全自动旋盖机的设计.doc

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1、CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY毕 业 设 计 说 明 书题目：全自动旋盖机的设计二级学院（直属学部）： 专业： 班级： 学生姓名： 学号： 指导教师姓名： 职称： 评阅教师姓名： 职称： 2014 年11月常州工学院毕业设计摘 要随着社会的发展，我国的包装行业发展迅速，特别是自动化行业的兴起，随着对自动化要求的越来越高，原有的机械设备已跟不上社会生产力的日益需求，我国早期多采取人工包装，操作繁琐、单调、重复，工人劳动强度大。所以本文的设计目的为全自动旋盖机的的设计，包括了机械，电气控制两大部份。根据原始数据的要求，完成从理盖，上盖，瓶子的进料，旋盖以及出料等

2、几个工序。只需简单操作就可完成,这样大大简化了工人的劳动力，达到工业的自动化控制，机械系统包括进料输送机的设计、旋盖头的设计以及中心转盘的设计。本旋盖机的主要驱动部件包括一台振动料斗、两台交流电机，一台用于旋盖的直流电机、一台步进电机，以及三根气压杆，通过PLC的控制，来安排不同的工序，动作的先后，各个工序间的无缝配合来完成这样一系列连续的旋盖动作，从而满足工业自动化的需求。电气控制部分使用了PLC作为控制器，然后通过电源、接触器、继电器、脉冲控制器、以及各个行程开关的开闭配合。设计完成全自动旋盖机的PLC编程，也包括了整个系统电气原理图的绘制，利于设备的维护、维修，以及高效可靠地处理各个信号

3、以达到整机控制的目的。关键词：包装 自动化 旋盖 输送机 PLC目 录1 绪论11.1 旋盖机系统的介绍11.2 旋盖机的国内现状11.3 旋盖机的国外现状21.4 主要研究内容21.4.1 全自动旋盖机的工作方式21.4.2 课题主要内容21.4.3 设计主要的技术参数要求22 全自动旋盖机的总体设计方案42.1 全自动旋盖机的总体设计思想42.2 机械结构的初步设计42.2.1 理盖送盖部分方案的确定42.2.2 送瓶部分的结构方案确定52.2.3 装盖环节的设计62.2.4 旋盖部分的结构方案62.2.5 出料的方案73 主要部件的设计选型及计算校核83.1 理盖部分振动盘的选型83.

4、2 带式输送机的设计83.2.1带的选型计算83.2.2同步带，及同步带轮的选型133.3卡盘的设计以及驱动143.3.1卡盘的设计以及计算143.3.2电机的选择143.3.3 驱动器的选择153.4 气压缸的计算及选型163.4.1选择气缸的类型163.4.2 行程开关类型的选择163.4.3 气缸的选择163.5 旋盖头的设计与计算183.5.1 旋盖头的设计183.5.1 旋盖电机的选型计算183.5.2 永磁体的选择194 电气部分的设计与选型204.1 可编程控制器204.1.1可编程控制器的选择204.1.2PLC类型的选择204.2电气元件的选择224.2.1电源的选择224.

5、2.1磁性感应开关的选择224.2.2电磁阀的选型224.2.3继电器的选型224.2.4接触器的选型234.3 控制的原理254.3.1控制的基本原理254.3.2控制的时序图264.3.3 PLC端口的分配264.4 电气部分的设计274.5 PLC程序27结 论28致 谢29参考文献301 绪论随着科技社会的发展,我国的包装行业得到迅猛的发展，包括了：医药,化妆品,饮料等好几个大类,它们是国家生产行业中一个相当重要的群体，涉及了国民的健康、社会的安定和经济的发展。其中中国饮料行业是其中的一个重要的组成,是改革开放以后发展出来的新兴行业，是国民生产总值的一个重要的组成部分。20多年来，饮料

6、行业不断地发展和改进，改变了以往的很多缺点、产品结构简单、无竞争力的局面，各个新兴企业的规模和自动化程度不断提高，产品的设计日趋合理。中国的饮料、医疗、化妆品在品牌方面的发展成果显著。随着市场经济的发展, 如何摒弃旧的生产观念,以及节约人力物力,降低成本,节约能源，提高能源利用率，使用机械设备代替工人的劳动力,是一个相当亟不可待的问题 。所以原始的生产方式已经跟不上,日益膨胀的社会需求,如何实现机械自动化,便设想如能设计一套全自动旋盖系统将十分有利于日益膨胀的社会的需求。1.1 旋盖机系统的介绍旋盖机主要用于玻璃瓶和PET瓶的螺纹盖封口。旋开盖是一种密封可靠、开启方便的包装盖，材料一般为铝合金

