0164-小型件自动装箱系统设计
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I 摘要 本文主要设计了一种以 AT89S51 单片机为核心的产品自动装箱控制系统,能够对自 动化生产流水线上的产品进行精确的计数和装箱。主体部分采用两条传送带,一条是包 装箱传送带,另一条是产品传送带。对产品计数采用光电传感器,并与单片机 AT89S51 接口,再通过单片机对交流电机的控制,实现产品的自动装箱。本设计的内容分为两部 分:物品传动皮带机构设计,单片机控制电路设计。其中物品传动皮带机构与带式输送 机的结构相似,该带式输送装置由输送带,托辊,驱动装置,拉紧装置等组成。而单片 机控制部分主要分析了单片机与光电传感器协同工作和数据处理等方面。通过单片机对 电动机等各机械部分的控制来实现系统要求,从而达到自动化生产的水平。 关键词 自动装箱;单片机;光电检测;输送装置 II Abstract This paper has mainly designed an automatic packing control system for products. The core is monolithic computer of AT89S51. It carries on the precise counting and packing for the products on the automation process line. The main part uses two conveyor belts. One is package conveyor belt, and the other is product conveyor belt. The photoelectric sensor is used for the product counting and connects with the monolithic computer of AT89S51. The monolithic computer controls the motor. At last it realizes the automatic packing. This design divides into two parts. One is the design of goods transmission belt, and the other is the design of circuit control of monolithic computer. The goods transmission belt is similar to the belt conveyors structure, this conveyor belt is installed by the conveyor belt, the supporting roller, the drive, the tightening device and so on. The joint operation between monolithic computer and photoelectric sensor has been analyzed in the section of circuit control. The data processing also has been analyzed. We can achieve the requirements of system through the control on mechanical part, the motor and so on, thus reach the level of producing in automation. Keywords automatic packing monolithic computer electro-optic examination transportation equipment 学 院 毕 业 设 计 (论 文 ) I 目 录 1 绪论 1 1.1 背景介绍 .1 1.2 方案确定 .1 1.3 设计方案综述 .2 2 带式输送装置设计 3 2.1 带式输送装置的结构与应用 3 2.2 输送带的选择与计算 .3 2.2.1 输送带的确定 .4 2.2.2 输送带宽度的选择 .4 2.2.3 输送带运行速度的选择 .4 2.2.4 输送带接头的选择 .5 2.3 托辊的选择 .5 2.4 滚筒的选择 6 2.5 输送带牵引力计算 7 2.5.1 输送带的运动阻力和有效载荷 .7 2.5.2 输送带的牵引力 .11 2.6 带的强度校核 12 2.7 驱动装置的设计与计算 .12 2.7.1 电动机的选择计算 13 2.7.2 减速器的选型 .14 2.7.3 联轴器的选择 .15 2.8 拉紧装置的选择 .15 3 单片机控制电路设计 17 3.1 单片机控制系统的控制要求 .17 3.2 光电检测装置的设计 .17 3.2.1 光电传感器的基本原理 18 3.2.2 传感器的选择 .19 3.2.3 传感器的位置确定 .19 3.3 单片机控制系统的设计 .20 3.3.1 单片机的概述 .20 3.3.2 单片机的应用 .20 3.3.3 单片机的发展趋势 .21 3.3.4 AT89S51 单片机的基本结构 21 3.3.5 AT89S51 单片机的主要引脚及功能 23 学 院 毕 业 设 计 (论 文 ) II 3.3.6 存储器和 I/O 接口电路 .25 3.3.7 复位操作及复位电路 .25 3.3.8 时钟电路 .26 3.3.9 单片机控制的过程 极其流程图 .26 3.3.10 主程序的设计 28 4 辅助设备的设计 31 4.1 驱动头架的尺寸确定 .31 4.2 拉紧尾架的尺寸确定 .31 4.3 中间架的尺寸确定 31 4.4 传料板的尺寸确定 .31 结论 .32 致 谢 .33 参考文献 .34 附录 .35 附录 135 附 录 246 学 院 毕 业 设 计 (论 文 ) 1 1 绪论 1.1 背景介绍 在现代化的工业生产中,常常需要对产品进行计数、装箱。