基于PLC的卷纸包装机成品运输系统二的研究与设计Word文件下载.docx
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当达到某一水平时,色码信号再次出现,此时刀具又开始向下移动。
变频功能可以调节电机的频率,然后上下调节刀具的工作频率,使刀具操作简单。
第三步:
分类。
切纸、分拣、入库时,放入纸库,借助推纸空心平台送至操作平台。
在最后一步,它被发送出去。
卷纸库中的纸张整齐有序,纸卷球由托盘的运动推动。
1卷纸包装机成品运输系统二结构研究与设计
1.1基本参数和结构组成
1.1.1皮带传动参数
卷纸直径100-130mm,卷纸长度:
100-120mm,单个卷纸重量:
0.125kg,每个皮带上纸的个数:
10个,,速度:
220PPM(paperperminute)
由于卫生纸的传送需要平稳的工作环境,所以选择大、小两带轮的直径相等的两个相同带轮,即传动比相等为1。
皮带与带轮之间的夹角是180°
,所以皮带与带轮所相切的弧长L=nπr/180°
,其中n为包角度数
卷纸包装机送纸皮带5的基本结构由皮带、电机、机架、传动轴等组成。
如下图1所示,皮带5的作用是把成品送出来。
皮带1和皮带2作为送纸皮带,把卷筒送到卷纸机构进行卷纸,卷好后由皮带3、4、5将卷好的纸送出,得到成品。
图1.1卷纸包装机的组成
1.2带传动的设计
1.2.1皮带的宽度
根据卷纸的大小要求皮带的宽应在110-150mm之间,留有10mm的余地,采用可以手动调节皮带的宽度的方式。
取带宽度为160mm
1.2.2皮带的初步选择
根据基本参数卷纸包装机的基本功做要求,这里我们采用的是平带传动,而皮带的选型我们根据下表1平带常用皮带的传动带的类型、结构、特点和应用分析对比,选用胶帆布皮带。
表1传动带平带的类型、结构、特点和应用
根据表2的平带规格查看和皮带的实际宽度进行对比,实际中,我们预算的皮带的宽度为150mm,所在这里我们选用胶帆布4层,带厚4.8mm,带的宽度范围(20-315)mm,最小带轮直径建议224mm,这里根据实际情况选择160mm。
表2胶帆布平带规格
1.2.3皮带的长度
根据卷纸的大小尺寸和皮带上卷纸的个数,以及卷纸与卷纸之间的间隙等。
计算皮带的长度(C),卷纸的直径为100-130mm之间,长度为100-120mm之间,皮带上最少要有10个卷纸,取每个卷纸与卷纸之间的间隙为50mm。
带轮直径为160mm,半径80mm,包角180°
即弧长L=180°
×
3.14×
80/180°
=251.2mm。
皮带的长度C1
C1=(10*130+10*50)*2mm
=3600mm
则取皮带长为3600mm(不包含传动轴带轮部分)。
带轮部分的皮带长度为两个相等的圆弧C2
C2=2*L=2*251.2mm
=502.4mm
1.2.4皮带的横截面积
由于皮带的宽度和厚度已知,所以皮带的横截面积:
宽度*厚度
=4.8*160mm2
=768mm2
1.2.5皮带转轮的转速
根据已知条件速度220PPM,即4个/s,得出每秒用包装纸的长度为(130+50)×
4=720mm,也就等于带速为720mm/s,带轮的周长为πd=3.14×
160=502.4mm,即带轮的转速为720/502.4=1.43r/s。
1.2.6皮带正常工作时皮带上的负载质量
卫生纸单个的重量是0.125kg,皮带上同时存在有个10卫生纸,即负载为10×
0.125=1.25kg。
1.3皮带的最终选择与校核
胶帆布皮带由数层挂胶帆布粘和而成,有包边式和开边式两种。
其特点包括:
抗拉强度较大,预紧力保持性能较好,耐湿性较好,但过载能力较小,耐热、耐油性较差等。
适用于ν<
30m/s、P<
500kW、i<
6轴间距较大的传动系统中,胶帆布皮带的长度可根据需要截取,然后将其端部联接起来。
平带的接头应保证平带两侧边的周长相等,以免受力不均,加速损坏。
1.3.1摩擦系数
带轮采用金属铸铁材料,胶帆布的材料为橡胶。
