自动冲奶机设计【含11张CAD图纸、说明书】

摘 要众所周知，给婴儿喂奶粉，最琐碎的是将奶粉一勺一勺地从奶粉盒或者奶粉袋里取出来放入奶杯中，再小心地将水调整到合适的温度，然后按照与奶粉的比例倒入奶杯中。特别是在晚上，非常疲倦的时候，孩子醒来要喝奶粉，此时真希望有一台自动机器帮忙。另外，生活中大都是凭借人力和人们的经验、观察来进行奶粉与水的定比例混合，使用该方式要将奶粉与水按照奶粉说明书指定比例准确配置是比较困难的，因此生活中常常出现人工冲解的奶粉不是稀了就是稠了，因此婴儿不是便秘就是营养得不到保障。还有，奶粉袋一旦打开不再密封，容易受潮，经常用勺取并不卫生。设计一款自动冲奶机既可以减轻大人的劳动，又能够保证冲泡后奶液的质量。本文针对自动冲奶机的设计主要讨论了如下内容：首先讨论课题的来源及意义，重点研究国内外自动冲奶机的现状。其次对自动冲奶机总体方案进行设计，使得结构紧凑完整且相对于之前产品具有优化的项目。再次对自动冲奶机设计相关数据进行计算，保证各零件满足产品生产过程中的各种要求。最后通过三维建模软件完成自动冲奶机结构设计，并绘制出 CAD 工程图纸。关键词：自动化 冲奶机 机械设计ABSTRACTAs is known to all, to feed the baby milk powder, powder is the most trivial from formula one scoop a spoonful of box of milk or milk powder bag out in the cup, then carefully adjust the water to the appropriate temperature, and then to the proportion of milk powder milk into the cup. Especially at night, very tired, the children wake up to drink milk powder, wish there could be a automatic machine to help at this time. In addition, life is mostly relying on human and peoples experience, observation to fixed proportion mixing powdered milk and water, and use this way to milk powder and water according to the formula the instructions specified proportion accurate configuration is more difficult, so in life often appear artificial flush solution of the milk powder is not dilute is thick, so the baby not constipation is nutrition not guaranteed. Also, milk powder bags once opened not sealing, easy to be affected with damp be affected with damp, often with a spoon is not health. Design a automatic milk machine can reduce the work of adults, and can guarantee the quality of liquid cream after brewing. According to the design of automatic milk punching machine mainly discussed the following contents: firstly, discusses the source and significance of the topic, research status of milk machine automatic punching the focus both at home and abroad. Secondly, to design the overall scheme of automatic punching milk machine, makes the structure compact and complete compared to the previous products with optimized project. Redesign data relevant to the automatic milk punching machine to carry on the calculation, to