如果用人工不但麻烦, 而且效率低、劳动强度大。随着微机控制的普及,特别是单片机的应用,给自动装箱系 统的设计带来了极大的方便。近年来,包装生产线的自动化、电子监测和控制系统持续 发展,使的包装企业以高速度、较少的停机时间和包装故障,以及产品损耗减少、工伤 和老毛病降低等优点而获得出色的成绩。2002 年 11 月 3 至 7 日在芝加哥举行的国际 PACK EXPO 上,我们可以看到多家自动化公司展示的最新的包装设备和新技术。这些经济 实用的自动化技术将会成为未来的发展力量,可见自动装箱技术的应用前景十分广阔。 在中国,自动化技术还未成熟,还需要长时间的发展,所以将会有很大的空间来发展此 技术。这也是未来的发展方向和趋势。中国的经济高速度发展也需要这项技术来促进和 加速,相信在自动化技术成熟以后,中国的经济也将有飞跃性的进步。当前中国的经济 发展格局也是非常的需要高技术来支持。这样中才会有稳定的发展状态。向西部发展的 经济战略思想必然需要有高技术随之转移,生产也将需要自动化技术的支持,这样发展 高技术自动化也就是必然的趋势 通过此题目的设计可以把大学四年所学的专业知识融会贯通于实际并能锻炼独立思 考的能力,努力发展成未来的技术骨干,为中国的发展贡献一份力量,也使得我们能适应 未来中国以及世界自动化技术的发展趋势。 1.2 方案确定 根据工况以及本设计的要求,确定以下方案: 托辊:选用平行上下托辊。 滚筒:本设计运送的产品较轻,载荷不大,所需的功率也不大,所以选用光面滚筒, 钢板焊接。 驱动装置:根据工况以及设计要求,考虑成本,本设计选择电机-减速器作为整个方 案的驱动装置,由电机通过联轴器、减速器带动传动滚筒转动。 拉紧装置:本设计输送装置长度较短,比较各种拉紧装置,选用螺旋拉紧装置。选 取 500mm 的拉紧行程。 单片机:选用 AT89S51 单片机,是一种低功耗、具有在线编程 Flash 程序存储器的 单片机。 学 院 毕 业 设 计 (论 文 ) 2 1.3 设计方案综述 此自动装箱系统利用传感器检测产品,并与单片机接口,输出的开关信号来驱动电 动机,经过减速器减速,再带动传动滚筒,实现传送带的传送。两个检测装置分别检测 包装箱是否到位和产品数量以控制相应电动机的启、停,从而带动相应传送带传送,最 终实现精确计数,自动装箱。 设计意义:此自动装箱系统从原料到包装实现了自动化,解决了手工装箱慢、容易 计数出错等问题。该方法技术可靠,成本较低,可大大提高工效,减轻工人劳动强度以 及减少产品损耗、工伤事故等。可应用于食盐、味精、洗衣粉、医药化工、农药、饲料 等的自动装箱。 学 院 毕 业 设 计 (论 文 ) 3 2 带式输送装置设计 2.1带式输送装置的结构与应用 带式输送装置是一种广泛应用的连续输送装置。工作原理是:由挠性输送带作为物 料承载件和牵引件的连续输送设备,根据摩擦传动的原理,由传动滚筒带动输送带进行 物料的传递与运输。它结构简单,工作可靠,造价低廉,适用性强。特别对工作节拍没 有严格要求、比较干燥的生产场所,可用于柔性或半柔性的自动包装线,输送带、盒、 箱等产品或散粒、块状产品。带式输送装置一般由传动滚筒,改向滚筒,输送带,托辊, 拉紧装置等组成。如下图2-1所示为输送装置原理图。挠性输送带2绕在上、下托辊之上, 由传动滚筒驱动,拉紧装置6用于调节输送带的拉紧力,以保持输送带的输送能力。传动 滚筒驱动输送带的能力与输送带在传动滚筒上的包角大小有关,包角大时传动能力大, 而改向滚筒就用于增大传动包角。带式输送装置的各辊轴轴承都采用滚动轴承,以减小 运转中的摩擦阻力和功率消耗。 图 2-1 输送装置原理图 1-改向滚筒;2-输送带;3-上托辊;4-传动滚筒;5-下托辊;6-拉紧装置 2.2 输送带的选择与计算 输送带是带式输送机的牵引构件及承载构件,用于输送物料和传递动力, 是带式输 送机的重要组成部分,约占带式输送机总成本的30%40%左右。它贯穿输送机的全长, 在设备检修中占很大比重。同时,输送带在带式输送机中既是货物的承载机构,又是带 式输送机的牵引机构,因此,不仅需要足够的强度,而且还应具有耐磨、耐腐蚀的要求。 输送带选择的合理与否直接影响带式输送机的投资、运行成本,更为重要的是将直接影 响输送机的可靠、安全运行。 学 院 毕 业 设 计 (论 文 ) 4 2.2.1 输送带的确定 输送带结构型式分为织物心输送带和钢丝绳心输送带,由上覆盖胶、心层、下覆盖 胶组成,上、下覆盖胶的作用是保护心层不受损坏和不受周围工作环境的影响。心层材 料有棉帆布、尼龙帆布、聚酯帆布和钢丝绳。织物心层输送带可根据拉力大小选取层数, 棉帆布心输送带层数为3-8 层,尼龙帆布心输送带层数为2-6 层,聚酯帆布心输送带层 数为3-6 层,当达到最大层数仍不能满足拉力要求时,采用钢丝绳心输送带。自动包装 机所用带式输送装置多为轻型或特轻载荷类型,要求传送带结构紧凑、轻巧。根据输送 机类型、结构以及工况,考虑经济成本,此设计的输送带心层材料选用4层的棉帆布带。 2.2.2 输送带宽度的选择 输送成件物品的输送带,按所输送的最大物件的对角线长度,再加约 100mm 余量约 定所需要的输送带宽度,见图 2-2 所示,再根据标准带宽考虑到运输的包装箱不大,选 取宽度为 500mm。此时要求包装箱的对角线长度 A 不宜大于 400mm。因为包装箱传送带所 承受的重量大于产品传送带,所以下面选择计算包装箱传送带,产品传送带的各参数可 与其相同。 图 2-2 输送带宽 2.2.3 输送带运行速度的选择 输送带运行速度是输送机设计计算的重要参数,在输送量一定时,适当提高带速, 可减少带宽。对水平安装的输送机,可选择较高的带速,输送倾角越大带速应偏低,向 上输送时带速可适当高些,向下输送时带速应低些。 