plc实现定量给料机的集中分解控制机械.doc

常熟理工学院毕业设计（论文）

本科毕业设计（论文）

题目

学 院 机械工程学院
年 级 大四 专 业 机械电子专业
班 级 学 号
学生姓名
校内导师 职 称
校外导师 职 称 论文提交日期

II

常熟理工学院本科毕业设计(论文)诚信承诺书

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I

设计书
摘 要
是关系到国计民生的重要产业，是培育发展战略性新兴产业的重

I

Powdery material feeding system design document
Abstract
The pharmaceutical industry is an important industry in relation to the national economy, it is an important area fostering the development of strategic emerging industries, including medical equipment, packaging materials, pharmaceutical equipment, biotech drugs. While the pharmaceutical industry is a multi-disciplinary integration, into a group of high technology and means of involving the national health, social stability and economic development. At present, China's pharmaceutical industry lagged behind the West in the pharmaceutical industry a

I

绪论

I

1. 标题
1.1 输出力矩与输出功率的计算
要估算输出量的大小，先从转子和套筒定位的尺寸计算起，据调查市场上大瓶粉状药瓶容器大约350cm3，所以说转子中镂空部分除去游动子的体积大于等于350cm3，为了防止空间狭小，所以取镂空部分体积大于350cm3，这里取400cm3。
Πr2h=400 （1-1）
r2h=127.32
取 h=7
r2=18.19
r=4.26
取 r为4.2cm
根据镂空装药部分的尺寸，令转子厚度为6cm，转子的直径为10cm。
因为该转子与套筒的孔轴配合为过渡配合，该转子和套筒的相对运动方式为转动配合，相对转速较慢，不需要精确定位，且间隙配合的密封性能较差，在制药工业中可能引起药物的流失，所以过渡配合是该系统中转子和套筒配合的最好方式，故该的输出就是克服圆周转动转子和套筒产生摩擦力而引出的力矩。
为了保证转子与套筒产生滑动摩擦力，保证相对转动，根据过渡配合的摩擦力公式，可得转子的传递的力矩：
Mf>=3.14×3×10-5Pf （1-2）
查表过渡配合孔轴面的摩擦系数如下 表1-1。

表1-1 过渡配合孔轴面的摩擦系数表
材料
无润滑
有润滑
钢-铸钢
0.11
0.08
钢-结构钢
0.10
0.07
钢-优质结构钢
0.11
0.08
钢-青铜
0.15-0.2
0.03-0.06

