擦传动的另一优点是易于实现无级调速、无级变速装置中摩擦传动作基础的很多。啮合传动具有外廓尺寸小、效率高（蜗杆传动除外）、传动比恒定、功率范围广等优点。因为，靠着
15、金属元件间的啮合来传递动力，所以即使有很小的制造误差及齿廓变形，在高速时也将引起冲击和噪声，这是啮合传动的主要缺点。提高制造精度和改用螺旋齿可以减轻这一缺点，但不会完全消失。 以有齿的橡胶带作为中间挠性件的同步带传动，因为相啮合的一对齿中有一个是非金属元件，所以对制造精度要求不高。传动的圆周速度可达100m/s。同步带的带于带轮之间没有相对滑动，传动比恒定。这种带薄而且轻，故可用于较高速度，传动时的线速度可达40m/s，传动比可达10，效率可达98%。因此同步带的应用日益广泛。其主要缺点是制造和安装精度要求较高，中心距要求较严格。 鉴于同步带的传动比恒定，传动效率高的优点，我们在电机和主动轮之
16、间的传动采用了同步带传动。摩擦轮传动的优点：（1） 由于摩擦轮轮面没有轮齿，所以制造简单而且工作知不会发生类似齿轮节距误差所引起的周期性冲击，故而运转平稳，噪声很小。（2） 过载时发生打滑，故能防止重要零部件的损坏。（3） 能无级的改变传动比。摩擦轮传动的缺点：（1） 效率低。（2） 当传动同样大的功率时，轮廓尺寸和作用在轴承上的载荷都比齿轮传动大。（3） 不宜传动很大的功率。（4） 不能保持准确的传动比。（5） 滑动摩擦时磨损快，寿命低等。齿轮传动的优点：（1） 和其它的机械传动相比较，齿轮传动的工作可靠，使用寿命长。（2） 瞬时传动比为常数。（3） 传动效率高（4） 结果紧凑。（5） 功率
17、和速度适用范围很广。齿轮传动的缺点：（1） 齿轮制造需专用机床和设备，成本较高。（2） 精度低时，震动和噪声较大。（3） 不宜用于轴间距离较大的传动。 鉴于边料机主动轮与从动轮，以及从动轮与卷取之间的传动比没有特别准确的要求，且都在作圆周运动，而摩擦轮传动制造简单，运转平稳。况且，摩擦轮传动在传递功率、传动比和调速幅度（在传动比可调的传动中，从动轴的最大转速与其最小转速之比）、速度、轴间距离等方面都有着很大的适用范围。因我们把主动轮和从动轮、从动轮与卷取轮之间的传动采用了摩擦轮传动。4滚珠丝杠 另外，我把机器上部摆动部分之间的传动选用普通电机和滚珠丝杆。利用滚珠丝杆的传动使得转体摆动部分左右摆
18、动。 滚珠丝杠传动系统是以滚珠作为滚动体的滚动螺旋传动的一个整体，它的作用是将回转运动转化成直线运动或者相反。滚动丝杠的滚动体有球和滚子两大类。本次设计选用的滚动丝杠的滚动体为滚子，选用的螺母为标准件。它两端的固定方式为一端悬空，另一端使用端盖及筋使其固定。二控制部分 近十几年来，大规模集成电路，超大规模集成电路和微电子技术的广泛应用，对传统的机械产品引起了重大的革新。这些巨大的变革正是由于机械技术和电子技术密切结合的结果。此二者的高度结合成为机电一体化。近年来，它在各行各业的各种机械中都广泛的应用着，其新产品主要的改观和功能的提高无不体现机电一体化的应用。而当前各国的机械厂商竞争的焦点也是在
19、于如何通过机电一体化的途径实现高度的自动化，这样自动化控制技术就显得特别关键了。现在的自动化控制技术有好几种，其中，可编程控制器和单片机在机电一体化系统中起着主要的作用，是机电一体化的两大支柱。1 单片机单片机是一种专门用于控制的计算机。在一块芯片上集成了CUP、RAM、ROM、定时计数器和各种I/O部件，具有体积小、功能强、价格便宜、可靠性高的特点。它在机电一体化技术中占有极为重要的位置。这是它的特点决定的。（1） 单片机体积小一个单片机仅有1平方厘米左右，却具备一台计算机的基本功能。这样就很容易把它于其他设备和仪器组装在一起，形成一个整体，实现机电一体化。（2）功能强，使用灵活方便 对于一