输送成品件时的产品输送带速度 见式(2.1)v 式nl (2.1) 式中 输送带速度,m/s,包装线上输送块状物件取值常小于 1.25m/s;v 学 院 毕 业 设 计 (论 文 ) 5 每秒钟输送成件物品的件数,此处 n=5 件;n 输送带上成件物品节距,等于物品长度与两件之间的间距之和,此处l ;0.2m 所以,产品输送带速度 ,包箱输送带可选用与此同样的速.51/.25/vsms 度为 1m/s。 2.2.4 输送带接头的选择 带式输送机输送带的接头有搭铆接,皮带扣连接,硫化胶粘接及化学胶粘接等方式。 不同的连接方式接头效率不同。橡胶帆布带以优质硫化粘接最好,一般硫化粘接次之, 皮带扣连接再次,搭接铆接最差。接头效率等于接头处最大破坏强度与输送带的极限强 度的比值。为了此传送带有足够长的使用寿命,选用优质硫化粘接。 2.3 托辊的选择 托辊是用于支承输送带及输送带上所承载的物品,保证输送带稳定运行的装置。它 是整个输送装置中的重要部件, 使用数量多, 形式多样, 价格昂贵。托辊选择是否合理, 影响带式输送机的使用、维修, 更会影响带式输送机使用寿命。托辊可分为:承载托辊、 回程托辊。其中承载托辊分为:槽形托辊、缓冲托辊、调心托辊、平行上托辊等。回程 托辊可分为:平行下托辊、螺旋托辊、V形托辊等。 托辊辊子的直径与输送机带宽、带速和承载能力有关系, 与输送机长度和倾角无关。 托辊直径与带宽的关系托辊辊径与长度应符合GB/T99021991带式输送机托辊基本参数 与尺寸的规定, 见表2-1(单位mm)。 表 2-1 托辊直径与带宽的关系 托辊直径 500 650 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 63.5 76 89 108 133 159 194 219 在确定带速的情况下, 托辊辊子的转速不能太大。在同样寿命情况下, 转速大, 使 用时间就短,转速小, 使用时间就长。但辊子的直径不能太大,辊子直径太大, 整个输送 机不配套, 初期投资成本就高。一般规定: 辊子的转速不能超过600r/min。托辊直径与 学 院 毕 业 设 计 (论 文 ) 6 输送机带速的关系见表2-2。 表2-2 托辊辊径与带速、转速的关系(r/min) 辊径(mm) 0.8 1.0 1.25 1.6 2.0 2.5 3.15 4.0 5.0 6.5 89 172 215 268 344 429 537 108 142 177 221 283 354 442 557 133 144 180 230 287 359 453 575 159 120 150 192 240 300 379 481 601 194 123 158 197 246 310 394 492 219 275 349 436 567 已确定输送带宽度B=500mm,且带速v=1m/s,再综合以上情况, 根据表2-1和表2-2, 选用托辊直径89mm。因输送带承载的载荷并不大,所以分别选择平行上托辊和平行下托 辊为承载托辊和回程托辊。 2.4滚筒的选择 滚筒分传动滚筒和改向滚筒。传动滚筒是传递动力的主要部件传动滚筒根据承载能 力分轻型、中型和重型三种。 轻型:轴承孔径 80-100mm。轴与轮毂为单键联接的单幅板焊接筒体结构。单向出轴。 中型:轴承孔径 120-180mm。轴与轮毂为胀套联接。 重型:轴承孔径 200-220mm。轴与轮毂为胀套联接,筒体为铸焊结构。有单向出轴和 双向出轴两种。 传动滚筒是将驱动装置的动力,通过摩擦力传递给输送带的部件。通常情况下,根 据轴与轮毂之间的连接方式,传动滚筒有钢板焊接结构和铸焊结构两种形式。钢板焊接 滚筒轴与轮毂之间采用键连接,能承受中小型载荷;铸焊滚筒轴与轮毂之间采用胀套连 接,避免了由于键连接而削弱轴的强度,因此这种结构形式的滚筒可承受较大的负荷, 且便于安装和拆卸。滚筒表面有光面和胶面两种形式,在功率不大,环境湿度小的情况 下,可采用表面摩擦因数小的光面滚筒;在功率大,环境又潮湿,容易打滑的情况下采 用表面摩擦因数大的胶面滚筒。胶面的作用是增大传动滚筒与输送带之间的摩擦力。胶 面滚筒有铸胶和包胶两种工艺型式,铸胶滚筒胶面厚且耐磨,质量好,但工艺复杂,价 格高;包胶滚筒工艺简单,成本低。胶面滚筒有光胶面、人字型沟槽和菱形沟槽三种型 式。当采用人字型沟槽胶面滚筒时,应注意其方向性,人字型尖应朝向滚筒的转动方向, 菱形胶面滚筒用于双向运输的输送机。用于重要场合的滚筒最好采用硫化橡胶覆面;当 有阻燃、隔爆条件要求时,应采用相应措施。此处运送的产品较轻,所需的功率也不大, 所以选用光面滚筒。 改向滚筒的作用是改变输送带的运行方向或增加输送带与传动滚筒间的围包角。增 学 院 毕 业 设 计 (论 文 ) 7 加围包角的作用是增加输送带与滚筒间的接触面,使输送带与滚筒间不打滑。改向滚筒 包括尾部滚筒、增加传动滚筒围包角、增加尾部滚筒围包角及拉紧装置处的滚筒。改向 滚筒和传动滚筒一样有钢板焊接结构和铸焊结构两种形式。滚筒表面有光钢面和光胶面 两种。除较重要的场合选用光胶面滚筒外,一般采用光钢面滚筒。 按承载能力改向滚筒又可分轻型、中型和重型;轴承孔径分为50-100mm,120-180mm 及200-260mm,结构与传动滚筒一致。改向滚筒覆面有裸露光钢面和平滑胶面两种。 表 2-4 各种帆布带相对层数的最小传动滚筒直径 型号 3 4 5 6 7 8 CC-56、NN-100 500 500 630 800 1000 1000 NN-150、EP-100 500 500 630 800 NN-120 NN-300 EP-200 EP-300 500 630 800 1000 因为选用的棉帆布带层数 ,所以由上表 2-4,可选用的滚筒最小滚筒直径为4Z 500mm。 因为该向滚筒的直径一般比传动滚筒的直径小一级,结合下表 2-5,可选用带宽 ,长度 , 的滚筒为传动滚筒,带宽 ,长度50Bm60L150Dm50Bm , 的滚筒为改向滚筒。