钢-铸铁
0.12-0.15
0.05-0.10
铸铁-铸钢
0 .15-0.25
0.15-0.10
工业材料中多数选择碳钢还有合金钢，通过轧制的45钢还有球墨铸铁，高强度铸铁最为常用。碳钢的强度很高，当应力较大的时候对其敏感性比较低，热处理和机械加工比较简单容易。
合金钢比碳钢的力学性能，热处理性能更好，对集中应力敏感，价格高，用于制造强度，耐磨性要求高，或者有其他的特殊要求的产品中，用于高速重载，减少质量，减少尺寸的地方比较多。常用的合金钢有20Cr,40Cr,20CrMnTi等等。
根据制药工业设备的文献可查，合金钢在制药过程中会带来不必要的元素的掺入，可能对药物性能产生影响，所以综合各种要素的考虑，我们这里先选择45#钢，进行计算，轴的力学性能，以及强度的校核也先按照45钢进行计算。
因为用于制药过程，所以非润滑方式，钢和结构钢f=0.10，
Mf=3.14×3×10-6 P
所以要求出转子与套筒接触面的压强：
P = （1-3）
d为配合的公称直径；
E1E2为包容件与被包容件的弹性模量；
C1为被包容件的刚性强度C1=-u1；
C2为包容件的刚性强度C2=-u2；
d1 d2为包容件的内径和被包容件的外径；
u1 u2为泊松比u=0.3 铸铁=0.25；
孔轴配合的选择是过度配合，要确定压力的大小还要知道过盈量的大小，这里的孔轴的过渡配合选择的配合形式，公称尺寸为100mm，转子的尺寸mm孔的尺寸mm，所以过盈量为3um。
经过带入公式计算P=5Mpa
Mf=3.14×3×10-6×5×106=47.1N·M
输出力矩为47NM，设转速为1000r/min
P转子==4.92kw
所以经过计算得出，克服摩擦力所输出的力矩为47N·M，输出的功率为4.92kw。1.2 传动比确定与转速功率的分配
这个是个简单的单级减速系统，传动机构只有一个由两根V带组成的皮带机构。查表可得 V带传动效率为0.95，V带传动比为3。n小轮=n大轮×i=1000r/min×i=3000r/min。
1.3 电动机选型
根据传动比计算出来的n小轮=3000r/min，4.92kw/95%=5.18kw所以计算出的电动机的输出功率为5.18kw。
所以选择电动机的额定功率为5.5kw，满载转速为2900r/min，堵转转矩为2.0N·M的Y132S1-2型号的Y系列的三相异步电动机。
1.4 皮带与皮带轮的选型
1.4.1 皮带尺寸的计算标准件的选择
由两根皮带承受电动机输出的5.5kw的额定功率得到每根皮带承受2.75kw。
主动轮转速n1=3000r/min，主动轮转速n2=1000r/min，根据经验法则和查表设中心矩为900mm。
由于在药物定量包装流水线上，且为了周期旋转装卸，棘爪定时强制停止，棘爪松开i，紧急启动，所以此v带载荷变化很大，且该流水线在制药工艺的最后环节，且制药流水线上的日工作时间很长，
（1） 则取工作情况系数KA=1.6 得PC=KA×P=1.6×2.75=4.4KW
（2） 选取普通V带型号
根据PC=4.4KW，n1=3000r/min 根据手册选取A型普通V带
（3） 选取dd1属于80——100mm dd1≥75mm 取dd1=80mm
（4） 则大轮的基准直径为80mm×i=240mm
根据图标选取标准值dd2=236mm，则实际的传动比i，从动轮的实际转速分别为
i=dd2/dd1=2.95 （1-4）
n2=n1/i=1017r/min
从动轮的相对误差率为1017—1000/1000=1.7%在5%的误差允许范围内为允许值。
（4） 验算带速 v==π×80×3000/60000=12.57m/s （1-5）
带速在5—25m/s范围内可行
（5） 确定带基准长度Ld和实际中心距
Ld0=2a0+π+ （1-6)
=2303mm
选取基准长度2500mm则实际中心距可求
a=a0+Ld-Ld0/2=998.5mm （1-7）
所以说皮带的设计结果
dd1=80mm
dd2=236mm
a=998mm
Ld0=2303mm
1.5 键槽和键的选型
输出轴上的键槽和键的尺寸确定和选型，根据机械设计手册要求，键的尺寸由该轴的直径来确定，该输出轴的直径为Φ18，所以选择6×6的b×h的键，由于该键槽和键的联接状态是正常联结，所以该键槽的尺寸为，深度为。下图为Solidworks绘制的键和键槽的三维立体图1-3。

图1-3 键槽和键
1.6 法兰盘
在电机输出轴和小V带轮之间的力矩的传递中使用了键和键槽对其进行了

图1-4 法兰盘的设计图
1.7 棘爪棘轮
棘轮机构，由棘轮和棘爪组成的一种单向间歇运动机构。棘轮机构常用在

图1-5 棘轮的右视图

图1-6 棘轮的三维模型
该棘轮的安装方式为，从中心轴的右端装入，和左边的阶梯轴固定好了之后，在棘轮的右端阶梯面与中心轴进行焊接，因为在考虑孔轴的表面摩擦系数后进行焊接，过后还需要进行精加工，为了方便焊接，所以该孔轴配合的方式多为间隙配合。比如H8/f6,精度高一点的话H7/g6，公差还可以再放宽一点，加以考虑加工水平和控制加工成本。
1.8 中心轴
图1-7为Solidworks绘制的中心轴的三维立体图。

