摘要
食品加工工业在我国经济中具有十分重要的地位和作用。它和人们的生活息 息相关，所以许多包装食品的加工行业的发展已经成为经济发展必不可少的一部 分。发展现代工业离不开包装工业。发展现代化的包装工业，就要靠发展先进、 实用、经济、可靠的包装机械来保证。随着科学技术和人们生活水平的提高，对 象酸奶这类的保健休闲食品的需求也越来越大，进而也带动了酸奶包装行业的发 展，所以在这种市场经济背景下就出现了酸奶灌装机的快速发展。
本设计在满足功能原理实现的条件下，考虑了机械的工艺性和经济性，并参 考了其它各类成型机械的设计优点且在原有机械上进行了创新和改进。本设计的 酸奶灌装机主要是对其中的主传动和控制部分的设计。其中传动机构主要是利用 带传动和链传动实现；本设计的酸奶灌装机选取触摸屏操作， 控制电路控
制，具有操作简单、误差小等特点。
本机适用于塑料瓶的酸奶灌装、封合；灌装的瓶子直径可达©
PLC的
30〜© 70mm,
高度可达85〜145mm;生产能力可达16〜32瓶/分；通过改变参数来改变机械的 生产效率；整机为卧式布置。
关键词：酸奶；灌装；PLC ;触摸屏；
Abstract
Food process ing in dustry in Chin a's economy has a very importa nt positi on and role. It is closely related to people's lives. So many of forming food processing in dustry has become so in dispe nsable part of econo mic developme nt. The developme nt of modern industry can not be separated from molding industry. Shaping the developme nt of moder n in dustries, we rely on the developme nt of adva need, practical, econo mic, and reliable to en sure that the moldi ng mach ine. As scie nee and tech no logy and people's liv ing sta ndards, such as yogurt for sn ack foods such as the dema nd for health care is also grow ing. Yogurt and the n in tur n has also led the developme nt of process ing in dustries. Therefore, in the con text of a market economy such a yogurt on the rapid development of filling machine.
The design features to meet the conditions for the realization of the principle, con sider the process of mecha ni cal and economy, and tak ing into acco unt other types of molding machines and the design merits of the original machinery on innovation and improvement. The yogurt filling machine designed mainly for the main part of transmission and control design. One of the main transmission mechanism is the use of belt drive and chain drive to achieve; the yogurt filling machine designed to select the touch screen operation, PLC control of the control circuit has a simple error, and good san itary con diti ons.
The machine applies to the yogurt filling plastic bottles, sealing; filling up the bottle diameter © 30 ~ © 70mm, height up to 85 ~ 145mm; product ion capacity of up to 16 ~ 32 bottles / min; by cha nging the parametersto cha nge mecha ni cal product ion efficie ncy; mach ine for the horiz on tal layout.
Key words : : yogurt; filling; PLC; touch screen;
第1章前言 ...................................................................... 1
1.1题目的研究背景 ......................................................... 1 1.2国内外的研究现状 ....................................................... 1 1.3题目的设计内容 .......................................................... 2
第2章总体方案设计 .............................................................. 3
2.1设计任务分析 ........................................................... 3
2.1.1设计参数 ......................................................... 3 2.1.2根据参数及要求设计任务书 ........................................ 3 2.2确定黑箱 ................................................................ 4 2.3工艺原理方案设计 ........................................................ 4 2.4功能分解 ................................................................ 4 2.5用形态学矩阵求解 ........................................................ 5 2.6确定边界条件 ............................................................ 5 2.7方案评价 ................................................................ 5 2.8方案简图 ................................................................ 6 2.9总体布置 ................................................................ 6 2.10主要参数的确定 ......................................................... 7
2.10.1尺寸参数 ........................................................ 7 2.10.2运动参数 ........................................................ 7 2.11循环图的绘制 ........................................................... 7
第3章传动系统的设计计算 ....................................................... 8
3.1动力机的选择 ............................................................ 8 3.2总传动比的计算及传动比分配 ............................................. 8 3.3各轴功率与转速计算 ...................................................... 9 3.4传动零件的设计计算 .................................................... 11
3.4.1 带的设计计算： ................................................ 11 3.4.2链传动设计计算 ................................................. 15 3.4.3齿轮传动设计计算 ............................................... 17 3.4.4联轴器的设计选用 ................................................ 21 3.4.5减速器的设计选用 ............................................... 22 3.4.6轴设计和强度计算 ................................................ 22 3.4.7轴承的设计计算 .................................................. 26 3.4.8键的设计选用 .................................................... 27