通过资料查得胶帆布皮与带轮的带静摩擦系数为0.8,动摩擦系数为0.5。
1.3.2皮带的负载F
皮带上单个卷纸的质量为0.125kg,每天皮带上的卷子数量为10个,皮带设计时为保证卷纸平稳运输,所以皮带为水平设计,卷纸垂直皮带放置,即
F=10*0.125*9.8N
=12.25N。
1.3.3计算中心距
=1880mm
1.3.4计算皮带总长度C
(不含皮带接头)
取皮带长为4120mm。
(包含皮带接头)
1.3.5计算皮带的功率Pd
d=KAP
=1.1
KA为工况系数,经查表得1.1
查机械设计手册胶帆布平带单位截面积传递的基本额定功率和工况系数表查得P为1.3kW
表3额定功率和计算参数
1.3.6皮带的校核
安全系数强度校核:
已知条件倾斜度0°
,负1.875kg。
输送带最大张力为
Smax=[(q+qd)Lsin
+(q+qd)L
cos
]g
=[(1.25+3.59)×
4.12×
sin0°
+(1.25+3.59)×
0.04×
cos0°
]×
9.8
=7.82N
其中Smax为传送带最大张力
为助力系数,取0.04
q为负载质量
qd为胶帆布质量,qd=层数×
胶帆布每层质量(1.36kg)×
带宽×
带长
即为4×
1.36×
0.16×
4.12=3.59kg
L为皮带的长度,取4.12m
抗拉强度计算
=Fb/So
=2760/502
=0.35MPa
其中Fb为作用在轴上的力,为2760N,So为受力方向上的横截面积,胶带强度安全系数计算公式为m=B
/Smax=160×
0.35/7.82=7.16,其中B为带宽。
根据以上计算,输送带强度安全系数满足要求。
So为受力方向上的横截面积,
r2=3.14*502,胶带强度安全系数计算,公式为m=B
0.35/7.16=7.82,其中B为带宽。
1.4模型的研究与设计
1.4.1基本设计理念
卷纸运输系统5的整体结构方案是采用两组传送带机构夹持卷纸进行传送。
将普通挡板(普通塑料板)立起来使用,利用传送带的侧面与卷纸进行接触,通过传送带和卷纸之间的摩擦力作为传送的动力。
为保证运输过程的平稳进行,在设计时,皮带水平设计,而挡板与皮带垂直且不接触的设计,固定于侧面支撑架上,。
两个异步电机通过变频器调频同步后,同时带动皮带转动,从而将卷纸平稳且有效的运出。
1.4.2具体三维模型展示
下图为皮带和普通挡板所组成的三维建模细节展示,宽度调整部分采用滚珠丝杠与光杠结合的方式,通过摇动手轮,将丝杆旋转并可以通过图中红色按钮进行宽度的手动调节,皮带宽度可调节为110-160mm之间
图4.1手动调节宽度设计
皮带的张紧部分的结构设计,如下图所示,在这里同意采取张紧轮调节设计,进行人工不定期调节,在调节过程中,旋转图中银色转盘进行调节。
图4.2皮带张紧设计
皮带5部分主要由胶帆布皮带,普通塑料挡板,支撑支架,皮带宽度调节机构,人工张紧机构和两个异步电机组成。
具体结构如下图所示
图4.3皮带5的整体结构图
2基于PLC的卷纸包装机成品运输系统二的研究与设计
2.1PLC的选型
选用西门子公司规格为S7-200CPU226的PLC,这是一款非常出色的可编程序控制器,因其有着高性能、体积小、运行速度快、性价比高、编程容易、易于掌握等的优势,这款PLC已经在很多领域得到了应用,比如工厂的各种电气设备,机械设备等,在其中起到自动检测,监测,纠错的作用。
S7-200PLC系列发展到现如今,已经有了五款CPU的PLC了它们分别是CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP以及CPU226。
虽然这五种规格的PLC在外形上有所不同,但其结构上基本一致[6]。
一个比较全面的,可以在工业中得以使用的S7-200PLC,一般包括以下五部分,CPU,PLC的数据运算处理部分、扩展模块,可以扩展PLC的安装点数以及功能的加强、带有编程软件的计算机,使得我们编写程序方便、控制简单、通讯网络,可以实现数据的流通,加强了PLC与PLC之间的联系、人机界面,可以的实时得到PLC的程序运行结果,有利于对PLC的控制[7]。