7、塑料，在旋盖机的作用下旋紧，从而达到密封的效果。随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，旋开盖广泛应用于各种果汁、饮料、果蔬浆、调味料、婴儿食品等瓶装食用包装中。普遍使用的旋开盖直径范围为32-65mm，有三爪、四抓等结构，在国内俗称三旋盖、四旋盖。旋盖机主要由供盖装置、出瓶机构以及旋盖机头这几个必要的部件组成。近几年来随着食品饮料工业向大规模高效率方向发展，国际上先进的罐装生产线的生产能力一般都达到300500瓶/min，并将洗瓶、罐装和旋盖组合成整机。这不仅使设备更加紧凑，减少生产线占地面积，又减小了洗瓶、灌装和旋盖工序之间的输送距离，对防止产品的二次污染有很大意义。由于原有的直线式旋盖

8、机和回转式灌装机很难组合成整机，新颖的多头回转式旋盖机就应运而生。这种旋盖机可以和灌装机一样通过增加头数来增加产量。采用抓盖、旋盖方式的旋盖头不仅适用各种旋开盖的封口，稍加改动后还能用于其他各种金属、塑料螺纹盖的封口。旋盖机的用前景良好，可在各种食品饮料生产线和制药工业的生产线中广泛应用。然而，在我国应用的罐头旋盖机还存在很多的不足。首先是自动化程度低，经旋盖机旋盖后仍需进行人工旋盖才能达到加工要求；其次是效率低下，不能满足我国罐头生产现状；还有就是旋盖质量低，返工率高等问题。这些问题，是由于旋盖机自动化集成程度低、控制精度不高所造成的。11.2 旋盖机的国内现状现在工业上普遍运用的旋盖机有两

9、大类，一种是直立式搓盖机，另外一种是靠中间转盘带动的分瓶式的旋盖机。第一种是基于盖已经装在瓶上的情况，第二种虽然有他自己独立的一套装盖方案，但是还是难以实现无人工干预的全机器操作的工作方式。我国早期多采取人工包装，操作繁琐、单调、重复，工人劳动强度大，包装质量不高，有些药品长期与人接触还会影响身体健康。由于工业产品千差万别，用户要求各不相同，很难形成统一的灌装模式和定型的包装设备，因而包装工序长期以来成为连续化生产过程中的薄弱环节。包装工作包括包装材料和容器的制造、印刷、包装工艺程序的操作和质量检测等。实现包装自动化能有效地提高生产能力，保证产品质量,增加花色品种,有利于食物、药品的清洁卫生和

10、金属制品的防腐防锈并降低生产成本。包装自动化还能改善工作条件，特别是对有毒性、刺激性、低温潮湿性、飞扬扩散性等危害人体健康的物品的包装尤为重要。以及那些人工难以实现的包装,如无菌包装、药品饮料包装、真空包装、热成型包装等，更加需要实现自动化。伴随电子技术的发展，包装从单机分离电器为主的低级程序控制发展到多功能全自动包装机和由电子计算机控制的包装生产自动线。21.3 旋盖机的国外现状国外的旋盖机，在自动化程度上高于我国生产设计的旋盖机，国外有一套自己的理盖方式，以及全自动的旋盖方案，虽然国外的机器总体水平比我过的高，但是限于瓶盖的规格以及不同的行业标准等因素，旋盖机很难从国外进口。1.4 主要研

11、究内容本课题主要研究输送带传动，步进电机,交流电机,PLC,控制等。通过电机控制输送带，金属杆的运动，步进电机的行程根据任务书的已知条件，对旋盖机及其各个零件进行设计和总体布置。通过具体的参数计算及工况分析，拟定全自动旋盖机的系统原理图，完成液压及电气PLC控制系统原理图绘制。1.4.1 全自动旋盖机的工作方式第一部分:瓶子的进给部分第二部分:瓶盖的进给及装盖部分第三部分:自动旋盖部分第四部分:控制部分主要工作方式: 前一流水线上瓶子通过输送带进入旋盖机通过输送带及转盘，并将瓶盖轻放在瓶子上旋紧瓶盖下料1.4.2 课题主要内容（1）根据设计要求，收集旋盖机相关资料，并做相关的整理。（2）根据已