6L24 表 2-5 带宽和滚筒直径、长度之间的关系 带宽 B (mm) 滚筒长度 L(mm) 滚筒直径 D(mm) 500 600 200,250,315,400,500 650 750 200,250,315,400,500,630,800,1000 800 950 200,250,315,400,500,630,800,1000,1250,1400 所选的传动滚筒和改向滚筒的基本参数如下表 2-6: 表 2-6 滚筒基本参数 滚 筒 带宽(mm) 直径 D(mm ) 轴承 型号 许用合力 (KN) 转动惯量 (Kgm2) 质量 (Kg) 图 号 传动滚筒 500 500 6316 49 5 250 DT01A4081 改向滚筒 500 400 6312 40 3 166 DT01B3052 2.5输送带牵引力计算 2.5.1 输送带的运动阻力和有效载荷 输送带运动时的阻力包括直线区段、曲线区段以及一些附属装置所产生的局部阻力。 学 院 毕 业 设 计 (论 文 ) 8 (1)直线区段 输送带在托辊上运动时的阻力包括托辊轴承以及带与托辊之间的摩擦阻力等。通常 由与托辊单位长度压力所引起的运动阻力来表示,特称为阻力系数。其值 与轴承类型 及工作环境有关, 取长度为 L、倾角为 的一段输送带,分析其受力状况,如图 2-3 所 示。设单位长度内物件、输送带和上、下托辊的当量线载荷 、 、 、 。即可求WqD1G2q 出作用在托辊轴承上的总压力 N。 式/WqGl (2.2) 式11/l (2.3) 式(2.4)22/Gql 式中 包箱重量,此处为 250N;WG 上托辊重量,由参考文献7查得,此处选为 116N;1 下托辊重量,由参考文献7查得,此处为 104N;2 包装箱节距,此处为 1000mm(包装箱长略小于 400mm) ;l 上托辊间距,输送散货时取 1.2m。输送件货时,如果单间重量超过1 200N,则托辊间距应小于件货输送方向长度的一半,此处取 0.18m; 下托辊间距,一般取 23 米,此处取 3 米。 l 所以 : , , ,由参考文献5可查得50/WqNm160/GqN234.67/GqNm 。57.09/Dq 图 2-3 输送带受力分析 学 院 毕 业 设 计 (论 文 ) 9 考虑到 角较小, 几乎为零度,可近似地取 式()cosWDGNqL (2.5) 这样输送带在托辊上运动时所受的摩擦阻力为 式()cosWDGNqL (2.6) 令 Sa、Sb 分别代表所选区段内输送带主动边和从动边的拉力。由图(2-3)可列出 受力平衡方程式 式()cos()sinWDGWDSabqLqL (2.7) 进而求出该区段的运动阻力为 式1()cos()sinZWDGWDFSabqLqL (2.8) 对于松边来说,因没有物件承载,Q W=0,故主从动边的拉力差改变为 式2()cos()sinZDGWDFqLqL (2.10) 由参考文献5可查得带与托辊的运动阻力系数 ,接合一般输送带长度选择,0.25 这里带长取 12m。 所以, 直线区段的运动阻力 1()cos()sinZWDGWDFqLqL =0.02512(250+57.09+1370) =503.13N 2()cosinZDGDFqLq =0.025(57.09+34.67) 12 =27.53N 学 院 毕 业 设 计 (论 文 ) 10 (2) 曲线区段 输送带饶过主、从动滚筒时也会遇到阻力,它主要由轴承摩擦阻力以及带本身的刚 性阻力组成。 轴承摩擦阻力是通过作用在滚筒上的外力再转换为对轴承的正压力 而求出的,即 N 式FN (2.11) 式中 轴承的摩擦系数,由参考文献5查得,此处为 0.015。 如图 2-4 所示,作用在滚筒上的外力有,输送带饶入端和饶出锻端的拉力 、 ,S 以及滚筒的自重;若忽略不计此自重,且近似取 = ,则作用在滚筒上轴承的合力S 式2sin()N (2.12) 式中 滚筒的包角,此处取为 180。 图 2-4 滚筒受力分析 若将轴承摩擦阻力折算到滚筒圆周上,则当量阻力为 式2sin()FNdDSD (2.13) 式中 D、d分别为滚筒及其轴颈的直径,此处传动滚筒分别取 500mm,80mm,改 向 滚筒分别取 400mm,60mm; 输送带由于本身弯曲变形和内摩擦效应所产生的运动阻力 式FS 学 院 毕 业 设 计 (论 文 ) 11 (2.14) 挠性系数可按下式近似计算 式1.2.3D (2.15) 式中 带的厚度,此处为 4.5mm。 因此,带在曲线区段运动的总阻力为 式2sin()QFdSS (2.16) 式中 S带绕过轮上两端拉力中取较大者。 曲线区段 23 的挠性系数由式(2.15)近式算出: 1.21.223.30.4506D 该区段的运动阻力由式(2.16)算出,其中 S 在计算时采用从动滚筒带绕出段端拉力。 2323223sin()QFdS 330.156i904.6S 2.5.2 输送带的牵引力 由式(2.7)看出,在直线区段内,输送带上 a 点的拉力 Sa 应等于另一点 Sb 的拉力 与两点间的运动阻力之和。对带的拉力进行逐点计算的分段方法,如图 2-5 所示。 图 2-5 输送带受力分析的分段 以主动滚筒上输送带的绕出点 1 为起始点,以饶入点 4 为终点,沿带的工作运转方 向将它分为若干直线和曲线区段。并设各点拉力: 第 1 点为: 1S 第 2 点为: 2ZF 第 3 点为: 323Q 学 院 毕 业 设 计 (论 文 ) 12 第 4 点为: 43123ZZQZSFSF 据此可求出运输带任一点的 n 的拉力 式1()nn: (2.17) 进而可求出输送带在传动滚筒上绕出点的拉力 与饶入点 之间的函数关系。0SR , , ,令则式(2.17 )改写为式(2.18) 。RnS01nS0(1)RnF: 式0RSF (2.18) 另一方面,在正常运转过程中,为保证带的作用力传递和不沿滚筒打滑,饶入点和 饶出点的拉力还必须满足由欧拉公式所提出的条件,即 式(2.19)0RSeK 式中 K安全系数,通常取 1.21.5。 