ensure that all components meet the various products in the production process requirements. Finally, through the three-dimensional modeling software to complete the automatic milk punching machine structure design, and draw the CAD engineering drawings.Key words：Automation Milk punching machine Mechanical design目 录第一章 绪论 11.1 课题的来源及意义11.2 国内外的发展状况11.3 本课题的研究内容及方法11.3.1 研究方法11.3.2 研究内容.21.4 可行性分析.21.4.1 技术可行性.21.4.2 设计可行性.21.4.3 操作可行性.2第二章 自动冲奶机总体方案设计 32.1 方案设计理念研究32.2 机械产品设计一般过程42.3 自动冲奶机主要指标和技术参数的给定42.4 整机结构方案设计需求简述42.5 结构布局组成52.6 工作流程简述5第三章 详细的设计和计算 63.1 奶粉盒的设计和计算63.1.1 奶粉盒结构组成.63.1.2 奶粉盒工作原理.63.1.3 奶粉存储装置尺寸及参数的计算和确定.63.2 奶粉定量输送装置的设计和计算83.2.1 绞龙输送结构尺寸的设计.83.2.2 螺旋直径的确定.83.2.3 螺旋节距的确定.93.2.4 输送能力计算.93.2.5 转速的确定.103.2.6 动力电机参数设计.103.3 冲奶器的设计和计算113.3.1 结构组成.113.3.2 冲奶器工作原理.123.3.3 各尺寸及参数的计算和确定.123.4 制热设备部分的设计和计算123.4.1 结构组成.123.4.2 制热设备工作原理.123.4.3 水箱容量的计算及结构尺寸确定.133.4.4 加热功率的计算和选择.133.5 制冷设备设计和计算143.5.1 结构组成.143.5.2 制冷设备工作原理.143.5.3 各尺寸及参数的计算和确定.143.6 抽水泵的设计和计算153.6.1 抽水泵的结构组成：.153.6.2 抽水泵工作原理.153.6.3 各尺寸及参数的计算和确定.163.7 冲奶过程总时间的计算16第四章 自动冲奶机结构设计 .184.1 三维绘图软件 Pro/Engineer 介绍184.2 奶粉盒设计194.3 奶粉定量输送装置设计194.4 冲奶器的设计204.5 制热设备设计204.6 制冷设备设计214.7 抽水泵设计214.8 总体装配图22第五章 自动冲奶机的控制和使用拆解 .235.1 控制系统的设计235.1.1 单片机简介.235.1.2 控制系统简介.235.1.3 单片机原理示意图.245.2 自动冲奶机的使用和拆解245.2.1 控制界面说明.245.2.2 使用过程拆解，讲解和说明.25结 论 29谢 辞 30参考文献 31大连交通大学 2015 届本科生毕业设计（论文）1第一章 绪论1.1 课题的来源及意义计划生育使中国的家庭的孩子基本成为独生子女，因此人们养育孩子的能力不再紧张，反正挣再多的钱都是给孩子用。基于这种思想，人们对于孩子的合理需求基本上是肯定满足。因此以上的“自动冲奶机”即可以减轻大人的劳动，还能满足孩子的需要，作为父母，他们何乐而不为呢？一台机器可以使用到孩子 4 岁，还可以送人。另外，目前我国乃至世界市场上这种类似的产品较少且几乎没有竞争对手，具有极大的市场潜力。作为独生子女的父母花点钱不力省心，还保障了婴儿的成长，所以说本课题具有极大的研究意义和前景。1.2 国内外的发展状况就自动冲奶机市场形式而言，可以说是空白市场，其中也包括国际市场。自动冲奶机市场营销模式单一，主动营销意识很低，传播诉求简便，竞争对手少、竞争能力弱，但是潜在需求、潜在消费群较大。专业生产商少，无知名产品更无知名品牌。技术壁垒，品牌壁垒容易建立，卖点多，渠道模式直接降低大部分费用盈利丰厚，容易形成有效区隔，做成第一品牌。这样市场情况一旦有专业的营销团队介入，很容易控制整个自动冲奶机市场的主动权。市场的现有的几个品牌的产品都没有完整的品牌策略和营销模式，一旦有更高科技的替代品出现很容易占领市场。1.3 本课题的研究内容及方法1.3.1 研究方法本课题采用分析计算，计算机辅助的方法，在已有的理论结构基础上，运用计算机进行结构优化设计及模拟。本次课题要设计一台自动冲奶机。1)资料收集，查阅并学习有关自动冲奶机方面的文献与专利成果，了解国内外发展现状，掌握现有自动冲奶机的结构形式、特点和运动原理。完成调研报告一份（不少于 3000 字） ，完成外文翻译（汉字不少于 3000 字） 。2)确定自动冲奶机的结构设计方案，绘制方案图。合理选用和确定组成零部件的型号、详细结构和尺寸。