自动流水线输送系统设计

第一章引言

1.1课题提出背景

制造业历来是国民经济的重要组成部分为了提高制造业的技术水平，制造业在其发展历程中一直在进行着不同水平、不同类型的自动化。进人8十年代后，随着微电子技术和通信技术的吃速发展，制造业自动化进人到一个新的姗代一基于计算机的集成制造时代，并且正在向基于人工智能，人—机协调，人—自然协调的生态工厂时代迈进。促使制造业自动化发展的3个技术因素是:自动化单元技术:自动化的方法学或哲理;与制造业自动化有关的基础技术。

工业自动化技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其他信息技术，对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目的综合性高技术，包括工业自动化软件、硬件和系统三大部分。

工业自动化技术作为20世纪现代制造领域中最重要的技术之一，主要解决生产效率与一致性问题。无论高速大批量制造企业还是追求灵活、柔性和定制化企业，都必须依靠自动化技术的应用。

自动化系统本身并不直接创造效益，但它对企业生产过程起着明显的提升作用：

（1）提高生产过程的安全性；

（2）提高生产效率；

（3）提高产品质量；

（4）减少生产过程的原材料、能源损耗。

据国际权威咨询机构统计，对自动化系统投入和企业效益方面提升产出比约1：4至1：6之间。

特别在资金密集型企业中，自动化系统占设备总投资10%以下，起到“四两拨千金”的作用。

传统的工业自动化系统即机电一体化系统主要是对设备和生产过程的控制，即由机械本体、动力部分、测试传感部分、执行机构、驱动部分、控制及信号处理单元、接口等硬件元素，在软件程序和电子电路逻辑的有目的的信息流引导下，相互协调、有机融合和集成，形成物质和能量的有序规则运动，从而组成工业自动化系统或产品。

在工业自动化领域，传统的控制系统经历了继基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统和集散式控制系统DCS的发展历程。

近年来，随着控制技术、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交互沟通的领域正迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理各个层次。工业控制机系统一般是指对工业生产过程及其机电设备、工艺装备进行测量与控制的自动化技术工具(包括自动测量仪表、控制装置)的总称。今天，对自动化最简单的理解也转变为：用广义的机器（包括计算机）来部分代替或完全取代或超越人的体力。

1.2 课题的意义

总的看来，自动化技术发展趋向是涵盖“精益”、“灵敏”等概念在内的、广义的、基于计算机的集成制造;另一方面.从人、社会、自然这3个更大的范围来看，制造业自动化的发展趋向可概括为以下4 个方面:

1.制造业的生产柔性将进一步提高当今世界变化中的市场要求(CIM 是柔性的。制造系统的柔性是衡量制造系统对变化中的市场、技术及生产条件适应性的尺度。很显然，制造业的柔性是企业竞争

力的一个主要动力。制造柔性是由企业的长期(战略)考虑而产生的一种生产—经营决策，因而，制造柔性就不仅是个技术问题，而且也涉及到企业自身的具体情况和条件。以发展中的国家的企业而言，以首先提高人力资源和企业结构资源的柔性为佳。

2人工智能将发挥重要作用，形成基于知识的工厂1988年，美国制造工程师协会(ASME)曾进行过一次调查，以了解21世纪中制造工程师的环境和作用得出的结果是，在目前用于制造业的各种技术中，预期最有发展前途，需用于工业中的一种技术类型是人工智能。预测到21世纪初，人工智能在工厂中的应用规模将要比目前大4倍.

3.人与机械的进一步协调，强调人在制造系统中的作用

现在已有越来越多的人认识到，高效益的企业的一个主要特征是，在设计和开发适用的软件时，将人的因素结合进去，以驱动现代的CIM

系统。完全没有人参与的自动化是不现实的，在经济上是不合算的。人的创造性、判断力和理解力是任何一种机器所无法替代的。

4.人与环境的进一步协调，生态工厂的出现

产业革命后的近代产业社会中工业生产领域生产的“人工物”是人类生存所必须的.但工业废弃物和大量的能源消耗引起的生态环境破坏也日益严重，引起各国的密切关注。节能和废弃物回收和再利用(循环使用)已成为文明社会的共识。在这种全球性的保护生态环境的大趋势下，有人提出了制造业的“生态工厂”(E-eofactory)的主张。生态工厂的基本含义是，在力求降低能耗、资源投人的情况下，使产品在生产、消费过程中尽量不损害环境，并使最终的废弃物能分解、还原、再生和循环利用。这就要求产品在开发和设计过程中应具有“全球”环保意识，在材料、结构、工艺等方面作出最符合生态环境要求的决策。基于这样考虑.今后的制造企业自动化也必然人会向“生态工厂”自动化方向发展。