20、般运算不太复杂数据管理不大的控制或检测系统,常常是用一块单片机就能满足要求,可简化硬件降低造价.由于它能通过I/O接口电路扩展各种外部设备,如:若用于数据采集,则可与各种被采集时相连接;若采集数据量很大,这可扩展外部存储器;若希望对采集的数据加以处理并显示和打印结果,则除编制相应的软件外,可扩展显示器和打印机;如还要对微机进行某些操作,则可扩展操作键盘;若希望用于控制,则只要根据所确定的控制算法,如PID算式编制相应的软件,并将控制量经I/O输出到驱动电路,使执行机构动作.所以单片机在使用上具有极大的灵活性,它可根据各种具体被控对象的不同要求,象搭积木一样构成.由简单到复杂的各类控制、检测、监
21、视系统,从而使系统结构合理,获得最佳的性能价格比.在较大系统中,单片机可以和IBM等系统联机,作为系统的下位机或装入显示器,打印机等终端设备中,成为职能终端,减轻主机负担.（3） 抗干扰能力强,适应温度范围宽,可在比较恶劣的环境下工作.2. PLC属于存储程序控制的可编程控制器，其控制功能是通过存放在存储器内的程序来实现的，若要对控制功能作必要的修改，只需改变软件指令即可，使硬件软件化。可编程控制器是一种采用微处理技术的工业控制装置,被誉为高精度技术普及化的典范,成为工业控制的主要手段和重要基础设备.它与机器人和数控技术一起构成工业自动控制领域的三大支柱.而它的结构与工作原理基本与微机相同.所
22、不同的是它比计算机具有更强的与工业过程相连的接口能更直接的适用于控制要求的编程语言,能实现条件控制、定时控制、步进控制、A/D和D/A转换等功能,在工业生产中有广泛的应用.其特点有:（1）编制程序简单：PLC一般采用易于理解和掌握的梯形语言及面向工业控制的简单指令编制程序，非常形象直观。对于小型PLC而言，几乎不需要任何专门的计算机知识，特别适合现场工程技术人员使用。（4） 抗干扰能力强、可靠性高:PLC是专为工业控制设计的，能适应工业现场的恶劣环境。由于PLC采用了微电子技术,大量开关动作由无触点的半导体电路来完成。另外还采用了屏蔽、滤波、隔离等抗干扰措施,可靠性很高.一般中小型机无故障时间
23、约为10万小时,大型机也在5万以上.（5） 通用性好:PLC通过软件实现控制,同一台PLC可用于不同控制对象.只需要改变软件，可实现不同的控制要求.不同机型的功能基本相同,可以互换.PLC功能模块品种多,可灵活组成各种不同大小和不同功能的控制装置.相比之下,继电器控制系统改变控制线路不容易,扩大规模更困难.（6） 运行迅捷:PLC控制是在集成块内按程序周而复始地运行,节奏快,速度快,显著优于继 电器控制系统.（7） 功能强:即可对开关量进行控制,又可对模拟量进行控制;即可控制一台单机,一条生产线,又可控制一个机群,多条生产线;即可现场控制,又可远距离控制;即可控制简单系统,又可控制复杂系统.（