3)采用 PRO/E 工程软件，绘制自动冲奶机的三维结构图。绘制该自动冲奶机的二维装配图和零件图。4)撰写毕业设计论文（不少于 12000 字） ，内容格式符合毕业设计规范，提交毕业论文。制作幻灯片，要求语言精练、通俗，设计计算正确，论证充分。时间为 3 周。5)提交毕业设计成果的全部电子文档。大连交通大学 2015 届本科生毕业设计（论文）21.3.2 研究内容通过资料收集，查阅并学习有关自动冲奶机、咖啡冲泡机等方面的文献，继而对自动冲奶机进行综合的分析，然后制订出整体的设计方案，应用所学的相关知识对产品结构进行设计。并对一些重要零部件进行计算分析，并对重要零件进行工艺设计，同时应用 autoCAD、PROE 等绘图软件对机械的装配图、零件图进行设计绘制，以达到符合机械设计的基本要求。1.4 可行性分析为了了解本产品是否可行,将利用可行性分析来探讨。可行性分析是针对各项可行性做出初步的分析。可行性分析主要考虑四个方面：经济可行性、设计可行性、设计可行性、操作可行性。1.4.1 技术可行性近几年来，我国机械产业已进入了高速的发展时期，急缺机械设计人才。计算机辅助设计（CAD)与计算机辅助制造(CAM)的生产形式正在我国企业中被广泛采用。技术设计已经达到相应水平，技术是可行的。1.4.2 设计可行性自动冲奶机是社会关注科学育婴后产生的一种新产品，有效的解决了传统冲奶的各种弊端，如无法控制奶粉量，奶粉浓度和温度等问题，冲奶机的诞生有效的避免了传统冲奶中可能产生的污染因素，对于健康育婴做出了突出的贡献。冲奶机主要分为智能冲奶机和手动冲奶机，手动冲奶机使用相对传统冲奶方式较方便，奶水浓度把握也相对较精确，但操作比较繁琐；智能恒温冲奶机，是靠电脑来控制奶粉的浓度，温度，冲奶粉的整个过程无需接触奶粉，这不但的提高了冲奶粉效率，还增加了安全性和方便性能，目前市场最高效的智能冲奶机，8 秒就可以冲出一杯温度，浓度适宜的健康奶。智能冲奶机已经被 80 后，90 后视为育婴必备品。1.4.3 操作可行性本实用新型能“一键”实现奶粉和水的定量定比例加入，解放了人体劳动，完成了精确配比和固定水温。典型特点：结构紧凑，操作简便，解放劳动；模块化设计，关键模块可以拆洗，健康卫生；具有极低的维护成本和良好的可维护性。综上所述，无论从经济可行性、技术可行性、设计可行性、操作可行性来说此设计都是可行的。大连交通大学 2015 届本科生毕业设计（论文）3第二章 自动冲奶机总体方案设计2.1 方案设计理念研究科学技术的飞速发展，产品功能要求的日益增多，复杂性增加，寿命期缩短，更新换代速度加快。然而，产品的设计，尤其是机械产品方案的设计手段，则显得力不从心，跟不上时代发展的需要。目前，计算机辅助产品的设计绘图、设计计算、加工制造、生产规划已得到了比较广泛和深入的研究，并初见成效，而产品开发初期方案的计算机辅助设计却远远不能满足设计的需要。所以概括总结国内外设计者进行方案设计时采用的方法，讨论各种方法之间的有机联系和机械产品方案设计计算的实现的 发展趋势是方案设计的首要步骤，下面几点为本次设计我总结概括的在设计方案时候需要注意的一些方法。1）要提倡在产品功能分析的基础上，将产品分解成具有某种功能的一个或几个模块化的基本结构，通过选择和组合这些模块化基本结构组建成不同的产品。这些基本结构可以是零件、部件，甚至是一个系统。理想的模块化基本结构应该具有标准化的接口(联接和配合部)，并且是系列化、通用化、集成化、层次化、灵便化、经济化，具有互换性、相容性和相关性。我国结合软件构件技术和 CAD 技术，将变形设计与组合设计相结合。2）以设计为目录作为选择变异机械结构的工具，提出将设计的解元素进行完整的、结构化的编排，形成解集设计目录。并在解集设计目录中列出评论每一个解的附加信息，非常有利于设计时选择解元素。3）根据机械零部件的联接特征，可归纳成四种类型：1、元件间直接定位，并具 有自调整性的部件；2、结构上具有共性的组合件；3、具有嵌套式结构及嵌套式元件的联接 ；4、具有模块化结构和模块化元件的联接。并采用准符号表示典型元件和元件间的连接规则，由此实现元件间联接的算法化和概念的可视化。4）在进行机械系统的方案设计中，用“功能建立”模块对功能进行分解，并规定功能分解的最佳“粒化”程度是功能与机构型式的一一对应。 “结构建立”模块则作为功能解的选择对象以便于实现映射算法。5）机械系统的方案设计主要是依据产品所具有的特征，以及设计领域专家的知识和经验进行推量和决策，完成机构的型、数综合。欲实现这一阶段的计算机辅助设计，必须研究知识的自动获取、表达、集成、协调、管理和使用。6）针对复杂机械系统的方案设计，采用混合型的知识表达方式描述设计中的各类知识尤为适合，这一点已得到我国许多设计人员的共识。7）机械产品的方案设计通常无法采用纯数学演算的方法进行，也难以用数学模型进行完整的描述，而需根据产品特征进行形式化的描述，借助于设计专家的知识和经验进行推理和决策。因此，欲实现计算机辅助产品的方案设计，必须解决计算机存储大连交通大学 2015 届本科生毕业设计（论文）4和运用产品设计知识和专家设计决策等有关方面的问题，由此形成基于产品特征知识的设计方法。