12、知技术参数，确定旋盖机的总体设计方案。1.理盖部分的设计及选型2.进瓶部分的设计3.分瓶机构的设计4.旋盖头的设计5.机架的设计6.材料的选择（3）完成旋盖机的结构设计，采用SOLIDWORKS、CAD等软件绘制装配图、零件图。（4）拟定PLC控制系统原理图，电气控制原理图。1.4.3 设计主要的技术参数要求生产能力50瓶/分钟瓶盖尺寸：15-70毫米瓶体直径：35-130毫米瓶体高度：50-320毫米2 全自动旋盖机的总体设计方案2.1 全自动旋盖机的总体设计思想盖子通过理盖部分，整理完朝向，瓶子通过流水线进入旋盖环节，然后通过机械结构将瓶盖置于瓶子上方，待旋盖。通过设计一个旋盖头来达到旋紧

13、瓶盖的目的，最后便可进入出料阶段。2.2 机械结构的初步设计2.2.1 理盖送盖部分方案的确定方案1：图2-1 理盖方案1如图2-1，瓶盖通过输送带的传输，当经过测距传感器下方时，传感器测出传感器与瓶盖面的距离为h，瓶盖向下时距离为h1，瓶盖向上时距离为h2。传感器分别以脉冲的形式传送给PLC，用SPD命令，计算脉冲的密度，从而判断瓶盖的正反向，若反向，则PLC控制气压缸伸出将瓶盖推入下坡的导轨上，重新进入循环，这样就能达到理盖的目的。方案2：使用振动送料盘图2-2 “E”形缺口3通过底座的振动，支承弹簧片以一个角度安装，通电之后产生扭振，使瓶盖在惯性、自身重力、摩擦力、振动力，多个力的作用下

14、沿料斗侧面的螺旋槽顺着螺旋方向向上运动，同时在螺旋槽上开有“E”形缺口。如图2-2，当盖口向下时，瓶盖运动到“E”形缺口时会掉落下去，当盖口向上时，瓶盖能顺利通过“E”形缺口。然后完成定向后的瓶盖从振动盘出口，进入料斗的导轨，这样就完成了理盖、送盖这两个步骤。两种方案的比较：方案1：控制部分较为复杂，瓶盖还存在第三种情况，两两叠在一起方案2：模块化，控制简单，直接可以使用综上所述，方案2更好，因此理盖送盖部分这里初确定常州锐凯公司的振动送料盘。2.2.2 送瓶部分的结构方案确定因考虑到在实际生产中，整个灌装、旋盖过程是一条流水线，经过查阅资料，灌装的输送基本上是采用输送带传送，到达指定位置后

15、探针往瓶中注入液体，然后再通过输送带运走。这里，为了和上一个流水线相连接，也就是灌装环节的连接，这里送瓶的部分也采用输送带的方式。瓶子通过输送带到达指定位置后，考虑的问题是瓶如何的定位，经过实地的考察以及网络的资料，目前市场上的旋盖机，瓶的定位方式一般采用直列式的夹紧方式，或者星形卡盘的旋转来完成送瓶的动作，考虑到经济、和动作的复杂程度的问题，这里初步选用星形卡盘的工作方式，并在下方安装步进电机驱动以迎合进料时的工作节拍，如图2-3。图2-3 卡盘设计思路2.2.3 装盖环节的设计瓶盖从理盖振动盘中的导轨上向下运输，导轨延伸到星形卡盘之上，当星形卡盘带着瓶经过导轨的下方时（这里预先计算好角度，

16、导轨方向可调）瓶口边缘便会卡在瓶盖下方侧壁边缘带走一个瓶盖。盖装上后，有几种可能性，第一种是正好垂直，这种情况是我们要的情况，可以直接旋盖，第二种情况是有一点角度需要纠正，所以在这里还要添加一个压盖装置。于是在下一个工作位，安装一个气压缸，瓶子经过气压缸下方时气压缸就会工作，下降，将瓶盖压正，以便进行下面的工序。综上所述，就完成了装盖这个动作。2.2.4 旋盖部分的结构方案待旋盖的瓶通过星形卡盘旋转到指定位置后，要考虑两个大问题：如何旋盖，和在旋盖时，瓶身有自转，如何克服这个自转，使瓶身固定。（1）如何实现旋盖这功能。当星形卡盘的卡槽内收集了瓶子并装盖完毕以后，这里选用旋盖头的转动，配合气缸的