图1-7 中心轴三维图
1.8.1 轴材料的选择
这里的中心轴是本机构中的核心部分，根据轴的载荷性质不同，轴可以分为心轴，传动轴和转轴，我们这里的轴是传动轴。有着传送功率传送力矩，接受受PLC控制的棘爪的急停，启动，以及联动转子，输送粉状药物的功能。
在一般情况下，轴的工作能力取决于他的强度和刚度，对于高速轴还取决于它的震动稳定性。由于各种机械对轴的要求不同，设计所要解决的问题往往也有所不同，但对于一般的轴都要求其具有足够的强度，刚度，合理的结构和良好的工艺性。因此在轴的设计中应该对轴进行强度计算，以防止其断裂；对于有刚度要求的轴还要进行刚度计算，以防止工作时产生不必要的变形。
在设计轴时，除了要按照这些工作能力要求进行设计计算或者校核计算以外，轴的结构设计也是一个重要的问题，直接影响到轴的工作质量。
轴的材料首先首先要有足够的强度，对应力集中敏感性低，还要满足耐磨，耐腐蚀性要求，并且具有良好加工性能，价格低廉易于获得。
轴的主要的常用材料是碳钢和合金钢，其中经过轧制和锻造的45钢最为常用，其次是球墨铸铁和刚强度铸铁，碳钢具有足够高的强度，对应力的集中敏感性底，便于各种热处理和加工。一般机器中的轴采用30，40，45，50等优质中碳钢制造，通常进行调质和正火处理，不重要的或者受力较小的轴可以使用Q235，Q255，Q275等普通碳素钢制造。
上面的摩擦力计算，力矩输出的计算中，根据医疗材料的要求，我们这里的传动中心轴，受力较小，强度以及刚度要求不是太高，选用优质中碳钢的Q#45较为合适。
1.8.2轴的尺寸的设计与强度的计算
轴的强度计算方法分三种：按扭转强度计算；‚按弯扭强度计算；ƒ安全系数校核计算。
开始设计轴的时候，我们无法知道轴上面零件的位置以及固定的位置，所以无法计算轴的受力情况。所以首先按照之前计算出的纯扭矩受力对轴的直径进行估算。在估算完成后，根据轴的工作要求，性能要求，设计出轴的初始尺寸后，再对轴进行受力分析以及强度强度和刚度的计算。
我们的定量包装系统中的中心轴，仅仅受到圆周的扭转力矩，不存在弯矩的情况，所以计算校核中比较简单，首先按纯扭曲受力情况对轴的直径进行估算，该轴的转矩T=47N·M=47×103N·mm，产生的切应力为C。
τ==≤[τ] （1-8)
τ=
式中，T为轴所传递的转矩，N·mm；
WT为轴的抗扭截面系数，mm3；
P为轴所传递的功率，KW；
n为轴的转速，r/min；
Τ [τ]为轴的切应力 许用切应力，MPa；
d为轴的估算直径，mm。
轴的基本设计计算公式为
d==C （1-9）
常用的[τ]值和C值的大小与轴的材料和受载情况有关，可以查如下表1-2得到，
表1-2常用材料的[τ]值和C值
轴的材料
Q235A，20
35
45
40Cr，35SiMn
[τ]/Mpa
C
12-20
160-135
20-30
135-118
30-40
118-107
40-52
107-98

d==C=110×=18.70 （1-10）
由计算所得，中心轴的最小直径为18.70cm，所以在中心轴的设计中只要保证危险截面的直径在18.70cm向上，才可以初步保证轴的强度。
1.8.3阶梯轴的尺寸设计
轴的最左端的转子与套筒进行配合，所以转子的尺寸为厚40mm，直径为100mm的转子。为了配合棘爪的工作，中心轴的中间是一个厚度为15mm，直径为120mm的棘轮。中心轴的最右边为了配合皮带轮，并且在棘爪抓住棘轮的同时，为了起到缓冲的作用，设计出的一个摩擦轮。
轴的互换性形位误差与尺寸误差的设计，转子的公差上限位和下限位为0mm和0.05mm表面光滑粗糙度为RZ6.3，大带轮相配合的轴的全跳动相对于轴A与轴B为0.1mm。转子的端面跳动为0.1，圆柱度为0.1mm,如图1-8.