8）目前，智能化设计方法主要是利用三维图形软件和虚拟现实技术进行设计，直观性较好，开发初期用户可以在一定程度上直接参与到设计中，但系统性较差，且零部件的结构、形状、尺寸、位置的合理确定，要求软件具有较高的智能化程度，或者有丰富经验的设计者参与。 9）机械产品的方案设计正朝着计算机辅助实现、智能化设计和满足异地协同设计制造需求的方向迈进，由于产品方案设计计算机实现方法的研究起步较晚，目前还没有成熟的、能够达到上述目标的方案设计工具软件。作者认为，综合运用文中四种类型设计方法是达到这一目标有效途径。虽然这些方法的综合运用涉及的领域较多，不仅与机械设计的领域知识有关，而且还涉及到系统工程理论、人工智能理论、计算机软硬件工程、网络技术等各方面的领域知识，但仍然是产品方案设计必须努力的方向。国外在这方面的研究已初见成效，我国设计学者也已意识到 CAD 技术与国际交流合作的重要性，及其应当采取的措施。2.2 机械产品设计一般过程机械产品设计的过程是一个复杂的过程，不同类型的产品、不同类型的设计，其产品的设计过程不尽相同。自动冲奶机设计过程大致包括总体构思、描绘草图、尺寸计算、数据检测等四个阶段。方案的设计是整个设计的索引，从若干设计方案中筛选出最合理的方案进行设计，才是最快速有效的方法。2.3 自动冲奶机主要指标和技术参数的给定实现功能：一键冲调奶粉，可量化奶粉和水量，可实现加热和保温。水箱容量：1.5L。 奶粉量：400g。可容纳奶瓶：300ml。2.4 整机结构方案设计需求简述1）自动冲奶机首先需要有一定的奶粉存储和输送的能力，所以要设计奶粉存储和输送部分，输送部分要定量可控；2）需要水箱有存储一定量水的功能以及使水加温至沸水的模块；3）需要使水温快速冷却的装置；4）水和奶充分混合装置；5）外壳部分外观的设计；6）控制部分相关的设计。通过上面整机的设计需求，拟定 2.5 结构布局方案。大连交通大学 2015 届本科生毕业设计（论文）52.5 结构布局组成自动冲奶机：如图 2-1 所示，包括外壳，底板，奶粉存储输送部分，水箱部分，冲奶部分，冷凝器，控制部分等组成。奶粉存储输送部分包括奶粉盒，奶粉定量输送结构，奶粉定量输送是通过旋转送螺杆输送；水箱部分：水箱部分是由水箱壳体，发热盘和绝热环组成；冲奶部分：导水座，奶水混合座，支撑座等组成；冷凝器：由散热片，冷凝管组成。1 2 3 4 5 1-控制部分 2-水箱部分 3-奶粉存储输送部分 4-冲奶部分 5-外壳部分图 2-1 结构示意图2.6 工作流程简述打开奶粉盒盖子，将奶粉倒入奶粉盒内并盖上盖子，翻开注水口盖板，把水注入至水箱内，盖上注水口盖板。在控制操作部分设定好奶水温度。此时水箱下的发热盘开始加热，将水加热至沸水状态，由水泵将沸水输入经至冷凝器，将沸水温度降至设定好的温度。水温好了后，将进行奶粉输送，由电机带动螺杆旋转将奶粉输送至冲奶混合座，同时经冷凝器的水经导水座至奶水混合座，完成奶水混合。将奶瓶放置支撑座上，按键出适合温度的奶水。大连交通大学 2015 届本科生毕业设计（论文）6第三章 详细的设计和计算3.1 奶粉盒的设计和计算 3.1.1 奶粉盒结构组成由奶粉存储装置和奶粉定量输送装置组成。图 3-1 奶粉盒的结构示意图3.1.2 奶粉盒工作原理奶粉存储装置用于存放奶粉，使用时由操作部分按钮启动，程序控制步进电机的脉冲使其精确转动，通过步进电机带动螺旋输送器来完成输送定量奶粉的过程。3.1.3 奶粉存储装置尺寸及参数的计算和确定根据需求每次需存储奶粉容量为 400g，根据相关资料确定所用塑料制品的材质为聚丙烯，根据聚丙烯壁厚范围为 0.6-3.5mm，取其最厚即 3.5mm。由此设计采用斗式结构奶粉存储装置，如图 3-2 所示。根据初步尺寸来确定容量是否满足需求。图 3-2 奶粉存储装置（左主视图，中侧视图，右立体图）大连交通大学 2015 届本科生毕业设计（论文）7根据体积公式计算存储奶粉的容积：(1)长方体体积计算公式：（3-1）=上述表达式中：a长方体底面长度b长方体底面宽度h长方体高v长方体体积其中 a=11.97mm b=8.97mm c=2.83mm 由公式（3-1）计算得 V1=303.86mm3。(2)圆柱体体积计算公式：（3-2）=2上述表达式中： 圆周率r圆柱体底圆半径h圆柱体的高v长方体体积其中 =3.14 r=1.5mm h=5.99mm 由公式（3-2）计算得 V2=42.32 mm3。（3）棱柱体积计算公式：（3-3）=(+)2 上述表达式中：a棱柱底面上底b棱柱底面下底c棱柱底面高h棱柱的高v长方体体积其中 a=8.97mm b=3mm c=3.5mm h=11.97mm 由公式（3-3）计算得 V3=501.54 mm3。(4)计算奶粉存储装置所能存储奶粉质量：(3-4)=上述表达式中： 奶粉密度（ =0.48g/ml）v存储奶粉的体积M奶粉质量其中 =0.48g/ml 由公式（3-4）计算得 M= =1+2+3=847.6mlM=406.8g大连交通大学 2015 届本科生毕业设计（论文）8由此可以看出是满足自动冲奶机主要指标和技术参数中奶粉量：400g 的要求。