自动包装机设计

摘要本设计是全自动立式包装机,它适用于日化、医药、食品、农药等行业的粉料类产品的灌装生产。整机采用不锈钢制造，清洁卫生。它的特点是机械式传动，外形简洁美观，调节便利，同时具有计量功能。灌装速度和灌装容量均可在一定范围内进行调节，从而满足不同的生产需求。整机灵敏性高，速度稳定，工作电压稳定，抗干扰能力强。全自动粉料立式包装机功能完善齐全，操作灵敏简便，包装质量完美，安全卫生可靠。全自动立式包装机由PLC和机械设备组成。设备是供料装置、供膜装置、传动系统、热封装置、切割装置、操作箱等几部分组成。本次设计主要完成传动系统，物料装包系统及总体装配的结构设计。关键词立式包装机 PLC 机械设备目录第1章 绪论11.1包装机的历史11.2我国立式包装机现状11.3我国食品包装机械存在的发展趋势1第2章 设计任务简介32.1立式包装机整体设计要求32.2主要组成部分32.3系统运行方式32.4用途4第3章 硬件设计53.1立式包装机整体的机器图53.2可编程控制器53.3传感器73.4执行元件8第4章 软件设计114.1走线过程114.2 I/O接口表114.3 顺序功能图124.4 梯形图13致谢18参考文献19第1章 绪论为满足现代化商品包装多样化的要求，目前国内外开始不断发展适应多品种，小批量的通用包装机械和设备，从而使得包装机械的形式日趋增多，立式包装机是将具有热塑特性的塑料复合膜经加热软化制成包装容器，在一台设备上自动完成制袋成型，计数充填，封口剪切等全过程的自动包装设备。它常用于食品药品的大众包装中。1.1包装机的历史包装机的最大特点是动作复杂、频繁，且有较多的执行元件。上个世纪在这种场合是使用继电器控制逻辑，这样必然需要大量的中间继电器。到本世纪这些中间继电器在用PLC控制的情况下，就可以对其内部的辅助继电器进行编程后来取代。从物理介质方面来讲，前者是要用具体的电气元件来组合，而后者只是PLC的内部寄存器，在PLC编程容量许可的范围内，可以不花费额外的费用来实现复杂的控制逻辑。一般的PLC都有上百点内部辅助继电器甚至更多，且还有多种专用的内部电器，足可以应付一般的控制要求，唯一需要做的工作就是对PLC进行编程。1.2 我国立式包装机械现状我国包装机械发展较晚，目前正处于起步应用阶段，虽然从九十年代后，我国的制袋充填机有了较快发展，通过参考国内外产品进行消化吸收，自主开发研制，技术上有了很大的提高，但与国外相比，国内大多数产品技术含量低，产品差异程度低，成熟产品技术易模仿和抄袭，造成低水平重复，阻碍了对包装机的技术创新和发展。在产品技术方面，国内包装机的主要特点如下：1.速度低，品种少。2.精度低3.可靠性低4.自动化和智能化水平低1.3 我国食品包装机械存在的发展趋势1.自动化程度越来越高提高自动化程度是包装机械发展最重要的趋势。品种和产量均居世界之首的美国十分重视包装机械与计算机紧密结合，实现机电一体化控制，将自动化操作程序、数据收集系统、自动检验系统更多应用于包装机械之中。日本的包装机械控制系统也十分先进和完善，有效地促进了无人操作和自动化程度的提高。在计量、制造和技术性能等方面居于世界领先地位的德国也高度重视提高包装机械的自动化程度。2、高生产率，高可靠性世界4大包装机械强国(美、日、德)均十分重视市场及用户需求，把提高机器转数提高生产率作为设计追求的重要指标。3、好的柔性和灵活性随着市场竞争日益加剧，产品更新换代的周期已越来越短，因此要求包装机械具有好的柔性和灵活性，这样才能符合经济性要求。4、注重成套性和配套性包装机械设备的成套性和配套性关系到包装机械的功能能否全部发挥，只重视主机生产，而不考虑配套设备完整，将使包装机械应有的功能不能发挥出来。因此开发配套设备，使主机的功能得到最大的扩张，是提高设备的市场竞争力和经济性至关重要的因素。第2章 设计任务简介2.1立式包装机整体设计要求包装机是针对粉状物料而实现自动包装而设计的包装机械。