机电一体化课程设计说明书

浙江科技学院

机械与汽车工程学院

机电一体化课程设计

——饮料灌装生产流水线

的控制设计

学院：机械与汽车工程学院

班级：机制071班

姓名：吴亮

学号： 107011012

指导老师：王移凤

日期：

目录

一、设计任务与总体方案确定 (3)

1.设计任务 (3)

2.课题内容简介与设计要求 (3)

1）课题内容简介 (3)

2）设计要求 (3)

二、总体方案设计思路 (3)

三、机械系统结构的设计 (4)

1、机械本体的结构设计 (4)

2、传动方式的结构设计 (4)

（1）齿轮的设计与计算 (5)

（2）齿轮设计的校核 (6)

四、控制系统硬件设计 (8)

1、步进电机控制 (8)

1）步进电机启动力矩的计算 (8)

2）步进电机的最高工作频率 (9)

2、LED显示屏及键盘及警报LCD (10)

3、传感器 (10)

五、控制系统软件设计 (11)

1、流程图 (11)

2、硬件电路图 (12)

3、控制程序 (13)

六、总结 (23)

七、参考文献 (23)

一、设计任务与总体方案确定

1.设计任务

饮料灌装生产流水线的控制设计

2.课题内容简介与设计要求

1）课题内容简介

该灌装设备利用单片机系统控制，达到自动控制饮料灌装过程的要求，但相对于目前市场上的复杂系统而言，该灌装设备自动化程度还有待完善，仅适合于小型企业进行投资使用。

2）设计要求

（1）系统通过开关设定为自动操作模式，一旦启动，则传送带的驱动电机启动并一直保持到停止开关动作或罐装设备下的传感器检测到一个瓶子时停止。

（2）瓶子装满饮料后，传送带驱动电机必须自动启动，并保持到又检测到一个瓶子或停止开关动作。

（3）当瓶子定位在罐装设备下时，停顿1秒，罐装设备开始工作，罐装过程为5秒钟，罐装过程应有报警显示，5秒后停止并不再显示报警。

（4）一旦系统启动，记录罐装瓶数，设最多不超过9999瓶。

（5）可以手动对计数值清零（复位）。

二、总体方案设计思路

根据课题要求，该灌装设备是针对小型企业生产灌装饮料的单片机控制，自动化运作系统。作为自动化设备，其机械结构，电路硬件设备和软件控制程序必

须相对可靠，在系统运作过程中能够对于一般的意外情况作出相应的防护措施。并且在系统维护方面能够相对容易的找到失效点，及时得到修复。

故其机械机构底座采用铸铁铸造，并利用齿轮传动结构使传送带转动；灌装机构的储料桶应密闭，防止细菌等有害物质进入影响产品质量，利用活塞压缩运动使储料达到罐装的目的。

其控制系统硬件采用单片机控制，联接三个按钮，分别为启动、停止和复位。联接一个LCD作为灌装报警指示牌，一块4位LED数码显示屏用于记录灌装数量。另外利用8155H扩展I/O接口联接一个步进电机，使传送带达到即行即停的效果，为灌装设备提供准确的灌装位置，以便达到自动化设备的要求。

三、机械系统结构的设计

1、机械本体的结构设计

该灌装设备仅提供于小型企业生产作业，故只在一台灌装设备上设计一个灌装口，其下方设置一条滚动的皮带传动设备，使饮料瓶能随皮带自动到达灌装口。

2、传动方式的结构设计

经过对机械传动的力学和运动分析，该灌装设备对于皮带轮与步进电机之间的传动方式选用圆柱直齿轮，起到减速和增大力矩的效果。同时由于灌装设备体积较小，对于步进电机的减速要求并不是很高，故采用一级减速。经计算和校核

采用如下材料与减速比。

齿轮材料：45钢；

i=3:1、1220,60,40,10d mm d mm a mm b mm ====

（1）齿轮的设计与计算

取系统整个过程中max min 1.5/,1500/min,5V m s n r F N ===

所以得到15 1.57.5P FV W ==⨯=

1max 1500/min n n r ==

1、选择齿轮材料和热处理方法，确定齿轮的疲劳极限

由于齿轮尺寸较小，故参考《机械设计》表8-1，拟大小齿轮均选用20CrMnTi ，渗碳淬火，查出齿轮的疲劳极限，确定许用应力为

lim1lim2lim1lim21500400H H F F MPa MPa

σσσσ==== 2、初定齿轮主要参数

按齿面接触强度估算齿轮中心距

其中，齿数比12/3i n n ==。小齿轮齿数，参考《机械设计》表8-7选取120Z =，得2160Z iZ ==。按标准齿轮，查《机械设计》图8-24得124.86, 3.95FS FS Y Y ==。考虑载荷有轻微冲击，轴承非对称布置，初取载荷因数2K =。

齿宽因数*0.3a b =。将齿宽因数转换为*d b ，

**(1)/20.3(31)/20.6d a b b i =+=⨯+= 取min 1.6F S =。故许用接触应力 124002/1.6500FP FP MPa MPa σσ==⨯=

小齿轮传递名义转矩 1119550/0.05.T P n N m ==

因为1122/>/FS FP FS FP Y Y σσ，所以应以小齿轮参数代入弯曲强度设计公式。 按公式计算模数133

*22120.05 4.8612.612.60.200.620500

FS n d FP Y KT m mm b Z σ⨯⨯≥⨯==⨯⨯ 取标准模数1n m mm =

12()1(2060)4022n Z Z m a mm +==+⨯=