3.2 奶粉定量输送装置的设计和计算奶粉定量输送装置是由步进电机带动螺旋输送器（简称绞龙）来完成定量奶粉输送的装置。3.2.1 绞龙输送结构尺寸的设计在设计中需要确定的结构尺寸主要有轴直径、叶片直径及节距、转速等。在工作时，这几个主要尺寸的确定直接影响输送的精度，关键就是要把误差控制在合理的范围内。叶片的直径越大、节距越长。一个节距螺旋内所存的奶粉就越多，惯性就越大。同时,绞龙称内螺旋轴叶片与出奶粉口构成空间的随机变化也越大。就会造成工作完成后，因奶粉输送未完全终止而引起的误差变化范围过大。叶片直径过小、节距过小，输送能力变小,效率也就过低。另外节距过小，对奶粉的适应性变差，输送的能力降低。因此，合理地确定叶片的直径和节距可以有效的消除计量后误差。3.2.2 螺旋直径的确定工作时，要求绞龙称能连续均匀的供料，因此，轴上的叶片应采用实体面型螺旋，如图所示。图 3-3 绞龙输送结构尺寸图在充分考虑轴的强度和刚度后，确定出螺旋轴的直径 D 后，螺旋叶片的直径 D 及节距 T 的确定需根据生产需要试算完成。试算方法如下：假设输送的物料为奶粉，容重为 0(kg/m3)，输送产量为 Q，t/h。根据设计手册得出,一个节距内的体积为：(3-5)1=（ 22）4 (3)一个节距内输送物料的最大量为：(3-6)， =10()假设每秒的转速为 n，则每秒内输送的产量为：(3-7)=,()于是，根据计算的输送能力 Q 应和由几何尺寸 所确定的输送能力相等，即：Q=M 将上式代入公式可得:大连交通大学 2015 届本科生毕业设计（论文）9(3-8)=31.593上述表达式中：k充填系数，一般为 0.450.55；Q输送能力，kg/s； 0容重，kg/m 3；n转 速，r/s。其中 0= n=50r/s k=0.55 由公式（3-8）计算得得出 D=29.2mm，取76kg/m3整数 D=30mm，d=0.5D=15mm。3.2.3 螺旋节距的确定确定螺旋的节距时，首先考虑奶粉的粒度及要求的效率，节距越大，叶片的螺旋角也越大,一个节距内叶片构成的存料空间的变化范围和轴的停止位置有关。在图 3-4中，螺旋轴停转后，螺旋轴上的 B-B 截面会在一个节距 t 内的任意位置随机地停止,其位置变化相当于在 A-A, C-C 截面之间这个节距内随机变化，这样，由出料口右端横截面与螺旋面所构成的存料空间也是一个随机量，因为工作中要尽可能地减少螺旋轴停转后物料继续下落，节距确定时应考虑物料的安歇角，节距的计算式如下：(3-9)cos400.766上述表达式中：L节距，mmD螺旋叶片的直径，mm图 3-4 转时为止变化图其中 D=30mm，根据公式（3-8）计算结果为 L22.98mm,取 23mm3.2.4 输送能力计算(1)一个节距内的体积为：D=0.03m，d=0.015m，L=0.023m，根据公式(3-5)计算：1=(22)4 =123(2)一个节距内输送物料的最大量，根据公式(3-6)计算： 0=76kg/m3， =10()=0.085大连交通大学 2015 届本科生毕业设计（论文）10(3)假设每秒的转速为 50，则每秒内输送的产量根据公式（3-7）计算：n=50r/s=,()=4.25 g/s3.2.5 转速的确定在满足实际生产时尽可能的降低转速，因为，螺旋轴转速过高时，螺旋叶片切线速度过高，进料口的物料因叶片的高速抛掷使绞龙称内容纳的物料减少影响实际进料速度。工作中，转速的确定只要能满足实际的供料速度和进料速即可，不必进行极限转速的验算（极限转速验算的为了防止绞龙称输送过程中的物料抛掷现象的发生） 。3.2.6 动力电机参数设计绞龙在工作中一般起输送作用，通过加大螺旋的直径和节距等参数来调整输送能力。在配料时，主要是对供料进行有效地控制。因此，应用于配料的绞龙称中的绞龙称长度不长、阻力矩较小，为减小计量时的计量后误差，螺旋轴的直径和节距较小，但为适应生产相适应的生产效率，螺旋轴的转速比前者要高。步进电机驱动螺旋输器送负载为奶粉 其力矩的计算：已知:一个节距内输送物料的最大量为 M=0.085g绞龙总长为 215.5mm则奶粉总质量 m1=215.5/23*0.085=0.8g绞龙总质量 m2=312.3g则总质量=m1+m2=323.1g负载力矩计算公式如下：(3-10)=根据公式（3-10）计算结果如下：N=FL=1.2319Kgf.cm 根据负载力矩所以选择步进电机为 42BYG250A-SASSML-0151，参数如表 3-1：表 3-1 步进电机 42BYG250A-SASSML-0151 参数相电流（A） 1步距角() 0.9保持转矩(Nm) 0.4转子惯量( )2 82电机重量(kg) 0.34驱动器电源输入 DC24 40V1A键尺寸(mm) 光轴大连交通大学 2015 届本科生毕业设计（论文）11图 3-5 动力电机安装尺寸3.3 冲奶器的设计和计算3.3.1 结构组成冲奶器由冲奶座和混合搅拌装置组成，具体尺寸样式如图 3-6。