可实现三边封口的包装。被包装的物料通过电磁阀后落入下料嘴，通过下料嘴落入包装袋内。本设计可以通过改变下料口打开时间，改变填充量。填充完成后，小滚轮动作，把装好的向下移动，到光电传感器处停下。横向开始封口，封口花纹采用完整连续的波浪纹。装包封口完成后进入传动部分。2.2 主要组成部分(1)传动系统(2)供膜装置(3)供料装置(4)热封装置(5)切割装置2.3 系统运行方式1系统运行方式分为手动和自动手动：按下启动按钮，手动开关闭合，程序才能够运行，完成相应的动作。自动：按下启动按钮，自动开关闭合，程序开始自动运行，完成一个周期的动作后又接着从第一步开始运动，自动循环。在自动方式下，中途若按下手动按钮，则系统要切换到手动运行，按停止按钮结束全部动作才能停止。根据包装机的实际运行情况，本系统采用自动运行和手动运行两种方式，还必须考虑停止运行方式的设计，可编程控制器的停运方式有正常停运和紧急停运两种。根据控制系统要求，包装机运行期间采用循环工作方式，只有在工作结束或接收到操作人员的停止运行指令或设备出现故障或异常情况时才停止，因此本系统采用硬件切断电源，使系统紧急停车。2控制框图PLC检测元件控制元件执行元件输 入 输 出（I/O）接口 系统控制框图小滚轮（电机M1)下料口（电磁阀）纵向封口1横向封口2、3剪裁1 光电传感器2.4用途适用于食品、医药、化工农药等各种粉末、细粉等物品的包装。如豆粉、奶粉、调味粉料、药品冲剂等。第3章 硬件设计3.1立式包装机整体的机器图 供膜装置 储料缸 放料电磁 拉袋电机 阀 M1 纵向封口气缸 横向封剪气缸 测袋传感器 测箱传感器M2 输送带电机3.2可编程控制器1 PLC与继电器控制系统的比较继电器控制是采用硬接线逻辑，利用继电器触点的串、并联及时间继电器的延迟动作来组成控制逻辑，其缺点是一个系统一旦确定就很难轻易再改动。如果要在现场做一些更改和扩展更是难以实行。而PLC是利用其内部的存储器以数据形式将控制逻辑存储起来的，所以只要改变PLC内存储器的内容，也就可以实现更改控制逻辑的目的。对于PLC来讲，只要用PLC配备的编程器在现场就可以完成更改。至于PLC对外部的联系，只有I/0点，只要输入输出对象不变，就无须对硬接线作任何改动。继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作来实现的。工作频率很低。一次动作一般为数十毫秒。对于复杂的控制，使用的继电器越多，反应就越慢。而PLC是以微型计算机为基础的控制装置，其运行速度为每个指令步数十微秒(对于高速PLC则是5微秒以下)。并且内部有严格的同步，所以不会出现抖动的问题。对于限时控制，继电器是利用时间继电器的延时动作来实现的。由于时间继电器是利用空气阻力，半导体延时电路来实现延时的，所以其定时精度低，调整不方便。且环境温度变化等因素都会对定时精度有直接的影响。而PLC则是由晶体振荡器所产生的脉冲经多次分频后得到的时基脉冲进行计数来定时的，定时范围一般为0.1秒，也有0.01秒的，精度一般高于10毫秒，只要根据需要由编程器送入时间常数即可实现定时时间的设定或更改。由于PLC的定时是对时基脉冲进行计数来实现的，所以如果是对脉冲进行计数，就成为计数器。现代的PLC一般都具有定时器和计数器功能。从可靠性和可维护性方面来看，继电器控制逻辑由于使用了大量的机械触点，连接线也多，触点开闭时产生的电弧会使触点损坏，动作时的机械振动还可能使接线松动，所以可靠性和可维护性都较差。而PLC则采用了无触点的电子电路来替代继电器触点，确切地说是用存贮器内的数据来代替触点，因此不存在上述缺点。而且体积小、功耗小、寿命长、可靠性高、还具有监控功能和自检功能，使程序的运行过程成为透明。2 PLC在全自动包装机上的应用包装机械的最大特点是动作复杂、频繁，具有较多的执行元件。