至此,可求出输送带的牵引力 式0RORZQZPSF (2.20) 由上述推导可列出如下: 21ZSF323Q4123ZQZSF 所以, 0.91.1(4)0.89321.6 考虑到滚筒为金属制件,其工作环境干燥,由参考文献5可查得,=0.25, ,再取安全系数 K=1.5,又得2.19e 式41112.9.546SeKS (2.21) 对以上两表达示 S4=f(S1)联立,解出主从动滚筒绕入端和绕出端的拉力为 : 41273.SN8 学 院 毕 业 设 计 (论 文 ) 13 所以,牵引力 。410.2FSN 2.6带的强度校核 校核带输送带的强度,可用下式(2.22): 式maxZBSn (2.22) 式中 Z带的帆布层数,此处为 4; B带宽,此处为 500mm; 一层 1cm 宽胶布带的保证强度,普通橡胶带(棉布带芯胶布)通常取 560N/cm; n安全系数,查由参考文献5得,此处为 8。 最大拉力,此处 。maxSmax410.2SN 5673.95ZB 故说明强度可靠。 2.7 驱动装置的设计与计算 驱动装置是用来驱动输送带运动,实现物料运送的装置。其驱动原理是依靠传动滚 筒与输送带之间的摩擦力来传递动力使带运动的。驱动装置由电动机、减速器、联轴器、 传动滚筒等组成。如图 2-6 为驱动装置图。对于倾角较大的上运带式输送机还应设有停 止器或制动器,以防止电动机断电后输送带在自重及物料重力作用下返回运动。而本设 计的带式输送装置倾角较小,几乎为零,所以可不设置停止器或制动器。 图 2-6 驱动装置图 1-电动机;2、4-联轴器;3-减速器;5-传动滚筒 学 院 毕 业 设 计 (论 文 ) 14 2.7.1电动机的选择计算 (1)选择电动机的类型 电动机是常用的原动机,并且是系列化和标准化产品。机械设计中需要根据工作机 的工作情况和运动,动力参数,合理地选择电动机类型,结构形式,传递的功率和转速, 确定电动机的型号。电动机有交流电动机和直流电动机之分.由于直流电动机需要直流电 源,结构较复杂,价格较高,维护比较不方便,因此无特殊要求时不宜采用。工业上常 采用交流电动机。交流电动机有异步电动机和同步电动机两类,异步电动机又分为笼型 和绕线型两种,其中以普通笼型异步电动机应用最广泛。而在此自动装箱系统中,电动 机须经常启动、制动,所以要求电动机的转动惯量小和过载能力大,应选用起重及冶金 用三相笼型异步电动机,电压380V,YZ型。 (1) 选择电动机的容量 电动机所需工作功率为 式(10)daPFv (2.23) 式中 F输送带的牵引力,N; v输送带的速度,m/s; 电动机至输送带的传动总功率;a 传动总功率: 4213 式中 轴承的传动效率,此处为 0.98;1 蜗杆传动的传动效率,此处为 0.7;2 连轴器的传动效率,此处为 0.99;3 滚筒的传动效率,此处为 0.96。4 所以, 420.98.790.6a6 1.(.)7PdKW (2) 确定电动机的转速 滚筒轴工作转速为 式601()nvD (2.24) 式中:D传动滚筒直径,此处为 500mm; v输送带带速,此处为 1m/s。 可得 。601(3.450)8.2/minnr 学 院 毕 业 设 计 (论 文 ) 15 因为一级蜗杆减速器的传动比 i=1040,则电动机转速的可选范围为:(804)3.281529/mindni r 根据容量和转速等,由参考文献4查得,选用电动机型号为 YZ112M-6。选用的电动 机的技术参数如表 2-7 表 2-7 电动机的技术参数 型号 额定功率 (KW) 定子电流 (A) 转 速(r/min ) 最大转矩 堵转转矩 堵转电流 效率(%) 功率因数 YZ112M-6 1.5 4.25 920 2.0 2.0 4.47 69.5 0.765 2.7.2 减速器的选型 根据带速,传动滚筒直径和电动机转速推知减速器的传动比为: 式(2.25)603.14920.5624.07inDv 由机械手册查得,蜗杆减速器的结构简单,尺寸紧凑,效率低,适用于载荷较小。间 歇工作的场合。所以这里选用 CW 型圆弧圆柱蜗杆减速器,它适用于冶金,矿山,起重, 运输,化工,建筑等机械设备的减速传动。 由下式(2.24) ,式(2.25)可初步计算减速器的功率 式(2.26)112JBPf 式(2.27)34R 式中 减速器计算输入机械功率,Km;1JP 减速器计算输入热功率;R 减速器实际输入功率;1B 工作载荷系数,由参考文献6查得,此处取为 1.25;f 启动频率系数,由参考文献6查得,此处取为 1.1;2 小时负荷系数,由参考文献 6得,此处取为 0.7;3f 环境温度系数,由参考文献6得,此处取为 1.14。4 所以 , 10.751.09625JPKW4R 由于 大于 ,故按 进行选择。1J11.J 选择的减速器的技术参数如下表 2-8 表 2-8 减速器的技术参数 型号 高速轴输入转矩 额定输入功率 传动比 中心距 CW125-25- 1000r/min 5.6 KW 25 125mm 学 院 毕 业 设 计 (论 文 ) 16 2.7.3 联轴器的选择 考虑到工作现场的空间和减少传动链的原则,该设计直接采用联轴器,通过联轴器 直接把电动机和减速器联接,减速器与滚筒联接。 动力传递过程中,电机转速相对较大,有一定的振动且频繁启动,因此电动机与减 速器相连处选用弹性联轴器。减速器与滚筒联接处转速低,但有一定载荷,两轴也不在 同一基础上,有相对偏差,因而选用滑块联轴器。 弹性套柱销联轴器:具有挠性元件,依靠弹性套与半联轴器凸缘上圆孔间的间隙以 及弹性套的变形,不但具有位移补偿能力,而且具有良好的缓冲吸振能力,因此适用于这 里启动频繁、有冲击振动的场合。 滑块联轴器:具有径向位移、角位移补偿能力,由于制造、安装及机器运转中轴、 轴承、支承座等受载荷、温度的影响而变形,使得被联接两轴在实际中不可能完全对中, 两轴出现径向位移、角位移等,这时使用的滑块联轴器允许两轴间有一定的相互位移。 