17、上下运动，完成旋盖的动作，旋盖头的设计，以及气缸的具体原理选型，下文再作详细说明，这里仅是拟定方案。（2）如何克服瓶身的自转。在瓶身进入旋盖环节后，选盖头带动瓶盖旋转，当达到一定预紧力以后，极有可能发生瓶身的自转，这里的方案是，在旋盖头的下方，星形卡盘的侧面，另加一个气压缸，气压缸的前端加装弧形的金属片前方装有橡胶垫，当星形卡盘旋转到旋盖位后，气缸伸出，同时卡紧瓶身，这样就能克服瓶身的自转。2.2.5 出料的方案当机构完成以上方案中的几个动作后，即接下来要完成出料动作，所以在完成旋盖后星形卡盘转过一个角度，将已旋盖的瓶移到出料口上，这里的出料口也配合流水线，因为下一道工序可能进入贴标环节所以出

18、料口也应符合标准，使用输送带这个运输方式，这样就完成了一次旋盖的流程。3 主要部件的设计选型及计算校核3.1 理盖部分振动盘的选型上文提到选用常州锐凯公司的振动送料盘，根据原始数据，瓶盖直径为15-70毫米，生产能力为50瓶/分钟，瓶盖高度数据中未给出，所以根据实际生产情况拟定高度为10-25毫米之间。于是根据以上数据，选用常州锐凯公司的SP-03型振动送料盘，该振动盘参数：瓶盖高度：10-30毫米瓶盖直径：10-75毫米进给速度：60个每分钟5振动盘高度：520毫米振动盘直径：600毫米由于参数符合原始数据的要求，所以理盖方面这里就确定选择常州锐凯公司的SP-03振动送料盘。3.2 带式输送

19、机的设计因实际流水线此处应与灌装流水线相连接，所以输送机长度，也就是进料的距离由于工况的不同而不同，所以此处且定输送距离，也就是所要设计的输送机长度为1.5米。3.2.1带的选型计算（1）带宽的确定根据原始数据瓶体直径为35-130毫米带速的计算: （3-1)式子中：带走的距离，单位为；带走的时间，单位为； 这里以一分钟为基准所以为,一分钟带走的距离，至少带50瓶其中2为安全系数将，代入式子（3-1）求得带速约为。运载能力：瓶的散状密度约最小带宽： （3-2）式子中：物料系数，取1倾角系数，根据输送的倾角为0，0-3取1运载能力，单位瓶的散状密度，单位将，代入 （3-2）求得最小带宽图3-1

20、输送带的尺寸表 GBT4490-94根据计算出的最小带宽229.7，从上图查得带宽这里取300（2）轮辊间距的确定轮辊之间的距离： （3-3）式中：物料系数，取1 将代入（3-3）求得轮辊之间的距离通过上述计算以及工况的要求，这里选择，上海韦欣工业皮带有限公司的2.0黑色输送带300M-ZB其基本参数为：结构：二布二胶纤维层数：二层表层材料：聚氯乙烯总厚度：重量：最大生产宽度：拉断强度：表面涂层硬度：75 shoreA 耐温：-10/+90 最小滚轮直径：横向稳定性：是（3）托辊的选择图3-2 托辊的尺寸选择 GB 990-91如图3-2所示，因为我们选择的带宽为300，所以托辊长度l取380

21、直径取76.89 ，其余的尺寸如图3-2所示，。图3-3 托辊的尺寸规定 GB 990-91托辊的机械外形以及各个尺寸代表的含义如图3-3所示。（4）滚筒的选择图3-4 滚筒的尺寸选择 GBT988-1991如图3-2所示，因为我们选择的带宽为300，所以滚筒长度L取400，直径D取200。 图3-5 滚筒的尺寸规定 GBT988-1991滚筒的机械外形尺寸分布如图3-5所示（4）减速交流电机的选择运送速度的计算： （3-4）式中：将，代入（3-4）求得转速为物料重量估算：（这里每瓶待旋盖的瓶估算重量为）交流电机功率的计算： （3-5）式中：输送机水平距离托辊阻力系数，对上有运料的情况单位长