第二章自动化流水线

2.1自动化流水线定义

自动化流水线生产是生产组织的一种形式。把生产过程划分为在时间上相等或成倍比的若干工序，并将其分别固定于按工艺过程顺序排列的各工作地，劳动对象按一定的节拍或速度，顺次流过各工作地进行加工。对不能或不便移动的操作对象（如建筑物，大型船舶，大型机器及其部件），也可由执行各工序的工人，按规定速度在劳动对象上顺序连续进行各工序加工。诞生于第二次工业革命时期。

亨利.福特(Henry Ford)于1913年在密歇根州的Highland Park，建立的生产系统。

流水线生产通过一系列的生产方法，包括使用通用的设备，使生产线上的每项任务都有稳定的周期时间，并按照加工工序的顺序，使产品能够迅速、平稳的由一个工位“流动”到下一个工位。经由生产控制系统，使产品的生产率与最终装配线上的使用率相符合。

流水线生产进一步加大了工人的劳动强度，它要求工人进行高强度，高密度作业，因此它刚诞生时饱受争议。但时间证明，它是一种极其有效的生产组织。

由于劳动单位不用移动，流水线生产有极高的效率，它使大

规模批量化生产成为可能。同时，因为生产单位只用对劳动对象进行一部分操作，而无须像以前对劳动对象整体负责，因此使工人技术进一步专业化。

公司制的建立和蒸汽机的推广使用，促生了流水线生产，而它又与民族主义一起促生了法西斯主义。由于高生产速度，它还加快了世界工业化的进程。

生产流水线是在一定的线路上连续输送货物搬运机械，又称输送线或者输送机。按照输送系列产品大体可以分为：皮带流水线、板链线、倍数链线、插件线、网带线、悬挂线及滚筒流水线这七类流水线。一般包括牵引件、承载构件、驱动装置、张紧装置、改向装置和支承件等。流水线输送能力大，运距长，还可在输送过程中同时完成若干工艺操作，所以应用十分广泛。

2.2自动化流水线生产的基本原理

生产流水线的基本原理是把一个生产重复的过程分解为若干个子过程，前一个子过程为下一个子过程创造执行条件，每一个过程可以与其它子过程同时进行。简而言之，就是“功能分解，空间上顺序依次进行，时间上重叠并行” 。

2.3自动化流水线的计算方法

若在计算n个任务地执行时间时，将各个子功能段的实际执行时间限制为周期时间，则称为各段均取周期法。

计算公式：

该方法中，计算公式为:

T总=(n+k-1)×周期

其中，k为总段数，n为任务总数。

各叠加段取最大值法：

该方法中，计算公式为:

T总=t1+max{t1,t2}+max{t1,t2,t3}+…+max{t1,t2,…,tk-1} +max{t1,t2,…tk}×[n-(k-1)]+max{t2,t3,…,tk}

+max{t3,t4,…,tk}+…+max{tk-1,tk}+tk

其中，k为总段数，n为任务总数。

最省时法：

该方法中，计算公式为:

T总=t1+t2+…+tk+max{t1,t2,t3,...,tk}×(n-1)

其中，k为总段数，n为任务总数。

采取哪种方法？

当各段执行时间不一样时，上述3种方法才存在区别。若各段执行时间一样，三者无区别。第2，3种方式依各段时间取值不一样而可能存在区别。

2.4自动化流水线的特征及优缺点

生产流水线的特征是每一道工序都有特定的人去完成，一步一步地加工．每个人做一个特定的工作．

图1-1生产流水线

优点是这样生产起来会比较快，因为每个人只需要做一

样事，对自己所做的事都非常熟悉．

缺点是工作的人会很觉得很乏味．

常用的生产流水线可分为以下几种：

1）板链式装配流水线

特点：承载的产品比较重，和生产线同步运行，可以实现产品的爬坡；生产的节拍不是很快；以链板面作为承载，可以实现产品的平稳输送。

2）滚筒式流水线

特点：承载的产品类型广泛，所受限制少；与阻挡器配合使用，可以实现产品的连续、节拍运行以及积放的功能；采用顶升平移装置，可以实现产品的离线返修或检测而不影响整个流水线的运行。