S7-200PLC的CPU共有五种规格,工况性能也随时间的发展越来越好,功能也是越来越强大。
第一代CPU221的PLC在很多地方都存在严重例如I/O的点数不能更改,而在以后所生产的四代CPU222、CPU224、CPU22XP、CPU226的PLC都可以进行I/O接口的扩展更改,进一步提高了S7-200PLC的市场竞争力[8]。
在这里,根据实际工作要求,选择各方面性能都是最先进的CPU226的S7-200PLC。
2.2选择接触器
接触器分为交流接触器(电压AC)和直流接触器(电压DC),它应用于电力、配电与用电场合。
接触器是指工业电中运用电流流经线圈之后,线圈产生磁场,使常开触头闭合,以达到控制负载的电电机的启动和停止。
接触器由于控制容量大,适用于远距离控制和频繁操作,多使用于自动控制系统中的低压电器[9]。
接触器的工作原理是:
当接触器线圈通电后,线圈电流产生磁场,磁场使静铁芯产生电磁吸力吸引动铁芯靠近,并带动交流接触器点动作,常闭触点断开,常开触点闭合,两者是同时进行的。
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,使触点复原,常开触点断开,常闭触点闭合[9]。
其主要控制对象是电机,也可以控制其他设备,如电热器、电容器和照明灯等电力负荷。
接触器利用电磁力的吸合和反向弹力作用可使接触点频繁的闭合和分断,从而达到电路接通和断开的效果
特点是工作可靠,寿命长,性能稳定,维护方便。
可快速切断交流与直流主回路,并且可频繁反复地接通与关断大电流控制的电路装置,但是因为接触器不能切断短路电流,所以通常与熔断器配合使用[9]。
2.3选择空开
空气开关是一种在电路中带有保护和控制的断路器,又被称为空气断路器,是一种只要电路中电流超过额定电流就会自动断开的开关,集控制和保护于一体的断路器,主要作用发生严重过载或短路故障时,起到失电压保护的作用[10]。
选用标准:
空气开关的额定电压(u)大于等于控制电路额定电压(U);
空气开关的额定电流(i)和过电流脱扣器的额定电流(i)大于等于控制电路计算负荷电流(I)
在这里选择市场上常见的飞羽KDR-10E-4,其具体参数如下:
(1)额定功率(W)3000
(2)出水温度范围30-45℃
(3)电线截面要求1.5m㎡
(4)空气开关16A
(5)额定压力0.6Mpa
(6)工作压力范围0.04-0.6Mpa
(7)电压/频率220V/50HZ
(8)防水等级IPX4
(9)产品尺寸(mm)330×
220×
60
图2.1.1空气开关的原理结构
2.4选择驱动器
驱动器的选用伺服驱动器,又称为“伺服放大器”或“伺服控制器”是一种用来控制伺服电机的控制器。
目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器(DSP)作为控制核心,可以实现目前比较复杂的控制算法。
功率器件普遍采用以智能功率模块(IPM)为核心设计的驱动电路,IPM内部集成了驱动电路,同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路,在主回路中还加入软启动电路,以减小启动过程对驱动器的冲击[11]。
伺服控制器通过自动化接口可很方便地进行操作模块和现场总线模块的转换,同时使用不同的现场总线模块实现不同的控制模式
主要应用于高精度的定位系统;
例如注塑机、纺织机械、包装机械、数控机床。
广泛应用于卷纸包装,机器人生产,机床数控加工等自动化设备中,其中又以控制交流永磁同步电机的伺服驱动器,更是当今世界在自动化控制中的重点研究,是其研究的热门点。
在当前交流伺服驱动器设计中,大多数采用基于矢量控制的电流、速度、位置,闭环控制算法[12]。
伺服控制器具有调速比大(1:
5000),转速比大(0.3:
1500),起动力矩大,转速不受负载影响,有位置控制等特点。
2.5电机的选择