22、度机器运动部分质量 （3-6）其中：单位长度上托辊质量单位长度上运动部分质量单位长度上输送带质量于是估算为带速输送速度送料的垂直高度，这里无垂直高度，取0综上： 所以约为,在实际工况下，还需用到同步带，同步轮，考虑到摩擦等综合因素，这里取安全系数实际功率为因为交流电机的功率一般为：180W、200W、250W、370W等，故这里选择250W的交流电机。图3-6 减速交流电机这里选择250W的交流齿轮减速电机，60GU-10K减速马达如图3-6，定速型,具体参数如下：电压：380V转速比：60功率：250W固定转速：21扭矩：333.2.2同步带，及同步带轮的选型（1）同步带轮的选型因选择电机时

23、已经选择了1:60的减速电机，转速已经达到要求，故这里选择同步带轮时电机的主动轮以及滚筒的被动轮选用同样半径的，也就是同步带的传动比为1:1，这里初选型号为25L018BS的同步带轮，直径为72（2）同步带的选型由于本设计的工况属于轻载，所以对同步带的强度不是很高，因此选择，上海五同同步带有限公司的STPD/SYS-S3M-20同步带。（3）物料（瓶）的导向性问题前文选择的输送机带宽为300，需运送的瓶体直径最大为130,考虑到瓶体如何在输送带上定向地运动以及准确地输送到目的地，于是在机架上可以装一个导向铁片用来限制瓶体的运动，这样瓶就可以顺利地通过输送带到达下一个工位，星形卡盘上。3.3卡

24、盘的设计以及驱动3.3.1卡盘的设计以及计算根据原始数据这里初定卡盘一周上有10个瓶，所以360/10=36所以每两个瓶中线到圆心连线的夹角为36半径初定400，如图3-7。 图3-7 卡盘槽位的设计在旋盖机工作时，有四个槽位上是没有瓶子的，也就是说实际工作时转盘上只有6个瓶子材料初定为ABS塑料。（塑料的密度以0.85 计算）卡盘可根据实际加工瓶身大小而更换，这里只列举一种最大的情况。星形卡盘的质量约：0.855500=4710=4.71瓶的质量估算为1.5L，也就是1.5所以，六个瓶质量约为：1.56=9总重量约为：（9+4.71)1.3=17.8其中1.3为安全系数3.3.2电机的选择这

25、里初步考虑步进电机与伺服电机，比较其控制方式，步进电机大多为开环控制，不需要、或者说没有反馈，而伺服电机的控制系统比较严密，闭环控制，有反馈。在价格方面，步进电机价格低廉，伺服电机价格较高；同时步进电机精确度差，而步进电机精确性好。但考虑到步进电机有一个特性，没有累积误差，每转过一周，也就是360会自动补偿误差，也考虑到实际运用的精度需求也不是很高，所以这里选用步进电机作为星形卡盘的驱动。步进电机（步距角的选择上，因为前面算得36为一个节拍，所以这里步距角初定为1.8）驱动物体运动0.3秒钟。必要脉冲数：必要脉冲数频率= （3-6）必要脉冲数频率=733.3HZ （3-7） （3-8）估算其转

26、速约为70所以转矩为： （3-9）其中功率：单位 转速：单位代入得： 确定步进电机驱动负载所需要的力矩。方法是在负载的中心上加一根轴，用弹簧秤拉动轴，拉力乘以力臂长度既是负载力矩。于是经过实验以及上述计算，以转动36为准,综合得，需要的扭矩约为7.5。步进电机相数的确定，在选择相数时，相数与步距角有关，因此只要满足选择的步距角的相数就可以。这里前文需要的步距角为1.8所以，这里选择两相的步进电机。于是这里初选型号为：86BYGH5430的步进电机，其参数如下：步距角：1.8机身长：151相电压：5.7相电流：3相电阻：1.9相电感：22静力矩：9.3引线数：4转动惯量：3.6重量：53.3.3

27、 驱动器的选择根据上文选择的步进电机86BYGH5430，相数为2相，引线数为4,电机属于86BYG系列的,根据以上信息，选择步进电机的驱动器为：D2HB882MB。驱动器参数见图3-8。图3-8 驱动器参数3.4 气压缸的计算及选型3.4.1选择气缸的类型按操作方式分气缸一般有两种类型，单作用气缸和双作用气缸。单作用：通过气压驱动，通入气体后开，或者通入气体后关，断气后复位，结构简单，耗气量小，活塞行程短，单作用气缸多用于压紧、印字等。推出时由于内部有弹簧，所以还要克服弹簧力，因此要比较大的缸体直径。双作用气缸：两个腔体都可以输入压缩空气，它的结构可分为双活塞式、双活塞杆式、缓冲式和非缓冲式