第4章控制部分设计 ............................................................ 29
4.1触摸屏的选择 ......................................................... 29 4.2传感器的选择 .......................................................... 30 4.3变频器的选择 ......................................................... 30 4.4电磁阀的选择 .......................................................... 31 4.5电磁离合器的选择 ..................................................... 31 4.6 PLC硬件选择 ......................................................... 31
4.6.1 PLC连接电路图 ................................................ 33 4.7 PLC软件设计 ........................................................ 34
4.7.1 PLC控制流程图 ................................................. 34 4.7.2程序设计 ........................................................ 35 4.7.3梯形图 .......................................................... 36 4.7.4程序指令 ........................................................ 37
第5章设备维护使用要求 ......................................................... 38 结论 ........................................................................... 39 参考文献 ....................................................................... 40 致谢 ........................................................................... 42
..................................................... 错误!未定义书签
第1章前言
1.1题目的研究背景
食品加工工业在我国经济中具有十分重要的地位和作用。它和人们的生活息 息相关。所以许多包装食品的加工行业的发展已经成为所以经济发展必不可少的 一部分。发展现代工业离不开包装工业。发展现代化的成型工业，就要靠发展先 进、实用、经济、可靠的包装机械来保证。 随着科学技术和人们生活水平的提高， 对像酸奶这类的保健休闲食品的需求也越来越大。进而也带动了酸奶加工行业的 发展。所以在这种市场经济背景下就出现了食品包装机械的快速发展。
1.2国内外的研究现状
中国食品和包装机械形成行业仅 20年，基础相对薄弱，技术及科研力量不足， 其发展相对滞后，在某种程度上拖了食品和包装工业的后腿。
预测到2010年，国
内行业总产值可达到1300亿元（现价），而市场需求可能达到2000亿元。如何能 够尽快的赶上并且抓住这个巨大的市场是我们迫切需要解决的问题。
我国食品包装机械起步于上个世纪 70年代末，年产值只有七八千万元，产品 品种仅有100多种。近5年来食品和包装机械行业每年以11%-12%勺平均增长速 度发展，高于同期国民经济增长速度，销售总额由1994年的150亿元增加到2000 年的300亿元，产品品种由1994年的270种发展到2000年的
3700种
产品水平上了新台阶，开始出现规模化、
成套化、自动化的趋势，传动复杂、
技术含量高的设备开始出现。可以说我国的机械生产已满足了国内的基本需求， 并开始向东南亚及第三世界国家出口，如我国2000年的进出口总额为27.37亿美 元，其中出口额为12.9亿美元，比1999年提高了 22.2%。在出口的机械品种中 以食品（乳品、糕点、肉类、水果）加工机、烤箱、封装、贴标签机、纸塑铝复合 罐生产设备等机械出口较多，食品机械如制糖、酿酒、饮料、液体食品灌装机等 设备已开始成套出口。工业发达国家食品和包装机械的发展，都是建立在广泛试 验研究基础上的，为了实现2010年本行业的发展目标，并为以后的发展打下基础， 我们必须重视试验基地的建设。由于历史原因，这个行业研究力量和试验手段不 仅十分薄弱、分散，而且没有充分被利用，应该通过调查研究，组织协调把现有 的试验研究力量组织起来，进行合理分工。还要充分利用其它行业，特别是军工 部门的技术力量和试验手段，为食品和包装机械行业服务。与此同时，为了提高 行业的开发能力，加速开发过程。根据本行业的特殊需要，建议国家投入一部分 资金，进一步加强本行业试验研究中心建设。行业试验研究中心任务是对共性技 术、基础技术、带有方向性技术进行系统试验研究， 并对国外先进技术进行跟踪。
国际食品机械的科技发展走势将如何变化？国际标准化组织
（ISO）、欧洲标
准化委员会（CEN及美日等发达国家，纷纷修订了新一轮的食品机械相关技术标 准，安全卫生要求进一步
受到重视，以适应和满足食品加工对食品安全的要求； 高新技术在食品机械中得到广泛应用，成为提高食品机械技术含量的重点内容； 技术创新力度进一步加强，成为新一轮食品机械技术跨越的重要措施和手段；技 术壁垒的门槛越垒越高，成为食品机械技术竞争的主要形式。通过这些新的重大 变化可以看出，国际食品机械经济效益的获取方式，不再是传统意义上的品种、 数量、规模、性能等物化的有形资本，取而代之的是高新技术、技术标准、技术 壁垒、技术创新、安全卫生等无形资本的巨大作用。这种作用在食品机械领域的 全球经济一体化进程中越来越显著，成为保护本国经济利益、提高技术竞争能力、 扩大本国产品出口、限制外国产品进口的重要手段，一个开放性的、以无形资本 为科技竞争重点的国际食品机械市场体系正在逐步形成。
引进技术的消化吸收要立足于提高自主开发能力和制造能力。
要吸取上世
纪80年代引进技术消化吸收工作中的经验教训，今后引进技术要密切结合市场需 要和国际技术发展趋势，以引进新技术为主设计制造技术为辅。引进技术要和技 术攻关与试验研究相结合，安排足够的消化吸收资金，通过技术攻关与试验研究， 真正掌握国外先进技术和设计思想、设计方法、测试方法及关键设计数据、制造 工艺等技术诀窍，逐步形成自主开发能力和改进创新能力。引进技术还要和企业 的技术改进相结合，安排好相应的技术改造资金，使引进的技术能够迅速形成生 产能力，转变成商品进入市场。要努力扩展渠道，采取各种方式积极开展国际合 作，包括合作开发、合作制造、人才引进、派出人才培训等，取人之长，补已之 短。
1.3题目的设计内容
本设计的酸奶灌装机采用4个灌装头与4个封合头来实现灌装与封合，每分 钟完成16~32瓶酸奶的灌装与封合。封合采用热封，应用PLC技术控制灌装机实 现其工艺过程。
第2章总体方案设计
2.1设计任务分析
2.1.1设计参数
参数：
① 灌装头数：4个
② 生产能力：16〜32瓶/分 ③ 瓶口规格© 15-© 20mm ④ 灌瓶处高度：50 ± 15mm ⑤ 圭寸合头数：4个 ⑥ 瓶的高度140mm 要求：
① PLC控制灌液与封合 ② 采用热圭寸
2.1.2根据参数及要求设计任务书
课题编号 设计单位 主要设计者 机电053班 刘礼 功 能 课题名称 起止时间 课题经费 酸奶灌装机执行部装设计 2009.3.2 〜2009.6.27 30000元 液体灌装与封合 1 2 3 4 5 6 7 8 主要技术参数 生产能力 可靠性 使用寿命 经济成本 人机工程 安 1、灌装、封合头数：4个 2、瓶盖尺寸：直径 30〜60mm咼20mm 20瓶/分 定量》98% 10年 费用30000元 操作方便 保证人身、设备安全 起重防震 全 9 包装运输 2.2确定黑箱
送瓶 1 ------------ 1 ------ 已加工瓶 1 ------------- 黑箱 1 ------ 信号 - -----
显示信号 1 ------ » 图2.1黑箱图
2.3工艺原理方案设计
送瓶一一灌液一一封合一一出瓶
2.4功能分解
总功能：酸奶灌装与封合 输送功能：瓶的运输与输出 传动功能：瓶的进给
控制功能：灌液控制，封合控制，安全保护控制，人机交互
图2.2功能分解图
2.5用形态学矩阵求解
分功能 空瓶的输送 功能解 1•输送带2圆盘 空瓶的进给 液体的灌装方式 封合方式 总方案：2X 1 X 3X 2= 12
1.螺旋机构2.输送带 1•常压灌装2.气压灌装3.液压灌装 1.热封2.冷封
确定方案：在四种方案中根据机器的形式为直线型，所以对送瓶机构选择输 送带。灌装方式选择常压，酸奶在常压下就可以进行流淌。
2.6确定边界条件
(1) 机器要有防护罩，确保加工人员的安全。 (2) 机器对外界的噪声要控制在 40—50之间 (3) 机器运行时人禁止手伸进机器里。 (4) 机器要在环境清洁的位置工作
2.7方案评价
工程设计的各个阶段，对多种方案都要进行评价决策，逐步优化，得到以下 种方案：
(1) 输送带、螺旋机构、常压灌装、热封 (2) 输送带、螺旋机构、常压灌装、冷封 (3) 输送带、输送带、常压灌装、热圭寸 (4) 输送带、输送带、常压灌装、冷封
1 .技术目标
(1) 技术性能 能实现药材破碎，节省人力。
(2) 工艺性 在机器中任何一个零件都能加工，而且不是很复杂。 (3) 可靠性机器在正常运行的情况下能工作 8年以上。 (4) 自动化程度等 半自动化机器
2.