2 31 5 41-旋转电机 2-混合电机 3-混合座 4-水管 5-出奶口阀门图 3-6 冲奶器结构示意图3.3.2 冲奶器工作原理注入水箱里的水经加热盘加热至沸腾状态，随后水温经由制冷装置使水温快速冷却至所需温度，由泵将适宜的水注入至奶水混合座，同时输送器将定量奶粉也输送至奶水混合座内，奶水混合座内有旋转搅拌电机，搅拌电机将奶和水搅拌均匀后，控制电磁铁连接的出奶口阀门，使出奶口阀门打开，奶水即注入到奶瓶内。3.3.3 各尺寸及参数的计算和确定已知奶瓶容量 300ml，根据公式（3-1）,(3-2),(3-3)计算座内体积容量：大连交通大学 2015 届本科生毕业设计（论文）12V=380.59288cm3 去除搅拌器 80cm3 则一次性冲奶座最大容量可冲奶粉水量为 300ml。3.4 制热设备部分的设计和计算3.4.1 结构组成制热设备是由水箱，加热盘，温度检测传感器等组成。1 2 3 5 41-水箱后盖及密封垫圈 2-不锈钢盖及隔热垫 3-注水口 4-水箱外壳 5-加热盘图 3-7 制热设备示意图3.4.2 制热设备工作原理当控制部分有按键按下，水箱下部的加热盘随即工作，当水箱内部传感器感知温度至沸水温度时，加热盘停止加热。3.4.3 水箱容量的计算及结构尺寸确定图 3-8 水箱的尺寸示意图分部分计算水箱的容积，根据公式（3-1） ， （3-2）计算水箱容积：V=1518.3ml。 大连交通大学 2015 届本科生毕业设计（论文）133.4.4 加热功率的计算和选择已知水箱容量 1.5L,水温 20，来确定加热装置的加热功率，进而确定加热盘电阻，以及加热盘电阻直径。1)水的质量：根据公式（3-4）计算;=1g/cm31500cm3=1500g=1.5kg =2)水吸收的热量：（3-11）吸 =（ -0）上述表达式中： 水体吸收热量（ J）吸c水体比热容（J/（kg） ）m奶粉质量（kg）t水体沸腾温度（）水体实际温度（） 0由公式(3-11)计算水体吸收的热量为：=4.2103J/（kg）1.5kg（10020）吸 =（ -0）=5.04105J3）加热盘实际电功率：设定需要 5min 将水烧至 100，根据公式（3-12）计算：P 实 = （3-12）则：P 实 = =5.04105/300=1800W； 4）加热盘需要消耗的电能：根据公式（3-13）计算：W 电 =Pt （3-13）上述表达式中: W 电 所消耗的电能（J）P电功率（w）t时间（s）计算得：W 电 =Pt=1800W300s=5.4105J5）加热盘的电阻：根据公式(3-14)计算：R= （3-14）R= =26.9 根据以上参数选取加热盘电参数：功率 1800W，电源 220V 50HZ，盘直径为 60mm。3.5 制冷设备设计和计算3.5.1 结构组成制冷设备是由食品级冷凝器和风扇组成，示意图如图 3-9 所示。大连交通大学 2015 届本科生毕业设计（论文）141 21-风扇 2-冷却器图 3-9 制冷设备示意图3.5.2 制冷设备工作原理食品级冷凝器上的结构有翅片和铜管，它们散热非常好，同时增加 2 个风扇增加空气流动，经过冷热气流交换，使水箱水快速降温至设定的温度。3.5.3 各尺寸及参数的计算和确定根据相应的公式来进行换热量计算，以确定换热系统的设备功率以及响应时间以便于选取相应的设备。已知注水量 300ml,水温 100,设定将其水分降至至 45。（1）水吸收的热量：根据公式(3-15)进行初步计算。（3-15）放 =（ 0-）上述表达式中： 水体放出热量（ J）放c水体比热容（J/（kg） ）m奶粉质量（kg）t水体沸腾温度（）水体实际温度（ ）0由公式（3-15）计算水吸收的热量为：=4.2103J/（kg）0.3kg（10045）放 =（ 0-）=0.693105J（2）发热功率计算：根据公式（3-16）进行计算：(3-16)=水 水 上述表达式中：发热功率（W）水的密度（常取 1Kg/L）水大连交通大学 2015 届本科生毕业设计（论文）15V水的容积（L）C 水 水的比热容，常取 4.2T定时间内水的温升H温升时间（s） 已知设定在 2 分钟内水温 18升至 100，水容积为 300ml。发热功率根据公式（3-16）计算如下：Pv=10.34.2（100-18）/（260）=0.86Kw（3）冷却功率计算：已知环境温度 T2=18，最佳水温期望值 45，则当量冷却功率计算如下：(3-17)1= (12)上述表达式中：P 1：当量冷却功率（w/） 。：安全系数，一般取 1.1。T1：水温期望值（） 。T2：环境温度（） 。根据表达式（3-17）计算得：P 1=0.861.1/（45-18）=34.81 w/对应主泵流量，依据 34.81 w/的当量冷却功率查曲线图，选取匹配的风冷却器。（4）冷却时间计算：由上式 2 分钟内 Pv=0.86KW，P1=34.81 w/。