3）皮带式流水线

特点：承载的产品比较轻，形状限制少；和生产线同步运行，可以实现产品的爬坡转向；以皮带作为载体和输送，可以实现产

品的平稳输送，噪音小；可以实现轻型物料或产品较长距离的输送。

4）差速输送流水线

特点：差速输送流水线采用倍速链牵引，工装板可以自由传送，采用阻挡器定位使工件自由运动或停止，工件在两端可以自动顶升，横移过渡。还可以在线可设旋转、专机、检测设备、机械手等。

第三章输送机简介

3.1 输送机的定义

输送机（Conveyor）是在一定的线路上连续输送物料的物料搬运机械，又称连续输送机。输送机可进行水平、倾斜

图3-1输送机

和垂直输送，也可组成空间输送线路，输送线路一般是固定的。输送机输送能力大，运距长，还可在输送过程中同时完成若干工艺操作，所以应用十分广泛。

可以单台输送，也可多台组成或与其他输送设备组成水平或倾斜的输送系统，以满足不同布置形式的作业线需要。

输送机械按运作方式可以分为：1：带式输送机 2：螺旋输送机 3：斗式提升机

3.2输送机的主要参数

一般根据物料搬运系统的要求、物料装卸地点的各种条件、有关的生产工艺过程和物料的特性等来确定各主要参数。

①输送能力：输送机的输送能力是指单位时间内输送的物料量。在输送散状物料时，以每小时输送物料的质量或体积计算；在输送成件物品时，以每小时输送的件数计算。

②输送速度：提高输送速度可以提高输送能力。在以输送带作牵引件且输送长度较大时，输送速度日趋增大。但高速运转的带式输送机需注意振动、噪声和启动、制动等问题。对于以链条作为牵引件的输送机，输送速度不宜过大，以防止增大动力载荷。同时进行工艺操作的输送机，输送速度应按生产工艺要求确定。

③构件尺寸：输送机的构件尺寸包括输送带宽度、板条宽度、料斗容积、管道直径和容器大小等。这些构件尺寸都直接影响输送机的输送能力。

④输送长度和倾角：输送线路长度和倾角大小直接影响输送机的总阻力和所需要的功率。

3.3输送机的特点

方向易变，可灵活改变输送方向，最大时可达到180度；

输送机，每单元由8只辊筒组成，每一个单元都可独立使用，

也可多个单元联接使用，安装方便；

输送机伸缩自如，一个单元最长与最短状态之比可达到3倍；

输送机可灵活改变输送方向，最大时可以大于180度

3.4输送机的发展历史：

中国古代的高转筒车和提水的翻车，是现代斗式提升机和刮板输送机的雏形；17世纪中，开始应用架

图3-2

空索道输送散状物料；19世纪中叶，各种现代结构的输送机相继出现。

1868年，在英国出现了带式输送机；1887年，在美国出现了螺旋输送机；1905年，在瑞士出现了钢带式输送机；1906年，在英国和德国出现了惯性输送机。此后，输送机受到机械制造、电机、化工和冶金工业技术进步的影响，不断完善，逐步由完成车间内部的输送，发展到完成在企业内部、企业之间甚至城市之间的物料搬运，成为物料搬运系统机械化和自动化不可缺少的组成

部分。

3.5输送机的分类

（一）输送机一般按有无牵引件来进行分类

具有牵引件的输送机一般包括牵引件、承载构件、驱动装置、张紧装置、改向装置和支承件等。牵引件用以传递牵引力，可采用输送带、牵引链或钢丝绳；承载构件用以承放物料，有料斗、托架或吊具等；驱动装置给输送机以动力，一般由电动机、减速器和制动器(停止器)等组成；张紧装置一般有螺杆式和重锤式两种，可使牵引件保持一定的张力和垂度，以保证输送机正常运转；支承件用以承托牵引件或承载构件，可采用托辊、滚轮等。

具有牵引件的输送机的结构特点是：被运送物料装在与牵引件连结在一起的承载构件内，或直接装在牵引件(如输送带)上，牵引件绕过各滚筒或链轮首尾相连，形成包括运送物料的有载分支和不运送物料的无载分支的闭合环路，利用牵引件的连续运动输送物料。