28、这类的气缸使用广泛行程长，伸出所需的作用力大于返回的作用力。综合情况下考虑，这里初定选用单作用型气缸。3.4.2 行程开关类型的选择行程开关开关：由于气缸运动到极限位置需要反馈给控制器才能控制其缩回，因此气压系统里需选择行程开关作为位置检测用，所以需选择一种行程开关。液压、气压系统中常用物理的开关式行程开关，或者磁性开关，普通的物理式开关控制位置不精确，但是相对来说价格低廉一些。磁性开关位置控制精确，现代工业生产中普遍运用，使用简便，但是价格相对较高。综上的比较，以及实际运用，这里选择磁性开关作为气压缸的行程开关，由于磁性开关的特殊性，因此，在选择气压缸的时候，需要其内置磁环。3.4.3 气

29、缸的选择根据实验，以及实地数据的收集，在以上这种工况下约需70N的推力，这里初定气压缸的缸径为32，气压缸个数为三个。 图3-9 气缸理论输出表 14根据图3-9缸径32，受压面积为3.14左右，根据上文估算的气压缸输出约需70N的输出力，所以从表中可以看出，气缸的工作压力为0.22-0.35左右，所以这里选择CJ2B.CDJ2B弹簧压回式气缸。有关气源：由于工厂的集中气源供气，这里不用选择气泵。而要考虑如何将气体分配给三个气缸，这里需选择三个减压阀，所以根据气缸的工作压力，这里选择上海野渡气体设备有限公司的R41 不锈钢减压阀。3.5 旋盖头的设计与计算3.5.1 旋盖头的设计旋盖头是旋盖机

30、上最重要的部件之一，在其工作时需保证旋紧的力矩适中，太大旋不紧瓶盖，太大则会损坏瓶盖。所以这个旋盖头是整个设计的重点，因此这里参考日本的OC-A2型旋盖头的设计，这个设计的精妙之处就在于通过边缘的永磁体的吸力，来控制瓶盖的旋紧力度。若达到预定的力，也就是达到瓶盖预先设定的预紧力之后，因为在此时的旋转扭矩大于永磁体相互吸引的力，所以永磁体不足以克服这个力保持吸附状态发生打滑这样，计算好永磁体间相互的吸引力，就能控制旋盖头的旋盖力矩。初步结构如图3-10。这里还有一点要说的是，旋盖头最下方的旋盖嘴设计为可更换式，这样就能满足不同的工况。图3-10 旋盖头的设计3.5.1 旋盖电机的选型计算根据原始

31、数据，需要50瓶每分钟的速度，设计的旋盖头与瓶盖的接触时间约为0.5秒左右，一般情况下，瓶盖里的螺旋线约为2圈左右所以：所需转速约为：其中1.2为安全系数所以电机转速6 = 即可满足要求转矩的估算：旋紧瓶盖约需转矩为：根据上面的计算，这里选择型号为37GARH的直流小型电机其参数为：电源：DC 24V直径：37空载转速：500 额定转速：400 额定扭矩：额定电流：1.2外形尺寸不含轴：37 95 重量：0.3 价格65元额定转速：400360额定扭矩：2.51.5故满足要求3.5.2 永磁体的选择上文提到旋紧瓶盖需1.5的扭矩，因为旋头有自重所以为了安全起见，设永磁体的吸力为2，永磁体间接触

32、面积约为7。磁力计算公式： （3-10）代入得： B=2653.9所以需选择上下一共14块接触面积为1的，2600高斯左右的永磁体。4 电气部分的设计与选型4.1 可编程控制器4.1.1可编程控制器的选择在全自动旋盖机的控制方面，需要选择一稳定性较高的可编程逻辑控制器，现可选的有：单片机和PLC两种控制器。单片机：单片机是一种非常集成的电子控制芯片，是一种集成电路，内部复杂，有中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、和外界许多个I/O口组成，内部有中断器，计时器，定时器等功能，可以集中在一块小型的PCB板上从而形成一个小的微型计算机系统，优点是体积小，成本低。但是维护较复杂。PLC

33、PLC实际上是一种专门用于工业的逻辑控制器，其硬件结构上基本与微型计算机相类似。主要工作方式为：输入采样阶段、用户程序执行阶段、输出刷新阶段。反复执行这三部，因而形成了PLC的扫描周期。PLC在工程运用中相比单片机来说较可靠，也就是俗称的可靠性，PLC不需要太多的连线以及电子元件，抛弃了繁杂的电路，有完善的断电保护，以及各个厂家反馈的错误代码，用来诊断错误。PLC相对于单片机来说，操作相对简单很多其编程语言的易用性，可以大大地降低程序的错误率。PLC的还有一个易操作性的优点，PLC的电气图与梯形图相似容易掌握，对维护操作人员的要求也不高。综上所述，本次的课题为全自动旋盖机的设计，属于工业生产