图1-8 中心轴设计图
1.8.4刚度校核计算
在确定了轴的尺寸之后，满足了扭转应力的条件下，为了防止系统在运动中，出现轴的断裂，损坏造成经济与生产上的损失，还要进行扭转刚度的计算。
扭转刚度可用其扭转角Ψ来度量。计算公式为
Ψ= (1-11)
式中，Ti为轴的第i段传递的转矩，N×mm；
Li为梯轴第i段的长度，mm；
di为段轴第i段的直径，mm；
G为材料的剪切弹性模量，对于钢G=8.1×104，MPa；
计算出变形量应满足下式，才算扭转刚度校核合格：
Ψ≤[Ψ]，许用刚度表如下表1-3。
表1-3 各类许用刚度表
变形种类
应用场合
许用值
弯曲变形
许用挠度
一般用途转轴
刚度要求较高的轴
安装齿轮的轴
安装涡轮的轴
感应电动机轴
0.0003-0.0005
≤0.0002l
（0.01-0.03）mn
（0.02-0.05）m
≤0.01Δ
L=支承间跨距；
Mn齿轮法向模数
m涡轮端面模数
Δ电动机定子转子的间隙
许用偏转角
滑动轴承
深沟球轴承
调心球轴承
圆柱滚子轴承
圆锥滚子轴承
安装齿轮出轴的截面
0.001rad
0.005rad
0.05rad
0.0025rad
0.0016rad
0.001rad
扭转变形
许用扭转角
一般传动
较精密的传动
重要传动
0.5-1
0.25-0.5
0.25
1.9 强度校核
由于是四个螺钉承受了输入轴的5.18Nm的力矩，所以每个绞制孔承受相对于法兰盘中心1.3N.m的力矩，所以所承受的里为
F=1.3Nm/0.09m=14.4N
强度校核的合格的条件为
τ=≤[τ] （1-12）
τ=14.4/3.14×4=1.1
螺钉杆与孔壁间的挤压强度条件为
σp=≤[σp］ （1-13）
式中 FR横向载荷，N；
Ds螺钉杆直径，mm；
σ螺钉杆与孔壁接触面的最小长度，mm；
[σp］螺钉与孔壁较弱材料的许用挤压应力。
计算所得M4绞制螺钉符合强度要求，校核完成。
1.10 总结：
1.11三维图的绘制
我们这里的在我们能有的水平上使用普及率较为广泛的Solidworks更加好，所以根据以上机械部分的设计对其三维制图进行绘制，并且根据其三维制图导出工程图，过程比较方便。
但是在Solidworks的绘制中皮带的绘制则受到影响，只可以生成一个起到约束作用的皮带轮简图。如下图就是Solidwoks画出的其机构三维图，如图1-9。

图1-9
1.12 装配
将装配工艺过程用文件形式规定下来就是装配工艺规程，他是装配工艺工作的技术文件，也是进行装配生产计划及技术
2. 控制部分
2.1 设计
它克服了继电器接触控制系统中的机械触电的接线复杂、可靠性低、功率高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，有照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机
2.2 动作
（1） 内
（2） 2.3 流程图
根据动作的要求，以及I/O分配的要求，绘制出流程图，为PLC梯形图的绘制做准备，顺序流程图如下图2-1。

图2-1 系统顺序流程图
2.3清单
为了下一步确定I/O接口，I/O分配，进而通过I/O点数对该PLC进行硬件软件的选型，
表2-1 电气元件清单

2.4地址分配
指示灯不通过PLC而由外线路直接控制，可以节约PLC的I/O端子数目。将输入输出信号进行地址分配见表2-2。

表2-2 PLC的输出输入地址的分配

2.5 选型
根据之前I/O列表的点数确定PLC型号，同时考虑到工艺和设备的改动以及I/O点的损坏和故障，一般保留15%-20%的备用量。

2.6梯形图
步进指令编程法通过两条指令完成，这两条指令是步进开始指令STL和步进返回指令RET，步进指令不能同辅助继电器M连用，只能和状态继电器S联用。如图2-1。