则如将 100 将至 45，所需散热功率为：34.81 55=1.914KW，所需时间根据公式（3-18）计算：(3-18)120=散根据公式（3-18）计算得：T=267.06S3.6 抽水泵的设计和计算3.6.1 抽水泵的结构组成：抽水泵是由旋转电机，叶片，密封件组成。3.6.2 抽水泵工作原理是由旋转电机带动叶片达到抽水的目的。3.6.3 各尺寸及参数的计算和确定泵的功率通常指输入功率，即原动机传到泵轴上的功率，故又称轴功率，用 P 表示。有效功率即：泵的扬程和质量流量及重力加速度的乘积。或者 (3-19)= =1000上述表达式中：泵输送液体的密度（kg/m3）大连交通大学 2015 届本科生毕业设计（论文）16泵输送液体的重度 =g （N/ m3）g重力加速度（m/s）质量流量 Q m=Q （t/h 或 kg/s）设定质量流量 Qm=0.025Kg/s则泵的功率为 Pe=g QH （W）=1*10*0.025=0.25W3.7 冲奶过程总时间的计算根据各项相应的参数来计算冲奶总时间，来判断冲奶总时间是否满足相应的需求。已知设定冲 300ml 奶，设定奶粉含量 50g，水箱水加热 T1，已知注水量 300ml,初始水温 18，将水烧开至 100，加热盘功率 1800W。（1）水箱水加热 T1：根据公式（3-11）计算：=4.2103J/（kg）0.3kg（10018）吸 =（ -0）=1.03105J计算吸热时间：根据公式（3-18）计算：T1=1.03105/1800=57.2s（2）水箱水冷却 T2根据公式（3-15）计算得：T=267.06s（3）计算奶粉输送 T3根据公式（3-7） ，则每秒内输送的产量为：=50*0.085g= 4.25 g/s =,()需要输送 50g 奶粉，所需时间 T3=50/4.25=12s（4）水输送 T4已知奶粉输送时间为 12s水输送时间与奶粉同步所以 T4=12s（5）水奶混合 T5T5时间与水和奶粉输送同步所以 T5=12s（6）总时间计算总时间=水箱水加热 T1+水箱水冷却 T2+奶粉输送 T3=57.2s+267.06s+12s=336.28s大连交通大学 2015 届本科生毕业设计（论文）17第四章 自动冲奶机结构设计4.1 三维绘图软件 Pro/Engineer 介绍Pro/Engineer 操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的 CAD/CAM/CAE 一体化的三维软件。Pro/Engineer 软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engineer 作为当今世界机械 CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。是现今主流的 CAD/CAM/CAE 软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。Pro/E 第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。Pro/E 的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。Pro/E 采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。1参数化设计相对于产品而言，我们可以把它看成几何模型，而无论多么复杂的几何模型，都可以分解成有限数量的构成特征，而每一种构成特征，都可以用有限的参数完全约束，这就是参数化的基本概念。2基于特征建模Pro/E 是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。3单一数据库（全相关）Pro/Engineer 是建立在统一基层上的数据库上，不像一些传统的 CAD/CAM 系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。大连交通大学 2015 届本科生毕业设计（论文）184.2 奶粉盒设计由奶粉存储装置和奶粉定量输送装置组成。奶粉存储装置用于存放奶粉，使用时由操作部分按钮启动，程序控制步进电机的脉冲使其精确转动，通过步进电机带动螺旋输送器来完成输送定量奶粉的过程。其结构如图 4-1，图 4-2 所示。图 4-1 奶粉盒图 4-2 奶粉盒盖4.3 奶粉定量输送装置设计奶粉定量输送装置是由步进电机带动螺旋输送器（简称绞龙）来完成定量奶粉输送的装置。在工作时，其关键作用的是步进电机带动螺旋输送器（简称绞龙） 。几个主要尺寸的确定直接影响输送的精度，关键就是要把误差控制在合理的范围内。叶片的直径越大、节距越长。一个节距螺旋内所存的奶粉就越多，惯性就越大。同时,绞龙称内螺旋轴叶片与出奶粉口构成空间的随机变化也越大。就会造成工作完成后，因奶粉输送未完全终止而引起的误差变化范围过大。叶片直径过小、节距过小，输送能力变小,效率也就过低。