经济目标
(1)成本 成本低廉。(2)利润 利润可观 (3)投资额
投资小。(4)回报率 回报高
4
3.
社会目标
(1) 节能 节能效果好，不浪费材料和电力 (2) 环境污染 对环境没有污染。
再根据上面条件，所以选择方案 1可以节省成本、节省电力也节省使用者成 本。
2.9总体布置
输出 封合灌装螺旋机 动力与传动
图2.4总体布置图
2.10主要参数的确定
2.10.1尺寸参数
工作台高1200mm
2.10.2运动参数
送瓶的速度 7送=3.3mm/s
2.11循环图的绘制
输送带个
0
灌液个 丨 !
0
10 1图2.5循环图
5
10
15
第3章 传动系统的设计计算
3.1动力机的选择
由于本台机器对动力要求不是很严，强度和刚度不是很大，所以选择类比法 选择电机。 由［1］表10-4-1.查得：
MB变速机
型号07 功率0.75KW 转速 200~1000r/min 输出扭矩6~12 输出轴直径22.5 生产率16~32瓶/分 总传动比的计算和分配 因为生产率是16~32瓶/分 所以主轴转速为4~8r/min 总传动比为200/4=50
当生产率为32瓶时，即主轴转速为8/min 则电机地转速为400r/min 小于 1000r/mi n
所以电机的转速区间在200~400r/mi n
3.2总传动比的计算及传动比分配
1 .总传动比的计算：
生产率为16~32瓶/分，即主轴转4~8r/min
i
总传动比：
n
电
—
200
4
50
n主
2 .传动比分配：
带传动比为i带4
蜗轮蜗杆减速器传动比为i减5.5 链传动比为i链2.3
3.3各轴功率与转速计算
传动装置总效率 皮带传动效率带
带 减 链
0.95 0.686
减速器效率减
链效率链0.90 所以，传动总效率 由［2］中表1.1-22得：
0.95 0.97 0.686 0632149
1. 0轴：0轴即电动机轴 P0 Fr 0.75kw n0 200r/ min
p0
T0 9.55
0
n。
9.55
0.75 200
0.035812Nm
2. I轴即大带轮所在轴
F1 F0 带 0.75 0.95
n° i带
0.7125KW
n1
0
200 “ / -
50r / min 4
T1
p
9.55」9.55
n1
0 7125 50
0.06804375Nm
3. U轴即减速器输出轴 P2 R .承 0.705375KW
匕 100
9.090909r/mi n
i肩11
TP2
0.705375
2 n9.55丄9.090909
9.55 0.7409964N m
K1
? 4. 川轴即动力分配轴
P3
P2 减
0.705375 0.686 0.48388725 kw
n2 9.090909
“
3
i
3.95256913r/min 减
2.3
P3
0.48388725
T
3
9.55
n9.55 -
3.95256913
1.169144191 N m
3
5. W轴即执行轴
P
4
P
3链承
0.48388725 0.90 0.99 0.431143539kw
T5
n3.95256913 4
1
3.95256913r/min
T4
9.55旦
9.55 °.431143539n4
3.95256913
6. V轴即与分配轴重合轴
P5 F4 齿 承
0.431143539 0.97 0.99 0.41402714kw 加 n3.95256913 i齿
5
1
3.95256913r/min
9.55
P
L
9.55 0.41402714 1.000351684 N m
n5 3.95256913
7. 切直齿齿轮轴
1.0417074772 N m
n6
3.95256913 3.95256913r/min
1 9.55」
n5
F6
9.55 -
0.397590262 3.95256913
8. %锌纸轴
P
7
P
6
承
0.397590262 0.97 0.99 0.381805677kw
P 6 P5 齿 承 0.41402714 0.97 0.99 0.397590262kw 3.95256913 n5 ne 3.95256913r/min n7 i
1 齿
T7
P7
T6 9.55 丄
n5 0.381805677 9.55 -
3.95256913
0.934934414N m 0.956229745 N m
各级转速、功率及转矩的数值如表
轴序号 功率P(KW) 2.1所示 2.1各级转速、功率及转矩数值表
转速 n (r/min ) 转矩T( N- m) 0 0.75 0.7125 0.705375 0.48388725 0.431143539 0.41402714 0.3975 0.3818 200 50 9.090909 3.95256913 3.95256913 3.95256913 3.9525613 3.9525613 0.035812 0.06804375 0.7409964 1.16914419 1.0417074772 1.000351684 0.956229745 0.934934414 I n 川 IV V 切
VD 3.4传动零件的设计计算
3.4.1带的设计计算：
1. 确定设计功率巳
由机械设计手册查表14.1-12查得KA=1.1
PC= KA X P=1.1 X 0.75=0.825kw 2. 选取V带的型号
根据R=0.825kw和no 200 r/min 由机械设计手册图14.1-2确定为A型
3. 确定带轮基准直径dd1、dd2
①选择小带轮直径dd1 参考机械设计手册表14. 1 - 18和图14.1-2，取dd1 =70mm
②验算带速V
V= d1 1 . =1.465m/s
60 1000 60 1000
在 V 5— 25m/s，故合乎要求
③确定从动轮基准直径dd2
dn
=
140 200
dd2
吧如
200 140
=
280mm
由参考机械设计手册表14. 1 - 18查得标准值为280mm
④实际从动轮转速门
2
和实际传动比i 不计&影响，若算得
n2
与预定转速相差5%为允许
i =
d
d2 = 280
70
4
dd1
门
0
二空 2=6
4、确定中心距a和带的基准长度Ld
①初定中心a0