2.8 拉紧装置的选择 拉紧装置给输送带一定的初始拉紧力,在运行中始终使输送带保持一定的拉紧程度, 以免在驱动滚筒上打滑,并使输送带在拖辊间的挠度保证在规定的范围内。拉紧装置是 带式输送机不可缺少的重要组成部分,它的性能好坏直接影响带式输送机整体的性能, 拉紧装置的功能主要有以下几点: (1)保证带式输送机驱动滚筒分离点的足够张力和驱动装置依靠摩擦传动所必须传递的 摩擦牵引力,以带动输送机的正常运转,防止输送带打滑; (2)保证承载分支最小张力点的必须张力,限制输送带在托辊之间的垂度,保证带式输 送机正常运行; (3)补偿塑性变形与过渡工况时输送带伸长量的变化。由于负载变化会引起输送带发生 长度变化,蠕变现象也会造成输送带伸长,张紧力有变小趋势,需要拉紧装置来吸收由 蠕变产生的伸长,维持输送机正常运行所需的最小张紧力; (4)为输送带重新接头做必要的行程准备。每部带式输送机都有若干个接头,可能在某 一时间接头会出现问题,必须截头重做,拉紧装置为带式输送机准备了负荷以外的输送 带,这样接头故障就可以通过放松拉紧装置重新接头来解决。 常见的拉紧装置有重力拉紧装置、螺旋拉紧装置、固定绞车拉紧装置、自动拉紧装 置等。各种拉紧装置的特点如下:3 H D; Z, 9 (1)重力拉紧装置。重力拉紧装置是结构最简单,应用最广泛的一种拉紧装置。它是利 用重锤来自动拉紧,由于重锤靠自重拉紧,所以它能保证拉紧力在各种工况下保持恒定 不变,能自动补偿胶带的伸长。重力拉紧装置的特点是拉紧力不变,拉紧位移可变,它 学 院 毕 业 设 计 (论 文 ) 17 适用于固定式长距离运输机,机长 500m 以上的中长距离输送机,需较大的拉紧行程,可 将拉紧滚筒小车布置在输送机下部,通过布置在输送机一侧的重锤拉紧塔架实现重锤拉 紧。 (2)螺旋拉紧装置。螺旋拉紧装置结构简单,拉紧行程小,适用于短距离输送机,此拉 紧装置所需的拉紧力一般通过丝杠手动调整,适用于长度 80m 以内的短距离输送机。对 轻型物料和输送量特小的输送机,可适当延长。根据输送带张力,亦可采用液压缸作为 动力。 (3)固定绞车拉紧装置。固定绞车拉紧装置是利用小型绞车来拉紧,绞车一般用蜗轮蜗 杆减速器带动卷筒来缠绕钢绳,从而拉紧胶带。这种拉紧装置的优点是体积小,拉力大, 可用于 500m 以上中等长度以上的输送机。缺点是它只能根据所需要的拉紧力调定后产生 固定的拉紧力,拉紧力不能自动调节,当绞车和控制系统出现问题时,对胶带机不能产 生恒定的拉紧力或拉紧力失效,安全可靠性相对降低。 (4)自动拉紧装置。自动拉紧装置不但能根据主动滚筒的牵引力来自动调整拉紧力,而 且还能补偿胶带的伸长。包括自动式电动绞车或自动式液压拉紧装置,可根据输送机启 动、运行、制动运行工况的不同要求,自动调整输送带拉紧力和响应张紧滚筒的位置变 化要求,宜用于布置复杂的大型输送机。9 _. % 因为这里的输送装置长度为 12m,长度较小对照上述拉紧装置,所以选用螺旋拉紧装 置比较合适。螺旋张紧行程有 500mm、800mm、1000mm 三种,此处选取 500mm 的张紧行程, 最大拉紧力为 9KN。 3 单片机控制电路设计 在传感器中,很多传感器能接受输入信号以开关信号输出。由于单片机具有位处理 功能,所以可以实现开关量的控制。本文设计了一种小型件的自动装置系统,利用传感 器检测产品,并与单片机接口,输出的开关信号控制产品的自动装箱。 学 院 毕 业 设 计 (论 文 ) 18 3.1 单片机控制系统的控制要求 该系统总共分成传动和传感两部分,其功能要求是能准确定位包装箱,准确检测是 否装满产品,产品的传动和包装箱的转动能够自动的调节,并且可以检测箱子的个数。 系统中有两条传送带和两个检测器(光电传感器)。传送1 是包装箱传送带,传送带2 是产品传送带。信号检测部分有两个光电传感器,光电传感器1 用来检测包装箱是否到 位,光电传感器2 用来产品计数。传送带2 将产品从生产区传送到包装区,产品到传送 带2 的末端时,就会掉入包装箱,同时被检测器2 (光电传感器)检测并计数。传送带1 把满箱运走,并用空箱代替。为使空箱对准产品,用检测器1 (光电传感器)检测是否 到位。产品自动装箱系统的工作流程如图3-1所示。 图 3-1 产品自动装箱系统的工作流程图 3.2 光电检测装置的设计 光电检测技术在包装机械中多用于计数、容器定位、料面控制和色质检测等方面。 其特点是可以实现无接触检测, 可将机械动态检测变成光电静态检测,从而显著简化机械 结构, 通常被称为自动控制的眼睛, 而且它所具有的某些功能, 是人眼所不能达到的。 比如它具有很高的响应速度, 当被测物以较高速度运动时也逃脱不了该系统的观察。这 里利用光电检测装置检测产品数量和包装箱是否到位。 3.2.1光电传感器的基本原理 传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。而光电传感器 (光电开关)是光电接近开关的简称,它是利用被检测物对光束的遮挡或反射,当被测量 的信号达到某个特定的阈值时,传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号,以 达到检测的目的。其物体不限于金属,对所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关 学 院 毕 业 设 计 (论 文 ) 19 是一种电量传感器,把电流或电压的变化以光电的方式传送出去。即进行电信号-光信号 -电信号的转换。光电传感器在一般情况下,有三部分构成,它们分为:发射器(光源) 、接收器和检测电路。根据接收器所感知的信号判断被测对象的有无、形状、方位和颜 色时, 按发射器和接收器的相对位置不同可分为反射型和透过型两种型式, 见图 3- 2(a)、(b)。 