这类的输送机种类繁多，主要有带式输送机、板式输送机、小车式输送机、自动扶梯、自动人行道、刮板输送机、埋刮板输

送机、斗式输送机、斗式提升机、悬挂输送机和架空索道等。

没有牵引件的输送机的结构组成各不相同，用来输送物料的工作构件亦不相同。它们的结构特点是：利用工作构件的旋转运动或往复运动，或利用介质在管道中的流动使物料向前输送。例如，辊子输送机的工作构件为一系列辊子，辊子作旋转运动以输送物料；螺旋输送机的工作构件为螺旋，螺旋在料槽中作旋转运动以沿料槽推送物料；振动输送机的工作构件为料槽，料槽作往复运动以输送置于其中的物料等。

未来输送机的将向着大型化发展、扩大使用范围、物料自动分拣、降低能量消耗、减少污染等方面发展。

大型化包括大输送能力、大单机长度和大输送倾角等几个方面。水力输送装置的长度已达440公里以上带式输送机的单机长度已近15公里，并已出现由若干台组成联系甲乙两地的“带式输送道”。不少国家正在探索长距离、大运量连续输送物料的更完善的输送机结构。扩大输送机的使用范围，是指发展能在高温、低温条件下有腐蚀性、放射性、易燃性物质的环境中工作的，以及能输送炽热、易爆、易结团、粘性物料的输送机

发展趋向输送机的发展趋向是：①继续向大型化发展。大型化包括大输送能力、大单机长度和大输送倾角等几个方面。水力输送装置的长度已达 440公里以上。带式输送机的单机长度已近15公里，并已出现由若干台组成联系甲乙两地的"带式输送道"。不少国家正在探索长距离、大运量连续输送物料的更完善的输送

机结构。②扩大输送机的使用范围。发展能在高温、低温条件下、有腐蚀性、放射性、易燃性物质的环境中工作的，以及能输送炽热、易爆、易结团、粘性的物料的输送机。③使输送机的构造满足物料搬运系统自动化控制对单机提出的要求。如邮局所用的自动分拣包裹的小车式输送机应能满足分拣动作的要求等。④降低能量消耗以节约能源，已成为输送技术领域内科研工作的一个重要方面。已将1吨物料输送1公里所消耗的能量作为输送机选型的重要指标之一。⑤减少各种输送机在作业时所产生的粉尘、噪声和排放的废气。。

（二）输送机械按使用的用途分类:

1,散料输送机械(如:带式输送机\螺旋输送机\斗式提升机\大倾角输送机等)

（1）带式输送机由驱动装置拉紧装置输送带中部构架和托辊组成输送带作为牵引和承载构件，借以连续输送散碎物料或成件品。

带式输送机是一种摩擦驱动以连续方式运输物料的机械。应用它，可以将物料在一定的输送线上，从最初的供料点到最终的卸料点间形成一种物料的输送流程。它既可以进行碎散物料的输送，也可以进行成件物品的输送。除进行纯粹的物料输送外，还可以与各工业企业生产流程中的工艺过程的要求相配合，形成有节奏的流水作业运输线。所以带式输送机广泛应用于现代化的各

种工业企业中。

在矿山的井下巷道、矿井地面运输系统、露天采矿场及选矿厂中，广泛应用带式输送机。它用于水平运输或倾斜运输。

通用带式输送机由输送带、托辊、滚筒及驱动、制动、张紧、改向、装载、卸载、清扫等装置组成。

①输送带

常用的有橡胶带和塑料带两种。橡胶带适用于工作环境温度-15～40°C之间。物料温度不超过50°C。向上输送散粒料的倾角12°～24°。对于大倾角输送可用花纹橡胶带。塑料带具有耐油、酸、碱等优点，但对于气候的适应性差，易打滑和老化。带宽是带式输送机的主要技术参数。

②托辊

分单滚筒（胶带对滚筒的包角为210°～230°）、双滚筒（包角达350°）和多滚筒（用于大功率）等。有槽形托辊、平形托辊、调心托辊、缓冲托辊。槽形托辊（由2～5个辊子组成）支承承载分支，用以输送散粒物料；调心托辊用以调整带的横向位置，避免跑偏；缓冲托辊装在受料处，以减小物料对带的冲击。