本题目没有给定中心距，故按文献［10］第3章 式3— 25确定
0.7(dd2+dd1) < a0 < 2(dd2+dd1)
0.7 (140+280)w a0 < 2 (140+280)
294 < a0 < 840
取 a0 =500 mm。
②确定带的计算基准长度Lc按式
Lc
2
〜2a0
+
dd1)
2 (d+d)+
(d
：4a °
=2X 500+ (
140+280)
(
0)2
+豊 5040
=1669.2
③ 取标准Ld按文献［10］第3章 表3-3取Ld =2000 m
Lc Ld
a = a2000
° +
2 =500+ 2051.75 =525.875 m
2
④ 确定中心距a按文献［10］第3章式3-27
2
a调整范围
a
max
= a+0.03 Ld =528.75+0.03 X 2000=588.75 m
amin
=a-0.03 Ld =528.875-0.03 X 2000=468.875 m
5. 验算包角a
a〜180。-
―X 60
a
(450 200)
=180° - X 60° 3-2=150 > 120 由文献［10］第3章表查得 符合要求 500
6. 确定带根数z
按文献［10］第3章 式3-29
Pc
PT
由文献［10］第3章 式3-19单根V带所能传递的功率
15
P0=ka( P°+ P1+ P2)kW
由文献［10］第3章 式3-20包角系数ka
0
180. k
a
=1.25( 1 5 而)=1.25( 1 5
180~
C1 =2.07 X 10 C2=3.92 X 10
3
C3 =5.5 X 10
C4 =2.55 X 10 5
L0
=1320 mm
=2 n =2 =78.5rad/s
=60 = P°=dd1 1
〔 C
1-
H-C
3 (dd1 1)2-C
4lg( dd1 1)
〕
=200X 78.5 X [2.07 X 10
4
- 3.92 103
5.5 X
90
10 15
200 78.5 2
2.55 10 lg 200 78.5 5
]
=1.55
______ 2
CT1 __1 1 10」C (4
d-1)
d1
S
5 2 .55 10
2
200
78 .5 lg
彳 “ 3.92
亍
1 10 5
2.55
10 10
1 200 1
1 八 ( 1)
=0.12
p2=C4 dd1 ,lg 电=2.55 X 10
L0
5
X 200X 78.5 X lg 整=-0.00391
1000
p0=ka(p0+ p1 + p2 )=1 X (1.55+0.12-0.00391)=1.666 V带的根数 Z> 巳二
1666
=2.01 取 Z=3根
P0 0.825
用Z型带合理
F。=500巴
( z 2.5
Ka
-1)+q
7、确定初拉力F0按文献［10］第3章 式3-30
F500X
0
= 78F3 年 ).
1006 785
.
25676N
=.
&计算轴压力Q
按文献［10］第3章式3-31
Q=2F0 zsin ^1=2X 56.76 X 3X sin150
2 2
=328.96N
3.4.2链传动设计计算
传动功率P=0.2kw确定链轮齿数Z1
32 Z2 32
(1) 修正功率
Pc pf1f2 0.15kw
式中f1为工况系数 由［4］中第14篇 表14.2-4查得£=1.0
f2为主动链齿数系数 由［4］中第14篇 图14.2-4查得f2=0.75
(2)链条节距p 由［4］中第14篇 图14.2-2和表14.2-2选p型号为16A
节距为25.4 mm
a。 0.2Z1(i 1)p =0.2
32 (1 1) 38.1
=325.12
取 a0 325.12 (3 )计算链长节数X0 X2a0 ZZ
f
sP 0 — 1 1 2
p
2 a。
=2 325.12 32 32
0 25.4
25.4 2
325.12
=57.6
式中
2
Z2乙
32 32 2
3 2 3.14
2
取X。58节
(4Xp 58 25.4 )链条长度L 1000
1000
1.4732 m
最大中心距
c X0
Z2 2
26
a
7c
8f3
、262
8 0
330.2
实际中心距
=328.8792
链速
a
图3.1链轮图
1000P 1000 0.2 v 0.0535
3738.317757N
p
180
32 32 57.3
180120
o
課
0535m/s
o°-
链轮几何尺寸计算
d1
P 25.4 259.18
sin
.180
乙
.180 sin 32 d2
P 25.4 259.18
sin
.180 sin .180
乙
32
da1 d1 1.25p dr 259.18 1.25 25.4 15.75 275.18 da2 d2 1.25p dr
259.18 1.25 25.4 15.75 275.18
3.4.3齿轮传动设计计算
1. 低速级传递功率 R=0.483KW小齿轮转速n1=3.95 r/min,传动比i= 1,每天 2班，预
期寿命10年。
1）.择材料，确定精度等级及许用应力
齿轮材料选用40cr钢，调质处理，齿面硬度250〜280HBS表 5-1）。 由式（5-33）计算应力循环次数N
N1 60n1 jLh 60 3.95 1 （10 300 16）
1.1376 10
7
N1
1
77
N2
i
1.1376 10
由⑸中图 5-17 得 Zn1 1.1
ZN2 1.1
取
Zw
1.0
取 ZLVR = 0.92
取SH lim 1.0确定接触疲劳许用应力
按齿面硬度250HR餉162HBS由⑸ 中图5-16 （b）,得 Hlim1 =690MPa
H lim 1
S
H min
Z
[H]1
HHm2
N1Z X1ZWZ LVR
698.28MPa
=440MPa 由 ［5］中式（5-28 ）计算许用接触应力
[H]2 込ZN2ZX2ZWZLVR 689.28MPa
S
H min
[H 1
]
[
H ] 2 506MPa
2）.按齿面接触强度确定中心距
小轮转矩
T
1
,由式(5-2)
6P1
T1 9.55* 10 二 1167759.494N ?mm
初选Kt
6
Zf
11