图 3-2(a)反射型、(b)透过型 发射器对准目标发射光束,发射的光束一般来源于半导体光源,发光二极管(LED)、 激光二极管及红外发射二极管。发射器发出的光采用不同形式接触被测物后照射在受光 器上, 而接受器是在光照射下产生电流(或电导率发生变化) , 即所谓的具有光电效应的 光敏元件, 常用的有光电二极管、光电三极管、光电池管。 光电二极管的 PN 结在没有光照时和普通二极管一样具有单向导电性, 使用时处于反 向偏置; 光线照射管芯, 会产生光生载流子, 在反向电压作用下,光生载流子导电产生光 电流, 即随入射光强度的变化在负载电阻的两端就会产生随光强度变化的光电压,经检波、 放大处理去推动控制系统。 光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外,还有对电信号 放大的功能。光敏三级管的外型与一般三极管相差不大,一般光敏三极管只引出两个极 发射极和集电极,基极不引出,管壳同样开窗口,以便光线射入。为增大光照,基 区面积做得很大,发射区较小,入射光主要被基区吸收。工作时集电结反偏,发射结正 偏。在无光照时管子流过的电流为暗电流Iceo=(1+)Icbo(很小) ,比一般三极管的 穿透电流还小;当有光照时,激发大量的电子-空穴对,使得基极产生的电流Ib增大,此 刻流过管子的电流称为光电流,集电极电流Ic=(1+)Ib,可见光电三极管要比光电二 极管具有更高的灵敏度。 发送器对准目标发射光束,发射的光束一般来源于半导体光源,发光二极管(LED)、 激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射,或者改变脉冲宽度。接收器有光电 二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面,装有光学元件如透镜和光圈等。 在其后面是检测电路,它能滤出有效信号和应用该信号。 学 院 毕 业 设 计 (论 文 ) 20 3.2.2 传感器的选择 光电开关的分类和工作方式如下: (1)漫反射式光电开关:它是一种集发射器和接收器于一体的传感器,当有被检测物体 经过时,物体将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器,于是光电开关就产 生了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时,漫反射式的光电开关是首 选的检测模式。 (2)镜反射式光电开关:它亦集发射器与接收器于一体,光电开关发射器发出的光线经 过反射镜反射回接收器,当被检测物体经过且完全阻断光线时,光电开关就产生了检测 开关信号。 (3)对射式光电开关:它包含了在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器, 发射器发出的光线直接进入接收器,当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线 时,光电开关就产生了开关信号。当检测物体为不透明时,对射式光电开关是最可靠的 检测装置。 (4)槽式光电开关:它通常采用标准的U字型结构,其发射器和接收器分别位于U型槽的 两边,并形成一光轴,当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时,光电开关就产生了开关量 信号。槽式光电开关比较适合检测高速运动的物体,并且它能分辨透明与半透明物体,使 用安全可靠。 (5)光纤式光电开关:它采用塑料或玻璃光纤传感器来引导光线,可以对距离远的被检 测物体进行检测。通常光纤传感器分为对射式和漫反射式。 在传送带2上,包装箱为不透明物体,综合考虑上述分类,选用对射式光电开关。 3.2.3 传感器的位置确定 当光电传感器检测到包装箱到位或产品数量已达到要求时,单片机控制的电路使相 应的电动机停止转动。但由于惯性等因数,包装箱并不会立即停止,还会继续往前运行 一段距离S,导致包装箱不能准确到位,产品数量计错。而这段预留的距离S可由式 (3.1)、式(3.2)近似推导可得。 式mga(3.1) 式(3.2 20taSV ) 式中: 为输送带摩擦因数,由参考文献5查得, 为 0.6; 为带停止时的初速度,取值为 1m/s;tV 为带停止的末速度取值为 0;0 学 院 毕 业 设 计 (论 文 ) 21 为输送带停止这段时间的加速度。a 所以预留距离: 1284Sgm 因此,传感器 1 在包装箱上的位置应位于产品传送带下方偏前 84mm;因为产品间距 为 150mm,大于这段预留距离,所以传感器 2 的位置可设在产品传送带末(具体位置见 CAD 总装配图) 。 3.3 单片机控制系统的设计 此自动装箱系统主体部分采用两条传送带,一条包装箱传送带,另一条是产品传送 带。对产品计数采用光电传感器,并与单片机接口,再通过单片机对交流电机的控制, 实现产品的自动装箱。 3.3.1 单片机的概述 单片机的全称叫做单片机微型计算机,是微型计算机家族中的一个分类,是将CPU、 存储器、总线、I/O接口电路集成在一片超大规模集成电路芯片上,因此又称之为单片机。 单片机具有体积小、功能全、价格低廉的突出优点,同时其软件也非常丰富,并可将这 些软件嵌入到其他产品中,使其他产品具有丰富的智能。单片机所具有的这些优点使之 问世后得到了迅速的发展,广泛应用在工业控制、仪器仪表、交通运输、通信设备、家 用电器等众多领域,成为现代电子系统中最重要的智能化器件。 3.3.2 单片机的应用 为满足各种各样系统对控制功能的不同需求,以单片机为控制核心构成的控制系统 在规模、结构、功能等方面将会有很大的不同,根据规模可概括、笼统地划分为基本应 用系统和和扩展应用系统。 单片机基本应用系统没有扩展的程序存储器ROM、数据存储器RAM、扩展的I/O接口等 扩展部件,除单片机外仅配置了电源、时钟电路、输入/输出设备和复位电路,是最小的 单片机应用系统,如图3-3所示。 