2.5.1电机的转速V
卷纸包装机卷纸的速度为220ppm,则一秒完成4个卷纸的包装,即4*130+50*4(mm/s)=720mm/s。
皮带速度为720mm/s,功率为1.43KW。
设电动机的原轴承直径为40mm,得出周长为125.6mm,即电动机转速
V=720×
125.6r/min
=343.94r/min
2.5.2电机的功率P
P=P1/n1n2
P1为负载的功率
n1为生产机械的效率
n2为电机的效率,即传动效率
上表是电机在空载,负载情况下的工作效率。
通过查表得皮带得动摩擦系数为0.5。
经计算得机械的效率n1=80%,电机效率按0.85计算,则电机的功率:
P=P1/n1n2
=1.43
0.8
kw
=1.52kw
表2.5.1负载对比
2.5.3选择合适的电机
由于我们需要对电机进行精准的速度控制,这里选用伺服电机中交流伺服同步电机。
伺服电机可精确控制电机的速度平稳准确,并且位置精度也非常准确,在其信号的传递之中,可以将电压信号转化为特定转矩和特定转速,以驱动皮带滚筒的运行。
伺服电机大体可分为直流伺服电机和交流交流两种类型,交流伺服电机是无刷电机,分为同步和异步电机,运动控制中一般都用同步电机,无刷电机体积小,重量轻,出力大,响应快,速度高,惯量小,转动平滑,力矩稳定,而由于我们对于卷纸包装机成品运输系统的设计中,要求运输平稳有效,且传输力矩不高,每条皮带仅需承受10个成品卷纸的重量。
所以在这里选择SA系列中130系列的SM130-007-20LFB型号的电机,电机的额定功率为1.6kw,额定转速为2000r/min,转矩为7.7Nm,电机效率为78%。
图2.5.1伺服电机的型号分析
2.5.4电动机相关数据
由第一章算出的皮带速度为720mm/s,功率为1.43KW。
设电动机的原轴承直径为30mm,得出周长为94.2mm,即电动机转速:
720mm/s/94.2mm×
=458.60r/min
2.5.5基本控制思路
由计算机装置STEP7 Microwin V4.0编程软件后,编写电路图的控制程序,程序有可编程控制器运行后,将电信号传送到伺服控制器,伺服放大器控
制伺服电机的启动,停止和运行。
从而达到精确控制电机转速和启动和停止的时间。
图2.5.2基本控制思路
2.6轴和联轴器的选择和连接
2.6.1轴的直径选取
由上述可知带轮的直径为160mm,所以我们试选轴的直径为小于160mm即可.
2.6.2轴的间距
根据带长所求的结果得出轴间距为10*130+10*50mm=1800mm
2.6.3作用在轴上的力
根据查找资料的,作用在轴上的力的计算公式为Fr=2σ0Asinα1/2,其中σ0为带的预紧应力(MPa),根据机械设计手册胶帆布皮带传动设计计算,推荐σ0为1.8MPa,A为带的横截面积,α1为带轮包角。
即作用在轴上的力
Fr=2×
1.8×
768×
sin180°
/2=2.76kN。
2.6.4轴的选择
由于轴承的作用只是通过联轴器连接滚筒,滚筒直接带动皮带转动,所以这里选用的轴承是只承受转矩而不承受弯矩的心轴,所以这里通过转矩的计算公式,可以计算出轴承转矩的大小。
所以选用轴承的扭矩大于33.32Nm即可。
T=1.6Kw*9550/458.60r/min=33.32Nm
P功率,千瓦,kw;
T扭矩,牛米,Nm;
n转速,每分钟转数,r/mi;
9550是常数
2.6.5联轴器的选择
由于在这里,只需要实现同轴线的传动,所以直接选择结构简单,拆装方便的TL型弹性套柱销联轴器,通过下图2.6.1的,在这里选用TL4型弹性套柱销联轴器。
图2.6.1联轴器的型号
2.6.6键的选择
由于工作本身负载不是特别的大,仅是功率为1.6Kw,转速为343.94r/min,转矩为33.32Nm的轴承的连接,所以直接选择结构简单,安装方便的普通平键连接。
图
2.6.2普通平键的连接
2.7滚筒的选择
现在市场有很多现成的皮带滚筒,由于滚筒不需要完成什么特殊的工况要求,所以由上面的计算出的皮带的宽度为160mm,而滚筒的直径160mm.因此,只要滚筒大小和长度满足此要求的均可。