34、范畴，对于稳定性的要求比较高，而且本次设计的旋盖机属于中型机械设备，因此，对于体积来说，没有太多的要求，不需要功能化的嵌入式系统。所以这里选择PLC作为本次设计旋盖机的逻辑控制器。4.1.2PLC类型的选择PLC的输出类型有继电器和晶体管两种类型：（1）晶体管输出工作原理继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服

35、返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。从继电器的工作原理可以看出，它是一种机电元件，通过机械动作来实现触点的通断，是有触点元件。晶体管是一种电子元件，它是通过基极电流来控制集电极与发射极的导通。它是无触点元件。（2）继电器及晶体管输出的主要差别由于继电器与晶体管工作原理的不同，导致了两者的工作参数存在了较大的差异，下面进行比较说明。 驱动负载不同：继电器型可接交流220V或直流24V负载，没有极

36、性要求；晶体管型只能接直流24V负载，有极性要求。 继电器的负载电流比较大可以达到2A，晶体管负载电流为0.2-0.3A。响应时间不同 ：继电器响应时间比较慢（约10ms-20ms），晶体管响应时间比较快，约0.2ms-0.5ms，Y0、Y1甚至可以达到10 us。 使用寿命不同 继电器由于是机械元件受到动作次数的寿命限制，且与负载容量有关，可以看出，随着负载容量的增加，触点寿命几乎按级数减少。晶体管是电子原件只有老化，没有使用寿命限制。（3）继电器与晶体管输出的主要原则继电器型输出驱动电流大，响应慢，有机械寿命，适用于驱动中间继电器、接触器的线圈、指示灯等动作频率不高的场合。晶体管输出驱动电

37、流小，频率高，寿命长，适用于控制伺服控制器、固态继电器等要求频率高、寿命长的应用场合。在高频应用场合，如果同时需要驱动大负载，可以加其他设备（如中间继电器，固态继电器等）方式驱动。（4）使用中要注意的事项目前市场上经常出现继电器问题的客户现场有一个共同的特点就是：出现故障的输出点动作频率比较快，驱动的负载都是继电器、电磁阀或接触器等感性负载而且没有吸收保护电路。因此建议在PLC输出类型选择和使用时应注意以下几点： 一定要关注负载容量。输出端口须遵守允许最大电流限制，以保证输出端口的发热限制在允许范围。继电器的使用寿命与负载容量有关，当负载容量增加时，触点寿命将大大降低，因此要特别关注。 一定要

38、关注负载性质。感性负载在开合瞬间会产生瞬间高压，因此表面上看负载容量可能并不大，但是实际上负载容量很大，继电器的寿命将大大缩短，因此当驱动感性负载时应在负载两端接入吸收保护电路。尤其在工作频率比较高时务必增加保护电路。从客户的使用情况来看，增加吸收保护电路后的改善效果十分明显。 根据电容的特性，如果直接驱动电容负载，在导通瞬间将产生冲击浪涌电流，因此原则上输出端口不宜接入容性负载，若有必要，需保证其冲击浪涌电流小于规格说明中的最大电流。 一定要关注动作频率。当动作频率较高时，建议选择晶体管输出类型，如果同时还要驱动大电流则可以使用晶体管输出驱动中间继电器的模式。当控制步进电机/伺服系统，或者用

39、到高速输出/PWM波，或者用于动作频率高的节点等场合，只能选用晶体管型。PLC对扩展模块与主模块的输出类型并不要求一致，因此当系统点数较多而功能各异时，可以考虑继电器输出的主模块扩展晶体管输出或晶体管输出主模块扩展继电器输出以达到最佳配合。6本设计对控制要求并不高，只需要满足时序，以及工作节拍，所以对输入输出点的个数要求也不是很高，所以这里初选PLC型号为FX1n的PLC。整个控制系统，需要控制的执行元件有：步进电机-控制方式，脉冲 ，工作节拍交流电机-控制方式，触电，启停直流电机-控制方式，触电，启停气压缸的电磁阀-控制方式，触电（线圈）气压缸的磁性行程开关-控制方式，触电（线圈）振动料斗的