另外节距过小，对奶粉的适应性变差，输送的能力降低。因此，合理地确定叶片的直径和节距可以有效的消除计量后误差。大连交通大学 2015 届本科生毕业设计（论文）19图 4-3 步进电机带动螺旋输送器（简称绞龙）4.4 冲奶器的设计冲奶器由冲奶座和混合搅拌装置组成。其工作原理是：当注入水箱里的水经加热盘加热至沸腾状态，随后水温经由制冷装置使水温快速冷却至所需温度，由泵将适宜的水注入至奶水混合座，同时输送器将定量奶粉也输送至奶水混合座内，奶水混合座内有旋转搅拌电机，搅拌电机将奶和水搅拌均匀后，控制电磁铁连接的出奶口阀门，使出奶口阀门打开，奶水即注入到奶瓶内。图 4-4 冲奶器4.5 制热设备设计制热设备是由水箱，加热盘，温度检测传感器等组成。其工作原理是：当控制部分有按键按下，水箱下部的加热盘随即工作，当水箱内部传感器感知温度至沸水温度时，加热盘停止加热。大连交通大学 2015 届本科生毕业设计（论文）20图 4-5 加热盘4.6 制冷设备设计制冷设备是由食品级冷凝器和风扇组成，其工作原理是食品级冷凝器上的结构有翅片和铜管，它们散热非常好，同时增加 2 个风扇增加空气流动，经过冷热气流交换，使水箱水快速降温至设定的温度。图 4-6 冷却器4.7 抽水泵设计抽水泵是由旋转电机，叶片，密封件组成。是由旋转电机带动叶片达到抽水的目的。图 4-7 抽水泵大连交通大学 2015 届本科生毕业设计（论文）214.8 总体装配图图 4-8 整体装配图大连交通大学 2015 届本科生毕业设计（论文）22第五章 自动冲奶机的控制和使用5.1 控制系统的设计 5.1.1 单片机简介单片机（Single chip microcomputer）是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器 CPU、随机存储器 RAM、只读存储器ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、 A/D 转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。单片机优点：1、主流单片机包括 CPU、4KB 容量的 RAM、128 KB 容量的 ROM、 2 个 16 位定时/计数器、4 个 8 位并行口、全双工串口行口、ADC/DAC、SPI、I2C、ISP、IAP。2、系统结构简单，使用方便，实现模块化；3、单片机可靠性高，可工作到 106 107 小时无故障；4、处理功能强，速度快。5、低电压，低功耗，便于生产便携式产品。6、控制功能强。7、环境适应能力强。5.1.2 控制系统简介控制系统主要由控制系统、报警系统，操作系统，以及电气控制柜系统等部分组成。1、控制系统构成 电子控制系统主要由微电脑积算器、仪表、调节器、变频控制器及其他电气元件组成，其中积算器(仪表)是该机电子控制系统的核心，其主要功能有： （1）计算并显示给料的瞬时流量和累计值；（2）可以实现输送量的设定； （3）可以根据设定值对输送量进行连续 PID 调节控制； （4）具有自动零点校正和自动量程校正的功能；（5）具有异常情况的报警保护功能； （6）具有停电时保持数据的功能；2、报警保护系统 主电动机故障：当电机发生过流，断相及变频调整器电源发生过压、欠压、断相时，将发出异常报警，报警后停机；特殊需要时关出口闸门。大连交通大学 2015 届本科生毕业设计（论文）23给料率偏差大：当实际给料量超出设定给料量误差范围时，将发出报警，报警后不停机，只发出报警信号。3、现场操作系统 操作控制部分主要由现场操作箱，或现场控制柜组成。操作系统主要由按钮开关、转换开关、继电器、接触器、指小灯等组成，主要完成对电机的启停控制和远控近控转换、单动联动转换等操作。5.1.3 单片机原理示意图图 5-1 单片机原理简图图 5-2 单片机原理电路简图大连交通大学 2015 届本科生毕业设计（论文）245.2 自动冲奶机的使用和拆解5.2.1 控制界面说明控制界面主要通过单片机的控制，通过各种传感器来实现相应的控制。ON/OFF:用于开关机按钮，连接主板控制开关；奶量：用于设定奶水里奶粉的量，连接控制奶粉盒步进电机；温度：用于设定奶水温度，连接制冷制热设备温度传感器；出水量：用于设定奶水的含量，连接控制水泵转数。具体示意图如下图 5-3 所示。图 5-3 控制界面示意图5.2.2 使用过程说明1）打开奶粉盒盖子，装入奶粉，盖上盖子，如图 5-4 所示；奶粉盖盒子图 5-4 使用过程拆解 1大连交通大学 2015 届本科生毕业设计（论文）25往里倒入奶粉并盖上盖子图 5-5 使用过程拆解 22）打开注水盖子，往水箱里加水，盖上盖子；注水盒盖打开加水图 5-6 使用过程拆解 3大连交通大学 2015 届本科生毕业设计（论文）26盖上盖子图 5-7 使用过程拆解（4）3）插接 220V，50HZ 电源 ，并打开拨扭开关 AC220V 50HZ图 5-8 使用过程拆解（5）4）按下 ON/OFF 按钮，显示屏点亮；图 5-8 使用过程拆解（6）