.取a 0.4，由⑸中表11-5得ZE 1889.MPa，减速传动
2
cos sin u=i=1。由⑸中式（5-14）计算
2 cos20 sin 20
2.5
由⑸中式（5-18 ）计算中心距
a
(u 132KT^1UZHZZEZ/[H])2
)
(
182mm
取中心距=185mm
估算模数 m=（ 0.007〜0.02 ） a=1.295〜3.7，由［5］中表5-7取标准模数
m=2.5mm
齿数 1 =
m(u 1)
74, 2 U 1 74
齿轮分度圆直径 d 1=mz1 =185mm
d
齿轮齿顶园直径
2 =mz2 =185mm
d a1 =d1 +2ha m=190mm
a2 =d2 +2ha m=190mm
d
齿轮基圆
d b1 =d1 cos =174mm d
b2=d2 cos
=174mm 0.038m/s
圆周速度
v
d\" 60 10
由⑸中表5-6，选齿轮精度为8级
3）.验算齿面接触疲劳强度
按电机驱动，载荷平稳，由表 5-3，取 如1.0
由［5］中图 5-4（ d）,按 8 级精度和 VZ/100=0.02812m/s,得 KV=1.125。 齿宽 b aa 0.4 185 74mm。
由［5］中图5-7（a）,按b/d 1=74/185=0.4,低速级轴的刚度较大，二级传 动中齿轮相对轴承为非对称布置，得
由 ［5］中表 5-4，Ka=1.1 由⑸ 中式（5-4）计算载荷系数K
K 1.01
KAKVK K 1.249875
按［3］的公式计算端面重合度 齿顶压力角
a2
173.8431348 “ c
23.8 a1 arccos— arccos
190 da1
arccos匹竺谗 23.8 -d b2
arccos— 190
da2
b1
d
1 (ta
a1
tan ) 2 (ta n a2 tan )] 1.81659
n
由⑸中式（5-13）
计算
0.853113904
由⑸中式（5-17 611.69MPa [ H ] ）计算齿面接触疲应力698.28MPa,安
全。
4）.校核齿根弯曲疲劳强度
按 ZI=74,Z2=74 由⑸ 中图 5-14 得YFa1 2.29，YFa2 2.29 ;由⑸ 中图 5-15
得 Ysa1 1.75，Ysa2 1.75。
0 75
由⑸ 中式（5-23）计算 Y 0.25 075
0.663
由⑸ 中图 5-16（b）,得 Flim1 290MPa Flim2 290MPa
由⑸中图 5-15，得 YN1 1.0，YN2 1.0
1.0
由[5]中式（5-23），m=2.5< 5mm, YX1 YX1 取
Y2.0
ST
， SF min
1
・
4 0
由⑸ 中式（5-31 ）计算许用弯曲应力
YST
[F]1 Flim1 匹 YN1YX
SF lim
414MPa
YST
[F]2 Flim2 』YN2YX 414MPa
SFlim
由⑸ 中式（5-24）计算齿根弯曲应力 5）.齿轮主要几何参数
F1
|^沿伦1丫
bd1m
F1
226.617MPa [ F ]1 414MPa，安全
[ F]2 414MPa，安全
YFa2Ysa2/YFa1Ysa1 226.617MPa
乙=74,Z2=74， u=1,m=2.5mm
F2
d1=mz1=185mm d2 =mz2 =185mm da1 =d1 +2ha m=190mm da2=d2 +2ha m=190mm
d f 1=d1-2(ha +c )m=182.5mm df2=d2-2(ha +c )m=182.5mm 1
a
2
(d1 d2) 185mm 齿宽 b2=b=74mm取 b1=bs+(5 〜10)=80mm
6) .轮结构设计
小齿轮da1 da2 190mm〈200mm所以制成实心结构的齿轮。
344联轴器的设计选用
已知理论上所需传递的转矩T 35.813 N-m，则连轴器实际传递的转矩
Tc Tg/ Tn
式中T――理论转矩（N・m）;
K――工作情况系数； Kw ――动力机系数； Kz ------- 启动系数； Kt ――温度系数。
查［2］中表 22.1-1 得 K=1.25 Kw=1.0
Kz=1.0 Kt=1.1，则
Tc TKKwKzKt 35.813 1.25 1.0 1.0 1.1 42.975 N -m
查［2］中表22.2-1选取轴直径为54mm的平键套筒联轴器，其许用转 矩 Tn=127N m> Tc。
查［2］中表22.2-1选取轴直径为80mm的圆锥销筒联轴器，其许用转 矩 Tn=165N m> Tc。
345 减速器的设计选用
已知中等冲击载荷，每日工作16h,输入转速n=50r/min，输入功率P=0.72kW, 输出转矩T3=9.55 X仁=0.7409964N・m传动比i=5.5。
3
P1. 按强度条件选择减速器：由［2］中表18.1-79查得KA=1.5，计算输入功率
巳 KAP 1.5 0.72 1.08 kW
查［2］中表 18.1-76，选择 a=100mm, i=10,额定输入功率 PP=5.7KW>PC
2. 校核输入热功率：查［2］中表18.1-77当i=10，n=1000r/min， a=100mm
时，PPT =3.5 kW>Pc ,所以选择型号为DL20圆柱齿轮减速器可 以满足工作要求。
3.4.6轴设计和强度计算
以下设计计算步骤参考于［15］中19-25页的设计实例。
1.主轴的设计 1）初步估计轴径
选择轴的材料为45钢，经调质处理，由［15］中表19.1-1查得材料力学性能 数据为：
b 650MPa s 360MPa
1
270MPa
1 155MPa
E 2.15 10MPa
5
根据［15］中表19.3-1公式初步计算轴径，由于材料为 45钢，由［15］中表 19.3-2选取A=112，则得
dmin
rp o 414 A；— 112；; — 45.48mm \\ n \\ 3.95
2） 轴的结构设计
根据轴的受力，选取深沟球轴承60000,其宽度B=20mm 取装链轮处的轴径d,
为便于轴承的装配,
50mm,安装机架处的轴径为d,
50 mm
3） 轴上受力分析（图3.1b ）
链轮传递的转矩由前得知
T1 934.493 N m
F1t
2T
1