图2-1 步进指令梯形图
2.7 程序
2.8 动作
2.9 总结

参考文献
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[2]徐发旺.浅谈调速定量给料机的使用[C].水泥厂物料计量与定量给料技术学术研讨会论文集,1998.
[3]王泽.制药机械学[R].北京研究室,2012.
[4]林承全 严义章.机械制造[J].北京专注,2012.
[5]牟燕妮.定量秤振动给料机构的数控方法[J].衡器Weighing Apparatus,2005.
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[9]孙秉礼.调速定量给料秤的选用[C].第十八届多国仪器仪表学术会议暨展览会学术论文集,2009.
[10]王泽.制药机械学[R].北京研究室,2008.
[11]张春林.机械创新设计（J）.北京：机械工业出版社，1999.
[11]王中发.机械设计（Z).北京理工大学出版社，1997.
[12]吴宗泽.机械设计练习册（R）.高等教育出版社，2008.
[13]程崇恭.机械原理（R）.上海交通大学出版社，1998.
[14]王大康.机械设计基础（R）.北京工业大学出版社，1995.
[15]陈立德.机械设计（R）.上海交通大学出版社，1995.

结语

致谢
目 录

1 总 论 1
1.1 项目概况 1
1.2 建设单位概况 3
1.3 项目提出的理由与过程 3
1.4 可行性研究报告编制依据 4
1.5 可行性研究报告编制原则 4
1.6 可行性研究范围 5
1.7 结论与建议 6
2 项目建设背景和必要性 9
2.1 项目区基本状况 9
2.2 项目背景 11
2.3 项目建设的必要性 11
3 市场分析 14
3.1 物流园区的发展概况 14
3.2 市场供求现状 16
3.3 目标市场定位 17
3.4 市场竞争力分析  17
4 项目选址和建设条件 19
4.1 选址原则 19
4.2 项目选址 19
4.3 场址所在位置现状 19
4.4 建设条件 20
5 主要功能和建设规模 22
5.1 主要功能 22
5.2 建设规模及内容 26
6 工程建设方案 27
6.1 设计依据 27
6.2 物流空间布局的要求 27
6.3 空间布局原则 28
6.4 总体布局 29
6.5 工程建设方案 30
6.6 给水工程 33
6.7 排水工程 35
6.8 电力工程 38
6.9 供热工程 46
6.10 电讯工程 47
7 工艺技术和设备方案 51
7.1 物流技术方案 51
7.2 制冷工艺技术方案 67
8 节能方案分析 73
8.1 节能依据 73
8.2 能耗指标分析 73
8.3 主要耗能指标计算 74
8.4 节能措施和节能效果分析 76
9　环境影响评价 83
9.1 设计依据 83
9.2 环境影响评价应坚持的原则 83
9.3　项目位置环境现状 84
9.4　项目建设与运营对环境的影响 84
9.5　项目建设期环境保护措施 84
9.6 项目运行期环境保护措施 86
10 安全与消防 87
10.1　安全措施 87
10.2　消防 88
11 组织机构和人力资源配置 92
11.1 施工组织机构 92
11.2 基建项目部的主要职责 92
11.3 运营管理 93
11.4 人员来源、要求及培训 94
12 工程进度安排 96
12.1 建设工期 96
12.2 工程实施进度安排 96
13 投资估算与资金筹措 98
13.1 投资估算 98
投资估算包括建设项目的全部工程，主要内容有：主体建筑工程、道路硬化工程、绿化工程、其他费用及基本预备费。 98
13.2 资金筹措 99
14 财务评价 102
14.1 评价依据及方法 102
14.2 基础数据与参数选取 102
14.3 营业收入及总成本费用估算 103
14.4 利润总额估算 105
14.5 盈亏平衡分析 105
14.6 财务评价 106
15 综合效益评价 107
16 招投标管理 108
16.1 编制依据 108
16.2 招标原则 108
16.3 招标方案 109
16.4 评标要点 110
17 结论及建议 111
17.1 结论 111
17.2 建议 112

18