图2.7.1滚筒结构示意图
3卷纸包装架成品纸运输系统二控制系统研究与设计
3.1基本组成
断路器QF、控制按钮SB、电动机M、接触器KM、熔断器FU、时间继电器KT、中间继电器KA、热继电器FR。
断路器:
又可以叫空气开关,是电路中常见的保护电器,选用时必须考虑其额定电压、额定电流、通断效率等因素,对于不同电压等级的电路需要采用不同规格的断路器来保护电路。
控制按钮:
控制电路的启停,主要参数有外观形式、触点数量及电流容量的不同。
接触器:
是用来自动接通和断开电路的电器,主要参数要考虑其额定电压、额定电流、使用寿命等因素。
熔断器:
是一种常见的保护电路的电器,结果简单、使用方便,其工作原理是利用熔断器中溶体熔点较低的特性,在电路发生短路时会产生大量热量导致溶体溶解,使得电路断开,从而达到避免电路一直遭受破坏的情况。
时间继电器:
即在有一个输入信号后,电路会在经过设定的时间后才发生变化,或者说触点才会接通或者断开。
热继电器:
当电路温度高于一定值时起保护电路的电器。
中间继电器:
为了适当增加触点所需。
在包装流水线生产中,需要控制主电路的安全可靠,当电路发生故障时,要保证维修人员可以安全的修理设备,保护人身安全,而且电路不应过于复杂,以此来保证维修人员可以快速准确的排除故障。
电路图中程序硬件部分主要由接触器和空开对电路进行保护;
PLC和伺服控制对伺服电机的启动、停止和转速进行控制。
当电源安装接通后,按下启动按钮后,PLC传出一个稳定的信号值给伺服驱动器,驱动器接受到这个稳定的信号之后控制电机转速进行工作,此时电机反馈一个稳定数值给PLC控制器,PLC接受到信号之后,重复上诉过程运行,当电机没有反馈信息给PLC后,PLC传递停止信号给伺服驱动器,伺服驱动器控制电机停止运行。
电路控制图(4)如下:
图4电路控制
3.2PID算法
3.2.1PID简介
目前,在控制点上包含这三种比较简单的PID控制算法,分别是:
位置式算法,增量式算法,微分先行。
这三种PID算法虽然简单,但是各有各的特点,基本能满足一般控制的大多数要求。
首先必须明确PID算法是基于反馈的。
一般情况下,这个反馈就是速度传感器返回给单片机当前电机的转速。
简单的说,就是用这个反馈跟预设值进行比较,如果转速偏大,就减小电机两端的电压;
相反,则增加电机两端的电压[13]
3.2.2模糊控制
模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的计算机智能控制[14]。
而模糊控制适应大惯性和纯延滞后系统,不需要知道系统的精确信息,仅依赖于操作人员的经验和直观判断,非常容易应用。
同传统的控制比较,模糊控制响应快、超调量小、对参数变化不敏感。
但通常使用的二维模糊控制器是以系统误差和误差变化五为输入变量,具有类似于常规控制器的作用,使系统可以获得良好的动态性能,但存在静态误差。
图3.2.2模糊自适应PID控制系统通用结构图
由于模糊控制是根据工程经验总结而成,因此模糊控制仅仅需要输入量和输出量,而无需具体的数学推导的模型[15]。
模糊控制理论具有一些明显的特点:
(1)由于模糊控制是根据工程经验总结而成,因此模糊控制仅仅需要输入量和输出量,而无需具体的数学推导的模型。
(2)模糊控制反应了人类在处理问题上的经验总结,因此其控制量的表达方式为某种程度上的词语,例如高低快慢等。
(3)模糊控制用易于接受的语言来表示的。
(4)模糊控制规则可以用软件通过较为简单的方式构造。
(5)模糊控制的鲁棒性好,即使控制对象比较复杂,其控制效果也很稳定。
3.2.3PID控制的原理和特点
从控制原理来说,当一个控制对象,我们希望控制的输出达到我们设定的值,我们通常会使用开环或者闭环控制,如果控制对象的响应很稳定不会受到其它环节的影响,我们可以选用开环
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