24、8） 安装简单:PLC接线少而简单,占地面积少,大大简化了庞大的继电器控制柜和复杂的接线和安装.（9） 编程容易:PLC编程多采用形象简单的继电器控制梯形图及命令语句方式,命令少 且编程简捷,易于掌握,不需要具备专门的计算机知识.（10） 维修方便:用户可通过更换模块或整机进行维修处理,使生产得以迅速恢复,减少了停机时间.（11） 体积小,重量轻,功耗低;PLC采用的是半导体集成电路.综上所述,本系统可采用单片机,也可采用PLC控制.但考虑到PLC比单片机更容易实现制,PLC安装简单,编程也容易,况且与边料机配合的分切机也是PLC控制.所以,我们选择了PLC来控制. 我们的总体思路是:传动部分
25、主要以同步带和摩擦传动为主,还有伺服电机以及普通电机和滚珠丝杆，以及一些汽缸.控制部分采用三菱公司的欧姆龙PLC控制.第二章 传动计算第一节 同步带传动一同步带传动带传动的形式主要有V带传动、平带传动、同步带传动等，本次设计选择的是同步带传动。 带传动是两个或多个带轮之间用带作为挠性拉拽零件的传动，工作时借助零件之间的摩擦（或啮合）来传递运动或动力。根据带的截面形状不同，可分为V带传动、平带传动、同步带传动、多楔带传动。（6） 同步带计算1 电机的选择：根据工作载荷的大小和性质、速度以及工作环境等条件来选择电动机的类型、结构形式、功率和转速，确定电动机的型号。 容量相同的同类型电动机，有不同的
26、转速。转速低的外廓尺寸及重量大、价格高，但可使传动装置的传动比和结构尺寸减小，从而降低了传动装置的制造成本，因此，确定电动机转速时，要联系传动装置综合考虑与比较。 所以我选用Y系列（IP44）三相异步电动机为主动机，型号为Y90S4，它的额定功率为1.1千瓦，转速为1400转/分，最大额定转矩2.2 ，转动惯量 0.0021kg.m ，质量为22kg。电动机传动分为二级传动，一级传动比为5，二级传动比为1.2。2 同步带传动的设计的计算：（I） 第一次传动计算（II）第二次传动计算小齿轮用40Cr，调质处理，硬度241HB286HB，平均取为260HB；大齿轮用45钢，调质处理，硬度229HB
27、286HB，平均取为240HB。 （III）同步齿形带带轮 对同步带带轮应满足以下要求：重量轻、质量分布均匀、安装中性好、消除制造中产生的内应力。所以选用齿形角为40度的8号直线齿廓专用铣刀。 , （II）第二次传动计算计算项目 计算内容 计算结果 第二节 齿轮的校核计算 上摇臂的左右运动采用滚珠丝杠来完成，而且用国产的直流电机驱动丝杠，用齿轮传动对其进行减速。齿轮的传动比为1.5。电机的功率为0.61kw，转速为800rpm。下面为齿轮的校核计算部分。计算项目 计算内容 计算结果 第三章 气动系统设计第一节 气动回路设计一 明确边料机气动系统自动工作过程的要求 I 升降汽缸：接通电源，活塞杆
28、由内向外运动，支架上升； II 装卸边料汽缸：接通电源，活塞杆由外向内运动，装卸边料卷取管； III 装卸边料汽缸：接通电源，活塞杆由内向外运动，装卡边料卷取管； IV 升降汽缸：接通电源，活塞杆由外向内运动，支架下降； V 压力杆汽缸：接通电源，活塞杆由内向外运动，将边料压紧在主动轮上； VI 张力汽缸：接通电源，活塞杆由内向外运动，给予边料一定的压力。二 气动回路的设计 1气动件及辅助件的选择 由于边料机和气缸控制的动作均为直线运动，故此选用单作用气缸。所用动作的控制又由PLC控制电磁阀完成。所以所有执行元件选用带有磁环的单活塞双作用推力气缸。 1）升降气缸的选择 因行程较长为330毫米且