40、启停-控制方式，触电控制开、关根据上面的分析，我们这里选的PLC必须具备脉冲输出的功能，因此PLC脉冲输出的形式必须有晶体管形式的，这里初步选择FX1n-24MT-001。考虑到成本原因，这里没有选择功能更强的FX2n系列的PLC，带继电器输出和晶体管输出。以加装中间继电器的形式来弥补FN1n-24MT-001晶体管形式输出不能带交流负载以及功率较大负载的缺点。4.2电气元件的选择4.2.1电源的选择本次设计，需要特殊电压的用电器有：驱动器电源-24V直流电机-24V继电器的线圈供电-24V电磁阀的线圈供电-24V脉冲供电-5VPLC自带24V的电压输出，由于24V的负载较多，单靠PLC供电很

41、有可能超过PLC的负载极限，因此我们这里另外选择外接的开关电源，来满足24V以及5V的供电要求。根据上述要求，这里选择“兵装”公司的AC-DC机壳式开关电源。分别有220V的输入端，以及两路24V、COM接地端，单路5V、及COM接地端。4.2.1磁性感应开关的选择本全自动旋盖机用到三个气压缸，因此需选择三个磁性感应限位开关，由于这里选择的气缸属于小型气缸，所以这里选择宁波江东若水自动化设备有限公司的KT-32R的磁性感应限位开关。4.2.2电磁阀的选型上文提到电磁阀的线圈电压为24V,以及气压缸的工作压力为0.22-0.35mpa左右，根据这个数据，我们选择KOGANEI公司的180-4E1

42、PLL DC24V电磁阀。4.2.3继电器的选型继电器是一种电子控制器件，用于工业控制，常用于自动化控制系统中继电器，在这里我们的作用是用较小控制电压，去控制大电压，也起到了电气隔离的作用，用来保护PLC以及人体的安全。于是这里选择欧姆龙公司的继电器，具体型号参数如图4-1所示。图4-1 欧姆龙继电器 20 根据图4-1，以及先前的参数，这里选择MY2J这个型号的继电器，然后必须为这个型号的继电器选择底座。图4-2 欧姆龙继电器底座 20根据图4-2的描述，我们选择继电器的底座为PYF08A-E,适用于我们上面选择的型号MY2J。4.2.4接触器的选型接触器（Contactor)是指工业电中

43、利用线圈流过电流产生磁场，使触头闭合，以达到控制负载的电器。接触器由电磁系统（铁心，静铁心，电磁线圈）触头系统（常开触头和常闭触头）和灭弧装置组成。其原理是当接触器的电磁线圈通电后，会产生很强的磁场，使静铁心产生电磁吸力吸引衔铁，并带动触头动作：常闭触头断开；常开触头闭合，两者是联动的。当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在释放弹簧的作用下释放，使触头复原：常闭触头闭合；常开触头断开。在电工学上，因为可快速切断交流与直流主回路和可频繁地接通与大电流控制（某些型别可达800安培)电路的装置，所以经常运用于电动机做为控制对象也可用作控制工厂设备电热器工作母机和各样电力机组等电力负载，接触器不仅能接通和

44、切断电路，而且还具有低电压释放保护作用。接触器控制容量大，适用于频繁操作和远距离控制。是自动控制系统中的重要元件之一。 在工业电气中，接触器的型号很多，电流在5A-1000A的不等，其用处相当广泛。交流接触器利用主接点来开闭电路，用辅助接点来导通控制回路。 主接点一般是常开接点，而辅助接点常有两对常开接点和常闭接点，小型的接触器也经常作为中间继电器配合主电路使用。交流接触器的接点，由银钨合金制成，具有良好的导电性和耐高温烧蚀性。交流接触器动作的动力源于交流通过带铁芯线圈产生的磁场，电磁铁芯由两个山字形的幼硅钢片叠成，其中一个固定铁芯，套有线圈，工作电压可多种选择。为了使磁力稳定，铁芯的吸合面加上短路环。交流接触器在失电后，依靠弹簧复位。 另一半是活动铁芯，构造和固定铁芯一样，用以带动主接点和辅助接点的闭合断开。 20安培以上的接触器加有灭弧罩，利用电路断开时产生的电磁力，快速拉断电弧，保护接点。接触器具可高频率操作，做为电源开启与切断控制时最高操作频率可达每小时1200次。接触器的使用寿命很高机械寿命通常为数百万次至一千万