在这种场合使用继电器控制逻辑必然需要大量的中间继电器，而这些中间继电器在用PLC 控制的情况下，就可以对其内部的辅助继电器进行编程后来取代。从物理介质方面来讲，前者是要用具体的电气元件来组合，而后者只是PLC的内部寄存器，在PLC编程容量许可的范围内，可以不花费额外的费用来实现复杂的控制逻辑。一般的PLC都有上百点内部辅助继电器甚至更多，而且还有多种专用的内部电器，足可以应付一般的控制要求，唯一需要做的工作就是对PLC进行编程。事实上PLC用于这种场合是最能显现出其经济性的。当然我们不能忽视了PLC的另一个优点，那就是其运行速度及可靠性和寿命远高于继电器控制方式，从上述意义上来讲，PLC最适合于需要大量中间继电器的场合。且PLC与其他工业控制系统比较具有许多优点：更改控制逻辑只需修改软件，无需对硬件作改动,程序可以复制，批量生产很容易,电气硬件设计大大简化。由于PLC除有继电器功能外，尚有多种其他功能，可以实现继电器无法实现的控制功能，实现某种程度上的智能化，并有可能使机构简化,可靠性高；成本相对于继电器控制稍高，但继电器控制随着所用中间继电器数量的增加，成本急骤上升，而PLC控制几乎保持不变，这一点对于复杂的控制来讲具有无可比拟的优越性；因此，国外在注塑机、各种包装机上已经大量地采用了PLC来取代传统的继电器控制屏，故障率大大降低，性能有了很大提高。我国包装机械目前控制部件大多还沿用继电器方式。如果能用PLC来取代的话，则可以简化机械结构，机械和电气设计都可以得到简化。更重要的是可以使原来无法实现的某些功能得以实现，是机器在某种程度上实现智能化。通过对各种控制系统的分析比较，我们决定采用PLC控制系统。3 本设计用到的PLC西门子（SIEMENS）公司的S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。S7系列PLC产品可分为微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。我选择的是S7-200,如图3.0。 图3.0 S7-2003.3传感器1光电传感器控制系统中要收集膜信号、动盘到位情况和料位情况，所以采用光电传感器。光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。这里所选用的是欧姆龙公司的E3Z-T61-J0SRW-05型光电传感器。如图3.1所示。图3.1 光电传感器实物图T:检测方式为对射型 6：输出形式为NPN输出 1：检测距离为标准J0：附加功能为带自诊断输出功能 S：无定时器功能 R:光源为红色光 W：传感器种类为投受光器套件 05：连接方式为导线引出型0.5m2温度传感器温度是自然界中和人类打交道最多的物理参数之一，无论是在生产实验场所，还是在居住休闲场所，温度的采集或控制都十分频繁和重要，而且，网络化远程采集温度并报警是现代科技发展的一个必然趋势。 由于温度不管是从物理量本身还是在实际人们的生活中都有着密切的关系，所以温传感器就会相应产生。 利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量的传感器。温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。我们选用热电阻，我们选用它是因为它电阻温度系数大而且稳定，电阻值与温度之间应具有良好的线性关系。电阻率高，热容量小，反应速度快。材料的复现性和工艺性好，价格低。 热敏电阻温度特性，在测温范围内化学物理特性稳定。目前，在工业中应用最广的是铂和铜，并已制作成标准测温热电阻。这里选用了PT100HE PT1000型（如图3.2）PT后的100即表示它在0时阻值为100欧姆，在100时它的阻值约为138.5欧姆，它的的阻值会随着温度上升它的阻值是成匀速增涨的（3.9欧姆/10度）。