2 934.493 0.5
3737.972 N
d1
链轮的圆周力 链轮的径向力
F1r F1t tan 1360.510 N 4）求支反力
a. 在水平平面内的支反力（图3.1 c）
RBZ (a b) F1ra 0 RBZ 579.122N
由 Z 0得
R
AZ
F
1r
F
BZ
RAZ 781.388N
b. 在垂直平面内的支反力(图3.1 e)
RAy 0.2RBy 5）作弯矩和转矩图
a.水平平面的弯矩图（图3.1 d） 链轮在水平平面的弯矩
M CZ1 F1r a 239.450N・m
0.17Ft1 622.995 N
b. 垂直方向的弯矩图（图3.1 f）
链轮在垂直平面的弯矩
M Cy1 F1t a 2401.760 N -m c. 合成弯矩图（图3.1 g）
链轮的作用力在D截面的合成弯矩为
M D pM； M Dy
2412.866 N-m
d. 作转矩图（图3.1h ）
T1 18.192Nm 2. 轴的强度校核 1） 确定危险截面
根据轴的结构尺寸及弯矩图、转矩图，截面 故D截面是危险截面。现对 D截面进行校核。
D处弯矩较大，而且直径较小;
2） D截面安全系数校核计算
由［15］中表 19.3-16 查得W 10.7 10 m3 弯曲应力幅为a 皿 225.5 MPa
6
W
由于是对称循环弯曲应力，故平均应力 由［15］中表 19.1-1 查得 1 270MPa 由［15］中表19.3-5按键槽查得K 1.51 由［15］中表19.3-8查得 0.95 由［15］中表19.3-11查得 0.84 根据［15］中式（19.3-2 ）
m
0
S
1
K ------- 142.7
m
由［15］中表
19.3-15查得WP
d bt(d t) 16 2d
3 2
95.100 10 m3 则
6
155MPa
由［15］中表19.3-5按键槽查得K 1.7
2WP
由［15］中表19.1-1查得1
1446MPa
由［15］中表19.3-13查得 0.21
, 同应力情况
根据［15］中式(19.3-3 )
S
1
K ------ 45.858
m
轴D截面的安全系数由［15］中式（19.3-1 ）确定
S S
S -------------- 43.9
22SS
由［15］中表 19.3-4 可知，［S］=1.8 〜2.5 故S＞［S］,该轴D截面是安全的。
a) P =rrrF=37N7 205 | 箪1139 € / FD=1360N B
b)f — RFr=1360N Z=623N c) d)
yil 山也皿yOUOUBT— F=1360N IM=240NI e) =623N
f) My=2402Nm g)
■nujpnlM=669Nm
h)
nil. ..III. Ill .III .LIL」止-.MMU1E
T=19Nm
图3.2轴的载荷分布图
3.4.7轴承的设计计算
将动力传给链轮轴上的轴承
以下设计步骤参考于［5］中210页例9-2
1.轴承的选用
根据轴的受力，选取深沟球轴承 6210。
查［15］得，6210轴承的 C 35OOON,C0 23200N
R=31N0
2.计算当量动载荷
F由轴承1和轴承2承受，故
由轴承的固定方式知，轴向外载荷
A A2 2412.866N
查表 9-6，因 A / 23200 1.081，插值确定 e,
0.28
由 A/R 2412.866/1360 2.37 e 0.28
所以 X1 1.56\" 1.71
由表9-7，按传动装置查取fd 1.1
由表 9-4， ft 0.95
因轴承不承受力矩载荷，故fd 1
所以 P
fd fm(X1R1 纸AJ 1.1 1 (0.56 1360 1.71 1868.5) 4352N
1496N
P2 fdfmR2
3. 校核轴承寿命
因R P2，故按R计算
10
L10h
6
60n P
fC 5(- )
t
―
15164.7h
1_伽=15164.7 l_10h'=15000h,故 6120轴承适用。
3.4.8键的设计选用
链轮装在主轴上，需用键进行周向定位和传递转矩。由前面设计计算得知： 链轮材料为钢，轴的材料为45钢，链轮与轴的配合直径为50mm，齿轮45钢,
轮毂长为L=58mm。选择最常用的圆头（A型）平键，因为它具有结构简单，对 中性好，装拆方便等优点。键的截面尺寸由键所在轴段的直径
d由标准中选定，
键的长度由轮毂的宽度确定，查文献［7］表3-15得，b h=16 45。普通平键的 主要失效形式是键，轴和轮毂三个零件中较弱零件的压溃。由于齿轮材料是钢， 许用挤压应力由文献［29］表2-10查得 p =100MPa。键的工作长度L=45mm。第4章控制部分设计
4.1触摸屏的选择
根据本台机器的工艺要求，选择 DOPA75CST型触摸屏（如图4-1 ）。其主 要技术
参数如下：
7.5 彩色 STNLCD 256 色 ARM9CPU202.8HZ 640 X 480 像素
图形线文字显示
5个功能键 7M Flash Memery 256k bytes SRAM 2个串列通讯口 USB1.1告诉下载
支持SM（卡 输入电压直流24V 触摸面板幕符合IP65规格
图4.1触摸屏
4.2传感器的选择
本台机械在瓶的供送和瓶的封合头上有用传感器的要求，
所以选择热电偶
和光电式两种传感器。
热电偶传感器选择KTY81-110型传感器。它具有精度高，稳定性好，可靠性 强，产品寿命长等优点，该温度传感器已广泛应用于电机变频调速温度控制，太 阳能热水器温度测量领域彩印设备温控，汽车油温测量、发动机冷却系统、工业 控制系统中过热保护、加热控制系统、电源供电保护等。其测量温度范围
-50 C
~150C，温度系数TC0.79%/K精度等级0.5%,探头保护管直径 ①4,①5,①6, 公称压力0.6Mpa，
可选标准安装螺纹 M8X1, M10X1, G1/2 ”任选。
光电式传感器选择欧姆龙的光电传感器 消费电力：小于3W 检出距离:5M. 指向角:3~20,
继电器输出：最大:250V3A,最小5VDC10MA. 响应时间小于或等于：30MS. 工作温度:-25~55 湿度:35~95
周围照明：小于或等于3000IX. 保护构造：IEC60529IP64.