学 院 毕 业 设 计 (论 文 ) 22 图3-3 最小的单片机应用系统 3.3.3 单片机的发展趋势 从第一代单片机到时至今日各大公司推出的各种型号电片机的功能及资源,可以看 到电片机正朝着更高性能、更高容量、进一步微型化、多品种的方向发展,主要体现在 如下几个方面: (1)CPU的运算速度、处理能力进一步的提高。 (2)存储容量的增加和存储器本身技术水平的提高。16位单片机中的ROM和RAM的容量进 一步增大,特别是Flash存储器的使用,可大大提高编程和擦除的速度,并能实现在线编 程。 (3)I/O口的改进 。单片机的I/O口将开始呈现多样化和多功能化的趋势,包括可编程 并行口,可编程串行口、串行扩展口、多位的A/D转换器、增加I/O口的逻辑控制功能等 多项软硬件技术都已开始应用。 (4)特殊的串行口功能。为适应控制系统网络化的需求,一些单片机提供了具有了网络 功能的特殊串行口,为应用单片机构造控制网络系统提供了便利的条件。 (5)系统的单片化。随着超大规模集成电路制造水平和工艺的不断发展和提高,一些外 围电路的功能将会被并入或集成到单片机的芯片内部,包括多位的A/D转换器、D/A转换 器、DMA控制器、中断控制器等将一个单片机控制系统集成在一块芯片上。 (6)小型化。 对一些比较简单的设备或系统(例如简单的家电设备、小单元报警系统 等)的控制,并不需要功能特别强的单片机来实现,只需要满足控制的需要即可,因此 一些功能相对简单、体积更小、价格低廉的单片机有着广阔的市场。 3.3.4 AT89S51单片机的基本结构 AT89S51是美国ATMEL公司的低功耗,高性能CMOS8位单片机,片内含4KB的可编程的 学 院 毕 业 设 计 (论 文 ) 23 Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标 准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器可在线编程(ISP)也可用传统方法进行 编程及通用8位微处理器于单片芯片中。主要性能参数: MCS-51产品指令系统完全兼容 ; 4K字节的快速擦除写Flash存储器; 1000次擦写周期 ; 4.0-5.5V的工作电压范围; 全静态工作模式:0HZ-33MHZ; 三级程序加密锁; 128字节内部RAM; 32个可编程I/O口线; 2个16位定时/计数器; 6个中断源; 全双工串行UART通道; 低功耗空闲和掉电模式; 看门狗(WDT)及双数据指针; 掉电标识和快速编程特性; 单片机的原理结构图如下图3-4: 学 院 毕 业 设 计 (论 文 ) 24 图3-4 AT89S51单片机原理结构图 3.3.5 AT89S51单片机主要引脚及功能 VCC:电源电压 GND:地 P0口:P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口,也即地址/数据总线复用口。作为输出 口用时,每位能驱动8个TTL逻辑门电路,对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。 在访 问外部数据存储器或程序存储器时,这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用, 学 院 毕 业 设 计 (论 文 ) 25 在访问期间激活内部上拉电阻。 P1口:P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1的输出缓冲可驱动(吸收或输 出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口写“1” ,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平, 此时可作输入口。作输入口使用时,因内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时 会输出一个电流。 P2口:P2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2的输出缓冲级可驱动(吸收或输 出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口写“1” ,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平, 此时可作输入口使用,因为内部在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电 流。 P3口:P3口是一组带内部上拉电阻的8位双向8位I/O口。P3口输出缓冲级可驱动(吸 收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时,它们被内部上拉电阻拉高可作 为输入端口。做输出端时,被外部拉低P3口将用上拉电阻输出电流。 RST:复位输入。 :程序存储器允许( )输出是外部程序存储器的读选通信号,当 AT89S51PSENPSEN 由外部程序存储器取指令(或数据)时,每个机器周两次 有效,即输出两个脉冲。PSEN 当访问外部数据存储器,没有两次有效的 信号。 EV/VPP:外部访问允许。欲使 CPU 仅访问外部程序存储器(地址 0000H-FFFFH),EA 端必须保持低电平(接地)。 XTAL1:振荡器反向放大器及内部时钟发生器的输入端。 XTAL2:振荡器反向放大器的输出端。 PDIP封装AS89S51单片机的引脚排列如下图3-5所示 图3-5 PDIP封装AS89S51单片机的引脚排列 学 院 毕 业 设 计 (论 文 ) 26 3.3.6 存储器和I/O接口电路 AT89S51单片机芯片内配置有4
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