图3.2铂电阻传感器3.4执行元件1传动装置（1）电机步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构（如图3.3）。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 主要特性，1步进电机必须加驱动才可以运转， 驱动信号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候， 步进电机静止，如果加入适当的脉冲信号，就会以一定的角度（称为步角）转动。转动的速度和脉冲的频率成正比。2腾龙版步进电机的步进角度为7.5 度，一圈360 度，需要48 个脉冲完成。3步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。4改变脉冲的顺序，可以方便的改变转动的方向。 图3.3步进电机2供膜装置用两个滚动轴承放在支架上面，留着填放包装袋的卷筒。结构简单，但要保持它的灵活性，不能卡住。（如图3.4）图3.4包装袋滚轮3供料装置（1） 电磁阀电磁阀是自控系统中不可缺少的执行元件，由于其体积小，开关速度快，接线简单，功耗低，性价比高，经济实用等显著特点而被普遍运用于自控领域的各个环节，发挥着巨大的作用。电磁阀用于液体和气体以及易流通的物体管路的开关控制，一般都是小型管道的控制。电磁阀通过线圈驱动，只能开或关 ，开关时动作时间短。 电磁阀的主要特点（1）外漏堵绝，内漏易控，使用安全。（2）系统简单，便接电脑，价格低谦。（3）动作快递，功率微小，外形轻巧。（4）型号多样，用途广泛。我选用的电磁阀和原理图如图3.5。 如图3.5电磁阀和原理图 4热封装置和切割装置（1）横密封器横密封器在出厂前已经调整好，用户可不必再进行调整，若用户更换了包装膜规格，可视封合效果调整封合压力。封合压力可通过横封压力调整手轮来调整，右旋增大压力，左旋减小压力，调整时注意横密封器两端平衡。图 3.6（横密封器断面）用户若更换加热器，请注意最后将加热器护板压紧，否则会影响加热器的寿命。常用的封口方法可分为：热压式封口；压纹式封口；辊压式封口；卷边式封口；压力式封口；旋合式封口。本机采用热封方式，主要装置是封口热辊筒装置。如图3.6。热封广泛使用在塑料薄膜的封口上，大多数采用电热丝加热，加热温度在130150C之间。有常热式、脉冲加热式、油热式等数种。对于卷筒平张塑料薄膜来说，制成袋形尚需经过纵封和横封操作。纵封又分为间歇式和连续式两种，横封一般均采用间歇式。（2） 气动单元图3.7单作用气缸 气缸就是将压缩空气的压力能转换为机械能，驱动机构作直线往复运动、摆动和旋转运动。引导活塞在其中进行直线往复运动的圆筒形金属机件。气缸分类：单作用气缸：仅一端有活塞杆，从活塞一侧供气聚能产生气压，气压推动活塞产生推力伸出，靠弹簧或自重返回。双作用气缸：从活塞两侧交替供气，在一个或两个方向输出力。膜片式气缸：用膜片代替活塞，只在一个方向输出力，用弹簧复位。它的密封性能好，但行程短。根据工作所需力的大小来确定活塞杆上的推力和拉力。由此来选择气缸时应使气缸的输出力稍有余量。若缸径选小了，输出力不够，气缸不能正常工作；但缸径过大，不仅使设备笨重、成本高，同时耗气量增大，造成能源浪费。在夹具设计时，应尽量采用增力机构，以减少气缸的尺寸。我选用的是单作用气缸如图3.7。 （2）加热管由于系统中要进行横封和纵封，所以就要要求温度要达到一定的温度范围，才能进行正常的封装工作。所以，系统中就必须要有两个加热管。管状电热元件由金属管、螺旋状电阻丝及导热性好、绝缘性好的结晶氧化镁粉等组成。可以对系统进行加热的产品。电加热管选用优质国产厚壁无缝不锈钢管，空隙部分填满有良好导热性和绝缘性的氧化镁粉后缩管而成，再加工成用户所需要的各种型状。