E3JK-5M3其技术参数如下：
4.3变频器的选择
变频器选择6SE6400-0AP00-0AA1型，其输出电压为380〜650V,输出功率为
0.75〜400kW工作频率为0〜400Hz,它的主电路都采用交一直一交电路。其控 制方式经历了
以下五代。
① 正弦脉宽调制（SPWM控制方式 ② 电压空间矢量（SVPWM控制方式 ③ 矢量控制（V。方式 ④ 直接转矩控制（DTC方式 ⑤ 矩阵式交一交控制方式
4.4电磁阀的选择
电磁阀选择DN2C型其主要参数如下：
适用压力：0.02〜20MPa
适用介质：气、水、油、蒸汽、制冷剂、腐蚀性流体 介质温度：-200〜+200C
介质粘度：小于5 0CS t （大于时需定制） 防护性能：防水、防爆、防腐 防爆标志：Exd II CT5 阀门材质：304、316、
控制方式：一进二出、二进一出 ， 一进一出 电源电压：DC3〜127V AC36〜380V 连接方式：内螺纹、外螺纹、法兰 泄漏量：零
4.5电磁离合器的选择
电磁离合器是利用激磁线圈电流产生的电磁力来操纵接合元件，使离合器接 合或脱开。我选择的是 DLY0系列牙嵌式电磁离合器，参数如下：
规格：
额定传递转矩： 额定工作电压： 线圈消耗功率：
10A/10A
100 24 21
允许最高结合转速：35 允许最咼转速：
4000 1.6
重量：
4.6 PLC硬件选择
本台机器有4个传感器信号输入，9个开关量输入，9个输出触点，1个触摸 屏输入。所以选择CPU314 SM32什六点数字输入模块、SM331模拟量输入模块、
SM322数字量输出模块、PS307电源模块
CPU31吐要参数如下：
工作存储器96KB 装载存储器8MB
处理时间位指令0.1 s、字指令0.2 s、整数运算2 s、浮点运算3 s 定时器256个 计数器256个 位存储器256B 模拟量通道256个
块组织块（见指令表）、功能块FB2048功能调用块FC2048数据块DB 功耗2.5w
SM321十六点数字量输入模块主要参数如下：
输入点数16 额定负载电压DC24V 负载电压范围20.4-28.8V 额定输入电压DC24V 输入电压“ 1”范围13-30V 输入电压“ 0”范围-3- +5V 隔离（与背板总线）光耦
SM331模拟量输入模块
模拟量输入模块选择2 12位即2个输入模块、转换精度12位
SM322数字量输出模块
数字量输出模块选择16点直流24V,它把S7-300的内部信号转换成现场过 程需要的信号电平，可以直接驱动接触器、继电器、电磁阀、小型电动机、灯等 设备。
PS307电源模块
输入电压单相交流120/230，50/60Hz 输入电压为DC24NM有短路和断路保护。
461 PLC连接电路图
交
380V
DOPA75CSTD
-光电彳传感感 器
串
I2.1
1J 直流 光电彳传感器 M
5V 122 器
1CP3
二光电 传 U 1
::温度
启动 I0.0 SB2 I0.
输出 2 S7-
输出 3
数 SB5 I0. 电停丄4 I
据
厂・
-
SB6 I0. 电磁离合
器一 5SM3
SB7 I0. 电磁断合 器一
SB8 H
I0. 电磁离合
器|SB9 I1. ， HI
器
7 …•訂开 电磁断开阀门关闭 ＜ —I1. 阀门打—
COM PS3 07
厂］ KM0.
1 “KM
丿|
1 0. KM2
0. L_0. J
i器
U A相 0.
、旦
WC相
0. 24V
DIN1 1OO 9 DIN2
C OM - - E
0.
24V
COM
24V
□离合器
交380V
1.
■T__J
__ 24V 1. C OM + ■ - 24V 图4.2 PLC连线电路图 M1 M 1 PLC通过光电耦合控制开关进而控制电磁离合器的连接和断开，通过控制电 磁阀来控制灌 料，通过控制变频器来控制主轴电机 率的目的。 1的转速，进而达到改变生产 4.7 PLC软件设计 4.7.1 PLC控制流程图 图4.3 PLC控制流程图 4.7.2程序设计 地址分配 1、地址分配 输入端 启动 主电机转 输出带电机转 输出带电机停 主电机停 电磁离合器1连接 电磁离合器1断开 电磁离合器2连接 电磁离合器2断开 阀门开 阀门关 光感信号 光感信号 光感信号 温感信号 输出端 10.0 10.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 11.1 传送带启动/停止 输出带启动/停止 光源1 光源2 光源3 主电机加速 主电机减速 电磁离合器1连接/断开 电磁离合器2连接/断开 阀门开/关 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q1.0 Q1.1 I1.2 I2.0 I2.1 I2.2 12.3 4.7.3梯形图 图4.4 PLC控制梯形图 4.7.4程序指令 LD 10.0 O Q0.0 A I0.7 A I0.6 = A I0.1 A I0.6 O Q0.0 = = = = = Q0.0 Q0.2 Q0.3 Q0.3 Q1.0 Q0.0 LD 12.3 LBL 1 LD I2.0 TON T38,4 LD T38 AN Q1.0 = = Q0.7 Q1.1 LD 12.1 LD Q1.1 TON T37,5 LD T37 A I2.2 AN Q0.7 = Q1.0 JMP 1 第5章 设备维护使用要求 设备维护要求 一、 日维护 1. 断开电源，擦试机器表面、工作台、圭寸口头等部位。 2 •检查传动系统润滑情况。 3.检查各种开关键的松紧情况。 二、 月维护 1. 擦试机器内外部分和开关的接点。 2. 对机械传动部位进行润滑，注油和调整。 3. 对机器进行线路检查，防止漏电打火现象，确保安全。 4. 进行日维护的各项内容。 三、 年维护 1. 按技术说明书进行各项技术指标的测试、调整，使其达到说明书的要求。 