③滚筒

分驱动滚筒和改向滚筒。驱动滚筒是传递动力的主要部件。分单滚筒（胶带对滚筒的包角为210°～230°）、双滚筒（包角达350°）和多滚筒（用于大功率）等。

④张紧装置

其作用是使输送带达到必要的张力，以免在驱动滚筒上打滑，并使输送带在托辊间的挠度保证在规定范围内。

带式输送机的技术优势

首先是它运行可靠。在许多需要连续运行的重要的生产单位，如发电厂煤的输送，钢铁厂和水泥厂散状物料的输送，以及港口内船舶装卸等均采用带式输送机。如在这些场合停机，其损失是巨大的。必要时，带式输送机可以一班接一班地连续工作。

带式输送机动力消耗低。由于物料与输送带几乎无相对移动，不仅使运行阻力小(约为刮板输送机的1／3-1／5)，而且对货载的磨损和破碎均小，生产率高。这些均有利于降低生产成本。

带式输送机的输送线路适应性强又灵活。线路长度根据需要而定．短则几米，长可达10km以上。可以安装在小型隧道内，也可以架设在地面交通混乱和危险地区的上空。

根据工艺流程的要求，带式输送机能非常灵活地从一点或多点受料．也可以向多点或几个区段卸料。当同时在几个点向输送带上加料(如选煤厂煤仓下的输送机)或沿带式输送机长度方向上的任一点通过均匀给料设备向输送带给料时，带式输送机就成为一条主要输送干线。

图3-3

带式输送机可以在贮煤场料堆下面的巷道里取料，需要时，还能把各堆不同的物料进行混合。物料可简单地从输送机头部卸出，也可通过犁式卸料器或移动卸料车在输送带长度方向的任一点卸料。

（2）螺旋输送机俗称绞龙，适用于颗粒或粉状物料的水平输送，倾斜输送，垂直输送等形式。输送距离根据畸形不同而不同，一般从2米到70米。

输送原理：旋转的螺旋叶片将物料推移而进行螺旋输送机输送。使物料不与螺旋输送机叶片一起旋转的力是物料自身重量和螺旋输送机机壳对物料的摩擦阻力。

结构特点：螺旋输送机旋转轴上焊有螺旋叶片，叶片的面型根据输送物料的不同有实体面型、带式面型、叶片面型等型式。螺旋输送机的螺旋轴在物料运动方向的终端有止推轴承以随物料给螺旋的轴向反力，在机长较长时，应加中间吊挂轴承。

双螺旋输送机就是有两根分别焊有旋转叶片的旋转轴的螺旋输送机。说白了，就是把两个螺旋输送机有机的结合在一起，组成一台螺旋输送机。

螺旋输送机旋转轴的旋向，决定了物料的输送方向，但一般螺旋输送机在设计时都是按照单项输送来设计旋转叶片的。当反向输送时，会大大降低输送机的使用寿命。

（3）斗式提升机利用均匀固接于无端牵引构件上的一系列料斗，竖向提升物料的连续输送机械。

斗式提升机具有输送量大，提升高度高，运行平稳可靠，寿命长显著优点，其主要性能及参数符合JB3926----85《垂直斗式提升机》（该标准等效参照了国际标准和国外先进标准），牵引圆环链符合MT36----80《矿用高强度圆环链》,本提升机适于输送粉状，粒状及小块状的无磨琢性及磨琢性小的物料，如：煤、水泥、石块、砂、粘土、矿石等，由于提升机的牵引机构是环行链条，因此允许输送温度较高的材料(物料温度不超过250 ℃)。一般输送高度最高可达40米。

第四章 输送系统设计

4.1 输送系统总体设计

4.1.1输送方案

1、设计要求：卷筒直径D=300mm ，带上物体重量2000g ，牵引力F=3400N,线速度V=0.75m/s ，连续单向运转，载荷平衡，空载启动，使用年限10年，批量生产，两班制工作，运输带的速度误差允许±5%。

2、电动机直接由联轴器与减速器连接，减速器由联轴器与卷筒连接

3、减速器采用二级圆柱齿轮减速器

4.1.2、电动机的选择

1、选择电动机的类型

按工作要求和条件，选用三相笼型异步电动机，封闭式结构，电压380V ，Y 型

2、选择电动机的容量

由电动机至运输带的传动总效率为：

4234221ηηηηηa ***=

（4321ηηηη、、、分别是联轴器、轴承、齿轮传动和卷筒的传动效率）