它具有结构简单，热效率高，机械强度好，对恶劣的环境有良好的适应性。我选用的加热管如图3.8。图3.8加热管第4章 软件设计4.1 走线过程 上电后自动启动，启动信号灯持续点亮，按下自动按钮，为工作状态，自动信号灯亮此时小滚轮开始拉袋，若10秒后拉袋未完成，说明材料用完，报警信号灯将以0.5S闪亮，此时蜂鸣器开始响起。拉袋完成后需经过光电检测，检测膜信号以及动盘到位情况，若正常则进入下一步，若不正常将返回上一步重新拉带，检测正常后进行纵向烫剪，烫剪分为左纵向和右纵向烫剪，烫剪过程封口机需要加热2秒，两边同时进行，烫剪完成后封口机需要冷却3秒，然后开始放料，并对其进行重量检测，若材料不够，10秒后未完成放料则报警器会以0.5秒闪亮，同时蜂鸣器响起。放料完成后开始对该包装进行横向封口，封口机加热2秒，完成后需要冷却3秒，然后送入传送带，需要传送5秒，往返循环，按下停止按钮，机器随时停止运行。若要检修该机器则需要按下手动按钮，手动信号灯亮，可以对机器开始检修。4.2 IO接口表输入输出小滚轮拉袋限位X0启动信号灯Y0小滚轮电机Y1光电检测X1拉袋报警器Y2纵向烫剪限位X2左纵向汽缸Y3放料限位X3右纵向汽缸Y4横向烫剪限位X4左纵向封口机Y5停止按钮X5放料电磁阀Y6手动拉袋按钮X6放料报警器Y7手动3纵向烫X7输送带灯Y10手动2横向烫剪X10右纵向封口机Y11手动4放料X12横向封口机Y12手动/自动启动X13自动信号灯Y13手动5输送带X15手动信号灯Y14报警蜂鸣器Y15锁向按钮X11横向汽缸Y164.3 顺序功能图4.4 梯形图注释：（1）步进电机驱动器：步进电机作为控制用的特种电机, 它的旋转是以固定的角度(称为"步距角")一步一步运行的, 其特点是没有积累误差, 所以广泛应用于各种开环控制。步进电机的运行要有一电子装置进行驱动, 这种装置就是步进电机驱动器, 它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移,或者说: 控制系统每发一个脉冲信号, 通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。所以，控制步进脉冲信号的频率，可以对电机精确调速，控制步进脉冲的个数，可以对电机精确定位目的。我选择DP-508步进驱动器 。（2）开关电源正在走向大众化，微型化。开关电源将逐步取代变压器在生活中的所有应用。本设计的低压都是由它提供，内置过流保护，输出可持续短路；输入、输出采用直焊式引脚，整体环保真空封装；成本低、体积小、重量轻、外围电路设计简单，高效率、低噪音、稳定可靠。致谢 在这次设计过程中，要感谢我的指导老师扬漾 ，他认真负责,为人谦谨,对我提出了某些问题都作了详细的解答,并对我的论文进行了补充指导,使之更加详实,并及时更正了一些不足的地方，给予我耐心的指导和鼓励，帮助我解决了不少的难题。我的每一点成绩和进步都渗透着恩师的心血，在论文即将完成之际，我谨表示对老师诚挚的谢意和衷心的感谢。 同时也对其他对我完成论文有帮助的人表示谢意。参考文献 1李方圆.西门子S7-200 PLC从入门到实践M.电子工业出版社,2010.3 2蔡行健.深入浅出西门子S7200 PLC.北京航空航天大学出版社,2005.43赵俊生.电器控制与PLC技术.电子工业出版社,2009.24史增芳.电机及电气控制实验指导书,2008.95孙余凯，吴鸣山，项绮明.传感器应用电路300例M.北京：电子工业出版社,2008.36陶红艳，余成波.传感器与现代检测技术M.北京：清华大学出版社，2009.37郝芸.传感器原理与应用M.北京：电子工业出版社，2011.88陈霞.可编程序控制入门与系统设计M.北京：中国电力出版社,2008.99李建兴.可编程序控制及其应用技术M.北京：机械工业出版社,2009.7第 18 页 共 22 页