2. 检查各机械部分磨损情况。 3. 对机电机进行清洁和调测。 设备使用要求 1•操作人员必须事先培训并经过考试合格； 2. 必须有完整的技术资料、安全运行技术规程和运行记录； 3. 操作人员在值班期间应随时进行巡回检查，不得随意离开工作岗位； 4•在运行过程中遇有不正常情况时，值班人员应根据操作规程紧急处理，并及时 报告上级； 5•保证各种指示仪表和安全装置灵敏准确，定期校验。备用设备完整可靠； 6•设备不得带病运转，任何一处发生故障必须及时消除； 7.定期进行预防性试验和季节性检查； 8•经常对值班人员进行安全教育，严格执行安全保卫制度。 本次主要是对酸奶的主传动和控制部分的设计，主传动通过带传动和链传动 实现的；灌装量是通过 PLC的延迟时间控制灌装触头内的电磁阀来控制实现的； 包装时包装瓶的位置是通过光电传感器定位来实现的；传送带的启动与停止是通 过PLC控制的电机的启动与停止和电磁离合器的连接与断开来实现的。 酸奶灌装机可以实现工人三班倒，机械二十四小时工作，这样就节约的大量 的人力资源。从卫生角度看，机械灌装能实现封闭式灌装，远远的比人工的要卫 生了许多，并且减小了人工产生的误差。最主要的是酸奶灌装机采用的是 PLC触 摸屏控制的，操作简单并且实现了自动化。但是由于初次做此类设计，设计中没 有考虑到空间布置等问题所以做出的设计有些繁琐，在以后的设计中要改善这个 问题。 本设计说明随着社会的发展以机器代替劳动力已经成了必然趋势， 为使包装 机械具有良好的柔性和灵活性，提高自动化程度，须大量采用微电脑技术、模块 技术和单元组合形式。为满足交货期的要求和降低工艺流通成本的需要，除了需 要提高速度外，还可采用连续工作或多头工作方式。只有这样才能解决产品供不 应求的社会现状，提高人们的生活水平，为社会的发展奠定坚实的基础。 参考文献 [1] 机械设计实用手册2 .化学工业出版社. [2] 《机械设计手册》编委会.机械设计手册.机械工业出版社，2004 [3] 孙桓.机械原理.高等教育出版社,2000 [4] 机械设计手册.新版.第二卷.机械工业出版社.2004 ⑸孙志礼.机械设计.东北大学出版社,2000 ⑹ 成大先.机械设计手册.第四版.第三卷.化学工业出版社，2002 [7] 巩云鹏.机械设计课程设计.东北大学出版社，2000 [8] 高德.包装机械设计.化学工业出版社,2000 [9] 机械设计手册.软件版.V3.0 [10] 中国知网.http://www.cnki.net/index.htm [11] 朱辉.画法几何及工程制图.第五版.上海科学技术出版社，2003 [12] 侯珍秀.机械系统设计.哈尔滨工业大学出版社，2003 [13] 中国机械 CAD论坛 http://www.jxcad.com.cn/read.php [14] 包装与食品机械 1997年第15卷 第6期 [15] 机械设计手册.新版.第三卷.机械工业出版社.2004 [16] 机械设计手册.新版.第五卷.机械工业出版社.2004 [17] 赵韩等.机械系统设计.高等教育出版社，2005 [18] 黄靖远.机械设计学.机械工业出版社，2004 [19] 王伯平.互换性与测量技术基础.机械工业出版社，2004 [20] 包装机械设计.辽宁工业大出版，2007 [21] 孙凤兰.包装机械概论.印刷工业出版社,2005 [22] 汤瑞.轻工机械设计.同济大学出版社，1994 [23] 《包装机械机构参考图册》编写组.包装机械机构参考图册.上海科学技出版 社,1998 [24] 许林成等.包装机械原理与设计.上海科学技术出版社，1988 [25] 机械专家网 http://news.mechnet.com.cn/content/2007-05-17.html [26] 中国机械 CAD论坛 http://www.jxcad.com.cn/read.php [27] 周明衡.减速器选用手册.化学工业出版社，2002 [28] 侯珍秀.机械系统设计.哈尔滨工业大学出版社，2003 [29] 黄世清.计算机辅助机械设计.华中理工大学出版社，2003 [30] 孙桂林编.机械安全手册.中国劳动出版社.1999.4 [31] 钟约先等.机械系统计算机控制.清华大学出版社.2002.4 [32] 李方园.触摸屏工程应用.电子工业出版社.2008 [33] 钟肇新等.可编程控制器入门教程.华南理工大学出版社，2005 [34] 杨公源.可编程控制器.电子工业出版社，2005年4月 [35] 刘美俊.可编程控制器应用技术.福建科学技术出版社.2006 [36] 贾伯年等.传感器技术.东南大学出版社.2007 经过几个月的不懈努力，终于顺利地完成了本次毕业设计的全部内容。在这 几个月中，指导老师尚老师投入了大量的时间和精力，她不厌其烦地认真讲解、 指导，对我的毕业设计起到了很大的帮助，她精益求精、严肃认真的治学态度给 我留下了终身难忘的记忆，让我受益菲浅。我要在此刻一一毕业设计即将结束的 时候，致以我最诚挚的敬意和感谢！感谢尚老师在我的整个毕业设计过程中给予 的无私奉献和真切关怀。 在毕业设计过程中，当我遇到困难时同学们也热心地伸出了援助之手，与我 共同分析问题、解决问题，使毕业设计顺利地进行下去。当我工作出现困难，心 理上出现波动时，他们都能给予我及时的关心和帮助。我心里十分感激他们，在 此，我对所有帮助过我的同学表示感谢！ 然后还要感谢大学四年来所有的老师，为我打下机械设计专业知识的基础； 同时还要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励。此次毕业设计才 会顺利完成。 最后，再次感谢帮助过我的老师和同学，以及在我的毕业设计过程中所有给 予我帮助的人。感谢辽宁工业大学这四年来对我的大力栽培 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容