29、支架按照一定的角度升降，初步选择具有缓冲性能的SCDGBD-S型汽缸。 确定汽缸的主要参数：根据工作给定的数据，并给出一定的余量可得工作推力F1=800N， 工作压力P=490Kpa，载荷率 =0.8，=51.0mm。根据计算结果并查缸径标准参数可取D=50mm。而根据边料机需此行程为S=330mm,因此汽缸选用SCDG50-330。 执行元件耗气量计算：根据上述所得数据，加上汽缸活塞完成全行程所需时间T=1.655s,可得Q= =3.14=393cm/s .2） 压力杆汽缸选择 行程较短为60 mm初选后决定安装具有缓冲性能的SCDGBD-S标准汽缸。确定汽缸的主要参数：根据实际工作需要的数
30、据，并给出一定的余量可得工作推力F=500N 工作压力P=490Kpa，载荷率=0.8，=40mm 根据计算结果并查缸径标准参数可取 D=40mm而根据工作的具体要求，此行程为S=60mm 可选SCDG40-60。 执行元件耗气量计算：根据上述所得数据，加上气缸活塞完成全行程所需时间T=0.3s， 可得：Q=3.14=251cm/s.3) 张力气缸选取行程300mm处选后决定安装的是具有缓冲性能的SCDGBD-S标准气缸。确定气缸主要参数：根据实际工作需要的数据，并给出一定的余量可得工作推力F=70N，工作压力P=490Kpa，载荷率=0.8，=15.1mm 根据计算结果并查缸径标准参数可取D
31、=16mm而根据工作的具体要求，此行程为S=300mm，所以选用气缸SCDG16-300。 执行元件耗气量计算：根据上述所得数据，加上气缸活塞完成行程所需时间T=0.3s， 可得：Q=3.14=40cm/s. 2 控制元件的选择根据系统对安全可靠性、控制性能、响应速度，气源净化等因素要求的高低以及工作环境，控制元件体积的要求考虑，由于边料机所处工作环境要较好，体积也较小。对可靠性、起源净化要求不高。相对来说对控制性能和响应速度的要求则较高。因为电磁阀相对于其他控制元件，其控制性能较好，响应速度较快，可靠性则一般。在恶劣环境中适应性较差，综合起来选用电磁阀比较合适。 由于个气缸工作条件相同，故所
32、有电磁阀均选用SVK1205D-02（带有磁环传感器）。 气压三联件选用SAC2000-02D（其中调压阀选用SAR2000，压力为490Kpa时，其额定流量为8330cm/s. 3 气动辅助件的选择 1） 分水过滤器 油雾器 由于前面已经选择好了调压阀，所以所选择的分水过滤器和油雾器必须跟调压阀相匹配。它们的通信要与调压阀相一致。所以分水过滤器选用SAF2000（普通型50 ） 油雾器选用SAC2000-02。 2） 消声器 应与气控阀排气口相配合，选用7000-118。第四章 控制系统设计第一节 边料机运动的设计要求一 设计要求1 边料机是在分切机分切塑料薄膜后卷取百年料的一台自动化机器。因此它的运转必须要做到与边料机同步，必须有速度检测与反馈系统。2 塑料薄膜边料必须在一定的张力下进行卷取。因此必须有张力检测和反馈装置。3 塑料薄膜边料必须在卷取时有导向装置进行分布，必须具有导向装置的位置限定功能。二各气缸的初始状态工作顺序表与编号1边料机气缸编号与初始位置气缸编号与初始位置序号名 称数 量初始位置（气缸杆）1装取边料卷取管（加紧）2外2卷取臂升降2内3压力轮2内4张力摆动杆1内2边料机气缸工作顺序表气缸工作顺序表顺序作 用动作气缸数动作要求备 注 1卷取臂升起 2 内外 2装边料卷取管 1外内外 3卷取臂降 2 外内 4张力摆动杆 4 内外根据卷取时张力确定 5压力杆
